基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：由于柴油發(fā)動機(jī)電子控制單元（ECU）品牌類型多樣，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的傳感器信號種類繁雜，所以在進(jìn)行信號模擬的過程中，會面臨多種傳感器信號特征復(fù)雜化和時(shí)序信息多樣化的問題?；贓CU傳感器信號的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含感知層、控制層和管理層。感知層主要負(fù)責(zé)提取和分析ECU傳感器信號特征?？刂茖雍凸芾韺硬捎媚K化和層次化的設(shè)計(jì)思想，通過動態(tài)調(diào)參，實(shí)現(xiàn)特定信號的合成輸出。其中，控制層采用STM32與FPGA進(jìn)行多通道設(shè)計(jì)，涵蓋硬件、軟件、移動端APP和原型裝置外殼封裝方面的設(shè)計(jì)；管理層包括云端數(shù)據(jù)庫和Web端設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在多通道信號輸出的同時(shí)能夠滿足ECU激勵信號的同步校準(zhǔn)需求，并驅(qū)動噴油器正時(shí)點(diǎn)火。在對發(fā)動機(jī)電腦板進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試時(shí)，選擇小松品牌的康明斯6缸、日立品牌的五十鈴6HK1和五十鈴新版4HK1這三種不同型號的發(fā)動機(jī)電腦板作為實(shí)車測試對象。通過移動端APP進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，由終端系統(tǒng)輸出激勵信號，以確保ECU能夠正常驅(qū)動噴油器工作。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)電子控制單元；多通道傳感器信號；信號模擬；參數(shù)調(diào)控；STM32；FPGA

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-10

0 引 言

工程車柴油發(fā)動機(jī)的性能與工作效率和可靠性直接相關(guān)，是工程車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-2]。發(fā)動機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）是一種集成了微處理器、傳感器和執(zhí)行器的智能系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制發(fā)動機(jī)的運(yùn)行[3]。

工程車輛通常面臨著高強(qiáng)度、多變性的工作環(huán)境。為了確保工程車輛在各種惡劣條件下依然能夠高效、穩(wěn)定地工作，發(fā)動機(jī)ECU需要具備更高的智能化和適應(yīng)性[4]。此外，不同型號和品牌的工程車輛所搭載的發(fā)動機(jī)存在差異，傳感器信號也復(fù)雜多樣，因此研發(fā)的信號發(fā)生系統(tǒng)需要具備一定的通用性和可配置性，以適應(yīng)不同車型發(fā)動機(jī)ECU的需求[5-6]。由于柴油發(fā)動機(jī)ECU品牌類型的多樣性，以及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)存在品種繁雜的多種傳感器信號，因此在進(jìn)行信號模擬的過程中，會涉及到多種傳感器信號特征復(fù)雜化和時(shí)序信息多樣化的問題。

針對工程車輛中不同品牌和型號的發(fā)動機(jī)ECU，傳感器信號存在多樣化和復(fù)雜化的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確模擬多種傳感器激勵信號，并啟動不同型號的ECU工作，從而根據(jù)信號特征成功驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行器。

1 系統(tǒng)組織架構(gòu)

本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對信號發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在感知層，通過實(shí)車傳感器采集信號，對ECU的不同傳感器信號進(jìn)行特征提取和分析；在控制層，通過信號采集器對曲軸信號、凸輪軸信號、進(jìn)氣壓力信號和進(jìn)氣溫度信號這四種信號的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲到云端數(shù)據(jù)庫，隨后依據(jù)信號特征參數(shù)加以分析，再結(jié)合本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生系統(tǒng)裝置對信號進(jìn)行模擬發(fā)生；在管理層，涵蓋云端數(shù)據(jù)庫和Web應(yīng)用端，其中數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)后端數(shù)據(jù)存儲和信息管理，Web應(yīng)用端結(jié)合配置參數(shù)，將不同信號的特征參數(shù)同步到移動端Android APP，APP通過藍(lán)牙通信將特征參數(shù)傳輸?shù)浇K端系統(tǒng)，終端系統(tǒng)通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換將模擬信號傳輸?shù)紼CU單元，從而驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行器工作。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生系統(tǒng)主要針對ECU的傳感器信號模擬發(fā)生領(lǐng)域。本文通過實(shí)車傳感器進(jìn)行信號采集，主要采集了曲軸信號、凸輪軸信號、進(jìn)氣壓力信號和進(jìn)氣溫度信號這四種不同信號，其中包含五種不同車型，共24 600條數(shù)據(jù)。通過對這些實(shí)車信號的特征進(jìn)行深入分析，研發(fā)了一款支持多通道參數(shù)調(diào)控的ECU傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置。

