基于MatLab的農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田二林，王鳳琴，韓雪琴

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

隨著機(jī)械自動化、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和自動檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，裝載在農(nóng)用車輛上的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)越來越先進(jìn)，極大提高了車輛的動力性和安全性，也較大程度地提高了車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加大了車輛的維修和保養(yǎng)難度，因此檢測與排除車輛故障的方法應(yīng)運(yùn)而生。車載故障檢測系統(tǒng)可實(shí)時在線檢測農(nóng)用車輛狀況和故障信息，有利于故障判斷、異常識別以及預(yù)警報警。本文以解決農(nóng)用車輛故障檢測及預(yù)警報警為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套基于MatLab的農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)。

1 農(nóng)用車輛故障檢測原理

1.1 故障檢測方案設(shè)計(jì)

農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)由車內(nèi)在線和車外離線檢測系統(tǒng)構(gòu)成，前者主要檢測車內(nèi)各種傳感器和控制器的實(shí)時狀態(tài)，根據(jù)采集到的信息對其進(jìn)行故障檢測，若車輛存在故障或隱患則以故障代碼的形式儲存在微處理器中，并通過人機(jī)交互界面實(shí)時顯示出來，讓司機(jī)了解車輛的實(shí)時狀況；后者則是向車內(nèi)在線檢測系統(tǒng)發(fā)送檢測請求，獲得車輛的故障代碼及故障維修碼，為車輛自主檢測提供策略。

目前，各農(nóng)用車輛生產(chǎn)廠商都結(jié)合車內(nèi)在線和車外離線檢測系統(tǒng)各自優(yōu)勢，開發(fā)和設(shè)計(jì)車載故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對農(nóng)用車輛進(jìn)行快速檢測。車載故障檢測系統(tǒng)一般分為兩個模塊：

1)以軟硬件平臺搭建的車內(nèi)在線檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我檢測功能。在農(nóng)用車行駛過程中，車內(nèi)在線檢測系統(tǒng)會對汽車上的各個部分進(jìn)行實(shí)時檢測，判斷車輛是否存在機(jī)械或電子控制方面的故障；如判斷有故障產(chǎn)生時，車內(nèi)在線檢測系統(tǒng)會以點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈向司機(jī)發(fā)出警示，并將故障代碼和發(fā)生時間保存在存儲器中。

2)車輛被送修后，售后人員通過車外離線檢測系統(tǒng)獲取車內(nèi)在線檢測系統(tǒng)的信息，從而快速地對送修車輛進(jìn)行維修和保養(yǎng)。

農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，硬件主要包括STM32微處理器、傳感檢測電路、電機(jī)驅(qū)動電路及電壓穩(wěn)控電路等；軟件則包括故障信號的采集、判斷，以及相應(yīng)故障代碼的確定。農(nóng)用車輛車載設(shè)備故障底層設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)Fig.1 The bottom design of vehicle fault detection system for agricultural vehicles

農(nóng)用車輛在作業(yè)過程中，其機(jī)械和電子方面的控制部件的信號會在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，而當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械或者電控故障時，這些信號會偏離正常值，而微處理器能夠準(zhǔn)確地識別這些不正常變化。倘若這些信號在一定周期內(nèi)繼續(xù)存在，系統(tǒng)會自動檢測該信號對象的故障，并送至相應(yīng)的故障指示燈置位，同時保存在存儲器上。若在接下來的1個周期內(nèi)，該故障信號消失，則將相應(yīng)的故障指示燈清零。在故障指示燈清零后，系統(tǒng)會自動將一部分不太重要的故障信息刪除，而保留那些重要的故障信息，在車輛送修時，供維修人員讀取。

1.2 故障代碼協(xié)議

農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)包括各傳感器、驅(qū)動、電源、能源及電子控制等子電路。因此，故障代碼不僅僅是指該傳感器電路存在故障或隱患，而是表示子電路回路存在問題，具體原因則可能是該子電路(包括傳感器件、接線頭、信號線或者車輛驅(qū)動等)出現(xiàn)了問題。因此，故障代碼只能為駕駛員或售后技術(shù)員提供車輛大致出現(xiàn)的故障或隱患區(qū)域，并不能判斷出子回路哪個部件出現(xiàn)了問題，還需由售后技術(shù)員采用儀表工作進(jìn)行詳細(xì)的檢測。

農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)故障代碼由5位數(shù)字或字母結(jié)合組成，第一部分(第1位)為P(車輛動力總成)，B(車身電子系統(tǒng))，C(車輛底層系統(tǒng))，U(車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))；第二部分(后面4位)為“0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9”中的4位組成。故障檢測系統(tǒng)故障代碼含義如圖2所示。

圖2 故障檢測系統(tǒng)故障代碼含義Fig.2 The fault code meaning of fault detection system

本文在設(shè)計(jì)農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)是后面4位和5位具體故障參照OBD系統(tǒng)，其可以為故障詳細(xì)類型進(jìn)行指導(dǎo)。例如，電路開路、電路短路、電壓低、電壓高、火宅、傳感器故障及間歇不穩(wěn)定等詳細(xì)故障。

2 農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)農(nóng)用車輛故障檢測節(jié)點(diǎn)中，為了讓各子系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)接口、模塊化、可移植性、可擴(kuò)展性及可互換性等功能，最大程度地提高整個系統(tǒng)的擴(kuò)展性、移植性以及穩(wěn)定性，各個子系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

