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采用STM32F407芯片进行发动机状态监测系统的设计

MEMS 2018-12-04 16:48 次阅读

发动机是车辆的动力装置,其状态好坏直接影响车辆性能。发动机结构复杂,工作条件恶劣,因此是车辆运行中故障最多的组成之一。所以,对发动机状态进行监测是具有重要现实意义的。

传统的发动机状态监测方法常见的有热工参数监测法、磨损特征分析法等,这些方法要求在发动机多个部位上安装传感器,不仅自动化程度低,而且测试耗时费力,难以满足现实需求,所以开发操作简便、可靠性高的新型监测方法已变得十分迫切。在发动机工作过程中,每一种声响都对应于特定频谱,当其运行状态不同时,如出现故障,其发出的声音频谱会出现变异和失真,总有一些特征频谱区别于其他声响。因此检测发动机工作时发出的声音信号,并利用LABview编写声音信号处理软件,能快速有效的提取声音的特征信息。实现对汽车发动机状态的监测,为汽车安全运行和后续故障诊断提供依据和保障。

1 系统总体设计

本系统以Stm32F407做主控芯片,利用音频传感器作拾音器,将其安装在发动机机架上,通过嵌入式系统进行音频采样和数据格式转换,采集汽车发动机在不同状态下因振动而发出的声音信息,再用LabVIEW编写程序对采集到的音频信号进行处理和显示,从中分析出发动机的运行状态的特征。

2  系统硬件设计

系统硬件设计主要包括主控模块、信号采集模块、通信模块和上位机。音频传感器采集发动机的声音信号,将采集到的模拟信号转换成数字信号,送入主控芯片进行格式转换,再将转换后的信号送到上位机的LabVIEW程序,对其进行处理,做谱分析,提取有用信息。

2.1  音频采集模块

本系统实现声音检测的硬件是MP45DT02  MEMS麦克风,该模块由3V电源供电,麦克风带有A/D转换功能,主控模块中由SPI或I2S外设产生的时钟信号经主控芯片STM32F407的PB10引脚输入MP45DT02,作为音频采集的时钟信号。该模块采集声音后,输出PDM格式的高频1位数字流信号,频率范围为1到3.25MHz,经由PC3脚输入主控模块。而主控芯片通过同步串口I2S对输入的PDM数据流以8个样本为一组进行采样,再经过主程序的PDM Filter库处理,将信号转换成16位脉冲编码调制(PCM)格式的数据流,产生音频的原始信号,保存在大容量存储介质中并送到LabVIEW程序处理分析。

2.2  按键通信模块

本系统采用按键中断来实现信号采集和主控芯片的控制关系。系统采用的用户按键电路由3.3V电源供电,该模块通过按下按键,将高电平信号从PA0脚输入STM32F407,相当于发出一个中断信号,控制音频采集程序的开始及初始化,在系统中起到监视音频采集的作用。

而应用的复位按键电路,连接的是STM32F407的NrsT脚,它是异步复位脚。当通过控制复位键,从NRST脚将低电平输入主控制器时,mcu执行复位程序,重设内部寄存器,以及片内SRam;而当输入高电平时,芯片被置位,PC指针从0地址开始。

2.3  主控模块

主控模块是整个系统的中心部分,包含了基本的电源电路。主控芯片时钟信号是程序运行的基础,这个模块包含了高速外部时钟(HSE)电路和低速外部时钟(LSE)电路,可根据不同的需要来选择不同的时钟电路。同时,该模块中还含有LED灯电路,通过其不同的发光状态,来了解程序执行到哪一步,便于程序排错及处理。

3  系统软件设计

系统的软件部分主要由主程序、系统初始化管理、按键管理、显示管理、中断管理、时钟管理、通信管理等模块组成。主程序可调用各模块,引导系统进入正常运行状态,协调软、硬件有条不紊地工作。显示模块主要是在数据采集的过程中指示灯的不同状态代表不同的程序运行阶段显示和在数据分析中得到的图谱和特征值显示。而系统的通信则包括单片机与拾音器的通信和单片机与上位机的通信。

3.1  主控模块软件设计

主控模块主要是通过单片机STM32F407来控制各个外设的运行,系统上电后,首先进入系统初始化,初始化可编程器件、输入/输出端口和相关参数,之后主程序处于循环扫描模式,等待定时及按键中断,以便捕捉中断信号从而进入相应地服务模块。系统主流程图如图1所示,整个程序由数据采集、数据转换、数据分析三个部分构成循环体系,当得到预期的音频图谱后,就返回主程序。

采用STM32F407芯片进行发动机状态监测系统的设计

3.2  数据采集模块软件设计

本系统中使用的音频采集芯片是MP45DT02 MEMS麦克风。在数据采集开始之前,首先要进行初始化,将I2S外设产生的1024KHz时钟配置为主时钟,以生成正确的数字麦克风输入时钟1024MHz。1024MHz的时钟频率可根据输出音频数据流(16KHz)和选择的采样因子(64)计算得出(16000Hz x 64 =1024MHz)。之后执行数据采集循环程序,直到获得16位PDM数据样本,才进入下一中断程序。

