基于CAN 總線的發(fā)動機電控系統(tǒng)檢測設備設計

楊云飛，葛 玉，黃林昊，吳建磊

(武漢軍械士官學校，武漢 430075)

隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，越來越多的大型柴油發(fā)動機安裝了電控系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)發(fā)動機，電控發(fā)動機的電氣與化電子系統(tǒng)組成更加復雜，自動化信息程度更高，特別是采用CAN 總線技術的發(fā)動機，提高系統(tǒng)的工作可靠性的同時，減少了大量繁雜的控制電纜，系統(tǒng)集成化、一體化程度越來越高。由于電控發(fā)動機的工作控制更多的依賴電控系統(tǒng)，其對維修保障的要求也越來越高，當發(fā)生故障時，采用傳統(tǒng)的方法判斷故障部位進行修理變得越來越困難，傳統(tǒng)的分部件單獨檢測的維修設備已遠不能滿足全系統(tǒng)聯(lián)動集成檢測的需求?；诖耍O計開發(fā)了基于CAN 總線的發(fā)動機電控系統(tǒng)檢測設備，利用裝備自帶總線及各分部件預留檢測接口，成功實現(xiàn)了發(fā)動機電控系統(tǒng)聯(lián)動工作時各類控制信息、工作狀態(tài)信息及必要工作參數(shù)等數(shù)據(jù)的快速采集及傳送，利用上位機集成智能故障診斷系統(tǒng)，可快速準確地進行數(shù)據(jù)分析與故障診斷，為大型發(fā)動機穩(wěn)定可靠的工作提供了可靠保證。

1 系統(tǒng)總體設計

發(fā)動機電控系統(tǒng)主要包括控制器、執(zhí)行器、轉速傳感器、油溫傳感器、油壓傳感器、加溫控制器、水溫傳感器及接線盒等，通過對以上組成部分各類信息的充分研究與分析，可對影響故障診斷分析的數(shù)據(jù)分成兩大類，一類是通過CAN 總線互相傳輸?shù)母黝惪刂泼钚畔⒓皩ν饴?lián)系信息，這類信息主要是各分部分聯(lián)動工作時相互之間傳遞的控制信息及返回的執(zhí)行結果，另一類信息是控制設備部件內部工作時的控制信號和主要工作參數(shù)，這類信息均集中在子系統(tǒng)檢測接口輸出，以方便檢測設備進行故障分析與診斷。

依據(jù)現(xiàn)代檢測設備模塊化、集成化的設計思路，該測試系統(tǒng)采用適配器結合上位機的一體化模式，主要包括信號檢測適配器、便攜控制機、CAN 總線通信設備及集成故障診斷系統(tǒng)軟件，整體組成如圖1 所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)整體組成

1.1 自適應適配器

自適應適配器主要采集電控部組件工作時的內部控制信號和產(chǎn)生檢測時的自適應檢測信號，并將采集的數(shù)據(jù)和檢測執(zhí)行結果發(fā)送給上位機，上位機部分負責整體控制和數(shù)據(jù)分析，診斷相應故障原因，給出故障診斷思路和方法。為了減少現(xiàn)場復雜電磁環(huán)境對檢測的干擾，并盡量使得檢測設備便攜化，這里充分利用了電控系統(tǒng)自帶總線。當自動檢測適配器采集到相關信號后，首先鏈接CAN 總線，利用CAN 總線優(yōu)越的現(xiàn)場抗干擾性能，向上位機發(fā)送信息，即實現(xiàn)了分布式設計，也充分保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

檢測適配器主要包括嵌入式控制器、數(shù)據(jù)采集電路、信號調理電路、CAN 控制電路、DC-DC 電源電路及ROM 存儲器和編程接口電路等。DSP 控制部分是適配器的控制中心，負責適配器的協(xié)調調度，工作流程控制及對上位機的檢測需求響應;信號調理及數(shù)據(jù)采集電路負責對各類輸入輸出信號識別轉換、采集處理，還對相關數(shù)據(jù)進行鎖存、延時、整形觸發(fā)等。通過內置隔離電路，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)與被檢系統(tǒng)的電氣隔離，有效避免相互之間的工作影響和可能損傷。由調理電路轉換后的信息經(jīng)采集板采集，由通信電路發(fā)送給DSP 控制器，SP 控制器CAN 總線電路轉發(fā)給上位機; CAN 收發(fā)電路負責提供CAN 總線協(xié)議控制和物理總線接口，而且對CAN 總線控制器提供差動接收能力;DC-DC 電源電路提供適配器所需的精準電壓，避免錯誤的發(fā)生;JTAG 接口電路提供了適配器控制部分的仿真調試接口，便于系統(tǒng)的試驗調整。

