基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計

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)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠精確采集發(fā)動機各種類型的運行參數(shù)，并充分利用計算機的高速運算能力，對檢測到的數(shù)據(jù)進行分析、判斷與數(shù)據(jù)融合，為汽車故障診斷提供詳細豐富的技術(shù)信息。現(xiàn)分析與研究汽車發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，建立數(shù)據(jù)融合模型，實現(xiàn)發(fā)動機傳感器、噴油脈沖、點火信號的數(shù)據(jù)采集，對于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識別、判斷并分析汽車運行中的故障，恢復(fù)汽車使用性能，提高汽車利用率，保證安全具有重要意義。

關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動機；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計；故障診斷

基金項目：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度科研項目，項目編號：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)動機的故障在線分析與診斷需要動態(tài)采集各種運行參數(shù)，并對大量參數(shù)進行相應(yīng)的處理，測試內(nèi)容廣、項目多、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)雜運行工況條件下盡可能準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)動機測試中被測參數(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，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)與設(shè)計了一套包括信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制系統(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)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

汽車發(fā)動機的參數(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20 MHz，在采集程序設(shè)計時直接對硬件端口進行讀寫，節(jié)省了計算機的存儲容量和數(shù)據(jù)處理時間，完全能滿足信號實時采集與診斷的要求，對于緩變信號采集，首先要進行信號預(yù)處理，然后送入12位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，由單片機AT89C52進行控制采集，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果由通訊接口送入計算機進行處理和分析。

發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3個部分組成：信號預(yù)處理與A/D轉(zhuǎn)換、通訊接口電路、單片機與微機軟件設(shè)計。高速信號經(jīng)預(yù)處理后通過一片4067多路模擬開關(guān)，單片機發(fā)出4位選通信號，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、濾波后進入11通道12位串行A/D芯片TLC2543，由單片機AT89C52選擇一路信號進行A/D轉(zhuǎn)換，TLC2543與單片機之間設(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) 與上位機進行并行通訊；(5) 進行斷缸

控制；(6) 數(shù)據(jù)處理。

圖1　發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2高速信號采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

考慮到在發(fā)動機運行過程中的高速信號中，汽車點火系統(tǒng)發(fā)出的信號幅值變化范圍大、頻率高，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10 MHz以上、抗干擾能力強的采集卡。

2.1高速A/D模塊的原理、結(jié)構(gòu)、指標

(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)今文化研究的一個熱點，就是從人文地理的角度分析一個地區(qū)的文化特征。人文地理學(xué)認為，地理對文化的影響甚大，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。政治文明不僅推動了中原社會、政治、經(jīng)濟、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、進取精神和社會使命感……”[1]培養(yǎng)了河南作家習(xí)焉不察的“政治情結(jié)”。這種強烈的政治情結(jié)，正好借助現(xiàn)實性、政治性、宣教性比較強烈的現(xiàn)代戲得以釋放和表達。

(7) 通道隔離度：70 dB。

(8) 最大靜態(tài)誤差：1%。

(9) 通道最大存儲容量：128K樣點。

(10) 最高采樣率：20 MHz。

(11) 時基數(shù)：一個或兩個。

(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)動機參數(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)計采集系統(tǒng)硬件電路時，本文針對不同的參數(shù)特點采用了不同的設(shè)計方法。

2.2.1點火信號數(shù)據(jù)

點火信號在采集系統(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300 V，而次級電壓峰值最高可達10～30 kV，是最高頻率達1 MHz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，還要將一缸高壓點火信號變換為以單穩(wěn)脈沖形式輸出、幅值為10 V以下的判缸信號。

對于初級、次級點火信號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)。而對于一缸信號，采用電磁感應(yīng)式鉗形夾持器來獲取。點火時，一缸高壓線上有較大的脈動電流，其為火花塞上點火高壓擊穿媒質(zhì)所產(chǎn)生的火花電流，這個電流雖然不和高壓成比例關(guān)系，但可以反映點火高壓的變化過程：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)→點火結(jié)束(電壓、電流均為0)。伴隨著這個電流變化過程，在高壓線周圍有一個磁場變化，在這個磁場的作用下，鉗形夾中的電感線圈將產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢E，E即可作為一缸點火信號的雛形。E經(jīng)過電壓比較，單穩(wěn)電路即可得到2.5 ms寬、0～5 V的標準脈沖信號。整個測試過程原理如圖2所示。

