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基于网络技术的汽车嵌入式远程故障诊断
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时间：日 14:28
基于网络技术的汽车嵌人式远程故障诊断
黄强。张晓
(九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005)
摘要从实现具有远程自诊断能力的智能化机械设备的角度， 系统介绍了面向网络技术的、
具有远程监控、诊断和维护能力的嵌入式汽车故障诊断系统的实现技术。该系统采用数字信号处
理器，实时检测并分析获取的振动信号，并在网络诊断中心中进行故障分析，实现协同诊断，有
效地提高了汽车的状态监控与故障诊断系统的智能化水平。
关键词：嵌入式系统网络技术远程故障诊断
The Remote Embedded Diagnosis System for Vehicles
Based on Web Technology
Huang Qiang，Zhang Xiao
(School bf Mechanical and Materials Engineering，Jiujiang University,Jitljiang 332005，China)
Abstract：To construct an intelligent machine with serf-diagnosis ability，the technology
for real啦an embedded intelligent fault diagnosis system with remote monitoring，diagnosis，
an d maintenance functions for the vehicles is introduced systematically． nIe system is based
on the di~tsl sign~ processor that can measure and analyze vibration signals in real time．
Then faults are analyz ed in a remote diagnosis center． embedded fault diagnosis
technology call efectively improve the intelligence of a fault diagnosis system．
Key words：Embedded system；W eb technology；Remote fault diagno sis
随着信息技术、计算机网络技术的飞速发展。
远程分布式故障诊断理论与方法的研究越来越受到
关注，其实现已不存在技术上的瓶颈。但目前还只
是停留在设备状态异常或正常的简单判别，以及一
些具有明确因果关系的简单的故障诊断，对于复
杂、大型设备的机械故障进行嵌入式智能诊断目前
尚无有效的方法【l】。本文从构建基于网络技术的嵌
入式远程状态监控与故障诊断系统的角度出发。详
细介绍了该系统的实现技术。
2 嵌入式远程故障诊断系统的总体结构
首先，在需要进行诊断的内燃机上的振动、转
速等传感器将振动信号采集到嵌入式处理系统中：
该系统首先采用小波降噪技术对信号进行预处理，
然后利用基于尺度的小波包分解方法提取特征值。
再经过蓝牙设备，无线传输到接收端，并实现与网
络的连接。通过计算机网络传输给故障诊断中心处
理系统，系统总体结构参见图1。
故障诊断中心在接受到需要诊断的内燃机系统
发送的特征值后．从共享数据库存储器中调用相同
型号的内燃机历史诊断数据，利用神经网络模型来
比较分析。从而智能地判断出需要诊断的内燃机系
统的故障状态及部位；然后，一方面发送诊断结果
给需要进行诊断的内燃机系统。另一方面将对应的
特征值和诊断结果存储到共享数据库中。不断更新
和丰富共享数据库的数据。
来稿日期： 基金项目：江西省自然科学基金项目(2008GQC0002)，江西省教育厅科技资助项目(GJJO8448)
