基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及監(jiān)測車輛運(yùn)行工況技術(shù)，屬于車輛性能監(jiān)控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輛運(yùn)行工況，即車輛的過程運(yùn)行狀態(tài)。隨著車輛運(yùn)行工況的復(fù)雜多變，其在不同 工況下的運(yùn)行時(shí)間會(huì)影響其健康狀態(tài)，為了獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)其工況進(jìn)行監(jiān)測。目 前對(duì)于車輛的狀態(tài)監(jiān)測主要通過采集車輛的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用線下處理的方式，對(duì)車輛 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)車輛的運(yùn)行工況缺少有效的在線監(jiān)測手段，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行 工況的在線監(jiān)測，需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種具備工況識(shí)別的狀態(tài)監(jiān)測模塊。目前，對(duì)于車輛等機(jī)械 系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)手段主要有性能參數(shù)監(jiān)測、油液分析監(jiān)測等，這兩種方法需要針對(duì)不 同系統(tǒng)不同部位來選擇不同的監(jiān)測參數(shù)且安裝使用不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是為了解決采用性能參數(shù)監(jiān)測、油液分析監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的運(yùn)行 狀態(tài)監(jiān)測，需要針對(duì)不同車輛來選擇不同的監(jiān)測參數(shù)，且存在安裝使用不方便的問題，提供 了一種基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊及方法。實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行過程中振動(dòng)信 號(hào)的采集、分析、處理及存儲(chǔ)，以達(dá)到對(duì)其工況監(jiān)測的目的。
[0004] 本發(fā)明所述基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊，它包括主控制器、信號(hào) 采集調(diào)理單元和TF卡；
[0005] 設(shè)置在車輛上的加速度傳感器采集車輛的振動(dòng)信號(hào);并通過信號(hào)采集調(diào)理單元發(fā) 送給主控制器；
[0006] 主控制器與上位機(jī)之間通過串口通信;上位機(jī)將前期實(shí)驗(yàn)階段工況監(jiān)測數(shù)據(jù)作為 車輛振動(dòng)信號(hào)樣本，根據(jù)該樣本建立模型，并下載到主控制器中；
[0007] 信號(hào)采集調(diào)理單元對(duì)車輛振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，由主控制器接收并處理，再根據(jù) 上位機(jī)建立的模型判斷出車輛當(dāng)前的運(yùn)行工況，并將判斷結(jié)果存儲(chǔ)在TF卡中。
[0008] 基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟：
[0009] 步驟一、上位機(jī)根據(jù)車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊提供的車輛振動(dòng)信號(hào)樣本構(gòu)建模型， 該模型構(gòu)建了車輛振動(dòng)信號(hào)的特征值與工況類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系;該模型下載到主控制器中等 待調(diào)用；
[0010] 步驟二、利用加速度度傳感器按設(shè)定的采樣頻率采集車輛的振動(dòng)信號(hào)；
[0011] 步驟三、信號(hào)采集調(diào)理單元對(duì)車輛振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，以濾除該車輛振動(dòng)信 號(hào)的干擾噪聲；
[0012] 步驟四、主控制器對(duì)步驟三處理過的車輛振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和變 換域分析，來獲取該車輛振動(dòng)信號(hào)的特征值；
[0013] 步驟五、根據(jù)步驟四獲取的車輛振動(dòng)信號(hào)的特征值，并調(diào)用步驟一構(gòu)建的模型來 判斷當(dāng)前車輛振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的工況類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行工況的在線監(jiān)測。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采集車輛的振動(dòng)信號(hào)，車輛的振動(dòng)信號(hào)包含豐富的運(yùn)行狀 態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的非侵入式監(jiān)測，本發(fā)明對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行 工況的監(jiān)測、記錄及存儲(chǔ)，以便于對(duì)后續(xù)維護(hù)提供決策依據(jù)。本發(fā)明的監(jiān)測技術(shù)具有以下優(yōu) 占.
