基于MEMS麥克風的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院　吳　倩　王　武　王民慧

0　引言

發(fā)動機是車輛的動力裝置，其狀態(tài)好壞直接影響車輛性能。發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，因此是車輛運行中故障最多的組成之一[1]。所以，對發(fā)動機狀態(tài)進行監(jiān)測是具有重要現(xiàn)實意義的。

傳統(tǒng)的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測方法常見的有熱工參數(shù)監(jiān)測法、磨損特征分析法[2]等，這些方法要求在發(fā)動機多個部位上安裝傳感器，不僅自動化程度低，而且測試耗時費力，難以滿足現(xiàn)實需求，所以開發(fā)操作簡便、可靠性高的新型監(jiān)測方法已變得十分迫切。在發(fā)動機工作過程中，每一種聲響都對應(yīng)于特定頻譜，當其運行狀態(tài)不同時，如出現(xiàn)故障，其發(fā)出的聲音頻譜會出現(xiàn)變異和失真，總有一些特征頻譜區(qū)別于其他聲響[3]。因此檢測發(fā)動機工作時發(fā)出的聲音信號，并利用LabVIEW編寫聲音信號處理軟件，能快速有效的提取聲音的特征信息。實現(xiàn)對汽車發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)測，為汽車安全運行和后續(xù)故障診斷[4]提供依據(jù)和保障。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32F407做主控芯片，利用音頻傳感器作拾音器，將其安裝在發(fā)動機機架上，通過嵌入式系統(tǒng)進行音頻采樣和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，采集汽車發(fā)動機在不同狀態(tài)下因振動而發(fā)出的聲音信息[5]，再用LabVIEW編寫程序?qū)Σ杉降囊纛l信號進行處理和顯示，從中分析出發(fā)動機的運行狀態(tài)的特征。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括主控模塊、信號采集模塊、通信模塊和上位機。音頻傳感器采集發(fā)動機的聲音信號，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入主控芯片進行格式轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的信號送到上位機的LabVIEW程序，對其進行處理，做譜分析，提取有用信息。

2.1　音頻采集模塊

本系統(tǒng)實現(xiàn)聲音檢測的硬件是MP45DT02 MEMS麥克風，該模塊由3V電源供電，麥克風帶有A/D轉(zhuǎn)換功能，主控模塊中由SPI或I2S外設(shè)產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)主控芯片STM32F407的PB10引腳輸入MP45DT02，作為音頻采集的時鐘信號。該模塊采集聲音后，輸出PDM格式的高頻1位數(shù)字流信號，頻率范圍為1到3.25MHz，經(jīng)由PC3腳輸入主控模塊。而主控芯片通過同步串口I2S對輸入的PDM數(shù)據(jù)流以8個樣本為一組進行采樣，再經(jīng)過主程序的PDM Filter庫處理，將信號轉(zhuǎn)換成16位脈沖編碼調(diào)制（PCM）格式的數(shù)據(jù)流，產(chǎn)生音頻的原始信號，保存在大容量存儲介質(zhì)中并送到LabVIEW程序處理分析[6]。

2.2　按鍵通信模塊

本系統(tǒng)采用按鍵中斷來實現(xiàn)信號采集和主控芯片的控制關(guān)系。系統(tǒng)采用的用戶按鍵電路由3.3V電源供電，該模塊通過按下按鍵，將高電平信號從PA0腳輸入STM32F407，相當于發(fā)出一個中斷信號，控制音頻采集程序的開始及初始化，在系統(tǒng)中起到監(jiān)視音頻采集的作用。

而應(yīng)用的復(fù)位按鍵電路，連接的是STM32F407的NRST腳，它是異步復(fù)位腳。當通過控制復(fù)位鍵，從NRST腳將低電平輸入主控制器時，MCU執(zhí)行復(fù)位程序，重設(shè)內(nèi)部寄存器，以及片內(nèi)SRAM；而當輸入高電平時，芯片被置位，PC指針從0地址開始。

2.3　主控模塊

主控模塊是整個系統(tǒng)的中心部分，包含了基本的電源電路。主控芯片時鐘信號是程序運行的基礎(chǔ)，這個模塊包含了高速外部時鐘（HSE）電路和低速外部時鐘（LSE）電路，可根據(jù)不同的需要來選擇不同的時鐘電路。同時，該模塊中還含有LED燈電路，通過其不同的發(fā)光狀態(tài)，來了解程序執(zhí)行到哪一步，便于程序排錯及處理。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、系統(tǒng)初始化管理、按鍵管理、顯示管理、中斷管理、時鐘管理、通信管理等模塊組成。主程序可調(diào)用各模塊，引導(dǎo)系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)軟、硬件有條不紊地工作。顯示模塊主要是在數(shù)據(jù)采集的過程中指示燈的不同狀態(tài)代表不同的程序運行階段顯示和在數(shù)據(jù)分析中得到的圖譜和特征值顯示。而系統(tǒng)的通信則包括單片機與拾音器的通信和單片機與上位機的通信。

圖1　系統(tǒng)主流程圖

3.1　主控模塊軟件設(shè)計

主控模塊主要是通過單片機STM32F407來控制各個外設(shè)的運行，系統(tǒng)上電后，首先進入系統(tǒng)初始化，初始化可編程器件、輸入/輸出端口和相關(guān)參數(shù)，之后主程序處于循環(huán)掃描模式，等待定時及按鍵中斷，以便捕捉中斷信號從而進入相應(yīng)地服務(wù)模塊。系統(tǒng)主流程圖如圖1所示，整個程序由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析三個部分構(gòu)成循環(huán)體系，當?shù)玫筋A(yù)期的音頻圖譜后，就返回主程序。

