（信号与信息处理专业论文）基于arm9的汽车发动机故障诊断及预报系统设计.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于a r m 9 汽车发动机故障诊断及预报系统设计 摘要 伴随着社会的快速发展，汽车产业已成为现代社会的一个重要标志。在 计算机和电子技术快速发展的背景下，汽车已经和电子技术紧密结合在一 起，汽车的机械结构更加复杂，运行性能更加完善。汽车结构和技术的进 步，促使汽车故障诊断技术必须以新的理论方法和检测手段来满足现代汽车 故障诊断的要求，从而降低汽车尾气排放及噪声污染、节约能源，减少汽车 维修成本，延长汽车使用寿命，使汽车安全、可靠、平稳的运行。 本文开发了基于a r m 9 处理器的汽车发动机故障诊断及预报系统。该 系统是一款车载式检测设备，它可以实时读取表示发动机运行状态的典型数 据，并对这些数据进行分析处理，从而判断发动机的运行状态及可能发生故 障的概率，实现故障诊断及预报功能。 本文从硬件和软件两方面，对汽车发动机故障诊断及预报系统的设计过 程进行了详细的介绍。硬件方面介绍了系统硬件平台总体结构，对各个硬件 模块原理图进行分析，并且完成了硬件p c b 板的制作；软件方面给出系统 软件总体架构，介绍了基于w i n d o w sc e 操作系统开发流程，并给出了基于 c a n 总线通信协议进行数据传输的开发过程。 系统在传统神经网络基础上，将模糊理论和神经网络相结合，有效提取 故障信息特征；引入惯性项及改变学习速率，提高神经网络收敛速度；利用 遗传算法优化神经网络，解决学习过程中陷入局部最优问题。系统采用改进 的神经网络，以汽车发动机失火故障为例，对其进行了分析介绍。实验结果 表明本文开发的基于a r m 9 的汽车发动机故障诊断及预报系统能有效的对 汽车发动机失火故障进行诊断。 关键词故障诊断；a r m 9 处理器；神经网路；模糊理论；遗传算法 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 t h ed e s i g no fa u t o m o t i v ee n g i n ef a u l td i a g n o s i s a n dp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e do na r m 9 a b s t r a c t w r i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , a u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts y m b o lo fm o d e ms o c i e t y a u t o m o b i l ea n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a s b e e nc l o s e l yc o m b i n e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y t h ea u t o m o t i v es t r u c t u r ei sm o r ec o m p l e xa n dp e r f o r m a n c ew i l lb e b e t t e r a st h ea u t o m o t i v es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s s i n g ，a u t o m o b i l ef a u l t d i a g n o s i sm u s tb eb a s e do nn e wt h e o r i e sa n dt e s t i n gm e t h o d st om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm o d e ma u t o m o t i v ef a u l td i a g n o s i ss oa st or e d u c et h ee x h a u s to f a u t o m o t i v ee m i s s i o n sa n dn o i s ep o l l u t i o n ，s a v ee n e r g y , r e d u c et h em a i n t e n a n c e c o s t s ，e x t e n da u t o m o t i v el i f ea n dm a k et h ea u t o m o b i l es a f e ，r e l i a b l ea n ds t a b l e o p e r a t i o n t h i st h e s i sp r o p o s e da n dd e v e l o p e daa u t o m o t i v ef a u l t d i a g n o