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)

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(duì)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。現(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(hào)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識(shí)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)寐剩ＷC安全具有重要意義。

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(hào)：601422K30019

收稿日期：2015-08-10

作者簡介：崔宏巍(1974—)，男，河南人，副教授，研究方向：汽車測控技術(shù)。

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(duì)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(duì)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(hào)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)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(hào)采集和緩變信號(hào)采集。對(duì)于高速信號(hào)采用CS28206高速A/D采集卡，最高采樣率可達(dá)20 MHz，在采集程序設(shè)計(jì)時(shí)直接對(duì)硬件端口進(jìn)行讀寫，節(jié)省了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，完全能滿足信號(hào)實(shí)時(shí)采集與診斷的要求，對(duì)于緩變信號(hào)采集，首先要進(jìn)行信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，將16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(hào)被送入A/D采集卡的HSA/D2端。緩變信號(hào)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(hào)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(hào)與緩變信號(hào)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。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2高速信號(hào)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(hào)中，汽車點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)幅值變化范圍大、頻率高，信號(hào)中含有大量有用的瞬間尖峰毛刺信號(hào)，為保證有用的信號(hào)不被丟失，對(duì)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)10 MHz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)

(1) 通道數(shù)：2。

(2) 輸入量程：可由程序設(shè)定，分別為±100 mV、±200 mV、±500 mV、±1 V、±2 V、±5 V、±10 V、±25 V。

(3) 輸入電阻：1 MΩ或2 MΩ(±5 V、±25 V)。

(4) 通道帶寬(-3 dB)：0 Hz～6 MHz(直流耦合)，10 Hz～6 MHz(交流耦合)。

(5) 輸入電容：20 pF。

(6) 通道量化精度：10位。

當(dāng)今文化研究的一個(gè)熱點(diǎn)，就是從人文地理的角度分析一個(gè)地區(qū)的文化特征。人文地理學(xué)認(rèn)為，地理對(duì)文化的影響甚大，如北方人多關(guān)心政治，南方人多善于經(jīng)商。河南地處中原，從夏朝到宋代的兩千多年間，一直是我國的政治中心，數(shù)度形成政治文明的巔峰與輝煌，政治文化尤為發(fā)達(dá)。政治文明不僅推動(dòng)了中原社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展，而且深刻地影響了中原人民的思想觀念、行為方式，“為中原文化注入了政治熱情、進(jìn)取精神和社會(huì)使命感……”[1]培養(yǎng)了河南作家習(xí)焉不察的“政治情結(jié)”。這種強(qiáng)烈的政治情結(jié)，正好借助現(xiàn)實(shí)性、政治性、宣教性比較強(qiáng)烈的現(xiàn)代戲得以釋放和表達(dá)。

(7) 通道隔離度：70 dB。

(8) 最大靜態(tài)誤差：1%。

(9) 通道最大存儲(chǔ)容量：128K樣點(diǎn)。

(10) 最高采樣率：20 MHz。

(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(hào)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，因此在設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)硬件電路時(shí)，本文針對(duì)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(hào)數(shù)據(jù)

點(diǎn)火信號(hào)在采集系統(tǒng)中是最復(fù)雜也是最重要的信號(hào)，它包括初級(jí)電壓信號(hào)、次級(jí)電壓信號(hào)和一缸信號(hào)。初級(jí)電壓峰值最高可達(dá)300 V，而次級(jí)電壓峰值最高可達(dá)10～30 kV，是最高頻率達(dá)1 MHz的高速瞬變信號(hào)。顯然這種信號(hào)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(hào)變換為以單穩(wěn)脈沖形式輸出、幅值為10 V以下的判缸信號(hào)。

對(duì)于初級(jí)、次級(jí)點(diǎn)火信號(hào)我們采用無感電阻分壓的辦法分別將300 V和30 kV衰減到10 V以內(nèi)。而對(duì)于一缸信號(hào)，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、電流小)→擊穿放電(電流大、電壓降低)→殘余放電(電流、電壓均小)→點(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(shì)E，E即可作為一缸點(diǎn)火信號(hào)的雛形。E經(jīng)過電壓比較，單穩(wěn)電路即可得到2.5 ms寬、0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。整個(gè)測試過程原理如圖2所示。

圖2點(diǎn)火高壓測試原理圖

2.2.2電噴發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號(hào)

由于汽車電噴發(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(hào)為0～1 200 mV之間不斷循環(huán)變化的電壓量，可將其放大4倍變換為0～5 V電壓，而卡門旋渦式空氣流量計(jì)輸出頻率為30 Hz～1.5 kHz、幅值為0～5 V的脈沖信號(hào)，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(hào)時(shí)，將對(duì)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(hào)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 Ω)，但由于運(yùn)放輸入阻抗很高，輸入電流極小，因而對(duì)放大器增益的影響可忽略不計(jì)。模擬開關(guān)的控制信號(hào)來自單片機(jī)，當(dāng)控制信號(hào)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(±1 μV)和失調(diào)溫漂(0.05 μV/℃)，極高的開環(huán)增益(≥120 dB)和極低的時(shí)漂(0.01 μV/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(hào)波形如圖3所示。

圖3　氧傳感器輸出信號(hào)波形

2.2.3電噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖

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(hào)計(jì)算出噴油時(shí)間后，輸出控制信號(hào)，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(hào)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(shì)，幅值可超過35 V，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)行處理變成0～5 V之間的變化量。圖4為實(shí)測噴油脈沖信號(hào)波形。

圖4　噴油脈沖信號(hào)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(duì)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。

圖5　單片機(jī)采控系統(tǒng)軟件流程

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(duì)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) 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(chǔ)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(hào)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20 MHz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(hào)最高頻率的5～10倍。因此，本文將點(diǎn)火信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為10 MHz，其他高速信號(hào)的采樣頻率可設(shè)置為1 MHz。采樣長度的選擇主要是根據(jù)被測信號(hào)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(chǔ)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(duì)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(píng)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(duì)多個(gè)傳感器輸出信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有效的故障信息，對(duì)經(jīng)處理后的有用信號(hào)作特征抽取，再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，也可以直接對(duì)信號(hào)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。

圖6　柴油機(jī)噴油壓力波形

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(hào)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識(shí)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)寐剩ＷC安全具有重要的意義。

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