本文研發(fā)的信號發(fā)生系統(tǒng)裝置分為終端系統(tǒng)和用戶端系統(tǒng)，其中終端系統(tǒng)分為STM32部分和FPGA部分[7]。STM32部分基于C語言開發(fā)，編譯環(huán)境是Keil5，芯片型號是STM32F103RBT6。FPGA部分基于Verilog語言開發(fā)，編譯環(huán)境是Quartus Ⅱ 13.0，芯片型號是EP4CE10F17C8N。DAC模塊采用MCP4822進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。用戶端系統(tǒng)分為移動APP端和Web端，主要使用Spring Boot框架和基于Android Studio開發(fā)[8]，其云端數(shù)據(jù)庫采用的是阿里云服務(wù)器CentOS系統(tǒng)。

2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以STM32微控制器為核心的電路控制板，包括電源電路、STM32集成控制電路、STM32-FPGA分配電路、DAC運(yùn)算放大電路、USB接口電路和藍(lán)牙通信電路。電源電路負(fù)責(zé)對整體電路控制板的各個模塊進(jìn)行供電。STM32集成控制電路負(fù)責(zé)各個模塊的整體控制和電路交互。STM32-FPGA分配電路負(fù)責(zé)STM32和FPGA的連接引腳分配，同時(shí)也包括FPGA和DAC的引腳分配，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和各通道信號波形輸出。DAC運(yùn)算放大電路包括三個高速DAC運(yùn)算放大電路和兩個低速DAC運(yùn)算放大電路，且高速DAC運(yùn)算放大電路由FPGA負(fù)責(zé)信號輸出，低速DAC運(yùn)算放大電路由STM32負(fù)責(zé)信號輸出。USB接口電路和藍(lán)牙通信電路是電路控制板的擴(kuò)展接口，作為能夠與外部其他設(shè)備正常通信的預(yù)留功能設(shè)計(jì)。圖2為系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框架，圖3為系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖。

2.1.2 PCB布局布線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的FPGA是Cyclone IV E系列的EP4CE10F1 7C8N系統(tǒng)板，STM32部分是進(jìn)行PCB布局布線的集成電路設(shè)計(jì)板。設(shè)計(jì)板主要分為電源電路、STM32集成控制電路、STM32-FPGA分配電路、DAC運(yùn)算放大電路、藍(lán)牙通信電路、USB電路共六個部分。圖4為PCB設(shè)計(jì)的效果圖。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個方面：

（1）拼板間距：為實(shí)現(xiàn)STM32和FPGA依據(jù)引腳接口進(jìn)行拼板設(shè)計(jì)，需調(diào)整PCB上三個牛角插座的位置以及FPGA的三個預(yù)留插座位置，以保證兩者的布局和間距一致。

（2）接口位置：在PCB設(shè)計(jì)中，預(yù)留的藍(lán)牙接口和USB接口應(yīng)該在其邊緣部分，對于其他的接口插針，例如通道輸出的排針接口、下載接口和電源接口等，統(tǒng)一布局排放，便于后續(xù)測試和連接。

（3）電子元件布局：在調(diào)整具體電子元件的物理位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮走線的方向和長度，盡可能縮短信號傳輸線的長度，以減小串?dāng)_，并提高冷卻效率。

（4）布局分區(qū)：對于電源電路、STM32集成控制電路、DAC運(yùn)算放大電路、藍(lán)牙電路、USB電路這五個主要部分的布局，按照功能合理規(guī)劃，將功能區(qū)域設(shè)計(jì)成模塊化的單元。將信號線和其相關(guān)元件放置在同一功能區(qū)域，考慮元件的封裝類型和尺寸，適應(yīng)不同的功能區(qū)域。

（5）電源線路：電源線應(yīng)盡量短而寬，降低線路電阻。電源線和地線在布線中的相對位置和寬度相似，使二者的連接點(diǎn)均勻分布，以提供均勻的電流回流路徑。