3.2　數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中使用的音頻采集芯片是MP45DT02 MEMS麥克風。在數(shù)據(jù)采集開始之前，首先要進行初始化，將I2S外設(shè)產(chǎn)生的1024KHz時鐘配置為主時鐘，以生成正確的數(shù)字麥克風輸入時鐘1024MHz。1024MHz的時鐘頻率可根據(jù)輸出音頻數(shù)據(jù)流(16KHz)和選擇的采樣因子(64)計算得出(16000Hz x 64 =1024MHz)。之后執(zhí)行數(shù)據(jù)采集循環(huán)程序，直到獲得16位PDM數(shù)據(jù)樣本，才進入下一中斷程序。

3.3　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計

音頻信號被捕獲以后，經(jīng)MEMS麥克風處理輸出的音頻信號是PDM格式1位數(shù)據(jù)流，這是一種在數(shù)字域中表示模擬信號的形式，它的表示方式是對一系列與模擬信號幅值對應(yīng)的脈沖的相對密度進行編碼。而本系統(tǒng)中LabVIEW程序不能處理PDM數(shù)據(jù)，所以要通過PDM Filter lib對其進行處理，將其轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)。該庫要對信號進行濾波和采樣處理，因為麥克風輸出的PDM數(shù)據(jù)的頻率與輸入的時鐘信號頻率一樣，比較高，所以在這個過程中，首先要做的是降低采樣頻率。之后還要對信號進行調(diào)節(jié)，先用高通濾波器消除信號的直流偏移，保證信號的質(zhì)量，然后用低通濾波器送出數(shù)據(jù)。整個過程完成之后，才能將音頻信號轉(zhuǎn)化PCM格式。而調(diào)節(jié)中涉及到的兩個濾波器可在程序中通過初始化函數(shù)使能、禁止和配置，相關(guān)增益G=MicGain/64。

3.4　數(shù)據(jù)分析模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)分析部分要在上位機的LabVIEW中用圖形化編程語言完成，該部分要對存儲的音頻文件做濾波和頻譜分析等處理，數(shù)據(jù)分析程序框圖如圖2所示。進入數(shù)據(jù)分析子程序后，先要進行初始化，將PCM數(shù)據(jù)讀進來，再對信號進行濾波除噪，然后分別對信號進行頻譜變換、特征值測量和單頻測量，將得到的相應(yīng)圖譜和數(shù)據(jù)顯示在前面板上。

圖2　數(shù)據(jù)分析程序框圖

這里使用的濾波器是IIR數(shù)字濾波器，其幅頻特性精度很高，是非線性相位，用于對相位信息不敏感的音頻信號上比較合適。之后為了更好的觀察信號的特點，最主要的是對信號進行頻譜變換，這里采用快速傅氏變換（FFT）對信號進行處理。用FFT將信號從時域變換到頻域，使時域隱藏的現(xiàn)象和特征在頻率域內(nèi)顯示出來，便于分析。而這里用頻譜變換將隨時間變化的音頻信號分解成不同頻率的基本波形，并通過頻譜特征值測量顯示了頻譜的基本信息，幫助我們更好地分析頻譜結(jié)構(gòu)，從而了解發(fā)動機運行時的聲音信號狀態(tài)特征。

圖3　發(fā)動機音頻信號調(diào)試結(jié)果圖

4　實驗結(jié)果及分析

系統(tǒng)平臺搭建好后，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)至1檔時，采集發(fā)動機發(fā)出的音頻信號，經(jīng)過處理后調(diào)試結(jié)果如圖3所示；將發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)至2檔后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速加大，再次采集音頻信號，信號處理結(jié)果如圖4所示。

圖4　發(fā)動機音頻信號調(diào)試結(jié)果圖

由處理后的聲音信號波形圖可以看到原始音頻信號經(jīng)過濾波后的波形，再將濾波后的信號變換到頻域范圍，可以看到發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1檔時，在頻率約為100Hz時，有最大幅值，也就是最大能量；而在轉(zhuǎn)速為2檔時，約在180Hz時，有最大幅值。推測該發(fā)動機故障容易在這些頻率點出現(xiàn)，故障頻率集中在低頻處，所以可主要對發(fā)動機低頻段的狀態(tài)進行監(jiān)測；而高頻段非常平緩，推測此時發(fā)動機處于正常運行狀態(tài)。

由實驗結(jié)果還可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，同一發(fā)動機發(fā)出的聲音信號頻譜的均方根值基本不變，這可以作為正常狀態(tài)監(jiān)測的特征量之一。

5　結(jié)論

本次設(shè)計的基于拾音器的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要由MEMS麥克風、單片機等器件組成，是典型的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)音頻信號對發(fā)動機狀態(tài)進行分析監(jiān)測的功能。而采集發(fā)動機的聲音信號，相比于采集振動信號、液壓信號等方式更容易，且損耗小、成本低，發(fā)展前景廣闊。

[1]王南,張慶恒.汽車發(fā)動機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,25(4):92-94.

[2]劉帥師.基于發(fā)動機聲響信號分析的轉(zhuǎn)速估計及異響特征提取研究[D].長春:吉林大學(xué),2006.

[3]吳大鈺,王巖松,李燕 等.基于聲信號的汽車發(fā)動機故障診斷方法綜述[J].渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,29(3):264-267.

[4]任志英.基于聲信號技術(shù)的發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)研究[D].福州:福州大學(xué),2006.

[5]蔣昊.基于LabVIEW的振動噪聲測試和分析系統(tǒng)開發(fā)[D].大連：大連交通大學(xué),2008.

[6]劉延華.基于LabVIEW的音頻信號采集分析[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.