作者简介：黄强(1976-)，男，副教授，博士后，主要研究方向为汽车智能控制与故障诊断。
(13)一13—
维修中心A 维修ll1心B 检测中心A 检钡0叶·心B
n 计算机网络0 0
传输设备 共享数据库 故障诊断中心
工 存储器 处理系统
嵌入式处理系统
振动、转速等传感器
图1 嵌入式远程故障诊断系统结构
3 远程故障诊断系统硬件实现技术
嵌入式状态监控与诊断系统在具体实现上。一
方面要求具有较强的实时性、高度的可靠性和较高
集成度，要求几乎无需人工干预即能自主运行；另
一方面．要求嵌入式监控及诊断系统在运行过程中
必须能够根据采集到的各类信息。准确地分析和判
断出设备的运行状况、故障原因及部位。
因此。嵌入式状态监控与诊断系统在设计时需
要考虑到如下要求：
(1)可扩展性：随着各项技术的不断进步，系
统应具有能为用户增加新功能的能力：
(2)开放性：故障的识别和判断必须依赖于网
络数据库，因此要和网络互联，实现信息的双向共
享和利用：
(3)对网络技术的支持：实现跨地域远程监
控、协作诊断；
(4)可维护性：为系统维护和升级方便，可通
过网络实现远程维护。
为此，本系统的硬件设计采用了主从式方式，
由ARM处理器、基于DSP的信号同步采集板以及
辅助的信号调理和抗混滤波板组成。其中，嵌入式
ARM处理器作为系统的主控单元，采用具有自主
知识产权的自定制Linux操作系统，一方面获取并
存储DSP采集的设备状态数据及故障特征数据，
根据其内嵌的软件进行准实时的在线状态识别和故
障诊断：另一方面提供面向Intemet／Intranet的远
程网络监控、诊断及维护服务。信号同步采集板和信
号调理、抗混滤波板共同用于实现对输入的16通
道振动信号根据当前实际测量的转速进行整周期同
一l4一f14)
步采样，并通过板内DSP芯片对采集的信号进行
实时分析和处理，提取信号中隐含的故障特征，供
嵌入式ARM处理器进行状态识别和故障诊断[2l。
系统结构框图如图2所示。
P0K101 008
图2 远程故障诊断系统的硬件系统结构框图
(1)传感器。由于本系统主要是对振动信号进
行分析研究。所以该数据采集系统的传感器组由两
部分组成，一部分是获取振动信号的，采用振动加速
度传感器：另一部分是获取发动机运行工况的，包括
发动机速度传感器、水温传感器和负荷传感器等。传
感器的安装位置以拾取故障信号最敏感为原则，安
嵌入式模块软件系统
图3 远程故障诊断系统应用软件逻辑关系
装密度以基本能够反映所有故障而数量最少为优。
(2)嵌入式处理系统。选用Samsung公司的
ARM9芯片$3C2410A作为ARM系统单元的主芯
片。s3C241OA是三星公司生产的面向高端嵌人式
应用的一款MCU，内部采用ARM920T内核，并
集成了SDRAM／FIash、LCD、USB、SD卡接口和
MMC卡接口、lO位的AD控制器等。DSP系统单
元主要完成对采集卡采集进来的发动机振动信号进
行算法处理并判断发动机的故障类型，此处选用
TI公司的TMS320C540作为DSP系统单元的主芯
片。TMS320C540是一款功能强大的DSP芯片。
该处理器主要用在需要由浮点运算提供精密和动态
范围的高性能信号处理。嵌人式系统主要是用来对
传感器获取的振动信号进行小波降噪、特征值提取
及网络传输通信与控制．选用的ARM芯片和DSP
单元能很好地完成这些任务嘲。
(3)蓝牙模块。采用爱立信POK101 008系列
模块，该模块支持点对多点通信。每个带蓝牙模块
的设备可以组成一个个匹克网。彼此间以主从方式
进行数据通信。本系统所采用的008系列模块带有
微带天线，是一种贴在带有金属板的介质基片上的
辐射贴片，其基片的介电常数小于l0，比常规的
微波天线具有重量轻、体积小的特点。
4 嵌入式故障诊断系统应用软件的构成
系统应用软件主要由数据初始化模块、采集控
制模块、数据传输模块、数据处理模块和网络通讯模
块五部分组成。系统应用软件逻辑关系如图3所示。
(1)初始化模块：在进行监测状态前，该模块初
始化数据库，录人设备的基本信息及标准配置信息，
