基于Simulink的小型汽油機(jī)溫度傳感器故障自診斷軟件開發(fā)

李捷輝， 丁樂盛， 毛功平， 劉大為， 鐘光耀

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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·測試與診斷·

基于Simulink的小型汽油機(jī)溫度傳感器故障自診斷軟件開發(fā)

李捷輝， 丁樂盛， 毛功平， 劉大為， 鐘光耀

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

運(yùn)用MATLAB/Simulink模型開發(fā)平臺(tái)，采用飛思卡爾MC9S12XEP100單片機(jī)作為主芯片，選取典型的模擬量傳感器溫度傳感器為研究對象，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了傳感器故障診斷軟件，通過特定的診斷算法以及容錯(cuò)策略判斷傳感器是否存在故障。在168F小型汽油機(jī)上,通過人為設(shè)置故障，驗(yàn)證了故障診斷軟件的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，診斷效果明顯，對普通模擬量傳感器的診斷軟件開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

汽油機(jī)； 溫度傳感器； 故障診斷； 軟件開發(fā)

自1988年美國工程師協(xié)會(huì)(SAE)、美國環(huán)保署(EPA)、加州空氣資源委員會(huì)(CARB)協(xié)同提出OBDⅠ系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以來[1]，該系統(tǒng)逐漸由缺乏統(tǒng)一檢測項(xiàng)目、通信協(xié)議、診斷接口的情況發(fā)展成為對所有零部件及各項(xiàng)子功能都具有自診斷功能的OBDⅡ系統(tǒng)，程序規(guī)模占據(jù)控制軟件的70%以上。國外著名的電噴系統(tǒng)供應(yīng)商，如BOSCH,DELPHI,DENSO等，將自診斷技術(shù)作為核心技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格保密[2]。因而，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的故障自診斷系統(tǒng)十分必要。

近年來，國內(nèi)諸多學(xué)者對OBD系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，設(shè)計(jì)出了詳細(xì)合理的診斷策略，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的診斷軟件，診斷效果能夠滿足OBD系統(tǒng)的要求。北京交通大學(xué)張欣教授以WT615Z280CNG天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對象，對傳感器故障等進(jìn)行了分析并制訂了詳細(xì)的診斷策略，通過C語言編程實(shí)現(xiàn)對故障的自診斷[3]；長安大學(xué)吳克剛教授針對使用ST公司專用芯片L9741，L9709，L9825，L9958的硬件驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行分析，根據(jù)故障反饋信號生成故障碼，實(shí)現(xiàn)對傳感器等零部件的故障自診斷[4]；吉林大學(xué)的劉忠長教授以捷達(dá)1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)作為對象研究車載診斷系統(tǒng)，研究傳感器、執(zhí)行器、三效催化轉(zhuǎn)換器和失火故障診斷策略，并通過車隊(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證診斷軟件的可靠性[5]；電子科技大學(xué)段翰聰教授利用以MC9S12DP256為主芯片的ECU，使用CodeWarrior作為開發(fā)工具編寫軟件，實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能[6]；華南理工大學(xué)上官文斌教授研究了豐田卡羅拉電控系統(tǒng)，針對AVR單片機(jī)以匯編語言編寫故障診斷軟件[7]。

為進(jìn)一步降低軟件開發(fā)過程的出錯(cuò)率，提高軟件的可讀性和移植性，本研究以溫度傳感器作為研究對象，在分析信號處理電路的基礎(chǔ)上，制訂了相應(yīng)的故障診斷策略及故障管理策略，采用基于模型的嵌入式軟件開發(fā)方式以及代碼自動(dòng)生成技術(shù)，完成診斷軟件的開發(fā)。

1 開發(fā)環(huán)境及硬件平臺(tái)

1.1 基于模型的嵌入式軟件開發(fā)

