基于網絡技術的汽車嵌入式遠程故障診斷

黃 強，張 曉

（九江學院機械與材料工程學院，江西九江332005）

基于網絡技術的汽車嵌入式遠程故障診斷

黃 強，張 曉

（九江學院機械與材料工程學院，江西九江332005）

從實現具有遠程自診斷能力的智能化機械設備的角度，系統介紹了面向網絡技術的、具有遠程監控、診斷和維護能力的嵌入式汽車故障診斷系統的實現技術。該系統采用數字信號處理器，實時檢測并分析獲取的振動信號，并在網絡診斷中心中進行故障分析，實現協同診斷，有效地提高了汽車的狀態監控與故障診斷系統的智能化水平。

嵌入式系統網絡技術遠程故障診斷

1 前言

隨著信息技術、計算機網絡技術的飛速發展，遠程分布式故障診斷理論與方法的研究越來越受到關注，其實現已不存在技術上的瓶頸。但目前還只是停留在設備狀態異常或正常的簡單判別，以及一些具有明確因果關系的簡單的故障診斷，對于復雜、大型設備的機械故障進行嵌入式智能診斷目前尚無有效的方法[1]。本文從構建基于網絡技術的嵌入式遠程狀態監控與故障診斷系統的角度出發，詳細介紹了該系統的實現技術。

2 嵌入式遠程故障診斷系統的總體結構

首先，在需要進行診斷的內燃機上的振動、轉速等傳感器將振動信號采集到嵌入式處理系統中；該系統首先采用小波降噪技術對信號進行預處理，然后利用基于尺度的小波包分解方法提取特征值，再經過藍牙設備，無線傳輸到接收端，并實現與網絡的連接。通過計算機網絡傳輸給故障診斷中心處理系統，系統總體結構參見圖1。

故障診斷中心在接受到需要診斷的內燃機系統發送的特征值后，從共享數據庫存儲器中調用相同型號的內燃機歷史診斷數據，利用神經網絡模型來比較分析，從而智能地判斷出需要診斷的內燃機系統的故障狀態及部位；然后，一方面發送診斷結果給需要進行診斷的內燃機系統，另一方面將對應的特征值和診斷結果存儲到共享數據庫中，不斷更新和豐富共享數據庫的數據。

圖1 嵌入式遠程故障診斷系統結構

3 遠程故障診斷系統硬件實現技術

嵌入式狀態監控與診斷系統在具體實現上，一方面要求具有較強的實時性、高度的可靠性和較高集成度，要求幾乎無需人工干預即能自主運行；另一方面，要求嵌入式監控及診斷系統在運行過程中必須能夠根據采集到的各類信息，準確地分析和判斷出設備的運行狀況、故障原因及部位。

因此，嵌入式狀態監控與診斷系統在設計時需要考慮到如下要求：

（1）可擴展性：隨著各項技術的不斷進步，系統應具有能為用戶增加新功能的能力；

（2）開放性：故障的識別和判斷必須依賴于網絡數據庫，因此要和網絡互聯，實現信息的雙向共享和利用；

（3）對網絡技術的支持：實現跨地域遠程監控、協作診斷；

（4）可維護性：為系統維護和升級方便，可通過網絡實現遠程維護。

為此，本系統的硬件設計采用了主從式方式，由ARM處理器、基于DSP的信號同步采集板以及輔助的信號調理和抗混濾波板組成。其中，嵌入式ARM處理器作為系統的主控單元，采用具有自主知識產權的自定制Linux操作系統，一方面獲取并存儲DSP采集的設備狀態數據及故障特征數據，根據其內嵌的軟件進行準實時的在線狀態識別和故障診斷；另一方面提供面向Internet/Intranet的遠程網絡監控、診斷及維護服務。信號同步采集板和信號調理、抗混濾波板共同用于實現對輸入的16通道振動信號根據當前實際測量的轉速進行整周期同步采樣，并通過板內DSP芯片對采集的信號進行實時分析和處理，提取信號中隱含的故障特征，供嵌入式ARM處理器進行狀態識別和故障診斷[2]。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 遠程故障診斷系統的硬件系統結構框圖

（1）傳感器。由于本系統主要是對振動信號進行分析研究，所以該數據采集系統的傳感器組由兩部分組成，一部分是獲取振動信號的，采用振動加速度傳感器；另一部分是獲取發動機運行工況的，包括發動機速度傳感器、水溫傳感器和負荷傳感器等。傳感器的安裝位置以拾取故障信號最敏感為原則，安裝密度以基本能夠反映所有故障而數量最少為優。