圖2點火高壓測試原理圖

2.2.2電噴發(fā)動機傳感器信號

由于汽車電噴發(fā)動機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輸出頻率為30 Hz～1.5 kHz、幅值為0～5 V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，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)定的放大器增益進行放大。在動態(tài)波形繪制時要根據(jù)放大倍數(shù)作標定，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)計時應(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。模擬開關(guān)的控制信號來自單片機，當(dāng)控制信號由(0，0，0)變到(1，1，1)時，放大器增益共有8檔。ICL7650芯片是第四代運算放大器，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)和極低的時漂(0.01 μV/h)，完全能夠滿足實際應(yīng)用需求。其中，氧傳感器輸出信號波形如圖3所示。

圖3　氧傳感器輸出信號波形

2.2.3電噴發(fā)動機噴油脈沖

當(dāng)汽車發(fā)動機工作時，ECU根據(jù)空氣流量、轉(zhuǎn)速、水溫、氣壓等信號計算出噴油時間后，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，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，磁芯被吸動，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，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，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，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)電動勢，幅值可超過35 V，所以此電壓不能直接送給A/D轉(zhuǎn)換器實行轉(zhuǎn)換，須進行處理變成0～5 V之間的變化量。圖4為實測噴油脈沖信號波形。

圖4　噴油脈沖信號波形

2.3采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

計算機軟件設(shè)計是很重要的一個環(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)進行處理、比較、分析，并得出正確的診斷結(jié)果，同時提供打印輸出及聯(lián)機幫助功能。單片機采控系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5　單片機采控系統(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)，并繪制動態(tài)波形，而且為提高運行速度，需要直接對計算機硬件端口進行讀寫。而C++是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，它包含了大量庫函數(shù)，既靈活又高效，并且還便于移植，所以計算機軟件設(shè)計由C++與嵌入?yún)R編的方式完成，完全滿足了實際采集與數(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)需要的計算機資源，采集系統(tǒng)的通道數(shù)、時基數(shù)、AD卡的類型、存儲器的長度等，如果自檢失敗，自動轉(zhuǎn)向錯誤處理子程序。

(2) 采集參數(shù)設(shè)置。根據(jù)被測信號的不同特點，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最高頻率的5～10倍。因此，本文將點火信號的采樣頻率設(shè)置為10 MHz，其他高速信號的采樣頻率可設(shè)置為1 MHz。采樣長度的選擇主要是根據(jù)被測信號波形有效持續(xù)時間來設(shè)定，一旦確定了采樣長度和頻率，也就決定了整個記錄時間。另外還可根據(jù)需要設(shè)置采樣延時、通道量程、耦合方式、觸發(fā)方式等采集參數(shù)。

(3) 啟動采集。程序按照預(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)啟動A/D轉(zhuǎn)換，實現(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)是利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需決策和評估任務(wù)而進行的信息處理技術(shù)。在汽車發(fā)動機故障診斷中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對多個傳感器輸出信號進行檢測，包括冷卻水溫度、進氣歧管壓力、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行數(shù)據(jù)融合，提高故障診斷的準確性和可靠性。由于汽車發(fā)動機的各個傳感器在實際環(huán)境中會受到隨機因素的影響，各傳感器測量數(shù)據(jù)有可能無法完全準確反映發(fā)動機的真實運行情況，因此需要發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對不同時間、空間所測數(shù)據(jù)信息通過分析、綜合、支配和使用，使所測信息能真實反映出當(dāng)前對汽車發(fā)動機有效的故障信息，對經(jīng)處理后的有用信號作特征抽取，再進行數(shù)據(jù)融合，也可以直接對信號進行數(shù)據(jù)融合，最后輸出融合結(jié)果。圖6為經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的柴油機噴油壓力。

圖6　柴油機噴油壓力波形

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)動機檢測診斷系統(tǒng)具有重要的價值。本文在分析國內(nèi)外汽車發(fā)動機檢測與診斷技術(shù)的最新研究成果及實際生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，探討了汽車發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，建立了數(shù)據(jù)融合模型，實現(xiàn)了發(fā)動機傳感器、噴油脈沖、點火信號的數(shù)據(jù)采集，對于確定汽車技術(shù)狀態(tài)，識別、判斷并分析汽車運行中的故障，恢復(fù)汽車使用性能，提高汽車利用率，保證安全具有重要的意義。

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