基于無線網(wǎng)絡(luò)的汽車振動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝錫謀

摘要：汽車是現(xiàn)代社會(huì)最主要的交通工具與運(yùn)輸工具，其安全屬性直接關(guān)乎我國道路與運(yùn)輸安全與人民群眾的生命安全。汽車輪胎、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)是其剎車系統(tǒng)失靈的主要原因之一，為解決這一問題，現(xiàn)設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)測試系統(tǒng)，降低振動(dòng)對汽車的影響。該系統(tǒng)由DSP芯片與A/D轉(zhuǎn)換器為主要功能元件，通過這兩類芯片設(shè)計(jì)各類功能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于無線網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)測試系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò);汽車振動(dòng)測試;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0219-02

0 ?引言

汽車的振動(dòng)不只會(huì)對汽車本身的行駛性能造成損害，當(dāng)汽車運(yùn)載高精密物件時(shí)，所產(chǎn)生的振動(dòng)也可能會(huì)損害貨物，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，振動(dòng)測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)的主要目的便是滿足汽車行駛的安全需求，提高汽車行駛的安全性。

1 ?基于無線網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)測試系統(tǒng)組件簡介

1.1 DSP芯片（TMS320LF2407）

無線網(wǎng)絡(luò)無需線路連接便可將數(shù)字信號發(fā)送給設(shè)備，只要設(shè)備中裝有數(shù)字信號處理設(shè)備，便可有效解讀數(shù)字信號并將其轉(zhuǎn)換為指令，推動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)作。DSP芯片便是數(shù)字信號處理設(shè)備的佼佼者之一[1]。它是專用于數(shù)字信號處理與運(yùn)算的微型處理器，可以實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字信號處理算法。例如C5000、C6000等DSP芯片已廣泛應(yīng)用于許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，推動(dòng)著語音處理、圖像識別、雷達(dá)信號識別等領(lǐng)域的發(fā)展。承載DSP芯片的可編程DSP處理系統(tǒng)具有編程操作簡便、接口便捷、穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確度高、可重復(fù)性好、集成效果好等優(yōu)點(diǎn)。

本研究選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的型號為TMS320LF2407的DSP芯片，該芯片隸屬C2000系列，是16位數(shù)字信號處理器，具有較高的性能，能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算[2]。它的內(nèi)部包含1.5k字節(jié)的數(shù)據(jù)/程序RAM，以及544字雙口RAM和2k字的單口RAM。芯片具體的中斷源與優(yōu)先級如表1所示。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換器（ADS8364）

A/D轉(zhuǎn)換器即模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须x散屬性的數(shù)字信號，使數(shù)字碼的數(shù)值與輸入的模擬量幅值成正比，具體引腳功能如表1和表2所示。A/D轉(zhuǎn)換器的主要工作方式為直接轉(zhuǎn)換方式與間接轉(zhuǎn)換方式兩種。

①直接轉(zhuǎn)換方式：將基準(zhǔn)量化電平Ug和被測模擬信號Ui進(jìn)行對比，如果比較后發(fā)現(xiàn)二者之間的誤差小于ADC的分辨率VLSB時(shí)，該量化電平所對應(yīng)的編碼值則為被測模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換值。直接轉(zhuǎn)換方式一般需要4個(gè)功能單元，分別為：基準(zhǔn)參考電源、量化電平產(chǎn)生、比較器和編碼輸出。

②間接轉(zhuǎn)換方式：將被測模擬型號轉(zhuǎn)變?yōu)槌烧鹊念l率或周期信號，再以測量周期或測量頻率的方法將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。間接轉(zhuǎn)換方式一般需要4個(gè)功能單元，分別是：基準(zhǔn)參考電源、積分器、比較器和模擬開關(guān)。

本研究選用的A/D轉(zhuǎn)換器的型號為：ADS8364。它是16位轉(zhuǎn)換器，運(yùn)算速度較高、功耗較低，適合用于噪聲較大的工作環(huán)境，具有較高的適應(yīng)性。該芯片共有64個(gè)引腳，在REFin和REFout引腳的內(nèi)部還設(shè)有+2.5V的參考電源與高速并行接口，每個(gè)輸入端都有一個(gè)可支持幾個(gè)通道同時(shí)采樣與轉(zhuǎn)換的保持信號ADCs。

2 ?基于無線網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)測試系統(tǒng)核心模塊設(shè)計(jì)