3.3  数据转换模块软件设计

音频信号被捕获以后,经MEMS麦克风处理输出的音频信号是PDM格式1位数据流,这是一种在数字域中表示模拟信号的形式,它的表示方式是对一系列与模拟信号幅值对应的脉冲的相对密度进行编码。而本系统中LabVIEW程序不能处理PDM数据,所以要通过PDM Filter lib对其进行处理,将其转换为PCM数据。该库要对信号进行滤波和采样处理,因为麦克风输出的PDM数据的频率与输入的时钟信号频率一样,比较高,所以在这个过程中,首先要做的是降低采样频率。之后还要对信号进行调节,先用高通滤波器消除信号的直流偏移,保证信号的质量,然后用低通滤波器送出数据。整个过程完成之后,才能将音频信号转化PCM格式。而调节中涉及到的两个滤波器可在程序中通过初始化函数使能、禁止和配置,相关增益G=MIc GAIn/64。

3.4  数据分析模块软件设计

数据分析部分要在上位机的LabVIEW中用图形化编程语言完成,该部分要对存储的音频文件做滤波和频谱分析等处理,数据分析程序框图如图2所示。进入数据分析子程序后,先要进行初始化,将PCM数据读进来,再对信号进行滤波除噪,然后分别对信号进行频谱变换、特征值测量和单频测量,将得到的相应图谱和数据显示在前面板上。

采用STM32F407芯片进行发动机状态监测系统的设计

这里使用的滤波器是IIR数字滤波器,其幅频特性精度很高,是非线性相位,用于对相位信息不敏感的音频信号上比较合适。之后为了更好的观察信号的特点,最主要的是对信号进行频谱变换,这里采用快速傅氏变换(fft)对信号进行处理。用FFT将信号从时域变换到频域,使时域隐藏的现象和特征在频率域内显示出来,便于分析。而这里用频谱变换将随时间变化的音频信号分解成不同频率的基本波形,并通过频谱特征值测量显示了频谱的基本信息,帮助我们更好地分析频谱结构,从而了解发动机运行时的声音信号状态特征。

采用STM32F407芯片进行发动机状态监测系统的设计

4 实验结果及分析

系统平台搭建好后,将发动机转速调至1档时,采集发动机发出的音频信号,经过处理后调试结果如图3所示;将发动机转速调至2档后,发动机转速加大,再次采集音频信号,信号处理结果如图4所示。

采用STM32F407芯片进行发动机状态监测系统的设计

由处理后的声音信号波形图可以看到原始音频信号经过滤波后的波形,再将滤波后的信号变换到频域范围,可以看到发动机在转速为1档时,在频率约为100Hz时,有最大幅值,也就是最大能量;而在转速为2档时,约在180Hz时,有最大幅值。推测该发动机故障容易在这些频率点出现,故障频率集中在低频处,所以可主要对发动机低频段的状态进行监测;而高频段非常平缓,推测此时发动机处于正常运行状态。

由实验结果还可以看出,在不同转速下,同一发动机发出的声音信号频谱的均方根值基本不变,这可以作为正常状态监测的特征量之一。

5 结论

本次设计的基于拾音器的发动机状态监测系统,主要由MEMS麦克风、单片机等器件组成,是典型的软硬件结合系统,实现了根据音频信号对发动机状态进行分析监测的功能。而采集发动机的声音信号,相比于采集振动信号、液压信号等方式更容易,且损耗小、成本低,发展前景广阔。

原文标题:基于MEMS麦克风的发动机状态监测系统

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低功耗DFM和高速接口

请问芯片边上的焊屏蔽罩的怎么画?

如图,菜鸟求助,这些芯片周围的屏蔽罩的焊点是怎么画...
发表于 05-14 06:19 49次 阅读
请问芯片边上的焊屏蔽罩的怎么画?

请问能推荐下5V转-5V的芯片,芯片输出电流最小100ma

各位大神,有没有谁能推荐下5V转-5V的芯片,芯片输出电流最小100ma,好像我之前有用一款叫TPS60400,但是电流输出最大60ma,...
发表于 05-13 00:26 59次 阅读
请问能推荐下5V转-5V的芯片,芯片输出电流最小100ma

BAS16XV2 开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。 引线表面处理:100%哑光锡(锡) 合格回流温度:260°C 极小型SOD-523封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的现场和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:14 0次 阅读
BAS16XV2 开关二极管

BAS16T 100 V开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。 可提供无铅封装* 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:14 0次 阅读
BAS16T 100 V开关二极管

BAS16W 100 V开关二极管

信息开关二极管设计用于超高速开关应用。该器件采用SC-70封装,专为低功耗表面贴装应用而设计。 可提供无铅封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的站点和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:14 18次 阅读
BAS16W 100 V开关二极管