基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)是指在軟件設(shè)計(jì)過程中所有信息傳遞、運(yùn)行的核心與基礎(chǔ)都是若干模型。通過Simulink建立模型進(jìn)行仿真調(diào)試，再使用RTW(Real-Time Workshop)工具進(jìn)行代碼自動(dòng)生成[8]。Simulink是一個(gè)可視化的建模環(huán)境，通過可視化圖形設(shè)計(jì)、快速原型化、迭代設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真等過程，設(shè)計(jì)完成具有一定控制邏輯關(guān)系的模型[8]。

這種方法通過早期驗(yàn)證和各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的迭代，可以大大減少系統(tǒng)完成后和測試階段出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量，減少甚至不出現(xiàn)返工的情況，從而提高開發(fā)的速度和系統(tǒng)的可靠性?；谀Ｐ偷腣形開發(fā)流程見圖1。

1.2 主芯片

本電控系統(tǒng)選用Freescale 16位微處理器MC9S12XEP100作為主芯片，芯片具有增強(qiáng)型32位定時(shí)器、PWM發(fā)生器、32通道12位轉(zhuǎn)換精度AD轉(zhuǎn)換器、串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)和控制器局域網(wǎng)接口(CAN)，滿足控制要求[9]。

1.3 溫度傳感器特性

溫度傳感器用于對進(jìn)氣、冷卻水、機(jī)油等溫度信號進(jìn)行監(jiān)測，對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴油量、運(yùn)行工況噴油量、點(diǎn)火提前角等參數(shù)進(jìn)行修正[10]，因此，對溫度傳感器的診斷是自診斷系統(tǒng)的重要功能之一 。

本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻式(NTC)傳感器，即傳感器自身的電阻值隨著溫度的升高而減小。傳感器在電路中與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，并在兩端施加5 V參考電壓。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)熱敏電阻阻值相應(yīng)變化，兩端的電壓值也產(chǎn)生相應(yīng)變化，因此，熱敏電阻的電壓信號可以表示當(dāng)前溫度信號[7]。

由于本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是無源傳感器，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，電路采用了添加上拉電阻的設(shè)計(jì)思路，并添加BAV99雙向二極管對輸入電路進(jìn)行了限幅保護(hù)，添加Π型濾波電路對干擾信號進(jìn)行消除。溫度傳感器信號處理電路見圖2。

機(jī)體溫度傳感器的采樣點(diǎn)在ETEMP處，經(jīng)過信號處理電路得到一個(gè)模擬電壓值，ECU內(nèi)部的A/D模塊可以將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。由于系統(tǒng)設(shè)定采樣精度為12位，因此采樣值為0～4 095，該數(shù)字量可以反映傳感器溫度值。由于電阻R6與傳感器自身所帶電阻同處一條電路，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理，與ECU相連的ETEMP端的電壓值即為圖2中A點(diǎn)處的電壓值，通過監(jiān)測ETEMP的輸入值，即可對溫度傳感器進(jìn)行診斷。A點(diǎn)電壓由式(1)確定：

(1)

2 故障診斷策略軟件設(shè)計(jì)

故障診斷軟件的輸入信號主要包括機(jī)體溫度和進(jìn)氣溫度。軟件設(shè)計(jì)主要針對傳感器信號范圍診斷、合理性邏輯診斷、使能條件設(shè)置以及故障狀態(tài)下的失效保護(hù)。當(dāng)溫度傳感器信號超出了設(shè)定的上限閾值或下限閾值，可以認(rèn)為發(fā)生了超限故障；在沒有超限故障的前提下，當(dāng)傳感器信號值與正常狀況的邏輯關(guān)系不符合時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)生了合理性故障。

2.1 故障類型

2.1.1 超限故障

超限故障也稱為電路通斷性故障，即斷路故障和短路故障。機(jī)體溫度傳感器正常工作溫度范圍在-30～120 ℃之間，根據(jù)電路中的串聯(lián)分壓原理，當(dāng)傳感器阻值隨溫度變化時(shí)，ETEMP端的輸入電壓在0.05～4.25 V之間。當(dāng)傳感器信號電路與ECU斷開時(shí)，信號接近0，當(dāng)與電源短接時(shí)，信號接近4 095，因此，可以設(shè)定數(shù)字量上限閾值為4 000，下限閾值為100。當(dāng)ECU檢測到的采樣信號不在此范圍內(nèi)時(shí)，故障診斷軟件就可以認(rèn)為傳感器發(fā)生超限故障。溫度傳感器超限故障診斷策略見圖3[11-12]。

