基于DSP的汽车转速测量新方法及仪器研制.doc

基于基于 DSP 的汽车转速测量新方法及仪器研制的汽车转速测量新方法及仪器研制 曹 广 忠 邱 建 A New Noise based Method for Measuring the Rotary Speed of a Car s Engine and Its Implementation Based on DSP Cao Guang zhong Qiu Jian 摘摘 要要 传统的声级计主要由硬件滤波网络和计权网络构成 而汽车发动机的转 速是基于测量机械量的汽车转速表给出 提出了通过非接触传声器测量汽车噪声从而计算 汽车发动机转速的新方法 运用小波变换理论为基础的信号降噪处理技术 将有用信号从 汽车排气管口噪声背景中提取出来 研究了提取汽车转速信息的信号处理算法 设计了一 种基于 DSP 和单片机的双 CPU 硬件结构 开发了相应嵌入式软件 实现了噪声 A 计权声 压级和汽车转速的分析和测量 验证了所提出的方法 研制出基于汽车排气管口噪声测量 的汽车发动机转速测量新型仪器 该仪器转速测量范围 30 8000RPM 测量误差 10 转 分 噪声测量范围 30 130dB 分辨率 0 1dB 准确度优于 0 5dB 关键词关键词 汽车发动机转速 数字信号处理器 DSP 噪声测量 仪器 作者单位 作者单位 深圳大学 通讯地址 通讯地址 邮编 518060 深圳大学工程技术学院自动化科学系 电电 话 话 26534057 E mail gzcao 0 0 引言引言 汽车工业的迅猛发展使汽车检测日益重要 汽车噪声及汽车发动机的转速测量是环 境检测部门及汽车故障诊断研究的重要内容 噪声测量仪器在环境 设备的噪声检测和噪 声控制中起着十分重要的作用 噪声的声级和频谱声压级测量是噪声测量中最基本的测量 项目 也是其它噪声测量的基础 常规的噪声测量中普遍采用声级计 传统的声级计一般 是利用硬件计权网络实现对噪声信号的计权 利用硬件的滤波网络实现噪声的倍频程分析 等 自然可以采用传统的声级计测量汽车的噪声 但是与此同时却无法获取汽车的转速 获取汽车在不同转速下的噪声以及欲知在某噪声时的相应转速都是非常重要的 对汽车的 研究与认识表明可通过测量汽车排气管出口处的噪声 考虑该噪声和汽车转速的内在关系 借助数字信号处理技术以获得相应转速 从而可实现汽车噪声和转速的同时测量 即本文 提出的通过非接触传声器测量汽车噪声从而计算发动机转速的新方法 随着数字信号处理 DSP 技术的迅速发展 以及其特殊的适于实时信号处理的硬件 结构 使得 DSP 芯片成为高性能仪器中处理信号的核心 本文采用浮点 DSP 芯片作为信 号处理中心 而单片机作为人机交互功能的管理中心 开发相应算法与管理软件以验证所 提出方法的正确性 从而开发出了基于汽车排气管口噪声测量的汽车发动机转速分析新型 仪器 1 1 噪声测量的基本理论噪声测量的基本理论 1 11 1 噪声声压级 计权和倍频程表示噪声声压级 计权和倍频程表示 1 1 在噪声测量中用声压级来表示噪声的强弱 噪声声压级按下式定义 1 2 0 2 lg10 P P Lp 式中 0 2 10 5 Pa 为基准声压 P 为有效声压 在环境监测和机电产品自动检测中 经常需要了解噪声的频谱结构 对于频率为 12 20000Hz 的可闻声 频率有 1000 多倍的变动率 用等带宽表示非常不便 通常采用倍 频程表示 用 1 3 倍频程表示时 一共分为 32 个频段 对于相同强度的声压 人耳对于低 频段噪声远不如高频段噪声敏感 为了反映人耳对于噪声响度的频率响应 在噪声评价中 普遍采用计权声级作为评价参数 其中 计权声级能很好地反映人耳对噪声响度的频率 响应 应用最为普遍 本文即采用 计权 各种计权的修正量可参考相应的标准 1 21 2 基于基于 FFTFFT 的噪声声压信号分解的噪声声压信号分解 由于噪声计权声级对不同的频段有不同的计权修正量 因此 必须对声压信号进行 分解 虽然噪声信号具有随机性 随机信号在理论上不满足傅里叶变换的条件 但是 对 于噪声测量 通过测量系统得到的每一个有限长样本 p t 都是能量有限的确定性信号 满足傅里叶变换条件 可以进行傅里叶变换 考察一个有限长噪声声压信号样本 p t 设 样本长度为 其有限傅里叶变换可写为 2 dtetpfP T ftj 0 2 当信号 p t 经过 采样后 形成离散数据序列 p nts ts为采样间隔 样本的数据 点数为 则对式 2 归一化的离散形式为 3 1 1 0 1 0 2 NnkenpkP N n nk N j 根据离散傅里叶变换可知 p n 