基于CAN 總線的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)檢測設(shè)備設(shè)計(jì)

楊云飛，葛 玉，黃林昊，吳建磊

(武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大型柴油發(fā)動機(jī)安裝了電控系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，電控發(fā)動機(jī)的電氣與化電子系統(tǒng)組成更加復(fù)雜，自動化信息程度更高，特別是采用CAN 總線技術(shù)的發(fā)動機(jī)，提高系統(tǒng)的工作可靠性的同時(shí)，減少了大量繁雜的控制電纜，系統(tǒng)集成化、一體化程度越來越高。由于電控發(fā)動機(jī)的工作控制更多的依賴電控系統(tǒng)，其對維修保障的要求也越來越高，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，采用傳統(tǒng)的方法判斷故障部位進(jìn)行修理變得越來越困難，傳統(tǒng)的分部件單獨(dú)檢測的維修設(shè)備已遠(yuǎn)不能滿足全系統(tǒng)聯(lián)動集成檢測的需求。基于此，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于CAN 總線的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)檢測設(shè)備，利用裝備自帶總線及各分部件預(yù)留檢測接口，成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)聯(lián)動工作時(shí)各類控制信息、工作狀態(tài)信息及必要工作參數(shù)等數(shù)據(jù)的快速采集及傳送，利用上位機(jī)集成智能故障診斷系統(tǒng)，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與故障診斷，為大型發(fā)動機(jī)穩(wěn)定可靠的工作提供了可靠保證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)主要包括控制器、執(zhí)行器、轉(zhuǎn)速傳感器、油溫傳感器、油壓傳感器、加溫控制器、水溫傳感器及接線盒等，通過對以上組成部分各類信息的充分研究與分析，可對影響故障診斷分析的數(shù)據(jù)分成兩大類，一類是通過CAN 總線互相傳輸?shù)母黝惪刂泼钚畔⒓皩ν饴?lián)系信息，這類信息主要是各分部分聯(lián)動工作時(shí)相互之間傳遞的控制信息及返回的執(zhí)行結(jié)果，另一類信息是控制設(shè)備部件內(nèi)部工作時(shí)的控制信號和主要工作參數(shù)，這類信息均集中在子系統(tǒng)檢測接口輸出，以方便檢測設(shè)備進(jìn)行故障分析與診斷。

依據(jù)現(xiàn)代檢測設(shè)備模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路，該測試系統(tǒng)采用適配器結(jié)合上位機(jī)的一體化模式，主要包括信號檢測適配器、便攜控制機(jī)、CAN 總線通信設(shè)備及集成故障診斷系統(tǒng)軟件，整體組成如圖1 所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)整體組成

1.1 自適應(yīng)適配器

自適應(yīng)適配器主要采集電控部組件工作時(shí)的內(nèi)部控制信號和產(chǎn)生檢測時(shí)的自適應(yīng)檢測信號，并將采集的數(shù)據(jù)和檢測執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)部分負(fù)責(zé)整體控制和數(shù)據(jù)分析，診斷相應(yīng)故障原因，給出故障診斷思路和方法。為了減少現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境對檢測的干擾，并盡量使得檢測設(shè)備便攜化，這里充分利用了電控系統(tǒng)自帶總線。當(dāng)自動檢測適配器采集到相關(guān)信號后，首先鏈接CAN 總線，利用CAN 總線優(yōu)越的現(xiàn)場抗干擾性能，向上位機(jī)發(fā)送信息，即實(shí)現(xiàn)了分布式設(shè)計(jì)，也充分保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

檢測適配器主要包括嵌入式控制器、數(shù)據(jù)采集電路、信號調(diào)理電路、CAN 控制電路、DC-DC 電源電路及ROM 存儲器和編程接口電路等。DSP 控制部分是適配器的控制中心，負(fù)責(zé)適配器的協(xié)調(diào)調(diào)度，工作流程控制及對上位機(jī)的檢測需求響應(yīng);信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)對各類輸入輸出信號識別轉(zhuǎn)換、采集處理，還對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存、延時(shí)、整形觸發(fā)等。通過內(nèi)置隔離電路，實(shí)現(xiàn)了檢測系統(tǒng)與被檢系統(tǒng)的電氣隔離，有效避免相互之間的工作影響和可能損傷。由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后的信息經(jīng)采集板采集，由通信電路發(fā)送給DSP 控制器，SP 控制器CAN 總線電路轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī); CAN 收發(fā)電路負(fù)責(zé)提供CAN 總線協(xié)議控制和物理總線接口，而且對CAN 總線控制器提供差動接收能力;DC-DC 電源電路提供適配器所需的精準(zhǔn)電壓，避免錯(cuò)誤的發(fā)生;JTAG 接口電路提供了適配器控制部分的仿真調(diào)試接口，便于系統(tǒng)的試驗(yàn)調(diào)整。

1.2 嵌入式上位機(jī)