2.1.2 合理性故障

溫度傳感器合理性診斷策略大致分為兩個(gè)部分[13-15]，具體的診斷策略見圖4。

1) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷起動(dòng)狀態(tài)，機(jī)體溫度與進(jìn)氣溫度的數(shù)值比較接近，當(dāng)ECU檢測到兩者之間的差值超過了設(shè)定的閾值，則可以認(rèn)為出現(xiàn)合理性故障；

2) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后處于怠速或正常運(yùn)行狀態(tài)，借鑒豐田汽車的診斷策略，如果在起動(dòng)20 min以后，溫度傳感器的采樣值仍然顯示溫度低于30 ℃，則可以認(rèn)為溫度傳感器出現(xiàn)合理性故障。

系統(tǒng)在進(jìn)行合理性診斷時(shí)，為了避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的診斷結(jié)果，必須滿足以下三項(xiàng)使能條件：

1) 蓄電池供電電壓在正常范圍內(nèi)；

2) 機(jī)體溫度傳感器本身無超限故障；

3) 進(jìn)氣溫度傳感器本身無超限故障。

2.2 故障信息管理

2.2.1 故障確認(rèn)及清除

對于自診斷系統(tǒng)而言，應(yīng)設(shè)計(jì)故障信息管理策略，一方面對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行容錯(cuò)處理，防止出現(xiàn)誤診斷，另一方面，在故障消失后，需要對故障狀態(tài)進(jìn)行清除。本研究采用的故障信息管理策略見圖5。當(dāng)ECU檢測到傳感器信號的開路、短路或者合理性故障后，管理功能就會(huì)對故障現(xiàn)象進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)故障連續(xù)發(fā)生的次數(shù)超過專家經(jīng)驗(yàn)認(rèn)可的限定閾值后，故障將被確認(rèn)。故障信息的清除策略與此相同。為了便于查詢，歷史故障信息會(huì)被保存在ECU的Flash中，當(dāng)超過40次暖機(jī)循環(huán)檢測無故障后，則徹底清除Flash中的故障信息。采取以上的故障容錯(cuò)策略、清除策略，可以有效地避免虛假故障信息的干擾，從而避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁進(jìn)入失效保護(hù)模式，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性。

2.2.2 故障碼

當(dāng)診斷出故障后，通過故障燈和故障碼來指示故障出現(xiàn)、故障部位和故障原因。為了節(jié)省開發(fā)周期以及便于故障碼通信，本系統(tǒng)以J1939診斷應(yīng)用層協(xié)議為基礎(chǔ)，對可疑參數(shù)編號(SPN)、故障模式標(biāo)志(FMI)以及故障發(fā)生次數(shù)(OC)進(jìn)行賦值，與SAE-J2012規(guī)定的5位字符OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)故障碼相對應(yīng)。機(jī)體溫度傳感器的故障碼見表1[15-16]。

表1 機(jī)體溫度傳感器故障碼

2.3 失效保護(hù)措施

當(dāng)故障發(fā)生后，正常情況下的控制策略已不適用，ECU會(huì)根據(jù)故障的嚴(yán)重等級，在確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的情況下，采取故障模式下的控制策略，即失效保護(hù)模式。

3 故障診斷控制模型建立

故障自診斷是一個(gè)復(fù)雜的邏輯判斷過程，在建立Simulink模型時(shí)，需要將診斷、故障碼及故障燈控制、使能條件、失效保護(hù)等各個(gè)模塊分別建立模型，通過信號線連接，便于后續(xù)對各個(gè)模塊進(jìn)行修正、移植。