s i sa n d p r e d i c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea r m 9p r o c e s s o r t h es y s t e mi s av e h i c l e m o u n t e dd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，i tc a nr e a dt h er e a lt i m et y p i c a ld a t ao fa u t o m o t i v e e n g i n er u n n i n g ，a n a l y z ea n dp r o c e s st h e s ed a t aa n dd e t e r m i n et h eo p e r a t i o n a l s t a t u sa n dt h ep r o b a b i l i t yo fp o s s i b l ee n g i n ef a u l tt oa c h i e v et h ef u n c t i o no ff a u l t d i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o n t h ea u t o m o t i v ef a u l t d i a g n o s i s a n d p r e d i c t i o nw a si n t r o d u c e df r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r et w oa s p e c t si nt h i st h e s i s f o rt h eh a r d w a r e d e s c r i b e dt h e h a r d w a r es t r u c t u r eo f s y s t e m ，a n a l y z e dt h ed i a g r a mo fe a c hh a r d w a r em o d u l ea n d c o m p l e t e dt h ep r o d u c t i o no fh a r d w a r ep c bb o a r d f o rt h es o f t w a r e ，g a v et h e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m ，i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h e w i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e ma n dg a v et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fd a t a t r a n s m i s s i o nb a s e do nc a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h es y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a ln e u r a ln e t w o r kc o m b i n e df u z z yt h e o r y w i t hn e u r a ln e t w o r kt oc o l l e c tf a u l ti n f o r m a t i o ne f f c c t i v e l y l e a di n t oi n e r t i aa n d 一一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c h a n g et h el e a r n i n gr a t et oi m p r o v et h ec o n v e r g e n c es p e e do fn e u r a ln e t w o r k g e n e t i ca l g o r i t h mw a su s e db yn e u r a ln e t w o r kt os o l v et h el e a r n i n gp r o c e s si n t o al o c a lo p t i m u mp r o b l e m t h ei m p r o v e dn e u r a ln e t w o r kw a su s e db yt h es y s t e m f o ra u t o m o t i v ee n g i n em i s f i r ed i a g n o s i s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a t a u t o m o t i v