某型汽車信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉楠， 馮國(guó)勝， 李倩茹， 彭朝亮

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 教務(wù)處，河北 保定 071001)

某型汽車信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉楠1， 馮國(guó)勝1， 李倩茹2， 彭朝亮1

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 教務(wù)處，河北 保定 071001)

為了觀測(cè)汽車在不同工況下的各項(xiàng)參數(shù)以便利于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心對(duì)長(zhǎng)城哈弗H6汽車進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用ADC模塊和EV模塊采集汽車的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度以及冷卻液溫度等實(shí)時(shí)信號(hào)，通過SCI模塊將采集信號(hào)傳輸給上位機(jī)，并使用Labview軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。介紹了該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程的方法，通過試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，為汽車的故障診斷與排除提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)部件的進(jìn)一步優(yōu)化具有一定的參考意義。

汽車；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；串口通信；TMS320F2812

0 引言

隨著汽車電控技術(shù)的快速發(fā)展，由于諸多原因使得汽車不可避免的發(fā)生故障，從而影響其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱性等性能。車載信號(hào)已經(jīng)成為衡量汽車在不同工況下運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，對(duì)汽車重要結(jié)構(gòu)信號(hào)的檢測(cè)是汽車故障診斷和排除的重要途徑。為了快速、直接的判斷汽車發(fā)生故障的部位和原因以及進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車部件的參數(shù)，設(shè)計(jì)了此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。汽車狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地對(duì)車載信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)汽車運(yùn)行狀態(tài)過載或部件結(jié)構(gòu)異常時(shí)ECU發(fā)出預(yù)報(bào)警信號(hào)，有效地預(yù)防了汽車突發(fā)狀況，保證了駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中的安全。

1 總體設(shè)計(jì)

汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體包括主控單元、信號(hào)采集模塊以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊3個(gè)部分，如圖1所示。主控單元采用DSPF2812作為控制中心，傳感器檢測(cè)各部分結(jié)構(gòu)的模擬信號(hào)并經(jīng)過調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以符合DSP的電壓輸入范圍，通過EV模塊捕獲脈沖信號(hào)和ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并分析處理，利用CCStudio v3.3編程軟件建立了DSP與PC機(jī)之間的串口通信協(xié)議，最終通過Labview界面實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，為進(jìn)一步的分析和研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路

調(diào)理電路包含了輸入信號(hào)分壓、濾波和匹配阻抗等作用。電壓調(diào)理電路參考圖2，汽車蓄電池總電壓范圍一般為12～14 V之間，而F2812開發(fā)板輸入電壓范圍為0～3 V，所以在輸入端添加了分壓電路。為了減小對(duì)電源系統(tǒng)的干擾，使用了千歐級(jí)電阻R1、R2串聯(lián)到電路中，其中R1電阻值為40 kΩ，R2電阻值為10 kΩ，通過分壓保證了輸入電壓在0～3 V之間，并滿足了1.8～3.3 V高精度采集范圍。此外，由于輸入信號(hào)中常常伴隨著大幅度的高頻毛刺，不僅會(huì)影響到測(cè)量的精度，還有可能損壞開發(fā)板。為了去除干擾毛刺，在電路中添加了0.1 μF的電容對(duì)高頻信號(hào)過濾。分壓濾波后接電壓跟隨器，對(duì)輸入和輸出的阻抗進(jìn)行匹配，提高了測(cè)量精度[1]。保險(xiǎn)起見，在輸出端口前加了一個(gè)鉗位電路，其原理為當(dāng)輸入電壓值高于3.3 V時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，輸出電壓值為3.3 V。當(dāng)輸入電壓值低于0 V時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓值為0 V。這樣就可以保證輸出電壓的范圍值在0～3.3 V之間，從而有效保護(hù)了開發(fā)板。

