基于MatLab的農用車輛車載故障檢測系統的設計

田二林，王鳳琴，韓雪琴

(鄭州輕工業學院 計算機與通信工程學院，鄭州 450002)

0 引言

隨著機械自動化、計算機控制系統和自動檢測技術的不斷發展，裝載在農用車輛上的計算機控制系統越來越先進，極大提高了車輛的動力性和安全性，也較大程度地提高了車輛內部結構的復雜性，加大了車輛的維修和保養難度，因此檢測與排除車輛故障的方法應運而生。車載故障檢測系統可實時在線檢測農用車輛狀況和故障信息，有利于故障判斷、異常識別以及預警報警。本文以解決農用車輛故障檢測及預警報警為出發點，設計和開發了一套基于MatLab的農用車輛故障檢測系統。

1 農用車輛故障檢測原理

1.1 故障檢測方案設計

農用車輛車載故障檢測系統由車內在線和車外離線檢測系統構成，前者主要檢測車內各種傳感器和控制器的實時狀態，根據采集到的信息對其進行故障檢測，若車輛存在故障或隱患則以故障代碼的形式儲存在微處理器中，并通過人機交互界面實時顯示出來，讓司機了解車輛的實時狀況；后者則是向車內在線檢測系統發送檢測請求，獲得車輛的故障代碼及故障維修碼，為車輛自主檢測提供策略。

目前，各農用車輛生產廠商都結合車內在線和車外離線檢測系統各自優勢，開發和設計車載故障檢測系統，該系統能夠準確對農用車輛進行快速檢測。車載故障檢測系統一般分為兩個模塊：

1)以軟硬件平臺搭建的車內在線檢測系統實現自我檢測功能。在農用車行駛過程中，車內在線檢測系統會對汽車上的各個部分進行實時檢測，判斷車輛是否存在機械或電子控制方面的故障；如判斷有故障產生時，車內在線檢測系統會以點亮相應指示燈向司機發出警示，并將故障代碼和發生時間保存在存儲器中。

2)車輛被送修后，售后人員通過車外離線檢測系統獲取車內在線檢測系統的信息，從而快速地對送修車輛進行維修和保養。

農用車輛車載故障檢測系統采用軟硬件相結合的方式設計，硬件主要包括STM32微處理器、傳感檢測電路、電機驅動電路及電壓穩控電路等；軟件則包括故障信號的采集、判斷，以及相應故障代碼的確定。農用車輛車載設備故障底層設計如圖1所示。

圖1 農用車輛車載故障檢測系統底層設計Fig.1 The bottom design of vehicle fault detection system for agricultural vehicles

農用車輛在作業過程中，其機械和電子方面的控制部件的信號會在一定的范圍內呈現出有規律的變化，而當出現機械或者電控故障時，這些信號會偏離正常值，而微處理器能夠準確地識別這些不正常變化。倘若這些信號在一定周期內繼續存在，系統會自動檢測該信號對象的故障，并送至相應的故障指示燈置位，同時保存在存儲器上。若在接下來的1個周期內，該故障信號消失，則將相應的故障指示燈清零。在故障指示燈清零后，系統會自動將一部分不太重要的故障信息刪除，而保留那些重要的故障信息，在車輛送修時，供維修人員讀取。

1.2 故障代碼協議

農用車輛車載故障檢測系統包括各傳感器、驅動、電源、能源及電子控制等子電路。因此，故障代碼不僅僅是指該傳感器電路存在故障或隱患，而是表示子電路回路存在問題，具體原因則可能是該子電路(包括傳感器件、接線頭、信號線或者車輛驅動等)出現了問題。因此，故障代碼只能為駕駛員或售后技術員提供車輛大致出現的故障或隱患區域，并不能判斷出子回路哪個部件出現了問題，還需由售后技術員采用儀表工作進行詳細的檢測。

農用車輛車載故障檢測系統故障代碼由5位數字或字母結合組成，第一部分(第1位)為P(車輛動力總成)，B(車身電子系統)，C(車輛底層系統)，U(車輛網絡系統)；第二部分(后面4位)為“0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9”中的4位組成。故障檢測系統故障代碼含義如圖2所示。

圖2 故障檢測系統故障代碼含義Fig.2 The fault code meaning of fault detection system

本文在設計農用車輛車載故障檢測系統是后面4位和5位具體故障參照OBD系統，其可以為故障詳細類型進行指導。例如，電路開路、電路短路、電壓低、電壓高、火宅、傳感器故障及間歇不穩定等詳細故障。

2 農用車輛故障檢測系統節點軟硬件設計

在設計農用車輛故障檢測節點中，為了讓各子系統具有標準接口、模塊化、可移植性、可擴展性及可互換性等功能，最大程度地提高整個系統的擴展性、移植性以及穩定性，各個子系統均采用模塊化設計方法。

2.1 故障診斷節點硬件設計

農用車輛故障檢測系統采用ST公司高性能、低成本及低功耗STM32F103微處理器，該處理器具有快速的處理能力和響應能力。整個系統包括微處理器、CAN總線、串口、存儲設備，以及輸入、輸出設備等，如圖3所示。

