交通车辆发动机、变速器故障诊断系统

所属技术领域：

本发明涉及一种用于交通车辆发动机、变速器故障诊断系统。本发明属于汽车工业技 术领域的电子装置，是利用先进的DSP(Digital Signal Processing)技术，通过监测发 动机和变速器的实时输出信号，以实现发动机的工作状态诊断、监控的目的。

背景技术：

汽车作为现代工业技术发展前沿的集中体现，代表了最先进的技术发展。汽车工业的 发展从电子装置在汽车的比例来看，大致可分为三个阶段：机械部分占主要时代，机械和 电子装置开始结合时代，电子装置占较大比例时代。从技术角度来说，汽车电子逐步由技 术起点较低的交流发电机、电子闪光灯等，发展到电子燃油喷射系统、撞车预警系统、电 子变速器等。1982年后，微电脑(单片微机)在汽车上应用成熟起来，突出体现装置有胎 压控制、电子道路监视器、电子负荷调节器等，1990年开始，ASICS-32位处理机逐步成 为汽车电子的主处理器，汽车上电子装置开始整合为以CAN总线为连接的系统装置，汽车 自动驾驶仪等开始得到应用。

随着人们对环保问题的重视，世界各国都对汽车的尾气排放、噪声控制制定了严格的 标准和汽车环保法规，也促使汽车电子得以快速发展。

汽车技术的飞速发展，汽车在功能上日益完善和具有智能，但同时，也带来了汽车的 机械结构复杂化、电子装置可靠性差和维护、维修困难等弊端。基于此种不利状况，出现 了车载诊断系统，也就是OBD(On Board Diagnositic)。OBD现在是美国联邦政府要求的 汽车制造业的一项标准法规。ECU(Electric Control Unit)是OBD系统的组成部分。

现在的电喷发动机控制单元(ECU)，即电子控制汽油喷射发动机系统，在执行电控功 能的同时，它也具有一定的发动机监控和诊断能力。其中心是由一个16位的单片微机、集 成电路和一些精密的电子元件组成的控制装置(简称ECU)。ECU的作用是接收各种传感器送 来的信息，对它们进行运算、处理、判断后再发出指令信号。

传统地ECU单元在使用中有以下的不足：

1)运算能力差，无法执行实时算法程序，导致监控、诊断功能差。CPU对发动机和 变速器各种传感器送来的信号，如转速信号、点火信号、水温信号、控制信号等直接传感 信息，进行简单地比较、运算和修正等操作，无法从融合信号信息中提取出发动机和变速 装置的间接信息。

2)可扩展性能差。单片微机的硬件资源有限，无法满足汽车技术发展，要求处理和 监控更多的信号，同时，传统的ECU单元同OBD系统的通讯、接口能力较差。

3)可靠性差，可维护性低。在发动机和变速器工作的复杂工况条件下，虽然ECU采 用了抗干扰措施，但还有待提高。

发明内容：

在深入研究现有技术不足后，本发明采用以数字信号处理器(DSP)为核心，通过采集 发动机、变速器的振动信号和尾气成份信息，来诊断发动机和变速器的工作状况。其特征 在于：利用先进的DSP技术，结合特定的软件算法，提出专门用于发动机和变速器故障诊 断的系统解决方案，并设计出相应实施装置。本发明所提出这种技术是利用当今成熟的DSP 技术，应用于汽车发动机和变速器上，实时对发动机、变速器工作参数和工况进行监测， 可以对发送机、变速器的机械装置、电子装置异常和故障提前预测，并报警。

它与以前系统的不同之处主要是：使用DSP技术，在传统发动机诊断系统(ECU)的功 能基础上，扩展了振动信号、尾气组分信号处理功能，同时使得系统的整体运算能力得到 较大提高。它自身具有一定的扩展功能，可方便的通过加入测试点，扩展自身功能。