由于汽車電流變化范圍較大，瞬時(shí)電流能達(dá)到上百安，本設(shè)計(jì)選用了閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-100 A。其額定電流值為100 A，工作溫度為-25～85 ℃，電壓輸出最大值為8.5 V。傳感器工作時(shí)由±15 V電源供電，其信號(hào)調(diào)理電路與電壓調(diào)理電路大體相似，只需將兩個(gè)分壓電阻重新匹配阻值比例，將輸出電壓控制在0～3.3 V即可。

圖2 電壓采集信號(hào)調(diào)理電路

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

2.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路及測(cè)定方法

通過示波器發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)并非規(guī)則的脈沖信號(hào)，而是類似于正弦波的信號(hào)，不能直接輸入到DSP中，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。調(diào)理電路圖如圖3所示,電路主要包含了RC濾波、鉗位電路、信號(hào)放大、比較電路4部分。電路中C2 、R2和R3組成了一個(gè)低通濾波器，可以有效地將高頻信號(hào)過濾。D1和D2兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成了鉗位電路，起到過電壓保護(hù)的作用。由于采集到的信號(hào)較弱，選用了反向雙運(yùn)算放大器LM358對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后輸入到比較結(jié)構(gòu)。比較電路使用了LM393比較器，基準(zhǔn)選為大地，供電電壓為3.3 V, 經(jīng)比較后的信號(hào)形成峰值為3.3 V的單極性脈沖信號(hào)。

圖4 M/T法測(cè)速原理圖

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用M/T法測(cè)速的方式進(jìn)行測(cè)定，相比于單純地采用M法和T法測(cè)速方式，其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是在高速或是低速運(yùn)轉(zhuǎn)都能保證較高的測(cè)量精度[2]。原理圖如圖4所示，將M法測(cè)速和T法測(cè)速合為一體，已知高速時(shí)鐘脈沖頻率f0，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生Z個(gè)噴油脈沖。通過在時(shí)間T內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到了M1發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)和M2高速時(shí)鐘脈沖信號(hào)，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖的頻率為M1f0/M2,則發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間為M2Z/M1f0，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速推導(dǎo)公式如下

2.3 節(jié)氣門位置調(diào)理電路

節(jié)氣門開度的大小是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況的重要指標(biāo)之一，通過節(jié)氣門位置傳感器檢測(cè)節(jié)氣門開度的大小來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于減速、加速、怠速、小負(fù)荷或大負(fù)荷工況并將信息傳輸給ECU，ECU根據(jù)不同工況來(lái)控制噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。此設(shè)計(jì)采用觸點(diǎn)與可變電阻組合式傳感器進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)節(jié)氣門開度變化時(shí)，可變電阻滑臂上的觸點(diǎn)便在鍍膜電阻上開始滑動(dòng)，進(jìn)而輸出端子VTA與E2之間的電壓信號(hào)產(chǎn)生變化，節(jié)氣門開度越大，輸出電壓值越高。其原理圖和輸出特性如圖5、圖6所示。

圖5 組合式節(jié)氣門傳感器工作原理

圖6 節(jié)氣門傳感器輸出特性

由于通過傳感器輸出的電壓值范圍在0～5 V，且有高頻信號(hào)干擾，需要對(duì)電路進(jìn)行分壓并去干擾。節(jié)氣門開度信號(hào)調(diào)理電路參考圖7，分壓電路中R1、R2阻值均為10 kΩ,經(jīng)分壓后輸出電壓值為最大為2.5 V。在其后添加了四階伯特瓦茲低通濾波器，截止頻率為4 kHz，能有效的將高頻信號(hào)過濾，濾波器外接電源為5 V，由穩(wěn)壓電源供電[3]。

2.4 冷卻液溫度信號(hào)

冷卻液溫度是反應(yīng)各種油液熱負(fù)荷狀態(tài)的重要參數(shù)，必須對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。安裝在冷卻液管道上的溫度傳感器可以實(shí)時(shí)地將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給ECU，ECU通過對(duì)信號(hào)判斷后改變控制參數(shù)或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)選用型號(hào)為DS18B20溫度傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，此傳感器具有9～12位分辨率，工作溫度為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，由于冷卻液溫度一般較高，若采用寄生電源供電方式會(huì)使器件產(chǎn)生較大的漏電流，從而影響信號(hào)的檢測(cè)精度，所以采用外部電源3～5.5 V給傳感器供電。