（6）地線布局：盡量使地線與電源線分開，以降低電源線噪聲對地線的影響。確保地線連接牢固，避免地線環(huán)路和回流問題，例如斷路或未連接到接地點(diǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 STM32軟件設(shè)計(jì)

針對多種傳感器信號的特征分析，設(shè)計(jì)了一種波形特征合成算法，如圖5所示。該算法主要包含兩部分，前半部分為基礎(chǔ)波形構(gòu)建，后半部分為特征波形合成。

前半部分的主要流程為：首先，輸入?yún)?shù)類型，生成波形類型列表，同時(shí)定義波形數(shù)組，根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)模型構(gòu)建基礎(chǔ)波形，將波形段以及波段長度存儲到波形數(shù)組中。該基礎(chǔ)波形類型包括正弦波、方波、圓弧波形、線性波形等。然后，遍歷基礎(chǔ)波形數(shù)組，計(jì)算各個基礎(chǔ)波形長度，并將其存儲在數(shù)組中。最后，根據(jù)計(jì)算得到的長度信息，將各個基礎(chǔ)波形按順序合并到一個數(shù)組中，從而構(gòu)建基礎(chǔ)波形庫。

該算法前半部分的關(guān)鍵在于，根據(jù)輸入的基礎(chǔ)波形類型和參數(shù)以及波形數(shù)組，生成相應(yīng)的基礎(chǔ)波形，并將其合并成一個波形庫，為后續(xù)的波形處理和分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

該算法的后半部分是根據(jù)已構(gòu)建的基礎(chǔ)波形庫，結(jié)合各傳感器合成信號的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行特征分析，最后進(jìn)行特征波形合成。主要流程如下：首先，生成波形類型列表與每種波形類型對應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)列。然后，進(jìn)行波形類型和參數(shù)的校驗(yàn)，獲取波形類型列表和參數(shù)列表的長度，確保兩者的長度一致。因?yàn)槊糠N波形類型對應(yīng)一組參數(shù)，如果兩者的長度不相等，則拋出錯誤。接著，根據(jù)波形類型列表和對應(yīng)的參數(shù)列表，依次調(diào)用各個波形類型的基礎(chǔ)波形。隨后，將生成的各個基礎(chǔ)波形按順序合成一個完整的特定波形。最后，將合成的特定波形作為算法的輸出結(jié)果。

該算法后半部分的關(guān)鍵在于，根據(jù)輸入的波形類型列表和參數(shù)列表，調(diào)用相應(yīng)的基礎(chǔ)波形，并將其合成一個完整的特定波形。該特定波形可用于后續(xù)的波形處理和分析，為系統(tǒng)提供了具有特定特征的完整波形數(shù)據(jù)。

STM32軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

（1）STM32工作時(shí)鐘由晶振產(chǎn)生，能夠?yàn)檎麄€工作流程提供所需要的時(shí)鐘頻率。

（2）控制模塊是通過產(chǎn)生特定參數(shù)去拼接波形的，適用于在波形特征合成算法中對所需波形進(jìn)行控制生成。

（3）針對信號波形，通過波形特征合成算法生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，將WAVE_DATA存儲到STM32的片上RAM中，供串口輸出和DAC輸出，而后給控制模塊一個T_DONE的反饋，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)生成成功。

（4）片上RAM將部分所需要的WAVE_DATA傳輸?shù)経ART串口中，再通過串口通信發(fā)送到FPGA中。

2.2.2 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（1）移動端APP通過藍(lán)牙模塊與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)傳輸用戶端輸出的特定參數(shù)。

（2）控制模塊通過配置參數(shù)，選擇所需要輸出的通道號和其他特定參數(shù)，去模擬生成相應(yīng)的波形，并在相應(yīng)的通道號中輸出波形。

（3）串口通信傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的PLL進(jìn)行時(shí)鐘域同步，若達(dá)到同一時(shí)鐘頻率，則能夠同步輸出信號波形。

（4）DDS經(jīng)過參數(shù)傳遞后進(jìn)行邏輯判斷，在RAM中按地址讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由DDS_OUT輸出到DAC驅(qū)動中，最后通過選擇通道號進(jìn)行波形輸出。

