基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1、基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)-汽車基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 崔宏巍胡松華 （深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東深圳518055） 摘要：基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠精確采集發(fā)動(dòng)機(jī)各種類型的運(yùn)行參數(shù)，并充分利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷與數(shù)據(jù)融合，為汽車故障診斷提供詳細(xì)豐富的技術(shù)信息?，F(xiàn)分析與研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，建立數(shù)據(jù)融合模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、噴油脈沖、點(diǎn)火信號的數(shù)據(jù)采集，對于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識別、判斷并分析汽車運(yùn)行中的故障，恢復(fù)汽車使用性能，提高汽車?yán)寐?，保證安全具有重要意

2、義。 關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動(dòng)機(jī)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；故障診斷 基金項(xiàng)目：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：601422K30019 0引言 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障在線分析與診斷需要?jiǎng)討B(tài)采集各種運(yùn)行參數(shù)，并對大量參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，測試內(nèi)容廣、項(xiàng)目多、參數(shù)復(fù)雜多變，因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能保證在各種復(fù)雜運(yùn)行工況條件下盡可能準(zhǔn)確地測得各種工作參數(shù)，為汽車故障診斷提供依據(jù)。本文針對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)測試中被測參數(shù)的不同物理特性，分析與研究兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)與設(shè)計(jì)了一套包括信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)電路、通訊接口電路、數(shù)據(jù)融合模塊在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)

3、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)采集包括高速信號采集和緩變信號采集。對于高速信號采用CS28206高速A/D采集卡，最高采樣率可達(dá)20MHz，在采集程序設(shè)計(jì)時(shí)直接對硬件端口進(jìn)行讀寫，節(jié)省了計(jì)算機(jī)的存儲容量和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，完全能滿足信號實(shí)時(shí)采集與診斷的要求，對于緩變信號采集，首先要進(jìn)行信號預(yù)處理，然后送入12位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，由單片機(jī)AT89C52進(jìn)行控制采集，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果由通訊接口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：信號預(yù)處理與A/D轉(zhuǎn)換、通訊接口電路、單片機(jī)與微機(jī)軟件設(shè)計(jì)。高速信號經(jīng)預(yù)處理后通過一片4067多路模擬開關(guān)，單片機(jī)發(fā)出4位選通信號，將16

4、路選一后送入高速A/D采集卡的HSA/D1端，而起判缸作用的一缸信號被送入A/D采集卡的HSA/D2端。緩變信號經(jīng)放大、整形、濾波后進(jìn)入11通道12位串行A/D芯片TLC2543，由單片機(jī)AT89C52選擇一路信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，TLC2543與單片機(jī)之間設(shè)有光電隔離。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)在系統(tǒng)中的作用主要是：（1）選擇高速信號與緩變信號的采集通道；（2）控制A/D轉(zhuǎn)換的開啟與停止；（3）選擇程控放大倍數(shù)；（4）與上位機(jī)進(jìn)行并行通訊；（5）進(jìn)行斷缸 控制；（6）數(shù)據(jù)處理。 2高速信號采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 考慮到在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的高速信號中，汽車點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)出的信號幅值變化范圍大、頻率高

5、，信號中含有大量有用的瞬間尖峰毛刺信號，為保證有用的信號不被丟失，對采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出的要求是使用測量范圍大、采樣速率達(dá)10MHz以上、抗干擾能力強(qiáng)的采集卡。 2.1高速A/D模塊的原理、結(jié)構(gòu)、指標(biāo) 本文使用的CS28206高速采集卡包含兩個(gè)獨(dú)立的模擬輸入通道，每通道有128K樣點(diǎn)的緩沖區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換采用AD876JR芯片，其最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)20MHz，控制邏輯電路由兩片GAL電路實(shí)現(xiàn)，每個(gè)采集通道分別自帶A/D轉(zhuǎn)換芯片和緩沖器，CPU通過統(tǒng)一的系統(tǒng)總線處理數(shù)據(jù)，整個(gè)采樣通道都是并行進(jìn)行的，因此可以不考慮兩個(gè)通道之間的相移。CS28206的主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1）通道數(shù)：2。 （2）輸入

6、量程：可由程序設(shè)定，分別為100mV、200mV、500mV、1V、2V、5V、10V、25V。 （3）輸入電阻：1M或2M（5V、25V）。 （4）通道帶寬（-3dB）：0Hz6MHz（直流耦合），10Hz6MHz（交流耦合）。 （5）輸入電容：20pF。 （6）通道量化精度：10位。 （7）通道隔離度：70dB。 （8）最大靜態(tài)誤差：1%。 （9）通道最大存儲容量：128K樣點(diǎn)。 （10）最高采樣率：20MHz。 （11）時(shí)基數(shù)：一個(gè)或兩個(gè)。 （12）觸發(fā)方式：內(nèi)觸發(fā)或外觸發(fā)（可由程序設(shè)定）。 2.2信號檢測方式 由于需要采集的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)非常復(fù)雜，在幅值、頻率等物理特性上存在著很大的差別，

