基于XC878的汽车发动机振动检测系统

温阳东， 朱 杨， 殷运鹏

（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

基于XC878的汽车发动机振动检测系统

温阳东， 朱 杨， 殷运鹏

（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

文章针对汽车发动机转速信号难以测量的问题，提出一种基于单片机XC878的振动信号检测与处理系统，即通过加速度传感器将发动机缸盖振动信号转换为电信号，滤波和放大后经过A／D转换器送入单片机，用离散傅氏变换的快速算法（fast Fourier transform，FFT）对信号进行频域分析和处理后得到汽车转速，以避免测量转速时装卸困难和机器损坏，提高了设备的可靠性，降低了设备维修成本。

振动检测；离散傅氏变换的快速算法；A／D转换

发动机是车辆的动力源，其整体性能将直接影响车辆的总体性能。转速是发动机的一个重要参数，是发动机运行状况的一个综合体现，其中蕴含着丰富的信息。瞬时转速是指发动机在一个工作循环中每一瞬时的转速，对于汽车的检测、诊断、维修以及发动机瞬时转速的测量均具有重大意义。国外在发动机检测方面起步较早，在20世纪60年代后期，国外就出现了示波器、转速表、功率表及一氧化碳测定器等检测仪器，这些是发动机检测与诊断设备的雏形。我国的发动机检测技术起步比较晚，20世纪60年代才开始进行相关研究，直到20世纪90年代以后，汽车检测与诊断技术才得到快速发展，并取得了一些研究成果［1］。传统的发动机瞬时测量技术（如机械式、光电式、电磁式、霍尔式及频闪法等）已经相当成熟，也具备相当的测量精度，但在实际应用中，总是不可避免地存在着弊端，这些测量方法一般都需要在发动机内部器件上安装传感器，费时费力，不符合快速实时的检测要求，降低了检测效率。研究表明，发动机振动信号的基频与发动机转速之间存在一定的函数关系，只要提取出发动机振动的基频信号，发动机瞬时转速就可以方便地进行测量［2］。这为开发一种基于发动机振动信号的发动机瞬时转速测量系统奠定了基础。

本文系统采用单片机作为核心，整个系统轻便灵活，现场测量显示瞬时转速信息时不需要额外依赖计算机，在恶劣复杂的工况下也能实现对车辆的无拆卸检测。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件结构

本文所设计的发动机振动检测系统的硬件总体框图如图1所示。在发动机缸盖处安装传感器后，发动机的振动量首先经过传感器转换成直流电压，再通过调理电路［2］传送到单片机内模／数（A／D）数据转换单元进行模数转换和数据存储及处理。经过处理后的数据通过数／模（D／A）模块接上示波器后即可即时地显示发动机瞬时转速。同时分析片内存储单元数据，也可以方便地分析历史转速曲线。

1.2 传感器及XC878模块电路设计

本系统选定对振动最为敏感的缸盖作为振动检测的测点，振动传感器则安装在缸盖上的紧固螺钉上，多次试验证明该位置获得的振动信息量最为丰富［3］。振动传感器和信号调理电路两部分共同组成传感器模块，本系统采用AD系列ICP加速度传感器。它的输出具有两线联接特征，即传感器的信号输出和内置IC放大器所需的恒流激励为同一根线，另一根线为地线。以此把外部加速度引起的惯性敏感元件的位移信号转变为电信号。

目前，在嵌入式开发领域，最常用的微控前单元（micro control unit，MCU）和微处理器（micro processor unit，MPU）有51系列单片机、各类数字信号器处理（digital signal processor，DSP）和高性能的ARM处理器。由于系统需要对振动信号进行离散傅氏变换的快速算法（fast Fourier transform，FFT）处理，所以主频相对较低的单片机不能满足需要［3］。本文采用的XC878单片机处理器的运算单元具有强大的数据处理能力，包括算术逻辑单元（arithmetic and logic unit，ALU）、ACC寄存器、B寄存器和程序状态字（program status word，PSW）寄存器等。其功能强大，最大外部时钟频率可以达到144 MHz，可以满足FFT运算。同时，该单片机CPU使用2个时钟周期，允许快速访问随机存储器（random access memory，ROM）或只读存储器（read－only memory，RAM），不需要等待状态，可以满足数据的即时存储。