FPGA的控制模塊被設(shè)定為MCP4822_CTRL，根據(jù)用戶端系統(tǒng)給定的參數(shù)產(chǎn)生特定的曲軸信號和凸輪軸信號。在本研究中將傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)果記錄在RAM中，相位寄存器的創(chuàng)建隨著時(shí)鐘信號的上升而增加，將增加的值加載到RAM中以改變尋址的方式并將數(shù)據(jù)輸出。對于每個周期重復(fù)此操作，當(dāng)遇到特定缺齒信號部分時(shí)，則將缺齒周期轉(zhuǎn)換成設(shè)定的水平電壓值。

圖8為FPGA軟件設(shè)計(jì)的RTL視圖。其中system_reg用于存儲所有模塊，O_data代表輸入到MCP4822的參數(shù)值。首先從RAM中依次讀取一個周期的數(shù)據(jù)，然后從DAC輸出，此時(shí)示波器能夠檢測到一個周期的波形。根據(jù)用戶端系統(tǒng)配置的參數(shù)O_data，可以連續(xù)輸出想要的周期數(shù)量的波形，之后再根據(jù)參數(shù)保持某個電平任意數(shù)量的波形。循環(huán)整個過程，即可得到最終的波形圖。

3 用戶端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Web端設(shè)計(jì)

Web端波形配置參數(shù)管理系統(tǒng)采用Java語言結(jié)合Spring Boot框架進(jìn)行開發(fā)，主要用于高效管理波形配置參數(shù)和用戶信息。管理員用戶可以方便地查看和修改用戶信息，并且具有對發(fā)動機(jī)型號、類型和參數(shù)進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢等操作的權(quán)限。波形配置參數(shù)管理系統(tǒng)的操作界面如圖9所示。

3.2 Android APP端設(shè)計(jì)

Android端波形參數(shù)助手APP主要包括藍(lán)牙配對通信和波形參數(shù)選擇與發(fā)送等功能。用戶通過藍(lán)牙與終端系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的選項(xiàng)在數(shù)據(jù)庫中查詢所需的參數(shù)并生成數(shù)據(jù)幀格式。在確認(rèn)查詢結(jié)果無誤后，用戶點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可將參數(shù)通過藍(lán)牙通信發(fā)送到終端系統(tǒng)。如果終端系統(tǒng)接收成功，系統(tǒng)會將反饋信息發(fā)送到APP上。波形參數(shù)助手APP如圖10所示。

4 原型裝置實(shí)現(xiàn)及測試

4.1 外殼封裝設(shè)計(jì)

圖11（a）所示是根據(jù)PCB印刷電路板和元器件焊接而成的STM32實(shí)物電路板。在該電路板的左上角，設(shè)計(jì)了插拔式接線端子，用于提供24 V直流電作為電路板的供電輸入。中間的四個白色尼龍塑料螺絲用于固定FPGA成品板。圖11（b）展示的是基于STM32和FPGA協(xié)同搭建的ECU信號發(fā)生系統(tǒng)裝置原型，F(xiàn)PGA成品板通過牛角座與插針的方式倒扣在STM32實(shí)物電路板上。

本產(chǎn)品外殼設(shè)計(jì)采用塑料面板金屬機(jī)箱，箱體上下鐵皮厚度為1 mm，鐵皮顏色為深灰色，前后是3 mm ABS塑料面板，表面做黑色噴塑處理。整體外部尺寸為258 mm（長）× 280 mm（寬）×80 mm（高）。針對PCB板做外殼保護(hù)，兩面開孔散熱，前后面板采用卡槽結(jié)構(gòu)，安裝拆卸方便，易操作。根據(jù)設(shè)備布局的需求，在箱體原有基礎(chǔ)上進(jìn)行開孔加工，包括4 mm×16 mm航空插頭孔、47 mm×27.5 mm電源開關(guān)孔和5.08 mm鈕子開關(guān)孔。外殼封裝設(shè)計(jì)如圖12所示。其中，標(biāo)號1代表原型裝置的供電輸入接220 V電壓；紅色按鈕是電源總開關(guān)，鈕子開關(guān)是發(fā)動機(jī)電腦板的電源開關(guān)；標(biāo)號2代表輸出航空插頭，共有4個，包括10路信號輸出通道、2路ECU供電通道；標(biāo)號3代表24 V/1.5 A開關(guān)電源，用于為STM32和FPGA電路板供電；標(biāo)號4代表24 V/5 A開關(guān)電源，用于為發(fā)動機(jī)電腦板供電；標(biāo)號5代表STM32-FPGA信號發(fā)生系統(tǒng)裝置的原型電路板。

