崔宏巍胡松华
（深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东深圳518055）
摘要：基于数据融合技术的汽车发动机数据采集系统能够精确采集发动机各种类型的运行参数，并充分利用计算机的高速运算能力，对检测到的数据进行分析、判断与数据融合，为汽车故障诊断提供详细丰富的技术信息。现分析与研究汽车发动机数据采集系统的软硬件设计方法，建立数据融合模型，实现发动机传感器、喷油脉冲、点火信号的数据采集，对于确定汽车技术状态，识别、判断并分析汽车运行中的故障，恢复汽车使用性能，提高汽车利用率，保证安全具有重要意义。
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关键词 ：汽车；发动机；数据采集系统；设计；故障诊断
基金项目：深圳职业技术学院2014年度科研项目，项目编号：601422K30019
0引言
汽车发动机的故障在线分析与诊断需要动态采集各种运行参数，并对大量参数进行相应的处理，测试内容广、项目多、参数复杂多变，因此，数据采集系统应能保证在各种复杂运行工况条件下尽可能准确地测得各种工作参数，为汽车故障诊断提供依据。本文针对汽车发动机测试中被测参数的不同物理特性，分析与研究两种数据采集系统的特点，并在此基础上开发与设计了一套包括信号处理模块、A/D转换模块、单片机控制系统电路、通讯接口电路、数据融合模块在内的数据采集系统。
1汽车发动机数据采集系统设计
汽车发动机的参数采集包括高速信号采集和缓变信号采集。对于高速信号采用CS28206高速A/D采集卡，最高采样率可达20MHz，在采集程序设计时直接对硬件端口进行读写，节省了计算机的存储容量和数据处理时间，完全能满足信号实时采集与诊断的要求，对于缓变信号采集，首先要进行信号预处理，然后送入12位串行A/D转换芯片TLC2543，由单片机AT89C52进行控制采集，并将转换结果由通讯接口送入计算机进行处理和分析。
发动机数据采集系统由3个部分组成：信号预处理与A/D转换、通讯接口电路、单片机与微机软件设计。高速信号经预处理后通过一片4067多路模拟开关，单片机发出4位选通信号，将16路选一后送入高速A/D采集卡的HSA/D1端，而起判缸作用的一缸信号被送入A/D采集卡的HSA/D2端。缓变信号经放大、整形、滤波后进入11通道12位串行A/D芯片TLC2543，由单片机AT89C52选择一路信号进行A/D转换，TLC2543与单片机之间设有光电隔离。系统整体结构如图1所示。单片机在系统中的作用主要是：（1）选择高速信号与缓变信号的采集通道；（2）控制A/D转换的开启与停止；（3）选择程控放大倍数；（4）与上位机进行并行通讯；（5）进行断缸
控制；（6）数据处理。
2高速信号采集系统软硬件设计
考虑到在发动机运行过程中的高速信号中，汽车点火系统发出的信号幅值变化范围大、频率高，信号中含有大量有用的瞬间尖峰毛刺信号，为保证有用的信号不被丢失，对采用的数据采集系统提出的要求是使用测量范围大、采样速率达10MHz以上、抗干扰能力强的采集卡。
2.1高速A/D模块的原理、结构、指标
本文使用的CS28206高速采集卡包含两个独立的模拟输入通道，每通道有128K样点的缓冲区，A/D转换采用AD876JR芯片，其最高转换速率可达20MHz，控制逻辑电路由两片GAL电路实现，每个采集通道分别自带A/D转换芯片和缓冲器，CPU通过统一的系统总线处理数据，整个采样通道都是并行进行的，因此可以不考虑两个通道之间的相移。CS28206的主要技术指标如下：
（1）通道数：2。
（2）输入量程：可由程序设定，分别为±100mV、±200mV、±500mV、±1V、±2V、±5V、±10V、±25V。