本系统对于A／D转换速率和精度要求较高。而XC878内含1个带有8路模拟输入选择的高性能10位模／数转换器。该A／D转换器采用逐次逼近技术，最多可转换8种不同模拟通道的电压电平。由于本系统只需对1路信号进行加转换，为了防止信号串扰，将其他的7路A／D转换器输入端接地［4］。CPU的A／D转换器输入引脚AN3通道用于转换。经过调理电路处理后的电压信号送入单片机A／D转换器进行采样。转换完成后结果写入目标结果寄存器，用于进行FFT运算及相应处理。

2 软件设计

2.1 程序设计

系统软件主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

XC878中A／D转换时序分为同步阶段、采样阶段、转换以及结果输出阶段。在XC878中，模块时钟fADC会产生A／D转换器模块模拟和数字部分所需的各种时钟信号，其中fADCD为数字部分的输入时钟。根据位域CTC的值不同预分频因子可选择2、3、4、32，对应的模拟时钟分别为12、8、6、0.75 MHz。

本系统中，在XC878外接晶振频率取24 MHz时，计算1 024点的FFT大约需要4 ms。为保证系统的实时性，选择0.75 MHz作为数字部分输入时钟即可满足本系统要求。同时为了保持模拟采样和数字处理部分之间的同步，单片机需要一段转换时间fADCI，即模拟部分内部时钟。开始采样后起动转换器，采样位Sample和转换器忙Busy标志位被置位。每个模拟输入通道在这段持续时间都是相同的，采样时间控制tS＝（2＋STC）tADC。将模拟量通过逐次逼近转换成数字量，结束后将结果写入到目标寄存器内，产生结果中断［5］以触发FFT相关计算。

2.2 基频提取算法及其实现

2.2.1 基频提取算法

本文采用转速测量算法对振动信号基频进行提取。汽车发动机在运转时，汽缸爆发压力、活塞往复惯性力、旋转惯性力及其扭转是曲轴转角的周期性函数，是造成发动机运转不平衡的主要原因，而这种复杂的由发动机运转不平衡所产生的振动激励信号的频率与曲轴转速成一定比例关系［6］。测得的振动信号中含有丰富的频率分量时，可以设想应该能够从中提取出相关频谱，从而计算得到发动机曲轴的转速。一般情况下，把内燃机中的曲轴及与其相连的连杆、活塞、飞轮等运动构件称为曲轴扭转振动系统，由于该轴系并不是一个绝对的刚体，因此，也具有一个扭振自振频率，即为发动机固有频率［7］。另一方面，曲轴是在周期性变化的扭矩作用下工作的，这个周期性变化的扭矩在振动中被称为干扰力矩。干扰力矩是产生扭转振动的根源，作用在内燃机曲轴上的干扰力矩，主要是气缸内燃气压力以及曲轴连杆机构的惯性力所产生的切向力矩，其次还有因受功部件吸收功率不均匀而产生的干扰力矩［7］。内燃机一个气缸所发出的扭矩为：

其中，M0为燃气作用力所形成的平均扭矩；Mv为v次简谐力矩的振幅；Ω为干扰力矩的圆频率；v为数学简谐次数（v＝1，2，3，…）；Ψv为v 次简谐力矩的初相位。

经分析可知［7］，对于缸数为f的发动机，由于曲轴旋转2转，共有i个气缸依次经过一个热力循环，输出不平衡力、力矩和扭矩，当测得的振动基频信号频率为f0时，曲轴转速为：

其中，τ为冲程数。

对于缸数和冲程数确定的发动机，如果能够通过采样其振动信号，并分离出振动基频信号，就可以通过（2）式求出实时的转速。对于本文所选用的桑塔纳实验车辆来说，发动机冲程f＝4，发动机缸数i＝4，代入（2）式即得理论转速为发动机振动基频的30倍。假设采样频率为fs，信号频率为f，采样点数为N，则经过FFT运算后所得结果为1个N点的复数。每个点对应着1个频率点，该点的模值即为该频率值下的幅度特性。

自相关函数与原信号有着相同的周期性，对应有相同的基频值，并且周期特性更为明显。故本系统利用压电传感器测定发动机缸盖处的振动信号，将采得的振动信号经过加窗、滤波等预处理后先对其进行自相关运算，然后对自相关函数进行傅里叶变换，由于基频处蕴含有最大能量，故变换后除直流分量外复数模值最大处即为基频［8］，即可根据基频求取理论转速值。