2.1 故障診斷節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)采用ST公司高性能、低成本及低功耗STM32F103微處理器，該處理器具有快速的處理能力和響應(yīng)能力。整個系統(tǒng)包括微處理器、CAN總線、串口、存儲設(shè)備，以及輸入、輸出設(shè)備等，如圖3所示。

圖3 農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The hardware structure of fault detection system for agricultural vehicle

在農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)中，故障診斷節(jié)點(diǎn)主要包括設(shè)備檢測信號采集模塊、信號調(diào)理模塊及信號分析處理模塊，故障診斷節(jié)點(diǎn)框架如圖4所示。

圖4 故障診斷節(jié)點(diǎn)框架圖Fig.4 The frame diagram of fault diagnosis nodes

故障檢測節(jié)點(diǎn)采用CAN局域網(wǎng)現(xiàn)場總線通信協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)備檢測的信息通過檢測傳感器組、中繼電纜、數(shù)字信號接口及模擬信號接口采集，由調(diào)理電路進(jìn)行濾波和放大處理后發(fā)送給CAN總線，進(jìn)而發(fā)送給微處理器。

2.2 故障檢測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)的主要功能都是在硬件的基礎(chǔ)上，由軟件實(shí)現(xiàn)。因此，軟件的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，系統(tǒng)不僅需要對底層驅(qū)動程序進(jìn)行編譯、移植，還需要對CAN總線接口進(jìn)行驅(qū)動開發(fā)移植；另外，還需要對其他應(yīng)用層的程序進(jìn)行編寫。農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)軟硬件之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)軟硬件之間的關(guān)系圖Fig.5 The relation diagram between the hardware and software of the detection system

整個軟件系統(tǒng)主要包括主程序、初始化、定時器與計(jì)數(shù)器、通信協(xié)議及故障檢測等多個子程序。由于受到篇幅的限制，本文僅僅給出主程序的流程，如圖6所示。

3 MatLab在農(nóng)用車輛故障檢測中的應(yīng)用

3.1 建立農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)模型

在建立農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)模型過程中，本文根據(jù)試驗(yàn)獲取故障檢測實(shí)際樣本集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到故障類型樣本集；然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型進(jìn)行測試，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；最終結(jié)合測試樣本集數(shù)據(jù)得到車輛故障檢測結(jié)果。農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)模型如圖7所示。

3.2 MatLab在農(nóng)用車輛故障檢測中的應(yīng)用

MatLab在農(nóng)用車輛故障檢測中的應(yīng)用是通過對燃油、空氣排放控制系統(tǒng)，燃油、空氣計(jì)量系統(tǒng)，以及噴油器檢測系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、排放控制系統(tǒng)、車速及怠速控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)、變速箱和動力系統(tǒng)的樣本集進(jìn)行訓(xùn)練并確定各部分在網(wǎng)絡(luò)連接中的權(quán)值。若樣本中沒有足以判斷故障信息或未能獲取車輛故障的信息，則檢測結(jié)果是不確定的。因此，建立農(nóng)用車輛故障故障及其特征值是建立模型的關(guān)鍵所在。農(nóng)用車輛故障及其特征值如表1所示。

表1 農(nóng)用車輛故障及其特征值Table 1 The fault and characteristic value of agricultural vehicle

在進(jìn)行MatLab軟件仿真時，需要輸入樣本矩陣、目標(biāo)矩陣、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、輸出單元層個數(shù)、輸入層-隱層連接權(quán)值和隱層-輸出層連接權(quán)值；在仿真和數(shù)據(jù)檢測的過程中，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)需要檢測的車輛故障對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)識別故障檢測模式。例如，在某個車輛故障檢測模式中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出一個目標(biāo)矩陣，采用數(shù)據(jù)庫保存的訓(xùn)練樣本和模型權(quán)值，便可以輸出直觀的車輛故障檢測結(jié)果。MatLab軟件仿真檢測程序框圖如8所示。

圖8 MATLAB軟件仿真檢測程序框圖Fig.8 The test program block diagram of MATLAB software simulation

4 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)是否能夠準(zhǔn)確檢測車輛故障，及檢驗(yàn)該系統(tǒng)的實(shí)時性、穩(wěn)定性和有效性，特對該系統(tǒng)進(jìn)行了MatLab仿真測試。系統(tǒng)通過CAN總線對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并生成特征向量，最后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對特征故障庫進(jìn)行分類識別與處理，并輸出檢測結(jié)果。MatLab仿真界面及結(jié)果如圖9所示。

圖9 MATLAB仿真界面及結(jié)果圖Fig.9 The interface and results diagram of MATLAB simulation

該農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)經(jīng)過長時間的測試和應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確檢測車輛故障代碼及類型，也能夠?qū)崟r輸出檢測結(jié)果。例如，故障代碼為P0350，故障類型為點(diǎn)火線圈一次/二次線路失效等信息，并且測試結(jié)果與維修售后人員實(shí)際檢測故障相符合。測試結(jié)果說明：基于MatLab的農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的故障檢測功能，系統(tǒng)具有較高的實(shí)時性、穩(wěn)定性和有效性，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)具有重要的參考意義。

5 結(jié)論

本文以STM32F103微處理器為核心，結(jié)合MatLab軟件仿真平臺，從農(nóng)用車輛故障的分析和診斷入手，設(shè)計(jì)和開發(fā)了農(nóng)用車輛車載故障檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)囕v故障和行車隱患進(jìn)行實(shí)時檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等優(yōu)勢。測試結(jié)果表明：基于MatLab的農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的故障檢測功能，具有較高的實(shí)時性、穩(wěn)定性和有效性，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)用車輛故障檢測系統(tǒng)具有重要的參考意義。