经离散傅里叶变换后得到的离 P k 是一个长度为 的 复数序列 其第 k 个数据可写成如下形式 4 kk jbakP 在满足采样定理的条件下 它可以表示 p t 中频率为 k T 的简谐分量 Pk t 5 kkk TktPtP 2cos 式中 为 Pk的幅值 为 Pk的相位角 22 1 kkk ba N P kkk ab arctan 因此 p t 可以写成简谐函数形式 6 k N k k N k k TktPtPtp 2cos 1 0 1 0 由式 4 可知 对于一个特定地点的噪声 p t 可以分解成若干个不同频率的纯音源 Pk t 之和 1 31 3 噪声声压级的合成噪声声压级的合成 在实际声场中 当有 个噪声源同时发出噪声时 设声场中某处第 k 个噪声源的声 压为 Pk 则可求出声场的合成声压级 根据声能叠加原理 并利用声强与声压的关系 有 7 n k kn PPPPP 1 2 2 2 2 2 1 2 由式 7 知 多声源合成声压的能量与各纯音的能量成线性关系 考虑到式 1 多频 噪声总声压级可表示为 8 2 0 1 2 lg10 P P L n k 总 由此可见 只要能够测出或分解出噪声的每一个单纯音的声压 Pk 就可按照式 7 和 式 8 求得一定频段内的声压级和噪声总声压级 因此 只要可以从噪声声压信号 p t 中分 解出 Pk 就很容易实现各种计权分析和倍频程分析 2 2 汽车转速测量新方法汽车转速测量新方法 汽车废气气流从排气口喷出 由于排气过程的周期性而在喷出口形成一个流场作周 期性变化的气流 于是废气喷出口便成为一个点声源 假定附近没有反射面 就会形成球 对称的声场 喷出后经过时间 t 该声场中离喷出口距离为 r 处的声压瞬时值可表述为 9 t crtV r S trp 4 0 式中 S 喷出口的截面积 0 分别为空气静态密度和声速 V 气流流出速度 气流速度变化的频率就是发动机气缸爆发的频率 10 Z n f 30 式中 n 转速 Z 缸数 每个工作循环的行程数 由式 10 可知 如果一四冲程四缸的汽车发动机转速为 2400r min 则因其排气脉 动而在排气口产生噪声的频率为 80Hz 可见这个频率相当低 即使转速增加一倍 达 4800r min 频率也只有 160Hz 这种噪声构成了排气噪声的低频部分 称为基频噪声 在 排气噪声频谱中相当突出 因此 通过适当方法测量可获取该基频值 综上可以得出 如果已知汽车发动机的缸数 Z 每个工作循环的行程数 再通过测 量排气出口的噪声信号后 通过适当数字信号处理算法对该信号进行处理 获取发动机气 缸爆发的频率 f 即可根据 10 式计算出汽车发动机的转速 3 3 仪器设计方案仪器设计方案 3 13 1 仪器硬件结构设计仪器硬件结构设计 为了实现小波变换降噪 FFT A 计权噪声总声压级和汽车转速的分析和计算 采用 DSP 芯片是目前最佳的硬件设计方案 随着计算机和信息技术的飞速发展 数字信号处理 技术应运而生并得到了迅速发展 已广泛应用于通讯 计算机 控制等领域 本设计所研 究的正是基于 DSP 技术的新型测量仪器 系统设计的核心是 DSP 系统 硬件由以下几部分组成 模拟部分 A D 转换 DSP 系统即主要是数字信号处理器 DSP TMS320VC33 2 MCU 系统即单片机 AT89C51 闪速存储器 FLASH 静态存储器 SRAM 液晶显示器 LCD RS232 电平转换芯片 MAX3221 看门狗芯片 MAX813 电源管理芯片等 所设计的总体硬件原理结构如图 1 所示 3 其工作原理是 通过传声器 拾取声音信号 经前置放大 滤波等信号调理 进行 A D 转换 再把数据输入给 DSP DSP 对输入数据进行算法处理 包含小波变换 FFT 倒谱等运算 噪声分析 转速 运算 最后得出定置噪声和转速值 输出到 LCD 上显示 其中 LCD 显示和按键处理等都 由单片机进行控制 系统采用主从式硬件设计方式 即 DSP 作为从机 主要进行数据的处理和运算 选 择 ATMEL 89C51 单片机作为主机进行系 统的控制 即控制数据的采集 显示 键盘输入等 单片机与 DSP 的通信采 用扩展并行口方式 如果单片机要向 DSP 发送数据 则单片机先将数据放到 锁存器 单片机的一个输出口 地址是 1000H 记为 A 输出口 然后向 DSP 发送中断请求 DSP 在响应单片机的中 断请求时从该锁存器 DSP 的一个输入 口 地址是 140000H 记为 B 输入口 读取数据 从而完成数据的传输 同样 地 如果 DSP 要向单片机发送数据 则 DSP 先把发送数据放在另一锁存器 DSP 