基于Simulink建立的溫度傳感器診斷模型見圖6。其中輸入信號包括機(jī)體溫度信號、蓄電池電壓、進(jìn)氣溫度信號；輸出信號包括故障碼MIL_Code、可疑參數(shù)編號SPN、故障模式標(biāo)志FMI、故障燈信號MIL、溫度修正信號ETEMP_Modify和溫度缺省值信號ETEMP_Default。模型按照功能的不同分為四個(gè)模塊：故障診斷控制模塊、故障碼及故障燈控制模塊、故障診斷使能條件模塊、失效保護(hù)措施模塊。在功能模塊內(nèi)部，利用Stateflow模塊，以圖形形式建立診斷功能流程圖，實(shí)現(xiàn)C語言中的if語句、if-else語句和switch語句功能。在stateflow流程圖中，判斷條件([判斷條件])置于水平轉(zhuǎn)移線上，執(zhí)行動(dòng)作({執(zhí)行動(dòng)作})置于垂直轉(zhuǎn)移線上[17]。

3.1 故障診斷模塊

圖7示出了斷路故障診斷流程，圖中u1為溫度傳感器采樣輸入值，counter_1為斷路故障計(jì)數(shù)器，clear_counter_1為斷路故障燈清除計(jì)數(shù)器，clean_counter_1為斷路故障碼清除計(jì)數(shù)器，Open_Fault為斷路故障模式標(biāo)志，MIL_Flag_1為斷路故障燈模式標(biāo)志，Open_Fault_Clean_Flag為斷路故障碼清除標(biāo)志。根據(jù)stateflow語言結(jié)構(gòu)，水平轉(zhuǎn)移線1為if判斷語句，用作對輸入信號、計(jì)數(shù)器的判斷；水平轉(zhuǎn)移線1方向節(jié)點(diǎn)處為if判斷成立后的執(zhí)行語句，主要用作對計(jì)數(shù)器累加、清除以及故障標(biāo)志的確立、清除。垂直轉(zhuǎn)移線2為else執(zhí)行語句，當(dāng)信號輸入值小于100，可以認(rèn)為傳感器發(fā)生斷路故障，則故障計(jì)數(shù)器加1；當(dāng)故障連續(xù)且計(jì)數(shù)器累計(jì)值達(dá)到5[13]，則斷路故障得到確認(rèn)，執(zhí)行語句被激活，故障模式標(biāo)志和故障燈模式標(biāo)志都被置為“1”，故障計(jì)數(shù)器清零。同理，故障的清除，故障燈的熄滅、點(diǎn)亮，故障碼的輸出、清除都按照故障管理策略進(jìn)行。

3.2 故障碼及故障燈控制模塊

圖8示出了故障碼和故障燈控制流程。水平轉(zhuǎn)移線1判斷故障模式標(biāo)識(shí)、故障清除標(biāo)識(shí)的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)后的執(zhí)行語句選擇對應(yīng)的故障參數(shù)編號、故障模式標(biāo)志以及故障燈狀態(tài)，左側(cè)垂直轉(zhuǎn)移線2為無條件轉(zhuǎn)移通路，用于控制一些異常情況[17]。

3.3 診斷使能條件模塊

圖9示出了合理性診斷使能條件模塊。使能條件包括蓄電池電壓、無超限故障、滿足設(shè)定時(shí)間，多個(gè)使能條件通過“與”邏輯合并，在所有使能條件滿足的情況下，輸出使能信號“1”，激活合理性診斷功能，否則使能信號保持為“0”。

3.4 失效保護(hù)模塊

在診斷模塊檢測到任意故障后，故障信號會(huì)傳遞到失效保護(hù)模塊。失效保護(hù)措施可以分為兩類：

1) 在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況下，為了在機(jī)體溫度傳感器發(fā)生故障時(shí)順利起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，取進(jìn)氣溫度減去5 ℃作為缺省值，若進(jìn)氣溫度也存在故障，則采用-30 ℃作為缺省值以確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；

2) 在怠速或運(yùn)行工況下，取80 ℃作為缺省值，同時(shí)通過溫度修正信號減少40%最大供油量。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果