4.2 測試環(huán)境搭建

搭建物理測試環(huán)境如圖13所示。ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置基于STM32和FPGA兩種板卡共同實(shí)現(xiàn)。其中用戶端系統(tǒng)包括Web端波形配置參數(shù)管理系統(tǒng)和Android端波形參數(shù)助手APP。Web端負(fù)責(zé)管理不同品牌和車型發(fā)動機(jī)的波形特征參數(shù)的定義和配置；Android APP通過藍(lán)牙通信向ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置傳遞波形特征參數(shù)。ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置為發(fā)動機(jī)ECU提供激勵信號；同時(shí)為提高實(shí)用性和便捷性，封裝設(shè)計(jì)中采用了開關(guān)電源進(jìn)行供電，為ECU和該信號發(fā)生系統(tǒng)裝置提供電源和點(diǎn)火開關(guān)信號。示波器用于觀察激勵信號波形和噴油器驅(qū)動波形。

在信號發(fā)生系統(tǒng)裝置測試過程中，根據(jù)實(shí)際工況采用了不同品牌和型號的實(shí)車發(fā)動機(jī)進(jìn)行電腦板聯(lián)調(diào)測試。測試環(huán)境如圖14所示，以小松品牌的康明斯6缸車型為例，圖中①代表小松-8系列的發(fā)動機(jī)ECU，②代表噴油器，③代表信號發(fā)生系統(tǒng)裝置，④代表Android APP，⑤代表示波器。

4.3 ECU聯(lián)調(diào)測試

本測試過程中將分別對日立品牌的五十鈴6HK1、小松品牌的康明斯6缸以及日立品牌的五十鈴新版4HK1三種車型的發(fā)動機(jī)ECU進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，如圖15所示。

根據(jù)波形特征合成模型的建模方法，設(shè)計(jì)了滿足實(shí)際測試需求的信號參數(shù)配置文件。根據(jù)文件的參數(shù)要求，通過PC機(jī)編輯頁面配置信號的具體參數(shù)，然后由Android APP將這些參數(shù)值傳遞給信號發(fā)生系統(tǒng)裝置。圖16展示了不同品牌和車型的曲軸信號和凸輪軸信號的配置參數(shù)，圖17展示了不同品牌和車型的信號波形。這樣的配置和波形可以滿足不同車型的實(shí)際測試需求。

結(jié)合用戶端系統(tǒng)的參數(shù)化配置和指令下達(dá)情況，反饋到終端系統(tǒng)后，根據(jù)功能程序設(shè)計(jì)，在相應(yīng)通道號中輸出特定波形。通過示波器對ECU多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置各個通道的輸出信號進(jìn)行測試，以確保信號發(fā)生系統(tǒng)裝置符合設(shè)計(jì)技術(shù)功能要求[9-10]。

5 結(jié) 語

本文針對多種傳感器信號特征進(jìn)行分析，根據(jù)不同類型發(fā)動機(jī)的ECU和傳感器信號特征進(jìn)行波形合成，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)了一款支持多通道參數(shù)調(diào)控的ECU傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)。根據(jù)研發(fā)的多通道傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)裝置，設(shè)計(jì)了封裝外殼，并完成了ECU信號發(fā)生原型裝置以及相關(guān)功能性測試。測試結(jié)果表明，ECU原型裝置能夠正常啟動不同型號的ECU工作，并能根據(jù)信號特征成功驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行器。本系統(tǒng)提高了傳感器信號模擬發(fā)生的泛化能力，具有一定的普適性，便攜性強(qiáng)且易于操作，為信號發(fā)生模擬的發(fā)展提供了一種思路和解決方法。在未來的研究中，可以進(jìn)一步將更精確和更輕量級的參數(shù)模型加載到嵌入式系統(tǒng)中來模擬不同的信號。

注：本文通訊作者為葛永琪。

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收稿日期：2024-05-09 修回日期：2024-06-13

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022BDE03007）