7、因此在設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)硬件電路時(shí)，本文針對不同的參數(shù)特點(diǎn)采用了不同的設(shè)計(jì)方法。 2.2.1點(diǎn)火信號數(shù)據(jù) 點(diǎn)火信號在采集系統(tǒng)中是最復(fù)雜也是最重要的信號，它包括初級電壓信號、次級電壓信號和一缸信號。初級電壓峰值最高可達(dá)300V，而次級電壓峰值最高可達(dá)1030kV，是最高頻率達(dá)1MHz的高速瞬變信號。顯然這種信號無法直接采集，必須將它衰減到高速采集卡量程范圍以內(nèi)。此外，還要將一缸高壓點(diǎn)火信號變換為以單穩(wěn)脈沖形式輸出、幅值為10V以下的判缸信號。 對于初級、次級點(diǎn)火信號我們采用無感電阻分壓的辦法分別將300V和30kV衰減到10V以內(nèi)。而對于一缸信號，采用電磁感應(yīng)式鉗形夾持器來獲取。點(diǎn)火時(shí)，一缸高壓線上有

8、較大的脈動(dòng)電流，其為火花塞上點(diǎn)火高壓擊穿媒質(zhì)所產(chǎn)生的火花電流，這個(gè)電流雖然不和高壓成比例關(guān)系，但可以反映點(diǎn)火高壓的變化過程：擊穿前（電壓高、電流?。舸┓烹姡娏鞔?、電壓降低）殘余放電（電流、電壓均?。c(diǎn)火結(jié)束（電壓、電流均為0）。伴隨著這個(gè)電流變化過程，在高壓線周圍有一個(gè)磁場變化，在這個(gè)磁場的作用下，鉗形夾中的電感線圈將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢E，E即可作為一缸點(diǎn)火信號的雛形。E經(jīng)過電壓比較，單穩(wěn)電路即可得到2.5ms寬、05V的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。整個(gè)測試過程原理如圖2所示。 輸入/一缸點(diǎn)火高壓火花放電電流電流感應(yīng)磁場 磁感應(yīng)電動(dòng)勢E對E整形單脈沖輸出/一缸標(biāo)準(zhǔn)信號 2.2.2電噴發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號 由

9、于汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)各種傳感器輸出電壓的滿量程是不等的，如氧傳感器輸出信號為01200mV之間不斷循環(huán)變化的電壓量，可將其放大4倍變換為05V電壓，而卡門旋渦式空氣流量計(jì)輸出頻率為30Hz1.5kHz、幅值為05V的脈沖信號，可直接送入A/D轉(zhuǎn)換。為了保證測量精度，每種傳感器可配以不同的放大器增益，這里采用增益可編程放大電路，預(yù)先算出各個(gè)模擬輸入通道所需的放大倍數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存入RAM中，當(dāng)CPU要求輸入某一路信號時(shí)，將對應(yīng)的放大器增益從RAM中取出，經(jīng)地址線送入可編程放大器相應(yīng)的端口，這樣，該路信號就按預(yù)先設(shè)定的放大器增益進(jìn)行放大。在動(dòng)態(tài)波形繪制時(shí)要根據(jù)放大倍數(shù)作標(biāo)定，以得出正確的結(jié)果。增

10、益可編程放大電路由自穩(wěn)零斬波放大器芯片ICL7650、模擬開關(guān)4051和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，各電阻的精度都選為0.2%。模擬開關(guān)接線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到：盡管模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻很大（500），但由于運(yùn)放輸入阻抗很高，輸入電流極小，因而對放大器增益的影響可忽略不計(jì)。模擬開關(guān)的控制信號來自單片機(jī)，當(dāng)控制信號由（0，0，0）變到（1，1，1）時(shí)，放大器增益共有8檔。ICL7650芯片是第四代運(yùn)算放大器，具有極低的輸入失調(diào)電壓（1V）和失調(diào)溫漂（0.05V/），極高的開環(huán)增益（120dB）和極低的時(shí)漂（0.01V/h），完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其中，氧傳感器輸出信號波形如圖3所示。 2.2.3電噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖

