陳曉飛，賈 勇，秦健勇

(新疆工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830023)

0 引言

引擎的作用是提供汽車(chē)所需的動(dòng)力，其性能的好壞直接影響到汽車(chē)是否安全可靠，發(fā)生在汽車(chē)上的各種大大小小的事故許多都是因?yàn)橐婀收蟍1]。頻譜也就是常說(shuō)的頻率信號(hào)，是一種特殊的信號(hào)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，它不僅具備非常強(qiáng)的抗干擾能力，在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候也不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，且傳輸方便。現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)主要是模擬量的采集，尚未出現(xiàn)頻率測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)案例。隨著人們對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性能、安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的要求越來(lái)越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率的要求也越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)頻率的測(cè)試項(xiàng)目也越來(lái)越多[2-3]。內(nèi)燃機(jī)頻率測(cè)試是內(nèi)燃機(jī)研制與生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，研制高效的內(nèi)燃機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的研制與生產(chǎn)至關(guān)重要[4-5]。

數(shù)據(jù)挖掘目前已成為研究人工智能和數(shù)據(jù)庫(kù)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，主要由人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、可視化等技術(shù)組成[6-7]。數(shù)據(jù)挖掘主要是對(duì)每條數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)資源中尋找具有規(guī)律的技術(shù)，大致分為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和規(guī)律的表達(dá)3個(gè)階段?！皵?shù)據(jù)準(zhǔn)備”指從相關(guān)數(shù)據(jù)源中選擇有用的數(shù)據(jù)，并將其整合到用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)集當(dāng)中；“規(guī)則查找”指通過(guò)某種方法找出存在于數(shù)據(jù)集的規(guī)則；“規(guī)則表示”指盡最大化可能采用客戶能夠理解的方式方法中找出規(guī)則。其中，關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、分類分析、異常分析、特殊群體分析和演化分析是數(shù)據(jù)挖掘的主要任務(wù)。

在此基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效提高測(cè)量的精度和便攜性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

引擎測(cè)試系統(tǒng)的組成為數(shù)據(jù)采集板、圖形界面和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊具有對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和采集，并將數(shù)據(jù)從下位機(jī)傳送到上位機(jī)的功能。下層數(shù)據(jù)采集模塊由上位機(jī)軟件完成不同參數(shù)的配置?；A(chǔ)微處理器根據(jù)主機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)配置不同類型的傳感器，采集通道參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中，主機(jī)軟件根據(jù)不同傳感器的不同特性，選擇合理的數(shù)據(jù)處理算法，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，繪制并顯示出邊緣曲線，保存所需數(shù)據(jù)[8-9]。圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由采集模塊、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、采集終端、傳感器及電源組成。CAN總線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)自由通信，通過(guò)采集終端及傳感器得到待測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)電源保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)硬件模塊由數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)、CAN通訊電路組成。系統(tǒng)硬件由上、下位機(jī)兩部分組成：下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)度和采集各模塊數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理并做到同步發(fā)送；上位機(jī)的主要作用是實(shí)現(xiàn)發(fā)送指令，接收事實(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示[10-11]?；跀?shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)硬件

從圖2可以看出，NI9401是一種雙向數(shù)字輸出模塊，它共有8條通道。本文利用 FPGA，配置I/O，結(jié)合高性能LabIVIEWFPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)器的定制化，系統(tǒng)硬件具有1 000 Vrms的瞬時(shí)隔離電壓，每一個(gè)信道都能兼容5 V/TTL信號(hào)，在 I/O信道與背板之間有1 000 Vrms的瞬時(shí)隔離電壓。

主機(jī)選用筆記本電腦運(yùn)算，CRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)，讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)的存儲(chǔ)和人機(jī)交互，該系統(tǒng)采用 LabVIEFPGA模塊配置NI9401高速計(jì)數(shù)器，完成6個(gè)信道的開(kāi)發(fā)[12-13]。