的一个输出口 地址是 15000H 记为 C 输出口 然后向单片机发送中断请求 单 片机在响应 DSP 的中断请求时从该锁存器 单片机的一个输入口 地址是 2000H 记为 D 输入口 读取数据 信号源于汽车发动机的噪音 频率都在 2KHz 以下 采样频率选择 10KHZ 完全能够 满足信号带宽要求 采样点数 N 4096 每帧数据的采样时间为 0 4096s DSP 选择 TI 公司 的 TMS320VC33 120 浮点 DSP 其运算速度为 120MFLOPS 估算每帧数据的处理时间小于 100ms 即约 0 5s 处理一帧数据 声级和转速显示刷新时间也为 0 5s 3 23 2 仪器软件设计仪器软件设计 4 9 4 9 3 2 13 2 1 软件的功能软件的功能 1 自检功能 测量仪在上电后 要检测硬件是否能正常工作 比如扩展 RAM 是否正 常 AD 转换是否准确等 2 测量噪声及发动机的转速 测量之前将发动机的冲程数和缸数等输入给测量仪 测量结果在 LCD 中显示出来 测量的工作方式有两种 一种是点测 另一种是连测 3 将测量数据及结果传给 PC 机 为了保存 打印测量结果 测量仪可以通过 RS232 串行口将测量数据及测量结果传到 PC 机 传送到 PC 机的数据有两种 一种是采样数据 另一种是对采样数据进行 FFT 转换得到的频谱数据 3 2 23 2 2 设计前的考虑设计前的考虑 1 1 两个两个 CPUCPU 的同步问题 的同步问题 该仪器采用了两个 CPU 两个 CPU 需要密切配合好才能完 成预定的功能 由于两个 CPU 采用不同的晶振 而且它们的速度相差很大 所以它们之间 的通信程序要考虑两者的同步问题 同步问题的解决办法有两种 一种是中断 另一种是 等待 本设计采用等待和中断相结合的方式 即在中断服务程序中采用等待来实现两机通 信的同步 2 DSP2 DSP 算法的速度问题 算法的速度问题 为了提高 DSP 的运 算速度 一方面要从计算方法入手 使算法最简练 快速 另一方面尽可能采用并行处理的方法 如运 算的同时进行下一次运算数据的采样 3 2 33 2 3 开发工具的选用开发工具的选用 传声器 信号调理 A D TMS 320VC33 自动充电电源 LCD FLASH SRAM ATMEL 89C51 键盘 外部通讯 模拟控制 DSP 电源 数字电源 模拟电源 图 1 总体硬件原理框图 本设计的单片机程序采用 C51 语言来编程 DSP 部分的程序采用 C 和汇编语言进行交 叉编程 之所以这样 是因为一方面可利用 C 语言提供的运算函数 简化算法程序的设计 另一方面可利用汇编语言速度快 时序清楚 直接 对硬件进行操作的优点 同时有很多运算 如 FFT 只有用汇编语言进行编写才能体现出 DSP 的性能 DSP TMS320VC33 的编程和调试通过 CCS Code Composer Studio 和 JTAG 测试仿真口 进行 CCS 是一个集成的开发平台 具有编辑 汇编 编译 软硬件仿真调试功能 是一 个界面友好 功能较完善的开发工具 如图 2 所示 3 2 43 2 4 程序设计程序设计 所设计的 DSP 主机 单片机 主程序流程分别如图 3 4 所示 开始 Boot loader 初始化中断 A D D A 采集 4096 个数据 接收主机命令 向主机传送频谱 信号处理 小波降噪 加窗 标定 FFT 功率谱密度 声压谱 N Y 求倒谱 获得基频 转速 将结果通过传送给主机 传送频谱数据 Y N 开始 初始化 LCD 串口中断 复位 DSP 命令 DSP 开始测量 读键值 测量吗 通过串口向 PC 机传送频谱 N Y 显示测量结果 传送频谱 Y N 测量结束 其 余程序流程略 所开发的软件在上述设计的硬件上成功运行 并达到了预期的要求 4 4 结束语结束语 本文研究了一种新的汽车转速测量新方法 应用先进的小波分析方法完成汽车排气 噪声信号的降噪处理 采用 FFT 实现频谱分析以及倒谱方法寻找含有汽车转速信息的特征 基频 成功开发了基于 DSP 的相应测量仪器 所开发的仪器样机如图 5 所示 获得的仪器技术指标如下 a 发动机 转速测量范围 30 8000 转 分 b 转速测量 误差 10 转 分 c 噪声测量范围 30 130dB d 计权方式 采用 A 计权修正 e 声 级分辨率 0 1dB f 声级准确度优于 0 5dB 基于 DSP 开发的数字式汽车转速检测仪 器 兼有测量声级和转速两种仪器的功能 集成度高 体积小 性价高 目前已成功应 用 具有良好的应用前景 该新仪器不仅可 应用于汽车性能的检测 还可应用于工业