嵌入式上位機(jī)是檢測設(shè)備和用戶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的窗口，集成了檢測整體流程控制模塊和智能故障診斷模塊，可以通過設(shè)定的程序集控制自動測試流程，實(shí)時(shí)顯示發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過人工干預(yù)突出顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用通過智能故障診斷模塊完成故障的分析定位并給出合適的故障處理方案。嵌入式上位機(jī)設(shè)置了CAN 智能適配卡，掛接于電控系統(tǒng)工作總線上，根據(jù)自動測試系統(tǒng)流程控制要求，發(fā)送檢測控制命令，接收適配器反饋的關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，傳送給數(shù)據(jù)分析與智能故障診斷模塊。

2 適配器設(shè)計(jì)

適配器硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。主要組成包括DSP和FPGA 的基本組合，配合MUX 多路轉(zhuǎn)換器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路及總線控制電路，可以實(shí)現(xiàn)自主智能選擇檢測控制邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)采集調(diào)理，并與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息有效傳輸。

圖2 適配器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)各組成部件監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)信號采集，系統(tǒng)設(shè)置了了高速M(fèi)UX 多路轉(zhuǎn)換器，在DSP控制器的控制下，有效分配數(shù)據(jù)傳輸通道，由信號調(diào)理電路接收處理。傳統(tǒng)上對復(fù)雜信號的采集，一般采用控制器+采集器的搭配，然而應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，無論用單片機(jī)還是DSP 直接控制都存在明顯不足，單片機(jī)自身處理速度相對較慢，無法滿足大量數(shù)據(jù)并發(fā)實(shí)時(shí)高速采集的需要，DS 處理速度快但通用I/O 少，所以其控制能力也不強(qiáng)。為了克服以上不足，檢測設(shè)備采用了DSP+FPGA 的搭配組合，整體來說，其核心就是DSP 芯片和FPGA 芯片，兩者密切配合，相當(dāng)于對DSP增加了FPGA 處理器。

針對檢測時(shí)的實(shí)時(shí)多路并發(fā)數(shù)據(jù)，適配器需要對底層大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，但運(yùn)算算法結(jié)構(gòu)相對單一，可以重點(diǎn)關(guān)注其處理速度，這正是該芯片的強(qiáng)項(xiàng)，可以明顯提高處理速度。相對來說頂層處理的數(shù)據(jù)量不多，但其運(yùn)算方法較為復(fù)雜，這些DSP 正好可以克服。因此DSP +FPGA 的硬件架構(gòu)既滿足了處理速度也兼顧了靈活性要求，既可以實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)處理要求也滿足頂層數(shù)據(jù)處理需要，可以明顯提高檢測設(shè)備的性能和適應(yīng)能力。MUX 多路轉(zhuǎn)換器按照規(guī)則分配特征信號，控制信號調(diào)理電路，按照實(shí)際檢測需求對信號進(jìn)行阻抗匹配、增益控制和隔離放大等，以滿足復(fù)雜信號檢測分析的需要。總線控制電路控制適配器與嵌入式上位機(jī)的檢測控制信號和檢測反饋信息傳輸，通過CAN 總線，實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測命令和檢測數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，為故障診斷分析提供可靠保證。

2.1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生各類信號，主要包括直流電壓信號、正弦波信號、方波信號信號、脈沖信號及交流電壓信號等，且電壓值范圍較大，不便統(tǒng)一設(shè)計(jì)檢測電路，為了有效地對電控系統(tǒng)各類信號進(jìn)行檢測，減少對電控系統(tǒng)的影響，避免沖擊和損壞，在數(shù)據(jù)采集電路前端，必須設(shè)計(jì)調(diào)理電路。信號調(diào)理部分設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電路中主要包括阻抗匹配與阻抗變換、自適應(yīng)放大、緩沖等幾大部分。對于高頻檢測信號，將信號分配到阻抗匹配電路中，以免發(fā)生反射，影響電控系統(tǒng)性能，對于低頻信號分配到阻抗變換電路提高輸入阻抗，減少對前級的影響; 放大電路部分采用可變增益放大電路，增加對各類型信號的適應(yīng)能力。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是適配器的關(guān)鍵部件，適配器最終產(chǎn)生的傳送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高度依賴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)信號調(diào)理電路處理后的信號，在控制器的調(diào)度控制之下，輸入數(shù)據(jù)采集電路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。采集后的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件是AD 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換芯片的性能某種程度上決定了整體關(guān)鍵性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵ADC 芯片關(guān)系到整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)場工作情況及自身工作特性，適配器采集器的AD 轉(zhuǎn)換采集采用了ADS1282。該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)置穩(wěn)定四階∑-△調(diào)制器及31 位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在實(shí)踐測試中具有非常良好的噪聲和線性特性。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到現(xiàn)場環(huán)境的噪聲干擾、電路本身的熱電阻噪聲在及運(yùn)放的內(nèi)部噪聲等，都有可能影響到采集器的精確度，這里采用了優(yōu)化ADC芯片的方式予以解決。通過編程改變數(shù)據(jù)采集芯片的濾波器組合形式，使得輸出信號與濾波器更高的匹配，可以更好的降低噪聲的影響。其次，根據(jù)1282 的LSB 大小，在轉(zhuǎn)換器采樣頻率的1 /2 處將噪聲衰減至LSB 大小的1 /4，如果噪聲值較高，可以適當(dāng)提高濾波器階數(shù)，或者降低轉(zhuǎn)角頻率。