（3）输入电阻：1MΩ或2MΩ（±5V、±25V）。
（4）通道带宽（-3dB）：0Hz～6MHz（直流耦合），10Hz～6MHz（交流耦合）。
（5）输入电容：20pF。
（6）通道量化精度：10位。
（7）通道隔离度：70dB。
（8）最大静态误差：1%。
（9）通道最大存储容量：128K样点。
（10）最高采样率：20MHz。
（11）时基数：一个或两个。
（12）触发方式：内触发或外触发（可由程序设定）。
2.2信号检测方式
由于需要采集的发动机参数非常复杂，在幅值、频率等物理特性上存在着很大的差别，因此在设计采集系统硬件电路时，本文针对不同的参数特点采用了不同的设计方法。
2.2.1点火信号数据
点火信号在采集系统中是最复杂也是最重要的信号，它包括初级电压信号、次级电压信号和一缸信号。初级电压峰值最高可达300V，而次级电压峰值最高可达10～30kV，是最高频率达1MHz的高速瞬变信号。显然这种信号无法直接采集，必须将它衰减到高速采集卡量程范围以内。此外，还要将一缸高压点火信号变换为以单稳脉冲形式输出、幅值为10V以下的判缸信号。
对于初级、次级点火信号我们采用无感电阻分压的办法分别将300V和30kV衰减到10V以内。而对于一缸信号，采用电磁感应式钳形夹持器来获取。点火时，一缸高压线上有较大的脉动电流，其为火花塞上点火高压击穿媒质所产生的火花电流，这个电流虽然不和高压成比例关系，但可以反映点火高压的变化过程：击穿前（电压高、电流小）→击穿放电（电流大、电压降低）→残余放电（电流、电压均小）→点火结束（电压、电流均为0）。伴随着这个电流变化过程，在高压线周围有一个磁场变化，在这个磁场的作用下，钳形夹中的电感线圈将产生一个感应电动势E，E即可作为一缸点火信号的雏形。E经过电压比较，单稳电路即可得到2.5ms宽、0～5V的标准脉冲信号。整个测试过程原理如图2所示。
输入/一缸点火高压火花放电电流电流感应磁场
磁感应电动势E对E整形单脉冲输出/一缸标准信号
2.2.2电喷发动机传感器信号
由于汽车电喷发动机各种传感器输出电压的满量程是不等的，如氧传感器输出信号为0～1200mV之间不断循环变化的电压量，可将其放大4倍变换为0～5V电压，而卡门旋涡式空气流量计输出频率为30Hz～1.5kHz、幅值为0～5V的脉冲信号，可直接送入A/D转换。为了保证测量精度，每种传感器可配以不同的放大器增益，这里采用增益可编程放大电路，预先算出各个模拟输入通道所需的放大倍数，将其转换成数字量存入RAM中，当CPU要求输入某一路信号时，将对应的放大器增益从RAM中取出，经地址线送入可编程放大器相应的端口，这样，该路信号就按预先设定的放大器增益进行放大。在动态波形绘制时要根据放大倍数作标定，以得出正确的结果。增益可编程放大电路由自稳零斩波放大器芯片ICL7650、模拟开关4051和电阻网络组成，各电阻的精度都选为±0.2%。模拟开关接线设计时应考虑到：尽管模拟开关导通电阻很大（500Ω），但由于运放输入阻抗很高，输入电流极小，因而对放大器增益的影响可忽略不计。模拟开关的控制信号来自单片机，当控制信号由（0，0，0）变到（1，1，1）时，放大器增益共有8档。ICL7650芯片是第四代运算放大器，具有极低的输入失调电压（±1μV）和失调温漂（0.05μV/℃），极高的开环增益（≥120dB）和极低的时漂（0.01μV/h），完全能够满足实际应用需求。其中，氧传感器输出信号波形如图3所示。
2.2.3电喷发动机喷油脉冲