2.1 ADS8364與TMS320LF2407的接口電路設(shè)計(jì)

ADS8364的片選信號通過TMS320LF2407的地址線A15、A14、A13與I/O空間選通線IS經(jīng)過74LS138譯碼器譯碼得出。通過TMS320LF2407的同一個(gè)I/O引腳控制ADS8364的三組起動(dòng)控制信號，實(shí)現(xiàn)六通道的同步采樣。D0口到D15口與AkD轉(zhuǎn)換器ADS8364的D0口到D15口通信。 BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式。對每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過地址線A2、A1、A0來選擇。PTout為模擬信號的輸入，其電壓范圍為-5-+5V，經(jīng)過差分電路輸入到ADS8364的模擬輸入通道A0。ADS8364的BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過地址線A2、A1、A0來選擇。ADS8364的片選信號由TMS320LF2407的地址線A15、A14、A13和I/O空間選通線IS經(jīng)過74LVl38譯碼產(chǎn)生，因此ADS8364芯片地址所占用的是TMS320LF2407的I/O空間的低32K地址空間。

2.2 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)即為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是整個(gè)測試系統(tǒng)的重中之重[3]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬轉(zhuǎn)換信號的采集與處理，利用增量式PID算法原理，以PWM輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為“復(fù)位電路設(shè)計(jì)”、“時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)”、“JTAG仿真接口設(shè)計(jì)”、“存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)”四部分。

2.2.1 復(fù)位電路與時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

該DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)主要包括6個(gè)復(fù)位源。具體內(nèi)容如下所示：

①電源復(fù)位：該復(fù)位由引腳POREST引起。該引腳會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電平變化，該變化至少持續(xù)一個(gè)周期（系統(tǒng)周期，SYSCLK），并在這段時(shí)間中由低變高，產(chǎn)生復(fù)位信號。此時(shí)PC為0，DSP讀取程序并執(zhí)行，初始化時(shí)鐘單元的時(shí)鐘控制寄存器。

②RS復(fù)位：以RS為引腳時(shí)，與電源復(fù)位的效果與原理基本一致，不同之處在于RS復(fù)位并不會(huì)對時(shí)鐘模塊產(chǎn)生影響，RAM中的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變，可把DSP復(fù)位信號傳輸給其他元件。

③看門狗定時(shí)器移出復(fù)位：看門口可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)控，如果系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，看門狗定時(shí)器會(huì)溢出，造成看門狗定時(shí)器復(fù)位。另外，當(dāng)一個(gè)不正確的數(shù)值輸入看門狗的寄存器時(shí)，也會(huì)造成看門狗定時(shí)器復(fù)位。

④軟件復(fù)位：通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的寄存器控制軟件的程序代碼可實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。

⑤非法地址復(fù)位：訪問存儲(chǔ)器中的非法地址將會(huì)導(dǎo)致非法地址的復(fù)位，因?yàn)檫@些地址無法實(shí)現(xiàn)。

⑥欠電壓復(fù)位：如果電路中出現(xiàn)欠電壓，將會(huì)被芯片中的檢測電路檢測，從而產(chǎn)生復(fù)位信號。

2.2.2 JTAG仿真接口和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

TMS320LF2407芯片中搭載了JTAG標(biāo)準(zhǔn)測試接口及其控制器，利用該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)DSP仿真與程序載入操作。另外，現(xiàn)在市場中的DSP系統(tǒng)開發(fā)廠引入擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)（XDS）工具進(jìn)行輔助，該工具的仿真器承載著邊界掃描仿真技術(shù)，能夠與DSP芯片共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成階段的軟硬件連調(diào)。可通過仿真頭建立與DSP系統(tǒng)之間的聯(lián)系，利用CCS控制程序監(jiān)視程序的運(yùn)作情況，以PC機(jī)或工作站為主機(jī)，與DSP聯(lián)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸工作。

存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)以仿真靜態(tài)存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory）為具體形式。在具體的仿真流程里，需要將程序下載到系統(tǒng)的仿真靜態(tài)存儲(chǔ)器中，在DSP芯片中實(shí)現(xiàn)仿真過程。在XDS工具中并不存在仿真所需的仿真靜態(tài)存儲(chǔ)器，所以需要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

3 ?結(jié)語

社會(huì)的現(xiàn)代化發(fā)展提升了人民群眾日常生活中的科技含量，富含科學(xué)技術(shù)的汽車成為人類日常工作生活的重要工具。汽車中零件的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致剎車系統(tǒng)的失靈，對駕駛員和周邊其他人員及設(shè)備造成較大的安全威脅。基于無限網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)測試系統(tǒng)能夠自主測試汽車的振動(dòng)，抵抗振動(dòng)帶來的行駛風(fēng)險(xiǎn)，提升汽車的抗干擾能力與安全性，對汽車的發(fā)展與我國工業(yè)水平的提升做出重要貢獻(xiàn)。相關(guān)從業(yè)者可以此成果為基礎(chǔ)繼續(xù)深入研究，為我國汽車行業(yè)的發(fā)展與汽車安全性的提升做出新的突破。

參考文獻(xiàn)：

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