1.2 嵌入式上位機

嵌入式上位機是檢測設備和用戶實現(xiàn)人機交互的窗口，集成了檢測整體流程控制模塊和智能故障診斷模塊，可以通過設定的程序集控制自動測試流程，實時顯示發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過人工干預突出顯示關鍵數(shù)據(jù)，利用通過智能故障診斷模塊完成故障的分析定位并給出合適的故障處理方案。嵌入式上位機設置了CAN 智能適配卡，掛接于電控系統(tǒng)工作總線上，根據(jù)自動測試系統(tǒng)流程控制要求，發(fā)送檢測控制命令，接收適配器反饋的關鍵測試數(shù)據(jù)，傳送給數(shù)據(jù)分析與智能故障診斷模塊。

2 適配器設計

適配器硬件架構設計如圖2 所示。主要組成包括DSP和FPGA 的基本組合，配合MUX 多路轉換器、調理電路、數(shù)據(jù)采集電路及總線控制電路，可以實現(xiàn)自主智能選擇檢測控制邏輯進行數(shù)據(jù)采集調理，并與上位機實現(xiàn)信息有效傳輸。

圖2 適配器設計

為了實現(xiàn)發(fā)動機電控系統(tǒng)各組成部件監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步實時信號采集，系統(tǒng)設置了了高速MUX 多路轉換器，在DSP控制器的控制下，有效分配數(shù)據(jù)傳輸通道，由信號調理電路接收處理。傳統(tǒng)上對復雜信號的采集，一般采用控制器+采集器的搭配，然而應用中發(fā)現(xiàn)，無論用單片機還是DSP 直接控制都存在明顯不足，單片機自身處理速度相對較慢，無法滿足大量數(shù)據(jù)并發(fā)實時高速采集的需要，DS 處理速度快但通用I/O 少，所以其控制能力也不強。為了克服以上不足，檢測設備采用了DSP+FPGA 的搭配組合，整體來說，其核心就是DSP 芯片和FPGA 芯片，兩者密切配合，相當于對DSP增加了FPGA 處理器。

針對檢測時的實時多路并發(fā)數(shù)據(jù)，適配器需要對底層大量數(shù)據(jù)進行預處理，但運算算法結構相對單一，可以重點關注其處理速度，這正是該芯片的強項，可以明顯提高處理速度。相對來說頂層處理的數(shù)據(jù)量不多，但其運算方法較為復雜，這些DSP 正好可以克服。因此DSP +FPGA 的硬件架構既滿足了處理速度也兼顧了靈活性要求，既可以實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)處理要求也滿足頂層數(shù)據(jù)處理需要，可以明顯提高檢測設備的性能和適應能力。MUX 多路轉換器按照規(guī)則分配特征信號，控制信號調理電路，按照實際檢測需求對信號進行阻抗匹配、增益控制和隔離放大等，以滿足復雜信號檢測分析的需要?？偩€控制電路控制適配器與嵌入式上位機的檢測控制信號和檢測反饋信息傳輸，通過CAN 總線，實時進行檢測命令和檢測數(shù)據(jù)的上傳下達，為故障診斷分析提供可靠保證。

2.1 調理電路設計

發(fā)動機電控系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生各類信號，主要包括直流電壓信號、正弦波信號、方波信號信號、脈沖信號及交流電壓信號等，且電壓值范圍較大，不便統(tǒng)一設計檢測電路，為了有效地對電控系統(tǒng)各類信號進行檢測，減少對電控系統(tǒng)的影響，避免沖擊和損壞，在數(shù)據(jù)采集電路前端，必須設計調理電路。信號調理部分設計如圖3 所示。

圖3 信號調理電路設計

電路中主要包括阻抗匹配與阻抗變換、自適應放大、緩沖等幾大部分。對于高頻檢測信號，將信號分配到阻抗匹配電路中，以免發(fā)生反射，影響電控系統(tǒng)性能，對于低頻信號分配到阻抗變換電路提高輸入阻抗，減少對前級的影響; 放大電路部分采用可變增益放大電路，增加對各類型信號的適應能力。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是適配器的關鍵部件，適配器最終產(chǎn)生的傳送數(shù)據(jù)準確度高度依賴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)信號調理電路處理后的信號，在控制器的調度控制之下，輸入數(shù)據(jù)采集電路實時數(shù)據(jù)采集。采集后的數(shù)據(jù)傳送至上位機，以進行進一步的分析和處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件是AD 轉換芯片，轉換芯片的性能某種程度上決定了整體關鍵性能指標。數(shù)據(jù)采集的關鍵ADC 芯片關系到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能指標。根據(jù)發(fā)動機電控系統(tǒng)現(xiàn)場工作情況及自身工作特性，適配器采集器的AD 轉換采集采用了ADS1282。該數(shù)據(jù)轉換芯片內置穩(wěn)定四階∑-△調制器及31 位∑-△型模數(shù)轉換器，在實踐測試中具有非常良好的噪聲和線性特性。設計時考慮到現(xiàn)場環(huán)境的噪聲干擾、電路本身的熱電阻噪聲在及運放的內部噪聲等，都有可能影響到采集器的精確度，這里采用了優(yōu)化ADC芯片的方式予以解決。通過編程改變數(shù)據(jù)采集芯片的濾波器組合形式，使得輸出信號與濾波器更高的匹配，可以更好的降低噪聲的影響。其次，根據(jù)1282 的LSB 大小，在轉換器采樣頻率的1 /2 處將噪聲衰減至LSB 大小的1 /4，如果噪聲值較高，可以適當提高濾波器階數(shù)，或者降低轉角頻率。