当汽车发动机工作时，ECU根据空气流量、转速、水温、气压等信号计算出喷油时间后，输出控制信号，控制大功率三极管导通与截止。当大功率管导通时，即接通喷油器电磁线圈电路，产生电磁吸力。当电磁力超过针阀弹簧力和油液压力的合力时，磁芯被吸动，针阀随之离开阀座，即阀门打开，喷油器开始喷油。反之当大功率三极管截止时，喷油器电磁线圈电路被切断，电磁力消失，当针阀弹簧力超过衰减的电磁力时，弹簧力又使针阀返回阀座上，使阀门关闭，喷油停止。测试喷油脉冲信号过程中，由于在功率管VT1截止时，喷油器电磁线圈存在电感，在线圈两端可能产生很高的感应电动势，幅值可超过35V，所以此电压不能直接送给A/D转换器实行转换，须进行处理变成0～5V之间的变化量。图4为实测喷油脉冲信号波形。
2.3采集系统软件设计
计算机软件设计是很重要的一个环节，它不仅要与硬件配合完成参数采集功能，还要对采集到的数据进行处理、比较、分析，并得出正确的诊断结果，同时提供打印输出及联机帮助功能。单片机采控系统软件流程如图5所示。
基于数据融合技术的采集系统要处理大量数据，并绘制动态波形，而且为提高运行速度，需要直接对计算机硬件端口进行读写。而C++是一种面向对象的程序设计语言，它包含了大量库函数，既灵活又高效，并且还便于移植，所以计算机软件设计由C++与嵌入汇编的方式完成，完全满足了实际采集与数据处理的要求。数据采集程序主要包括以下功能：
（1）系统自检。检测采集系统需要的计算机资源，采集系统的通道数、时基数、AD卡的类型、存储器的长度等，如果自检失败，自动转向错误处理子程序。
（2）采集参数设置。根据被测信号的不同特点，可以在程序中设置不同的采集参数。其中采样频率可以在20MHz以下任意设置，为了避免混叠，一般选择采样频率为被测信号最高频率的5～10倍。因此，本文将点火信号的采样频率设置为10MHz，其他高速信号的采样频率可设置为1MHz。采样长度的选择主要是根据被测信号波形有效持续时间来设定，一旦确定了采样长度和频率，也就决定了整个记录时间。另外还可根据需要设置采样延时、通道量程、耦合方式、触发方式等采集参数。
（3）启动采集。程序按照预先设定的采集参数启动A/D转换，实现数据采集。
（4）读取并存储有效数据。
3传感器数据融合
数据融合技术是利用计算机对按时序获得的若干观测信息在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需决策和评估任务而进行的信息处理技术。在汽车发动机故障诊断中，通过数据采集系统对多个传感器输出信号进行检测，包括冷却水温度、进气歧管压力、空气流量、氧传感器、喷油脉冲等，并对这些采集得到的多传感器信息进行数据融合，提高故障诊断的准确性和可靠性。由于汽车发动机的各个传感器在实际环境中会受到随机因素的影响，各传感器测量数据有可能无法完全准确反映发动机的真实运行情况，因此需要发动机数据采集系统利用数据融合技术对不同时间、空间所测数据信息通过分析、综合、支配和使用，使所测信息能真实反映出当前对汽车发动机有效的故障信息，对经处理后的有用信号作特征抽取，再进行数据融合，也可以直接对信号进行数据融合，最后输出融合结果。图6为经过数据融合后的柴油机喷油压力。
4结语
为满足国内不断增长的汽车产量与保有量的需要，研究与开发汽车发动机检测诊断系统具有重要的价值。本文在分析国内外汽车发动机检测与诊断技术的最新研究成果及实际生产需要的基础上，探讨了汽车发动机数据采集系统的软硬件设计方法，建立了数据融合模型，实现了发动机传感器、喷油脉冲、点火信号的数据采集，对于确定汽车技术状态，识别、判断并分析汽车运行中的故障，恢复汽车使用性能，提高汽车利用率，保证安全具有重要的意义。
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收稿日期：2015?08?10
作者简介：崔宏巍（1974—），男，河南人，副教授，研究方向：汽车测控技术。