ee n g i n ef a u l td i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e do na r m 9c a n e f f e c t i v e l yc a r r yo u tm i s f i r ef a u l td i a g n o s i s k e y w o r d sf a u l td i a g n o s i s ，a r m 9p r o c e s s o r , n e u r a ln e t w o r k ，f u z z yt h e o r y , g e n e t i ca l g o r i t h m i i i 哈尔演理t 人学t 学硕 j 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究目的及意义 在国民经济高速发展的前提下，汽车工业有了突飞猛进的发展，汽车的生 产能力和保有量迅速增长。中国汽车工业协会统计数据显示，2 0 1 0 年我国汽车 累计产销突破1 8 0 0 万辆，统计数据表明，我国已成为世界第一汽车生产和消 费国【l i 。汽车保有量迅速增加，导致汽车维修任务量相对加大。另外，伴随着 二十一世纪信息技术和电子技术的发展，更多的电子技术应用到汽车上，汽车 转变为机电液相结合的复杂产品，由此产生的后果是汽车故障诊断问题突出， 例如专业优秀的汽车维修工人严重短缺，对现代汽车维修企业必备的检测设备 不能熟练掌握、使用，单纯凭经验进行汽车维修，但是这样已经不能适应现代 汽车维修技术的要求【2 ，孙。由于车辆结构同益复杂，促使先进的故障诊断理论 与检测设备在汽车维修领域中的地位越来越重要f 4 1 。 汽车发动机是汽车的核心部分，发动机性能直接影响汽车的应用价值。但 是由于发动机工作条件恶劣，长期承受各种压力和高温作用，因此发动机运行 状况参数会以不同强度、不同规律发生变化，最终导致各种故障发生【5 i 。发动 机出现故障如果不及时排除将会带来一系列后果，例如直接导致耗油、尾气排 放超标甚至交通事故，数据显示，相当一部分交通事故是由于发动机故障问题 导致。据统计，汽车发生故障的4 0 来自发动机，尽管汽车发动机的e c u 带有 自诊断系统，配有一定的逻辑判断功能或专家系统，但是代码相对较少，不能 满足维修的要求1 6 一i 。研制功能强大的汽车发动机故障渗断系统是目前亟待解 决的问题，而先进的故障诊断技术是解决问题的关键。 汽车发动机故障诊断的研究具有重要的经济价值与社会价值，主要表现 在： ( 1 ) 汽车发动机各种异常状态能及时、准确的判断出来，从而预防和消除 发动机故障，提高维修效率，加强汽车发动机运行的可靠性、安全性及有效 性。将发动机故障发生的概率降到最低。 ( 2 ) 有利于制定合理的汽车维修制度，这样可以在允许的条件下，最大限 度发挥诊断设备的应用能力，提高故障诊断设备的使用寿命，从而降低设备寿 命周期费用。 哈力：滨理- e 大学t 学硕卜学位论文 ( 3 ) 对汽车发动机在不同故障状态下的故障信息研究分析、故障特征提 取、系统性能评估，有利于发动机改进结构、优化设计、提高发动机动力性及 运行稳定性。 ( 4 ) 全面深入的研究汽车发动机故障诊断理论，提高诊断理论的可行性， 将先进的故障诊断理论切实的应用到实际诊断中去，能更有效的促进汽车产业 全面、快速发展，以适应现代社会发展需求。 ( 5 ) 加强发动机安全运行技术研究，可以有效克服由于发动机故障导致的 交通事故，从而减少人员伤亡及经济损失。另一方面，从社会环境与能源角度 考虑，可以降低汽油机排放、噪声污染等。以平衡汽车工业高速发展的同时， 对人类生存环境造成的破坏。 总之，对汽车发动机运行参数检测和故障诊断理论研究，可以及时准确了 解发动机运行状态，并且诊断出发动机存在的故障，对推动汽车工业发展乃至 整个社会的发展具有重要的经济价值与社会价值阻l 。 1 2 汽车发动机故障诊断技术发展概况 汽车发动机故障诊断技术是在发动机不解体或者不完全解体情况下，采集 表示发动机工况状态的特征信息，并以可靠性理论、控制论、信息论及系统理 论为基础，以现代检测仪器和计算机为技术手段，对特征信息进行分析处理， 确定发动机故障产生原因、发生部位及严重程度，制定合理的维修措施1 1 2 ，1 3 】。 汽车故障诊断技术的发展大致可以分为三个阶段：人工经验检测法、利用简单 仪器仪表检测、采用专门的精密仪器检测1 1 4 ，”l 。 1 2 1 国外汽车发动机诊断技术发展趋势 早在上世纪中叶，工业发达国家就开始对汽车故障诊断技术和性能调试方 面进行研究。国外汽车故障诊断技术随着汽车产业的高速发展也在不断进步， 先后研发生产出许多声学、光学、电子技术和机械相结合的汽车故障检测设 备，如美国克莱斯 | 公司生产的d b b i i i 型微机故障诊断仪、美国福特汽车公 司生产的s t a r i i 型故障测试仪、德国凯文生产的发动机枪测仪等都是专用性 和通用性较强的汽车故障诊断设备【1 6 1 7 i 。 在工业发达的国家，汽车在进行完故障诊断后，都要经过汽车检测站的检 测，以确定安全性和排放满足国家标准。