2.1 16通道高速數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊的主要包括：信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中，信號(hào)調(diào)理電路會(huì)把發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V信號(hào)，輸出到 A/D轉(zhuǎn)換電路，采用C8051F040單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中心控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[14]。

2.2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本文提出了一種新型的熱電偶信號(hào)調(diào)理電路，它采用高阻運(yùn)算放大器，將弱信號(hào)放大到0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。Pt100用于測(cè)量環(huán)境溫度，其信號(hào)調(diào)節(jié)電路由0.mA恒流源電路和相應(yīng)的信號(hào)放大電路組成[15]。電壓信號(hào)調(diào)理電路由0～5 V增加驅(qū)動(dòng)能力時(shí)所需要的緩沖及濾波電路組成，在0～5 V調(diào)理電路的基礎(chǔ)上，可以增加一個(gè)分壓電路，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離。傳感器信號(hào)調(diào)理電路示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇ads8344為 A/D轉(zhuǎn)換芯片。作為一種16位AD轉(zhuǎn)換器，ads8344具有高速、低功耗的特點(diǎn)。其功率由2.7～5伏特單相電源提供，最大采樣率為100 kHz，信噪比為84 dB。可以設(shè)置8路模擬量輸入通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端輸入或差分輸入的保持和自采樣。利用串行接口實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)ads8344進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，它的基準(zhǔn)電壓是+5 V，由基準(zhǔn)電壓芯片isl21009所提供。圖4為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.4 C8051F040單片機(jī)及其 CAN通訊電路的研究

在單片機(jī)C8051F040中有基于 Bosch規(guī)范的 CAN控制器2.0 A與2.0 B，單片機(jī)并不包括與之對(duì)應(yīng)的物理層驅(qū)動(dòng)電路，在CAN總線連接時(shí)，需要增加 CAN總線收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的物理層驅(qū)動(dòng)功能。CTM8251A是一個(gè)普遍應(yīng)用的 CAN收發(fā)器芯片，其中包含了CAN隔離和 CAN收發(fā)裝置，能夠把 CAN控制器的邏輯電平變?yōu)?CAN總線的差分電平，同時(shí)可達(dá)到 DC2-500 V的隔離效果。CAN通訊線路如圖5所示。

圖5 CAN通訊線路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW在操作界面制作、數(shù)據(jù)庫(kù)使用、儀器程序程控等維度具有明顯的優(yōu)勢(shì)，測(cè)試序列管理軟件帶來(lái)了一個(gè)模塊化的方式，來(lái)快速制作測(cè)控系統(tǒng)。該測(cè)試序列管理軟件結(jié)構(gòu)清晰，有很高程度的模塊化功能，開(kāi)發(fā)方便、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單。同時(shí)，該軟件適用于NI LabVIEW、LabWindows/CVI、MeasurementStudio及微軟 VisualBasi等當(dāng)下主流測(cè)試編程環(huán)境。Host.vi主要程序由虛擬儀器 LabVIEW開(kāi)發(fā)，運(yùn)行在主機(jī)上，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)指令發(fā)送，數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示。

基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)選擇 TestStand當(dāng)作測(cè)試管理軟件，使用 LabVIEW編寫(xiě)測(cè)試序列，將 TestStand與 LabVIEW結(jié)合起來(lái)。基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)軟件能夠很好地實(shí)現(xiàn)測(cè)試步驟操作、顯示和以及保存測(cè)試結(jié)果等?；跀?shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)軟件流程

如圖6所示，采用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率進(jìn)行采集并聚類，將測(cè)試的頻率數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)額定頻率對(duì)比，如果采集頻率大于額定頻率，則通過(guò)CAN通信程序從設(shè)備中反饋數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象，再通過(guò)HT通信將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)硬件中，用來(lái)準(zhǔn)確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)頻率是否處于正常范圍內(nèi)。