在完成故障診斷模塊設(shè)計(jì)后，將模型嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)總體控制模型，選擇對應(yīng)系統(tǒng)目標(biāo)文件，通過自動(dòng)代碼生成功能生成單片機(jī)可執(zhí)行的C語言代碼。

試驗(yàn)選用168F小型汽油機(jī)作為研究對象，通過人為設(shè)置模擬故障，以驗(yàn)證故障診斷程序的可行性。本系統(tǒng)采用Metroworks公司出品的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工具CodeWarrior作為調(diào)試監(jiān)測平臺(tái)，通過16位BDM下載器刷寫程序、監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并顯示故障代碼。

模擬故障分為如下三類：

1) 將機(jī)體溫度傳感器信號線路與ECU斷開，模擬傳感器開路故障；

2) 將機(jī)體溫度傳感器信號線路與供電電源短接，模擬傳感器短路故障；

3) 在發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)狀態(tài)時(shí)，分別將機(jī)體溫度傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器先后加熱，使兩者產(chǎn)生較大溫差，模擬傳感器合理性故障[18]。

在變量監(jiān)測界面里，Data:1界面顯示MIL_Code,SPN_ETEMP和FMI_ETEMP，分別代表OBDⅡ故障碼、可疑參數(shù)編號和故障模式標(biāo)志；Data:2界面顯示發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)傳感器信號數(shù)值，RAW_ADC[2]為機(jī)體溫度采集通道，RAW_ADC[4]為進(jìn)氣溫度采集通道。由圖10和圖11可見，在Data:1中機(jī)體溫度傳感器斷路故障碼為P0118，故障參數(shù)編號為110，故障模式標(biāo)志為3，在Data:2中RAW_ADC[2]的采集信號大于設(shè)定上限閾值4 000，為超上限故障。由圖12和圖13可見，在冷起動(dòng)狀態(tài)時(shí)(Speed=0)，機(jī)體溫度和進(jìn)氣溫度的信號值都處在正常范圍內(nèi)，但兩者差值超過預(yù)設(shè)范圍，可以判斷出現(xiàn)了合理性故障，因此顯示故障碼P0116。

5 結(jié)束語

基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)由于具備可視性、快速原型化等特點(diǎn)，相比手寫代碼可以極大減少開發(fā)過程中出錯(cuò)的可能性，可提高系統(tǒng)開發(fā)的效率和準(zhǔn)確性。傳感器的診斷是OBD系統(tǒng)必不可少的一部分，通過Simulink建立故障診斷模型，并將其模塊化處理，在后續(xù)的開發(fā)過程中具備了極高的可移植性，方便后續(xù)開發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)開發(fā)的故障診斷軟件，可以準(zhǔn)確判斷溫度傳感器是否出現(xiàn)故障，在判斷故障后，系統(tǒng)點(diǎn)亮故障燈并顯示故障碼以提醒操作人員，通過失效保護(hù)措施，保證發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)安全運(yùn)行。

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[編輯： 姜曉博]

Diagnostic Software Development for Temperature Sensor of Small Gasoline Engine Based on Simulink

LI Jiehui, DING Lesheng, MAO Gongping, LIU Dawei, ZHONG Guangyao

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The sensor diagnostic software of modular design was developed with MATLAB/Simulink platform based on the main chip of Freescale MC9S12XEP100 by selecting the temperature sensor among the typical analog variable sensors as the research object. Through the specific diagnostic algorithm and fault tolerant strategy, the sensor faults could be detected. The feasibility of the software was verified by the simulated fault on 168F small gasoline engine. The test results show that the software is stable and,reliable and the diagnostic effect is obvious. The development project provides the reference for the development of general analog sensor diagnostic software.

gasoline engine; temperature sensor; fault diagnosis; software development

2015-02-01；

2015-04-21

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(13KJB470003);江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(QC201307)

李捷輝(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)研究；jhli@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.015

TK418

B

1001-2222(2015)05-0087-06