圖7 節(jié)氣門信號(hào)調(diào)理電路

圖8 溫度傳感器原理框圖

圖9 溫度傳感器與DSP連接方式

溫度傳感器原理如圖8所示，傳感器內(nèi)置低、高溫系數(shù)振蕩器，其中低溫系數(shù)振蕩器可產(chǎn)生一穩(wěn)定頻率的計(jì)數(shù)脈沖，而高溫系數(shù)振蕩器則產(chǎn)生一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始分別給減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器預(yù)置值為-55 ℃的基數(shù)，減法計(jì)數(shù)器開始對(duì)低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)預(yù)置值減至0時(shí)，溫度寄存器自動(dòng)加1，減法計(jì)數(shù)器重新預(yù)置為初始值-55 ℃，以此循環(huán)計(jì)數(shù)直至減法計(jì)數(shù)器2減至0時(shí)停止[4]，此時(shí)寄存器值即為實(shí)際所測(cè)溫度。

DS18B20溫度傳感器與DSP連接方式參考圖9，傳感器采用外接5 V電源供電，數(shù)據(jù)端口接DSP的GPIOA0端口，在總線中上拉4.7 kΩ的電阻，使其與傳感器中的電容之間形成充放電電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ADC采集模塊設(shè)計(jì)

ADC模塊是有12位分辨率和16個(gè)采樣通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠采集的電壓值范圍為0～3 V，將采集方式設(shè)置為級(jí)聯(lián)式順序采樣模式[5]。由于在硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)電壓、電流、節(jié)氣門位置和溫度信號(hào)調(diào)制完成，且調(diào)制后的信號(hào)均為0～3 V的電壓信號(hào)，可以直接對(duì)這4路信號(hào)進(jìn)行采集并處理。其中溫度采集設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

3.2 EV捕獲模塊設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)調(diào)理后輸出為一單極性脈沖信號(hào)，ADC模塊無(wú)法直接采集此信號(hào)，需要用到事件管理器中的捕獲單元。在已知高速時(shí)鐘頻率的情況下，通過捕獲噴油脈沖信號(hào)的上升沿，通用計(jì)數(shù)器T1對(duì)M1個(gè)噴油脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),從而計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[6]。本設(shè)計(jì)中定義CAP_QEP1為功能引腳，并使能捕獲中斷和溢出中斷，當(dāng)CAP_QEP1捕獲到脈沖上升沿時(shí)，定時(shí)器T1的值將被鎖存至2級(jí)FIFO堆棧中，且捕獲中斷被置位并進(jìn)入子程序。2級(jí)FIFO中的值被讀取后存放于CAPK1中，此時(shí)T1計(jì)數(shù)下一個(gè)脈沖上升沿的時(shí)刻并賦值給CAPK2，CAPK2與CAPK1的差值即為一個(gè)噴油脈沖周期。

圖10 溫度信號(hào)采集流程圖

3.3 串口SCI模塊設(shè)計(jì)

由于需要能夠直觀全面地反映各路采集信號(hào)的變化，于是選用了Labview軟件對(duì)采集后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將通信協(xié)議格式設(shè)定為：波特率9 600，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。由于ADC采集為12位，而SCI進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)為8位，所以采用將采集到的數(shù)據(jù)分為高8位和低4位分組發(fā)送的方式，然后在Labview中進(jìn)行數(shù)據(jù)重組[7]。為了避免數(shù)據(jù)讀取時(shí)錯(cuò)亂，引入了指定字符串作為起始位以便識(shí)別。