3.1 CAN通信程序

發(fā)動(dòng)機(jī)把輸入信號(hào)的收集標(biāo)本存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器中，作為查表操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，測(cè)試系統(tǒng)需要與對(duì)應(yīng)的通訊方法查詢存儲(chǔ)器中的信號(hào)的收集標(biāo)本，CCP為 CAN總線的 ECU校準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范，通過(guò) CAN報(bào)文的展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)兼容11位標(biāo)準(zhǔn)消息幀與29位擴(kuò)展消息幀，CCP協(xié)議的依靠 CAN消息的兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：命令接收對(duì)象(CRO)及數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象(DTO)，從設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送的 CRO后，必須對(duì) DTO進(jìn)行反饋。CAN通信組態(tài)模塊程序如圖7所示。

圖7 CAN通信組態(tài)模塊程序

設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)置 CAN網(wǎng)絡(luò)接口名、波特率、數(shù)據(jù)大小等；接著設(shè)置 CAN對(duì)象，配置 CAN對(duì)象名，發(fā)送及接收 ID，通信種類等等；開(kāi)啟 CAN后，以 CCP協(xié)議消息傳輸格式發(fā)送及讀取數(shù)據(jù)，退出程序時(shí)關(guān)閉 CAN。

3.2 HT程序設(shè)計(jì)

使用主機(jī)的 LabVIEW RT模塊開(kāi)發(fā) RTOS主程序，產(chǎn)生可執(zhí)行文件并設(shè)置在實(shí)時(shí)控制器上，利用讀取顯示控件及緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理，將處理的數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)總線發(fā)送到主機(jī)，達(dá)到采集數(shù)據(jù)、預(yù)處理及與主機(jī)的通信的目的。RT主程序是測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，確保主機(jī) Host.vi和及FPGA.vi的通信得以順利完成，

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分別檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)率和虛警率。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選擇本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于CRIO的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)、基于虛擬儀器的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)統(tǒng)計(jì)所有的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試數(shù)據(jù)，將全部數(shù)據(jù)中的80%提取出來(lái)作為正常數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練；

2)提取剩余的20%數(shù)據(jù)，通過(guò)異常檢測(cè)提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

3)使用3種系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試次數(shù)共7次，每次選取的訓(xùn)練數(shù)據(jù)不同，得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)也不同。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟獲得3種系統(tǒng)在五次測(cè)試過(guò)程中的檢測(cè)率和虛警概率，得到的數(shù)據(jù)檢測(cè)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)檢測(cè)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖8中的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)檢測(cè)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的檢測(cè)率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。雖然設(shè)定高級(jí)檢測(cè)處理機(jī)制能夠提高檢測(cè)率，但是由于檢測(cè)過(guò)程十分復(fù)雜，所以傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)僅依靠高級(jí)檢測(cè)機(jī)制檢測(cè)能力較差。本文提出的數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)深入分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)率，從而提高準(zhǔn)確率。

虛警概率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 虛警概率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)圖9的虛警概率結(jié)果，得到的平均值如表3所示。

表3 虛警概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試時(shí)間較短，且產(chǎn)生的虛警率很低，很少出現(xiàn)誤報(bào)，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)由于受到測(cè)量范圍的限制，所以頻率測(cè)量過(guò)程很容易出現(xiàn)誤差，在精準(zhǔn)度和實(shí)時(shí)性上都難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)提出的要求。

本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)以底層數(shù)據(jù)為支撐，系統(tǒng)硬件能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和輸出測(cè)試功能，軟件通過(guò)誤差抑制和補(bǔ)償，有效降低熱電偶的數(shù)據(jù)采集誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，測(cè)量誤差可以控制在±0.5 ℃以內(nèi)，在精度上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)內(nèi)部的上位機(jī)能夠有效降低模塊化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，確保測(cè)試系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)工作。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試能力優(yōu)于目前的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試能力，測(cè)試效果更好，實(shí)用性更高，值得大力推廣與使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為基礎(chǔ)，采用 LabVIEW開(kāi)發(fā) PFGA單元軟件、RT單元軟件與主機(jī)軟件，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該頻率測(cè)試系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低壓轉(zhuǎn)速，具有體積小、重量輕、測(cè)試精度高的特點(diǎn)，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的便攜和測(cè)試精度要求。