并初始设置系统的网络连接：
(2)采集控制模块：初始化数据库后，进入该
模块，选择要检测的设备、采集方式和数据传输方
式，并提取相应的基本信息与网络传输信息作比较
(3)数据传输模块：选择要检i贝0的设备和采集
方式后，开始采集传输数据。针对计算机设备，首
先执行安装在其上的代理软件以收集其信息，而后
根据采集方式传输数据；针对交换机和路由器设
备。测试仪发送Telnet指令，这时它们会返回相
应的大量信息．然后收集需要的信息并根据采集方
式传输回来：
(4)数据处理模块：在该模块中，对返回的数
据信息进行分类、分析、推理、判断，最终得出诊
结果，并给出维修建议，然后存储诊断结果以便日
(5)网络协议模块：在该模块中，根据故障检
测指令，通过网络管理协议和应用程序接口，再通
过无线网络传输这些信息到网络数据库所在网络中
本系统用于基于振动信号分析的汽车远程故障
诊断。数据采集和初步分析在嵌入式系统中完成。
再由蓝牙模块完成对接收端的无线传输，借助网络
的丰富资源实现对各类故障的准确判定，故障诊断
的识别方法见参考文献【l】。并指导驾驶人员进行相
应的操作。该诊断方法能有效地提高效率、节约成
本，具有广阔的应用前景。
l黄强，宋士华，丁志华等．基于振动分析的柴油机
故障程度的研究[J】．华中科技大学学报(自然科
学版)，2007(6)：105—107．
2 闵华松。刘光临．高速旋转机械嵌入式状态监测
与故障诊断系统研究【J】．信息与控制，2006(3)：
309—313．
3 Chung L'Subramanian N．Architecture-Based
Semantic Evolution：a Study of Rem otely
Controlled Embedded Systems．Proceedings of
(下转第36页)
(15)一15—
接触点的受力方向跟压板与喷油器接触点的受力方
向不一致，喷油器在发动机的工作过程中承受交变
负载，很容易导致喷油器松动，造成燃烧室漏气，
发动机动力不足，见图7。
5．3 发动机水温过高
如果发动机水温达到节温器的设定温度时．节
温器还不能打开。则发动机水温有可能超出ECU
的正常允许范围，如水温超过94℃以上．则ECU
会自动减小发动机外特性的喷油量，从而减小发动
机的输出功率。
5．4 电控系统有严重故障
当电控系统发生严重故障时，如轨压传感器故
障、油门踏板故障、水温传感器故障等，ECU会
自动限制油门开度(即使油门踏板踩到底)，限制
喷油压力和喷油量。从而限制了发动机的动力输
出，即所谓的“跛行回家(1imp home)”。
6 车辆冒烟现象分析
6．1 车辆冒黑烟分析
6．1．1 车辆起动过程冒黑烟
车辆在起动过程中冒黑烟的主要原因是水温传
感器故障或起动开关信号线未接24 V电源，从而
造成发动机在起动时不能按正常MAP数据运行。
如果水温传感器有故障。则起动过程中ECU
默认的水温为一20℃。而一20℃时的起动油量设定值
比常温时的起动油量大很多，因此在常温下起动时
就会由于ECU采用一20℃时的起动油量导致起动冒
如果起动开关信号线未接24 V电源，则发动
机起动时的喷油量不从起动MAP中查找。也可能
导致起动时冒黑烟。
6．1．2 车辆在行驶过程中冒黑烟
车辆在运行过程中冒黑烟主要是操作不当所
致，如挂档的时机掌握不当，造成发动机在低转速
时的负载过大．而此时增压器的转速也低，进气压
力小，造成发动机冒黑烟。
图7 喷油器压紧形式
6-2 车辆冒白烟分析
除低温冷起动车辆容易发生冒白烟情况外。车
辆在其他情况下冒白烟主要是喷油正时出现错误，
如加工过程中飞轮上的“缺孔”与定位销的相对位
置发生错误、飞轮壳上转速传感器的安装孑L加工错
误等都会使实际的喷油提前角发生很大的偏差，造
成发动机冒白烟。
如果喷油器松动使燃烧室漏气，则柴油和空气
的混合气在压缩终了时由于气缸内压缩压力不足而[DOCIN]电动汽车主控制板的远程自动检测系统设计与实现
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