鄧汝奎，范毅，李光平，班璐

（南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200）

前言

隨著汽車行駛里程以及使用年限的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)往往會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)的情況，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)診斷檢測(cè)，常見(jiàn)的通過(guò)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否缺火，識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在缺缸工作[1]，但發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，還存在諸如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)腳性能下降導(dǎo)致的異常抖動(dòng)，或者異常振動(dòng)不是非常明顯時(shí)，通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)往往難以察覺(jué)，因此，利用發(fā)動(dòng)機(jī)在出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率的變化特點(diǎn)，識(shí)別并判斷發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)的類型，能夠及時(shí)地避免因發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)造成的異常損耗。

對(duì)于振動(dòng)頻率，一般采用頻譜分析儀進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)的頻譜分析儀價(jià)格昂貴，且不方便攜帶，操作界面不夠簡(jiǎn)潔，需要具備一定的頻譜分析基礎(chǔ)才能夠正確分析故障[2]，對(duì)于汽車維修技術(shù)人員操作具有一定的難度。為了降低汽車維修技術(shù)人員的檢測(cè)難度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)的自動(dòng)化水平，同時(shí)降低汽車維修檢測(cè)儀器的使用成本，針對(duì)汽車后市場(chǎng)，設(shè)計(jì)一款低成本高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)以英飛凌TC264DA單片機(jī)為核心，芯片自帶FFT傅里葉變換硬件模塊，且價(jià)格相對(duì)低廉，非常適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。采用 MPU6050模塊實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度，傳輸至主控芯片TC264DA，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工作頻率，將振動(dòng)頻率與所存儲(chǔ)的各類工況下的頻率進(jìn)行對(duì)比[3]，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)存在何種異常振動(dòng)的診斷結(jié)論，供汽車維修技術(shù)人員參考。即形成信息采集、信息處理、結(jié)論顯示的硬件電路系統(tǒng)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)診斷目的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片介紹

英飛凌作為全球知名半導(dǎo)體生產(chǎn)公司，為汽車電子控制設(shè)備提供半導(dǎo)體及系統(tǒng)解決方案，其產(chǎn)品以可靠性、安全性、卓越質(zhì)量著稱。英飛凌TC264DA內(nèi)核架構(gòu)為雙核Tricore架構(gòu)，芯片主頻雙核200Mhz，2.5MB Flash閃存[4]，具有ECC保護(hù)，96KB EEPROM，752KB RAM，可采用HighTech或者Tasking進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，TC264DA自帶硬件FFT，可以直接進(jìn)行傅里葉變換運(yùn)算[5]，無(wú)需編寫(xiě)FFT算法程序，直接進(jìn)行模塊初始化，配置相關(guān)參數(shù)即可，F(xiàn)FT最長(zhǎng)支持1024點(diǎn)，支持I2C、串口、SPI、CAN等多種通訊協(xié)議，能夠完全滿足本次設(shè)計(jì)的需求。

2.2 振動(dòng)信息采集模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性通過(guò)振動(dòng)加速度變化實(shí)時(shí)反應(yīng)，因此，可以采用加速度傳感器獲取發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)。MPU6050是六軸傳感器，可以獲取三軸加速度、三軸陀螺儀及溫度等數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)部集成 DMP模塊，能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合處理，運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)由I2C通信接口傳輸至主控芯片。工作電壓在3.3V-5V之間。為了使不同模塊之間的供電電壓一致，采用3.3V供電即可。加速度輸出頻率最高可達(dá)1000Hz。加速度三維輸出，其ADC分辨率達(dá)16位。工作電壓為3.3V時(shí)，其工作電流在500uA-3.9mA。

2.3 診斷信息顯示模塊

經(jīng)FFT運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示屏直接顯示結(jié)果，維修人員根據(jù)該結(jié)果直接判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在異常振動(dòng)。

顯示屏采用1.8寸TFT彩色液晶模塊，分辨率128×160，供電電壓3.3伏，模塊采用SPI串口通信，只需7個(gè)IO口即可控制，如表1。

表1 數(shù)據(jù)表

2.4 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)首先確保單片機(jī)能夠正常工作，即具備單片機(jī)最小系統(tǒng)：電源、晶振、復(fù)位電路。晶振及復(fù)位電路按照官方參考方案設(shè)計(jì)即可，TC264DA工作電壓為3.3V，MPU6050模塊工作電壓在3.3V-5V之間，TFT顯示屏工作電壓為3.3V，因此考慮裝置的

使用便利性以及各模塊之間的用電需求，電源可直接采用車載電源 12V作為工作電源，通過(guò)穩(wěn)壓芯片將電壓降至3.3V即可為各系統(tǒng)所用。AMS1117-3.3.芯片是典型的線性穩(wěn)壓電源，輸入電壓在4.75V-15V，降壓后輸出3.3V，最大輸出電流1A，能夠滿足設(shè)備的功率需求。

MPU6050直接采用單體模塊，需外接的引腳有VCC接3.3V電壓，GND接地線，SCL為I2C從時(shí)鐘線，SDA為I2C從數(shù)據(jù)線，這兩個(gè)引腳接上拉電阻后與TC264DA的I2C引腳P13.0和P13.1相連，AD0引腳懸空，此時(shí)，芯片地址默認(rèn)為0x68。

圖1 系統(tǒng)電路

顯示屏TFT彩色液晶模塊需外接的引腳如下，VCC接3.3V電壓，GND接地線，CS為片選信號(hào)，由單片機(jī)引腳P20.13控制；D/C為數(shù)據(jù)/命令選擇端口，連接單片機(jī)P20.12引腳；RST為復(fù)位引腳，連接單片機(jī)P20.10引腳；SCK為時(shí)鐘輸入，連接單片機(jī)P20.11引腳；SDI數(shù)據(jù)輸入，連接單片機(jī)P20.14引腳。

綜合上述，裝置電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了英飛凌TC264-DA最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，MPU6050模塊外圍電路設(shè)計(jì)，TFT彩色液晶模塊外圍電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路能夠滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)檢測(cè)裝置的功能需求，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，系統(tǒng)電路如圖1所示。

3 結(jié)論

本文根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)不容易診斷的問(wèn)題，基于英飛凌TC264DA單片機(jī)具有硬件FFT的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款低成本的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)檢測(cè)裝置硬件電路。只需將振動(dòng)傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)后，裝置即可識(shí)別存在的故障及其類型，大大降低了汽車維修人員在的錯(cuò)診率，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)檢測(cè)的診斷效率，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。