基于MEMS麦克风的发动机状态监测系统
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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ＰＢｌ０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ｌＮ３．２５ＭＨｚ，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 ｌ６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 人容氧仆 储介质中并送 到ＬａｂｖＩＥｗ程序处理 分析 】。 ２．２ 按键 通信 模块
ＥＬＥＣＴＲＯ ＮＩＣＳ Ｗ ＯＲＬＤ ·
基 ＝￣ Ｍ ＥＭ Ｓ麦 克 风 的 炭 动 讥 状 态 监 测 系 统
贵 州 大学 电 】本 系统通过采集分析发动机声音信号达到监测小汽车发动机运行状态的 目的。系统分为软 、硬件两部分，硬件部分主要 包括音频采 集和通 信 模 块 ，软件 部 分 包括 数据 采 集 、转 换和 分析 模 块 。 系统通 过ＬａｂＶＩＥＷ 程 序 分析 不 同状 态 下的音 频 信号 ，得到 了发 动 机运 行 时 声音 信 号 的 图谱 和特 征 量 ，为其状 态分析和 故 障诊 断提供 了参考依 据 ，达 到监 测的 目的。 【关键词 】发动机；状态监测；音频信号 ；谱分析
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
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 。
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 。
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
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
０ 引言
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 －ｔ”。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 【２ 等 ，这 些 方法 要 求在 发 动机 多个部 位 上安 装传 感 器 ， 不仪 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 己变 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【４ 提供 依据 和 保障
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
ＥＬＥＣＴＲＯ ＮＩＣＳ Ｗ ＯＲＬＤ ·
基 ＝￣ Ｍ ＥＭ Ｓ麦 克 风 的 炭 动 讥 状 态 监 测 系 统
贵 州 大学 电 】本 系统通过采集分析发动机声音信号达到监测小汽车发动机运行状态的 目的。系统分为软 、硬件两部分，硬件部分主要 包括音频采 集和通 信 模 块 ，软件 部 分 包括 数据 采 集 、转 换和 分析 模 块 。 系统通 过ＬａｂＶＩＥＷ 程 序 分析 不 同状 态 下的音 频 信号 ，得到 了发 动 机运 行 时 声音 信 号 的 图谱 和特 征 量 ，为其状 态分析和 故 障诊 断提供 了参考依 据 ，达 到监 测的 目的。 【关键词 】发动机；状态监测；音频信号 ；谱分析
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
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 。
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 。
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
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
０ 引言
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 －ｔ”。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 【２ 等 ，这 些 方法 要 求在 发 动机 多个部 位 上安 装传 感 器 ， 不仪 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 己变 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【４ 提供 依据 和 保障
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