2.2.2 算法的单片机实现

51单片机通常可以使用Keil公司开发的u Vison系列软件进行软件开发。在编写对实时性要求较高的控制系统软件时，将C与汇编相结合进行编程。本系统FFT运算主体即用混编语言编写。实现1 024点FFT中蝶形因子运算程序的一部分如下：

3 结果与讨论

实验所用普通桑塔纳轿车发动机在怠速700 r／min时，由振动传感器实际采集的振动时域部分波形及频谱如图3所示。由图3可看出，蕴含最大能量即基频处对应频率为24.1 Hz，计算后得出理论转速为723 r／min，与实际转速相比，误差为3.3%，精度较高。

图3 发动机700 r／min怠速时的时域波形及频谱

对普通桑塔纳轿车发动机的转速进行实际测量和理论分析，结果如图4所示。

图4 理论转速与实测转速的比较

由图4可知，理论转速与实际转速基本吻合，误差很小。发动机实际工作时，由于喷油器、继电器等感性负载的驱动电路断电，有可能会产生瞬时过电压和冲击电流，这些强电干扰信号会产生电磁感应，可能在实际转速曲线上造成较大的抖动［9］。理论转速可以较好地表征瞬时转速，说明基于XC878的汽车发动机振动检测系统是可行的，可实现对汽车无拆卸情况下的嵌入式检测。

4 结束语

采用本系统对车辆进行基本性能检测时，采集与处理的数据精度受到诸多因素的影响，而试验对参数采集精度、灵敏度及系统的稳定性等要求均很高，试验数据的可靠性将直接决定汽车性能评价结果的可信度，因此需要采取相应的改善措施，以保证系统的可靠性。系统硬件设计中，采用的滤波模块可以进一步削弱采样信号中的干扰成分，信息处理中可加入数字滤波模块来减小测量误差。另外，在系统中可加入上位机实现人机接口的实时控制，在对FFT结果进行分析提取基频时可加入小波分解［10］对信号进行预处理、对提取的基频序列进行平滑处理［11］等优化算法以减小误差。

［1］任冠鹏.基于虚拟仪器的发动机振动检测的研究［D］.沈阳：东北大学，2007.

［2］袁晓明，叶 平，刘 春.基于ARM7的采煤机振动检测［J］.矿山机械，2005，33（3）：16－21.

［3］张英详，牛晓春，郭 涛.基于DSP的实时震动信号分析处理系统设计［J］.电子设计工程，2009，17（7）：84－86.

［4］阎 馨，付 华.基于软测量和数据融合的煤与瓦斯突出预测［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1308－1311.

［5］陈大力，刘南平，化雪荟.基于ARM的大中型电机振动测量系统设计［J］.自动化技术与应用，2009，28（7）：88－91.

［6］丁 柏，宋 翔.基于振动基频的一种发动机转速测量新方法［J］.长江大学学报：自科版，2013，10（28）：76－79.

［7］殷玉楼.基于振动原理的发动机转速测量方法的研究［D］.南京：东南大学，2008.

［8］王颖鑫.45W节能型管道屏蔽电泵控制器的设计［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［9］姚竹亭，潘宏侠，吴立新，等.故障树法在车辆控制系统CPU板故障诊断中的应用［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1317－1319.

［10］刘全亮，罗章海.基于ARM的风机振动检测系统设计［J］.电脑知识与技术，2012，21（8）：5174－5175.

［11］邱扩伟，谢扩军.基于DSP的风力发电机振动检测系统研究［J］.仪器仪表用户，2010（3）：56－58.

XC878－based automotive engine vibration detection system

WEN Yang－dong， ZHU Yang， YIN Yun－peng

（School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In this paper，a XC878 microcontroller－based vibration signal detection and processing system is proposed，for the car engine speed signal is difficult to measure.The vibration signals of the cylinder head of the engine are transformed into the electrical signals through the acceleration sensor，and then put into the microcontroller through A／D converter after filtering and amplification.The frequencydomain analysis and processing of the signals are carried out by using fast Fourier transform（FFT）algorithm and the car engine speed is gotten，thus avoiding machine damage and handling difficulties when measuring speed，improving the reliability of the equipment and reducing the maintenance costs.

vibration detection；fast fourier transform（FFT）；A／D conversion

TP23

A

1003－5060（2015）02－0149－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.002

2014－02－17；

2014－05－27

温阳东（1955－），男，安徽合肥人，合肥工业大学教授，硕士生导师.

（责任编辑 闫杏丽）