圖3 農用車輛故障檢測系統硬件結構圖Fig.3 The hardware structure of fault detection system for agricultural vehicle

在農用車輛故障檢測系統中，故障診斷節點主要包括設備檢測信號采集模塊、信號調理模塊及信號分析處理模塊，故障診斷節點框架如圖4所示。

圖4 故障診斷節點框架圖Fig.4 The frame diagram of fault diagnosis nodes

故障檢測節點采用CAN局域網現場總線通信協議，系統設備檢測的信息通過檢測傳感器組、中繼電纜、數字信號接口及模擬信號接口采集，由調理電路進行濾波和放大處理后發送給CAN總線，進而發送給微處理器。

2.2 故障檢測節點軟件設計

農用車輛故障檢測系統的主要功能都是在硬件的基礎上，由軟件實現。因此，軟件的設計也較為復雜，系統不僅需要對底層驅動程序進行編譯、移植，還需要對CAN總線接口進行驅動開發移植；另外，還需要對其他應用層的程序進行編寫。農用車輛故障檢測系統軟硬件之間的關系如圖5所示。

圖5 檢測系統軟硬件之間的關系圖Fig.5 The relation diagram between the hardware and software of the detection system

整個軟件系統主要包括主程序、初始化、定時器與計數器、通信協議及故障檢測等多個子程序。由于受到篇幅的限制，本文僅僅給出主程序的流程，如圖6所示。

3 MatLab在農用車輛故障檢測中的應用

3.1 建立農用車輛車載故障檢測系統模型

在建立農用車輛車載故障檢測系統模型過程中，本文根據試驗獲取故障檢測實際樣本集，對數據進行歸一化處理，得到故障類型樣本集；然后通過神經網絡學習訓練模型進行測試，得到神經網絡模型；最終結合測試樣本集數據得到車輛故障檢測結果。農用車輛車載故障檢測系統模型如圖7所示。

3.2 MatLab在農用車輛故障檢測中的應用

MatLab在農用車輛故障檢測中的應用是通過對燃油、空氣排放控制系統，燃油、空氣計量系統，以及噴油器檢測系統、點火系統、排放控制系統、車速及怠速控制系統、計算機輔助控制系統、變速箱和動力系統的樣本集進行訓練并確定各部分在網絡連接中的權值。若樣本中沒有足以判斷故障信息或未能獲取車輛故障的信息，則檢測結果是不確定的。因此，建立農用車輛故障故障及其特征值是建立模型的關鍵所在。農用車輛故障及其特征值如表1所示。

表1 農用車輛故障及其特征值Table 1 The fault and characteristic value of agricultural vehicle

在進行MatLab軟件仿真時，需要輸入樣本矩陣、目標矩陣、網絡層數、輸出單元層個數、輸入層-隱層連接權值和隱層-輸出層連接權值；在仿真和數據檢測的過程中，建立神經網絡模型，并根據需要檢測的車輛故障對數據樣本進行訓練，使網絡識別故障檢測模式。例如，在某個車輛故障檢測模式中，神經網絡的輸出一個目標矩陣，采用數據庫保存的訓練樣本和模型權值，便可以輸出直觀的車輛故障檢測結果。MatLab軟件仿真檢測程序框圖如8所示。

圖8 MATLAB軟件仿真檢測程序框圖Fig.8 The test program block diagram of MATLAB software simulation

4 實驗仿真及結果分析

為了驗證農用車輛故障檢測系統是否能夠準確檢測車輛故障，及檢驗該系統的實時性、穩定性和有效性，特對該系統進行了MatLab仿真測試。系統通過CAN總線對信息數據進行采集并生成特征向量，最后采用神經網絡的方式對特征故障庫進行分類識別與處理，并輸出檢測結果。MatLab仿真界面及結果如圖9所示。

圖9 MATLAB仿真界面及結果圖Fig.9 The interface and results diagram of MATLAB simulation

該農用車輛故障檢測系統經過長時間的測試和應用，能夠準確檢測車輛故障代碼及類型，也能夠實時輸出檢測結果。例如，故障代碼為P0350，故障類型為點火線圈一次/二次線路失效等信息，并且測試結果與維修售后人員實際檢測故障相符合。測試結果說明：基于MatLab的農用車輛故障檢測系統實現了預期的故障檢測功能，系統具有較高的實時性、穩定性和有效性，對實現農用車輛故障檢測系統具有重要的參考意義。

5 結論

本文以STM32F103微處理器為核心，結合MatLab軟件仿真平臺，從農用車輛故障的分析和診斷入手，設計和開發了農用車輛車載故障檢測系統，系統能夠對車輛故障和行車隱患進行實時檢測，具有結構簡單和成本低廉等優勢。測試結果表明：基于MatLab的農用車輛故障檢測系統實現了預期的故障檢測功能，具有較高的實時性、穩定性和有效性，對實現農用車輛故障檢測系統具有重要的參考意義。