2.3 CAN 通信設(shè)計(jì)

適配器采用的DSP 內(nèi)置CAN 控制器，但是這個(gè)控制器只是一個(gè)邏輯控制器，本身不具備數(shù)據(jù)驅(qū)動能力，為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，還需要設(shè)計(jì)具有驅(qū)動能力的CAN 通信電路。整體電路組成見圖4 所示，電路中的SN65HVD231芯片TI 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的驅(qū)動芯片，可對CAN 總線提供差動發(fā)送能力，對DSP 的CAN 總線控制器提供差動接收能力。電路設(shè)計(jì)中，TXD 和RXD 分別接CAN 控制器的發(fā)送和接收鏈接引腳，由于DSP 內(nèi)置CAN 模塊，所以直接接DSP 相關(guān)引腳即可。Vref 為參考電壓輸出腳，可以作為輸出電壓的參考，參考電壓在0.5 V 左右。控制芯片允許自定義工作模式，可從高速模式、待機(jī)模式和斜率模式中選擇一個(gè)，通過預(yù)置RS 值實(shí)現(xiàn)，這里將RS 設(shè)置為0.1 V，即使得控制器工作在高速模式，以適應(yīng)電控系統(tǒng)快速數(shù)據(jù)變化的需要。為了獲得更好的抗干擾效果，電路中設(shè)置有雙路光電耦合芯片，實(shí)現(xiàn)電路的物理隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力與可靠性。

圖4 CAN 收發(fā)電路

3 嵌入式上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)部分是數(shù)據(jù)分析和故障診斷的中心，主要依托軟件，通過設(shè)計(jì)算法規(guī)則，依據(jù)故障產(chǎn)生和分析的合理思路，設(shè)計(jì)了整套故障診斷上位機(jī)軟件。軟件總體框圖如圖5 所示。

上位機(jī)故障診斷軟件以模塊化、易擴(kuò)展為基本思路，其主體模塊包括管理模塊、部組件獨(dú)立測試模塊、全系統(tǒng)檢測模塊、故障分析處理模塊和數(shù)據(jù)備份存儲模塊等。管理模塊主要用于對操作使用人員的權(quán)限管理，對于一般人員，只能使用一般性故障診斷，核心數(shù)據(jù)不能涉及，對于專業(yè)級使用人員，可以進(jìn)一步進(jìn)行核心關(guān)鍵數(shù)據(jù)的檢測分析與修改等;部組件獨(dú)立測試模塊針對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)各組成部件工作特性，設(shè)計(jì)對應(yīng)的檢測流程和數(shù)據(jù)處理分析方法，通過適配器的配合，完成獨(dú)立部組件的數(shù)據(jù)收集與故障分析; 全系統(tǒng)測試模塊適用于完整狀態(tài)的整體技術(shù)檢查和故障診斷，根據(jù)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)綜合工作過程涉及對應(yīng)的診斷流程和步驟;故障分析和處理模塊針對適配器反饋的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于小波變換的故障診斷，快速確定故障部位，并給出具體處理參考方法。數(shù)據(jù)庫管理模塊對檢測歷史記錄數(shù)據(jù)、故障分析數(shù)據(jù)、裝備信息等內(nèi)容進(jìn)行存儲與管理。

圖5 軟件設(shè)計(jì)框圖

3.2 故障診斷

發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)在大型裝備工作過程中，故障發(fā)生的部位、時(shí)間、特征都具有很大不確定性，為了做好快速故障辨識和處理，設(shè)計(jì)時(shí)采用了以目前應(yīng)用效果較好的小波網(wǎng)絡(luò)與模式識別相結(jié)合的故障診斷方法。在具體的故障診斷過程中，通過對各種故障模式進(jìn)行小波變換，并進(jìn)行故障識別，就可很好提高診斷結(jié)果的可信度，并且便于擴(kuò)展。

4 結(jié)束語

檢測設(shè)備基于便攜式設(shè)計(jì)思想，針對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)工作的復(fù)雜電磁環(huán)境，通過上位機(jī)和適配器的密切配合，實(shí)現(xiàn)了電控系統(tǒng)檢測的智能化，從根本上提高了采樣數(shù)據(jù)的精確度，減少了傳送誤差，增強(qiáng)了故障分析的準(zhǔn)確度和針對性。上下位機(jī)數(shù)據(jù)通信基于CAN 總線，增強(qiáng)了檢測設(shè)備的便攜性和環(huán)境適應(yīng)性，提高了數(shù)據(jù)可靠性。適配器部分采用的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在控制效果和運(yùn)算速度上達(dá)到了統(tǒng)一，為了適應(yīng)多路復(fù)雜信號有效采集，在ADC 前端設(shè)計(jì)了自適應(yīng)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了檢測信號與采集電路的完好匹配。上位機(jī)故障診斷模塊采用小波變換故障診斷方法，在針對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的故障診斷過程中，不僅提高了診斷結(jié)果的精確性，也更加適用于發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)檢測設(shè)備的功能擴(kuò)展。

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