BAS16SL 小信号二极管

信息小信号二极管 低正向压降 快速开关 非常小的薄型 最大剖面高度为0.43mm 尺寸为1.0 x 0.6mm
发表于 04-18 19:14 26次 阅读
BAS16SL 小信号二极管

BAS16P2 100 V开关二极管

信息 BAS16P2T5G开关二极管是我们广受欢迎的SOT-23三引线器件的衍生产品。它专为开关应用而设计,安装在SOD-923表面该封装非常适合低功率表面贴装应用,其中电路板空间非常宝贵。 极小的SOD-923封装
发表于 04-18 19:13 20次 阅读
BAS16P2 100 V开关二极管

BAS16 (Legacy Fairchild)开关二极管,85 V 200 mA

信息 SOT-23封装中的开关二极管。 高 - 速度切换应用
发表于 04-18 19:13 22次 阅读
BAS16 (Legacy Fairchild)开关二极管,85 V 200 mA

BAS16DXV6 双开关二极管,100 V

信息采用SOT-563封装的双开关二极管。 引脚表面处理:100%无光泽锡(锡) 合格回流焊温度:260°C 超小型SOD-523封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的现场和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:13 26次 阅读
BAS16DXV6 双开关二极管,100 V

BAS116T 75 V开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。该器件采用SC-75表面贴装封装,非常适合自动插入。 低漏电流应用 中速开关时间 这些器件是无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准
发表于 04-18 19:13 32次 阅读
BAS116T 75 V开关二极管

BAS16H 100 V开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。 S汽车及其他应用的前缀,需要独特的现场和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:13 30次 阅读
BAS16H 100 V开关二极管

BAS116L 75 V开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。该器件采用SOT-23表面贴装封装,非常适合自动插入。 低漏电流应用 中速开关时间 8 mm卷带和卷盘 - 使用BAS116LT1订购7英寸/ 3,000单位卷轴 Pb - 免费套餐。 汽车和其他应用的S前缀,需要独特的站点和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:13 32次 阅读
BAS116L 75 V开关二极管

BAR43 肖特基二极管

信息 BAR43 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
发表于 04-18 19:13 30次 阅读
BAR43 肖特基二极管

BAR43C 肖特基二极管

信息 BAR43C 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
发表于 04-18 19:13 37次 阅读
BAR43C 肖特基二极管

BAR43S 肖特基二极管

信息 BAR43S 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
发表于 04-18 19:13 40次 阅读
BAR43S 肖特基二极管

BAL99L 70 V开关二极管

信息开关二极管专为高速开关应用而设计。该器件采用SOT-23表面贴装封装,非常适合自动插入。 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:13 44次 阅读
BAL99L 70 V开关二极管

A5191HRT 工业HART协议调制解调器

信息 A5191HRT是一款单芯片CMOS调制解调器,适用于高速公路可寻址远程传感器(HART)现场仪表和主机。调制解调器和一些外部无源组件提供满足HART物理层要求所需的所有功能,包括调制,解调,接收滤波,载波检测和发送信号整形。 A5191HRT与SYM20C15引脚兼容。有关引脚与SYM20C15兼容性的详细信息,请参见引脚说明和功能描述部分。 A5191HRT使用每秒1200位的相位连续频移键控(FSK)。为了节省功率,接收电路在发送操作期间被禁用,反之亦然。这提供了HART通信中使用的半双工操作。 低功耗 Bell 202移位频率为1200 Hz和2200 Hz 单芯片,半 - 双工1200比特FSK调制解调器 发送信号波形整形 接收带通滤波器 满足HART物理层要求 CMOS兼容 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:13 26次 阅读
A5191HRT 工业HART协议调制解调器

CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留< / li> 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...
发表于 04-18 19:13 32次 阅读
CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护< / li> - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...
发表于 04-18 19:13 32次 阅读
CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25040 4-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...
发表于 04-18 19:13 34次 阅读
CAT25040 4-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

CAT25160 16-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...
发表于 04-18 19:13 36次 阅读
CAT25160 16-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

MC10EP32 3.3 V / 5.0 V ECL÷·2分频器

信息 MC10 / 100EP32是一个集成的2分频器,具有差分CLK输入。 V 引脚是内部产生的电源,仅适用于该器件。对于单端输入条件,未使用的差分输入连接到V 作为开关参考电压。 V 也可以重新连接AC耦合输入。使用时,通过0.01μF电容去耦V 和V ,并限制电流源或吸收至0.5mA。不使用时,V 应保持开路。复位引脚是异步的,并在上升沿置位。上电时,内部触发器将达到随机状态;复位允许在系统中同步多个EP32。 100系列包含温度补偿。 350ps典型传播延迟 最大频率> 4 GHz典型 PECL模式工作范围:V = 3.0 V至5.5 V V = 0 V NECL模式工作范围:V = 0 V ,其中V = -3.0 V至-5.5 V 打开输入默认状态< / li> 输入安全钳位 Q输出打开或V 无铅封装可用时默认为低电平 < / DIV>...
发表于 04-18 19:13 26次 阅读
MC10EP32 3.3 V / 5.0 V ECL÷·2分频器