圖3 遠程故障診斷系統應用軟件邏輯關系

（2）嵌入式處理系統。選用Samsung公司的ARM9芯片S3C2410A作為ARM系統單元的主芯片。S3C2410A是三星公司生產的面向高端嵌入式應用的一款MCU，內部采用ARM920T內核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、SD卡接口和MMC卡接口、10位的AD控制器等。DSP系統單元主要完成對采集卡采集進來的發動機振動信號進行算法處理并判斷發動機的故障類型，此處選用TI公司的TMS320C540作為DSP系統單元的主芯片。TMS320C540是一款功能強大的DSP芯片，該處理器主要用在需要由浮點運算提供精密和動態范圍的高性能信號處理。嵌入式系統主要是用來對傳感器獲取的振動信號進行小波降噪、特征值提取及網絡傳輸通信與控制，選用的ARM芯片和DSP單元能很好地完成這些任務[3]。

（3）藍牙模塊。采用愛立信POK101 008系列模塊，該模塊支持點對多點通信，每個帶藍牙模塊的設備可以組成一個個匹克網，彼此間以主從方式進行數據通信。本系統所采用的008系列模塊帶有微帶天線，是一種貼在帶有金屬板的介質基片上的輻射貼片，其基片的介電常數小于10，比常規的微波天線具有重量輕、體積小的特點。

4 嵌入式故障診斷系統應用軟件的構成

系統應用軟件主要由數據初始化模塊、采集控制模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊和網絡通訊模塊五部分組成。系統應用軟件邏輯關系如圖3所示。

（1）初始化模塊：在進行監測狀態前，該模塊初始化數據庫，錄入設備的基本信息及標準配置信息，并初始設置系統的網絡連接；

（2）采集控制模塊：初始化數據庫后，進入該模塊，選擇要檢測的設備、采集方式和數據傳輸方式，并提取相應的基本信息與網絡傳輸信息作比較判斷；

（3）數據傳輸模塊：選擇要檢測的設備和采集方式后，開始采集傳輸數據。針對計算機設備，首先執行安裝在其上的代理軟件以收集其信息，而后根據采集方式傳輸數據；針對交換機和路由器設備，測試儀發送Telnet指令，這時它們會返回相應的大量信息，然后收集需要的信息并根據采集方式傳輸回來；

（4）數據處理模塊：在該模塊中，對返回的數據信息進行分類、分析、推理、判斷，最終得出診結果，并給出維修建議，然后存儲診斷結果以便日后檢查；

（5）網絡協議模塊：在該模塊中，根據故障檢測指令，通過網絡管理協議和應用程序接口，再通過無線網絡傳輸這些信息到網絡數據庫所在網絡中去[4,5]。

5 結束語

本系統用于基于振動信號分析的汽車遠程故障診斷。數據采集和初步分析在嵌入式系統中完成，再由藍牙模塊完成對接收端的無線傳輸，借助網絡的豐富資源實現對各類故障的準確判定，故障診斷的識別方法見參考文獻[1]，并指導駕駛人員進行相應的操作。該診斷方法能有效地提高效率、節約成本，具有廣闊的應用前景。

1黃強，宋士華，丁志華等.基于振動分析的柴油機故障程度的研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007（6）：105-107.

2閔華松，劉光臨.高速旋轉機械嵌入式狀態監測與故障診斷系統研究[J].信息與控制，2006（3）：309-313.

3 Chung L,Subramanian N.Architecture-Based Semantic Evolution:a Study of Remotely Controlled Embedded Systems.Proceedings ofthe IEEE International Conference on Software Maintenance.Los Alamitos,CA,USA:IEEE Computer Society,2001:663-666.

4 Lee C T,Rong Z W,Lin J M.Linux Kernel Customization for Embedded Systems by Using Call Graph Approach.Proceedings of the Asia and South Pacific Design Automation Conference.Kitakyushu,Japan,2003：689-692.

5 Discenzo F M,Unsworth P J,Loparo K A,et al.Self-Diagnosing Intelligent Motors:a Key Enabler for Next Generation Manufacturing Systems.Computing&Control Engineering Journal,2000(5):228-233.

The Remote Embedded Diagnosis System for Vehicles Based on Web Technology

Huang Qiang,Zhang Xiao
(School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China)

To construct an intelligent machine with self-diagnosis ability,the technology for realizing an embedded intelligent fault diagnosis system with remote monitoring,diagnosis, and maintenance functions for the vehicles is introduced systematically.The system is based on the digital signal processor that can measure and analyze vibration signals in real time. Then faults are analyzed in a remote diagnosis center.This embedded fault diagnosis technology can effectively improve the intelligence of a fault diagnosis system.

Embedded system;Web technology;Remote fault diagnosis

來稿日期：2009-02-10基金項目：江西省自然科學基金項目（2008GQC0002），江西省教育廳科技資助項目（GJJ08448）作者簡介：黃強（1976-），男，副教授，博士后，主要研究方向為汽車智能控制與故障診斷。