4 試驗(yàn)測(cè)試

本試驗(yàn)對(duì)哈弗H6汽車進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前將電流傳感器安裝在蓄電池電流輸出端；節(jié)氣門位置傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道上節(jié)氣門軸的一端；磁脈沖傳感器安裝于分電器上；溫度傳感器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液管道上；連接各部分的調(diào)理電路及線路。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速20 min后開始測(cè)試。通過對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以從Labview中實(shí)時(shí)觀測(cè)到汽車的運(yùn)行狀態(tài)。圖11所示為測(cè)試汽車的各個(gè)信號(hào)的實(shí)際采集值。其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在760 r/min左右，蓄電池總電壓約為13.1 V，輸出電流約為2.6 A，節(jié)氣門開度約為4.5%，冷卻液溫度在91 ℃左右。設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中當(dāng)總電壓低于11 V或冷卻液溫度高于115 ℃時(shí)，報(bào)警燈由綠色變?yōu)榧t色發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示及時(shí)更換蓄電池或補(bǔ)充冷卻液以免影響正常行駛。測(cè)試結(jié)果顯示汽車運(yùn)行狀態(tài)正常，與測(cè)試車實(shí)際工況基本符合。通過將采集數(shù)據(jù)與使用示波器和萬(wàn)用表所測(cè)結(jié)果作對(duì)比，表明了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身存在誤差和系統(tǒng)信號(hào)之間的相互干擾，采集信號(hào)的波動(dòng)值均在允許誤差范圍之內(nèi)。

圖11 汽車信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320F2812開發(fā)板對(duì)汽車信號(hào)進(jìn)行采集并結(jié)合了CCStudio v3.3編程軟件和Labview軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中采用改進(jìn)后的M/T法測(cè)速，且捕獲模塊編程中通過讀取棧底值來(lái)解決定時(shí)器溢出問題，以及SCI模塊中添加標(biāo)志位來(lái)判斷起始位等方法解決了傳統(tǒng)方法中采集信號(hào)不準(zhǔn)確等問題。預(yù)報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地反饋車輛故障信號(hào)。相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，更加準(zhǔn)確、直觀地展示了信號(hào)采集結(jié)果，在試驗(yàn)測(cè)試中有較好的效果。對(duì)汽車信號(hào)故障診斷有極為重要的意義，為汽車性能的優(yōu)化和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]韓豐田．TMS320F281xDSP原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]袁鵬程,張偉峰. 改進(jìn)的M/T法在電機(jī)測(cè)速中的應(yīng)用[J]. 輕工機(jī)械,2012(1):59-62.

[3]徐華中,黃麗萍．基于LabVIEW和DSP串口的多通道電機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011,34(4):66-69.

[4]周瑋,張長(zhǎng)青,馮國(guó)勝. 基于DSP和labview的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,22(3):91-94.

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[6]DingJianjun,SunChao.DesignofMulti-ChannelSignalAcquisitionSystemoftheTorsionSpringBasedonLabVIEW[J].ProcediaEngineering,2011(15):426-430.

[7]顧衛(wèi)鋼．手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

Signal Acquisition and Monitoring System Design of a Car

Li Xiaonan1, Feng Guosheng1, Li Qianru2, Peng Chaoliang1

(1.Department of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；2.Department of teaching affairs, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China)

In order to observe the various parameters of a car in different operating conditions and optimize the structure, the monitoring system is designed. It tests HAVAL H6 based on the control core of TMS320F2812. The system uses ADC module and EV module to collect the real-time signals including voltage, current, rotating speed, throttle percentage and coolant temperature, then transmits the signals to PC through the SCI module. It uses the Labview software to display and storage the data. This design mainly introduces the hardware circuit and software programming method. It verifies the feasibility of the system and shows that the test result is consistent with actual situation. It provides the basis for automobile fault diagnosis and elimination, and has a certain reference for the further optimization of automobile structure.

car;real-time monitoring;serial communication;TMS320F2812

河北省自然科學(xué)基金 (E2014210050 )；石家莊市科研計(jì)劃項(xiàng)目 (161080401A)；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C2015005019 )；河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目 (yc2016003 )

李曉楠(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v電子控制。 E-mail：284289502@qq.com

TK212

A

2095-0373(2017)02-0057-06

2016-04-06 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.10

李曉楠，馮國(guó)勝，李倩茹，等.某型汽車信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):57-62.