11、當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU根據(jù)空氣流量、轉(zhuǎn)速、水溫、氣壓等信號計(jì)算出噴油時(shí)間后，輸出控制信號，控制大功率三極管導(dǎo)通與截止。當(dāng)大功率管導(dǎo)通時(shí)，即接通噴油器電磁線圈電路，產(chǎn)生電磁吸力。當(dāng)電磁力超過針閥彈簧力和油液壓力的合力時(shí)，磁芯被吸動(dòng)，針閥隨之離開閥座，即閥門打開，噴油器開始噴油。反之當(dāng)大功率三極管截止時(shí)，噴油器電磁線圈電路被切斷，電磁力消失，當(dāng)針閥彈簧力超過衰減的電磁力時(shí)，彈簧力又使針閥返回閥座上，使閥門關(guān)閉，噴油停止。測試噴油脈沖信號過程中，由于在功率管VT1截止時(shí)，噴油器電磁線圈存在電感，在線圈兩端可能產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢，幅值可超過35V，所以此電壓不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)行轉(zhuǎn)換，須進(jìn)

12、行處理變成05V之間的變化量。圖4為實(shí)測噴油脈沖信號波形。 2.3采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它不僅要與硬件配合完成參數(shù)采集功能，還要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、比較、分析，并得出正確的診斷結(jié)果，同時(shí)提供打印輸出及聯(lián)機(jī)幫助功能。單片機(jī)采控系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的采集系統(tǒng)要處理大量數(shù)據(jù)，并繪制動(dòng)態(tài)波形，而且為提高運(yùn)行速度，需要直接對計(jì)算機(jī)硬件端口進(jìn)行讀寫。而C+是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，它包含了大量庫函數(shù)，既靈活又高效，并且還便于移植，所以計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)由C+與嵌入?yún)R編的方式完成，完全滿足了實(shí)際采集與數(shù)據(jù)處理的要求。數(shù)據(jù)采集程序主要包括以下功能： （1

13、）系統(tǒng)自檢。檢測采集系統(tǒng)需要的計(jì)算機(jī)資源，采集系統(tǒng)的通道數(shù)、時(shí)基數(shù)、AD卡的類型、存儲器的長度等，如果自檢失敗，自動(dòng)轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理子程序。 （2）采集參數(shù)設(shè)置。根據(jù)被測信號的不同特點(diǎn)，可以在程序中設(shè)置不同的采集參數(shù)。其中采樣頻率可以在20MHz以下任意設(shè)置，為了避免混疊，一般選擇采樣頻率為被測信號最高頻率的510倍。因此，本文將點(diǎn)火信號的采樣頻率設(shè)置為10MHz，其他高速信號的采樣頻率可設(shè)置為1MHz。采樣長度的選擇主要是根據(jù)被測信號波形有效持續(xù)時(shí)間來設(shè)定，一旦確定了采樣長度和頻率，也就決定了整個(gè)記錄時(shí)間。另外還可根據(jù)需要設(shè)置采樣延時(shí)、通道量程、耦合方式、觸發(fā)方式等采集參數(shù)。 （3）啟動(dòng)采集。程

14、序按照預(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。 （4）讀取并存儲有效數(shù)據(jù)。 3傳感器數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)融合技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對按時(shí)序獲得的若干觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需決策和評估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對多個(gè)傳感器輸出信號進(jìn)行檢測，包括冷卻水溫度、進(jìn)氣歧管壓力、空氣流量、氧傳感器、噴油脈沖等，并對這些采集得到的多傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)傳感器在實(shí)際環(huán)境中會(huì)受到隨機(jī)因素的影響，各傳感器測量數(shù)據(jù)有可能無法完全準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況，因此需要發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對

15、不同時(shí)間、空間所測數(shù)據(jù)信息通過分析、綜合、支配和使用，使所測信息能真實(shí)反映出當(dāng)前對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有效的故障信息，對經(jīng)處理后的有用信號作特征抽取，再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，也可以直接對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后輸出融合結(jié)果。圖6為經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的柴油機(jī)噴油壓力。 4結(jié)語 為滿足國內(nèi)不斷增長的汽車產(chǎn)量與保有量的需要，研究與開發(fā)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測診斷系統(tǒng)具有重要的價(jià)值。本文在分析國內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測與診斷技術(shù)的最新研究成果及實(shí)際生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，探討了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，建立了數(shù)據(jù)融合模型，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、噴油脈沖、點(diǎn)火信號的數(shù)據(jù)采集，對于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識別、判斷并分析汽車運(yùn)行中的故障，恢復(fù)汽車使用性能，提高汽車?yán)寐?，保證安全具有重要的意義。 參考文獻(xiàn) 1謝先平，王旭東，吳曉剛，等.車輛起步過程發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊控制研究J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（16）：43824386. 2薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)M.2版