[0015] 1、實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行過程中振動(dòng)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，采集頻率可達(dá)10kHz;
[0016] 2、能夠在線識(shí)別車輛的運(yùn)行工況(包括復(fù)雜多變的工況狀態(tài)）；
[0017] 3、能夠?qū)囕v運(yùn)行過程中的異常事件進(jìn)行報(bào)警與記錄。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明所述基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊的原理圖；
[0019] 圖2是信號(hào)采集調(diào)理單元的原理框圖；
[0020] 圖3是濾波單元的具體電路圖；
[0021 ]圖4是上位機(jī)構(gòu)建模型的流程圖；
[0022]圖5是本發(fā)明所述基于振動(dòng)信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測方法的流程圖；
[0023]圖6是異常事件報(bào)警流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]【具體實(shí)施方式】一：下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于振動(dòng) 信號(hào)分析的車輛運(yùn)行工況監(jiān)測模塊，它包括主控制器1、信號(hào)采集調(diào)理單元2和TF卡3;
[0025]設(shè)置在車輛上的加速度傳感器4采集車輛的振動(dòng)信號(hào);并通過信號(hào)采集調(diào)理單元2 發(fā)送給主控制器1;
[0026] 主控制器1與上位機(jī)5之間通過串口通信；上位機(jī)5將前期實(shí)驗(yàn)階段工況監(jiān)測數(shù)據(jù) 作為車輛振動(dòng)信號(hào)樣本，根據(jù)該樣本建立模型，并下載到主控制器1中；
[0027]信號(hào)采集調(diào)理單元2對(duì)車輛振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，由主控制器1接收并處理，再根 據(jù)上位機(jī)5建立的模型判斷出車輛當(dāng)前的運(yùn)行工況，并將判斷結(jié)果存儲(chǔ)在TF卡3中。
[0028] 信號(hào)采集調(diào)理單元2包括恒流源2-1、信號(hào)放大單元2-2和濾波單元2-3;恒流源2-1 提供恒定的工作電源，加速度傳感器4的振動(dòng)信號(hào)輸出端與信號(hào)放大單元2-2的輸入端相 連，信號(hào)放大單元2-2的輸出端連接濾波單元2-3的輸入端，濾波單元2-3的輸出端連接主控 制器1內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換單元的模擬信號(hào)輸入端。
[0029] 加速度傳感器4采用壓電集成電路ΙΕΡΕ加速度傳感器。
[0030]濾波單元2-3采用二階巴特沃斯有源低通濾波器。
[0031] 主控制器1采用ST公司的STM32F103系列微處理器，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，處理 和存儲(chǔ)，并運(yùn)行工況識(shí)別算法對(duì)裝備運(yùn)行工況進(jìn)行識(shí)別，另外，對(duì)裝備運(yùn)行過程中的異常事 件進(jìn)行報(bào)警與記錄。
[0032] ST公司的STM32微處理器基于Cortex-M3增強(qiáng)架構(gòu)，具有性能優(yōu)異、功耗超低、開發(fā) 成本低、開發(fā)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，成為低功耗嵌入式模塊的主流選擇。該控制器主頻達(dá)72MHz， 具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。STM32系列處理器可通過串口實(shí)現(xiàn)ISP編程， 同時(shí)具有串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口，方便程序調(diào)試。另外，該微處理器提供了十分豐富的 外設(shè)功能模塊，包括UART、SPI、AD采樣通道等?？赏耆珴M足信號(hào)采集與處理的需求。
[0033]主控單元主要包括晶振電路、上電復(fù)位電路、程序下載調(diào)試電路、狀態(tài)指示電路 等。其中，磁阻傳感器用于檢測是否上電。針對(duì)以上主控單元，程序的調(diào)試和下載有多種方 式，包括JTAG接口、USB、ISP串口等多種方式，本狀態(tài)監(jiān)測模塊采用JTAG接口方式進(jìn)行程序 代碼的調(diào)試與下載，這種方式可以進(jìn)行復(fù)雜的單體調(diào)試、系統(tǒng)測試以及系統(tǒng)在線編程，主要 用于前期系統(tǒng)功能程序的調(diào)試和功能的實(shí)現(xiàn)，這種方式支持?jǐn)帱c(diǎn)設(shè)置和仿真功能。另外， STM32系列微處理器中還有一個(gè)特殊機(jī)制，系統(tǒng)啟動(dòng)模式有多種方式可供選擇，包括Flash 存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器和內(nèi)置SRAM等三種，表1為不同的系統(tǒng)啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)選擇配置表。在使 用串口下載程序時(shí)，需將系統(tǒng)的啟動(dòng)模式設(shè)置為系統(tǒng)存儲(chǔ)器方式。
[0034]表4-1系統(tǒng)啟動(dòng)模式選擇表
[0035]
[0036]在模塊設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際程序調(diào)試下載需求，直接將B00T1置地，Β00Τ0連接撥碼開 關(guān)，可選擇其連接高電平或是低電平。
[0037] ΙΕΡΕ加速度傳感器由于采用壓電晶體和內(nèi)置電荷放大，因此具有靈敏度高、輸出 信號(hào)好、輸出信號(hào)質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。ΙΕΡΕ加速度傳感器內(nèi)部的壓電晶體產(chǎn)生的電量是很小的， 所以傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)很容易受到噪聲干擾，需要用靈敏度的電子器件對(duì)其進(jìn)行放大和 調(diào)理。ΙΕΡΕ加速度傳感器信號(hào)采集及調(diào)理電路主要功能是為前端傳感器輸出的原始振動(dòng)信 號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，實(shí)際的放大倍數(shù)應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場信號(hào)的大小和A/D轉(zhuǎn)換的范圍決定， 濾波的截止頻率則主要由現(xiàn)場監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)特性來決定。原理框圖如圖2所示。信號(hào) 采集與調(diào)理電路主要由恒流源電路、信號(hào)放大電路和濾波電路組成。
[0038] 傳感器輸出信號(hào)幅值往往較小，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理，將傳感器輸出信號(hào)放大 到與A/D輸入模擬電壓相匹配的電壓范圍，以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換利用最大化，從而提高測量精 度。ΙΕΡΕ傳感器在工作時(shí)輸出的原始信號(hào)由兩部分組成:一部分為靜態(tài)的直流偏置;另一部 分為動(dòng)態(tài)的交流的振動(dòng)信號(hào)?，F(xiàn)場采集的振動(dòng)信號(hào)一般為交流信號(hào)，只需要將交流信號(hào)放 大，直流信號(hào)只作為交流信號(hào)的載體從放大器輸出。因此本發(fā)明采用的是同相交流放大電 路，僅將信號(hào)的交流部分進(jìn)行放大，對(duì)直流信號(hào)的作用是電壓跟隨器。
[0039] 振動(dòng)信號(hào)采集現(xiàn)象一般存在各種干擾，會(huì)通過傳感器耦合進(jìn)入電路中，這些噪聲 會(huì)影響后續(xù)的信號(hào)分析，因此需要對(duì)傳感器信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行濾波處理，濾除