2.3 CAN 通信設計

適配器采用的DSP 內置CAN 控制器，但是這個控制器只是一個邏輯控制器，本身不具備數(shù)據(jù)驅動能力，為了實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)傳送，還需要設計具有驅動能力的CAN 通信電路。整體電路組成見圖4 所示，電路中的SN65HVD231芯片TI 公司設計生產(chǎn)的驅動芯片，可對CAN 總線提供差動發(fā)送能力，對DSP 的CAN 總線控制器提供差動接收能力。電路設計中，TXD 和RXD 分別接CAN 控制器的發(fā)送和接收鏈接引腳，由于DSP 內置CAN 模塊，所以直接接DSP 相關引腳即可。Vref 為參考電壓輸出腳，可以作為輸出電壓的參考，參考電壓在0.5 V 左右?？刂菩酒试S自定義工作模式，可從高速模式、待機模式和斜率模式中選擇一個，通過預置RS 值實現(xiàn)，這里將RS 設置為0.1 V，即使得控制器工作在高速模式，以適應電控系統(tǒng)快速數(shù)據(jù)變化的需要。為了獲得更好的抗干擾效果，電路中設置有雙路光電耦合芯片，實現(xiàn)電路的物理隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力與可靠性。

圖4 CAN 收發(fā)電路

3 嵌入式上位機軟件設計

3.1 軟件結構

上位機部分是數(shù)據(jù)分析和故障診斷的中心，主要依托軟件，通過設計算法規(guī)則，依據(jù)故障產(chǎn)生和分析的合理思路，設計了整套故障診斷上位機軟件。軟件總體框圖如圖5 所示。

上位機故障診斷軟件以模塊化、易擴展為基本思路，其主體模塊包括管理模塊、部組件獨立測試模塊、全系統(tǒng)檢測模塊、故障分析處理模塊和數(shù)據(jù)備份存儲模塊等。管理模塊主要用于對操作使用人員的權限管理，對于一般人員，只能使用一般性故障診斷，核心數(shù)據(jù)不能涉及，對于專業(yè)級使用人員，可以進一步進行核心關鍵數(shù)據(jù)的檢測分析與修改等;部組件獨立測試模塊針對發(fā)動機電控系統(tǒng)各組成部件工作特性，設計對應的檢測流程和數(shù)據(jù)處理分析方法，通過適配器的配合，完成獨立部組件的數(shù)據(jù)收集與故障分析; 全系統(tǒng)測試模塊適用于完整狀態(tài)的整體技術檢查和故障診斷，根據(jù)發(fā)動機電控系統(tǒng)綜合工作過程涉及對應的診斷流程和步驟;故障分析和處理模塊針對適配器反饋的各類數(shù)據(jù)，進行基于小波變換的故障診斷，快速確定故障部位，并給出具體處理參考方法。數(shù)據(jù)庫管理模塊對檢測歷史記錄數(shù)據(jù)、故障分析數(shù)據(jù)、裝備信息等內容進行存儲與管理。

圖5 軟件設計框圖

3.2 故障診斷

發(fā)動機電控系統(tǒng)在大型裝備工作過程中，故障發(fā)生的部位、時間、特征都具有很大不確定性，為了做好快速故障辨識和處理，設計時采用了以目前應用效果較好的小波網(wǎng)絡與模式識別相結合的故障診斷方法。在具體的故障診斷過程中，通過對各種故障模式進行小波變換，并進行故障識別，就可很好提高診斷結果的可信度，并且便于擴展。

4 結束語

檢測設備基于便攜式設計思想，針對發(fā)動機電控系統(tǒng)工作的復雜電磁環(huán)境，通過上位機和適配器的密切配合，實現(xiàn)了電控系統(tǒng)檢測的智能化，從根本上提高了采樣數(shù)據(jù)的精確度，減少了傳送誤差，增強了故障分析的準確度和針對性。上下位機數(shù)據(jù)通信基于CAN 總線，增強了檢測設備的便攜性和環(huán)境適應性，提高了數(shù)據(jù)可靠性。適配器部分采用的復合結構，在控制效果和運算速度上達到了統(tǒng)一，為了適應多路復雜信號有效采集，在ADC 前端設計了自適應調理電路，實現(xiàn)了檢測信號與采集電路的完好匹配。上位機故障診斷模塊采用小波變換故障診斷方法，在針對發(fā)動機電控系統(tǒng)的故障診斷過程中，不僅提高了診斷結果的精確性，也更加適用于發(fā)動機電控系統(tǒng)檢測設備的功能擴展。

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