本发明提出的技术方案：

系统方案设计：从总体角度来说，采用专用硬件和特殊软件算法相结合的方案，实现 总体功能。

专用硬件：采用DSP技术和专用DSP芯片构成硬件系统。DSP芯片的出现，就是从结 构体系上，为适应数字信号处理设计而产生的。目前市场的DSP芯片，如TI公司的c6000 芯片，主频可以达到600MHz，其在专项计算性能上等同甚至超过高档微机。这为DSP技术 的应用奠定了物质基础。具体实现上，采用性价比高、功耗低的TMS320系列DSP为核心处 理器，通过扩展程序区和数据区，使用可快速访问的存储器和可重复读写、掉电保护的芯 片，保证系统的可靠工作。在考虑实时性问题上，我们使用DMA方式传输数据，以保证数 据处理的并行性。硬件结构图见附图2。

特殊算法：算法主要功能是对采进来的信号，采用特殊的特征提取算法，提取出信 号的时一频信息，然后和正常工作状态下的时一频信息进行对比，对异常信息进行比较、 处理，然后作出报告，对例如轴承等机械部分的失效故障、机油润滑不良等进行初期预报。 软件设计上，充分考虑了现场的高干扰环境，在采取硬件措施消除干扰的前提下，软件编 程上，进行了可靠性设计，使得程序首先保证高稳定性，不易跑飞；其次如果跑飞，系统 会很快自动重新启动，恢复到正常工作状态。程序算法流程图见图3。

信号采集：采用高采样速率的A/D转换器件，采集用专用的尾气成份测试传感器和 振动传感器拾取的测试信号等。多通道、高速率、高精度的A/D器件满足采集信号的动态 变化要求，保证信息的完整行和准确性，也使得系统易于扩展，满足系统的使用要求。

输入输出：本发明装置可以直接同ECU单元或OBD系统通讯，向OBD系统传送处理 结果，也可接受OBD系统的控制指令。数据处理后，本发明设计了两种报告方式，一种是 采用直接接口显示模块，显示发动机和变速器的工作状态。另一种是通过通用串口向车上 的主控微机传送它们的工作状态参数和状态，以便主控微机进行点火时间、喷油系统优化 控制，或显示发动机的工作状态等。

本发明应用层次框图、有益效果：

本发明在应用功能上可以作为ECU单元的升级替代品，也可以独立作为专用外挂模块， 可与车上的电子装置接口、通信，成为车上主控电脑、ECU单元或OBD系统的组成部分。 从我国汽车发展的现状来说，目前大多数交通车辆档次低、技术装备落后，本系统的应用 可大幅度推进我国汽车工业的技术发展，因而它的使用有着广泛的应用前景，有着深远的 社会和经济意义。应用层次框图见附图4。

本发明系统的构成框图：

本发明装置框图见附图2。各模块的主要功能介绍如下：

DSP处理器模块主要功能主要包括运行算法提取运行信息、设置串口通讯波特率、设 置AD转换器，控制显示输出等。再和上位PC通信时，通过模拟RS232模式实现数据的同 步(发明中双方采用了特殊的握手协议，用以保证传输数据的可靠性)，并用RS-232接口 电路将TTL或CMOS电路转换为标准的RS-232电平，从而实现DSP芯片串口与Pc及串口之 间的数据传输。

存储模块采用SRAM和在线擦除的FLASH，SRAM用作程序区，运行代码；FLASH则存储 程序代码，保证系统代码的掉电保存。系统中使用了CPLD器件，这样系统可很容易升级， 而不需要做硬件上的改动。

电源模块的主要为其它各模块供电，为了防止干扰电源模块专门设计了滤波电路，此 外还包括电压转换电路，欠压复位电路，过压保护电路等。

AD模块负责将传感器送来的模拟信号采进DSP内部。

传感器模块将发动机的振动信号、尾气成份组成变换为电信号传送给AD模块。

附图表说明：

图1：系统技术方案

图2：硬件原理框图

图3：程序流程图

图4：系统应用层次框图

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式：

在DSP芯片的选择上，考虑性价比，在满足使用性能的条件下，选择高速信号处理器 TMS320vc5402芯片作为处理器。存储器选择可靠性高、可快速访问的SRAM芯片cy71021v 作为扩展程序区，选择可在线多次擦写的、非易失的FLASH芯片SST39VF400A存储启动代 码。选用可编程器件CPLD便于系统升级、改型。传感器选择上，主要考虑了可靠性和价格 因素。系统在调试成功后，需要经过一系列的温度、抗冲击和抗电磁干扰试验，证明是可 靠的。