工业发达国家的汽车检测标准对检测 设备性能、检测设备结构和精度都有严格的规范，是检测指标标准化。随着计 一2 一 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论文 算机技术和故障诊断理论的不断发展，i n # i , 汽车发动机故障诊断技术正在向智 能化、自动化、网络化和综合化方向发展。 1 2 2 国内汽车发动机诊断技术研究状况 我国从上世纪7 0 年代丌始对汽车故障诊断技术进行研究，我国在汽车故 障诊断方面的研究可粗略分为三个阶段【1 8 ，l9 1 。 第一阶段( 2 0 世纪6 0 年代7 0 年代末) ，该阶段汽车发动机故障诊断技术 是以维修人员经验为基础，采用简单的仪器仪表对汽车发动机进行故障诊断。 主要的仪器设备有电压表、电流表、万用表、示波器等。维修人员利用这些仪 器通过观察、触摸、试验、分段排查等方法排除汽车发动机故障。尽管现今发 动机结构同益复杂，但是人工经验在发动机故障诊断中还是起着十分重要的作 用。 第二阶段( 2 0 世纪8 0 年代9 0 年代中期) ，随着电子技术、传感器技术和 信号检测技术的发展，国内先后研制出一些针对汽车发动机故障诊断的设备。 如济南无线电六厂生产的q f c ，5 型发动机检测仪、上海内燃机研究所研制的 发动机检测分析系统e a s 4 9 0 0 、兰州铁道学院研制的汽车点火故障诊断设备 等。本时期渗断技术的发展，为汽车故障诊断向智能化、自动化方向发展奠定 了基础1 2 0 ，2 1 1 。 第三阶段( 2 0 世纪9 0 年代中期至今) ，由于汽车和电子技术的紧密结合， 现今汽车结构同趋复杂化。因此，汽车故障诊断技术必须向着智能化、综合化 及网络化的方向发展，要求发动机故障诊断设备更加智能化、精度更高、实用 性更强。在这个时期，故障诊断方法也取得了长足的进步，主要以基于信号处 理和基于知识模型为主【2 2 l 。在信号处理方面，主要有基于小波变化法、信息融 合法、信息校核法等 2 3 也5 1 ；在知识模型处理方面，从传统基于规则、推理的诊 断专家系统模型发展到模糊理论、神经网络、支持向量机等实例推理的诊断专 家系统模型1 2 6 - 2 8 1 。 总体上，我国汽车发动机故障诊断技术紧跟国外动态，不断研究新理论、 新方法，并研制出一些先进的故障诊断设备。如石家庄汽车检测设备厂生产的 发动机检测仪、深圳元征的e a 2 0 0 0 型发动机检测仪等都是目前国内常见的发 动机综合性能检测仪1 2 9 i 。另外，国内高校也加强对汽车故障诊断技术的研究力 度，如浙江大学周理忠研制的嵌入式远程故障诊断仪、燕山大学的朱振涛研制 开发的基于a r m 9 的智能车载信息系统等，使得汽车故障诊断设备逐渐由非 哈尔滨理工大学工学硕：上学位论文 车载式向车载式实时诊断的趋势发展。 1 3 本论文研究的主要内容 本文的研究内容主要包括两部分，汽车发动机故障诊断及预报系统设计过 程和发动机失火故障诊断。 1 、汽车发动机故障诊断及预报系统设计过程的硬件部分，首先给出了硬 件平台的总体结构；然后，对硬件平台分核心板和扩展板两部分进行分析介 绍，涉及每个功能模块电路的设计；最后，展示系统硬件p c b 板的实物图。 2 、汽车发动机故障诊断及预报系统设计过程的软件部分，首先介绍系统 软件总体结构，详细讲述基于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统进行应用开发的过 程。最后对与汽车通信的c a n 总线协议进行说明。 3 、通过实验数据分析，得出汽车尾气中的部分气体h c 、c 0 2 、c o 和0 2 含有发动机失火的故障信息，系统以神经网络为基础，建立失火故障诊断模型 关系。另外，本文对传统神经网络的缺陷进行改进，包括输入输出模糊化、引 入惯性项及改变学习效率、利用遗传算法优化神经网络权值和阈值，最后系统 采用改进后的神经网络对发动机失火故障进行诊断。 4 哈尔滨理t 人学t 学顾f ：学位论丈 第2 章诊断及预报系统硬件设计 汽车发动机故障诊断及预报系统是以嵌入式处理器a r m 9 为硬件平台进 行丌发设计的，因为嵌入式系统具有功耗低、体积小、成本低及性能高等优 点，完全符合系统开发设计的要求。发动机故障诊断及预报系统的硬件设计主 要包括两部分，一是主控模块核心板的设计，二是扩展模块底板设 计。系统硬件结构是核心板加底板的形式，它们之i 日j 通过“u 型排列插针进 行连接，这样能方便拔插及引出更多的c p u 信号引脚1 3 0 i 。本文完成了系统硬 件核心板与底板原理图的绘制及p c b 板的制作。 2 1 系统硬件平台架构 汽车发动机故障诊断及预报系统的硬件逻辑结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统硬件逻辑结构框图 f i g 2 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 汽车发动机在非j 下常情况下的运行数据，通过c a n 总线传输至c a n 模 块，c a n 模块实现数据接收，再将数据传输到中央处理单元进行分析处理， 实现故障诊断及预报功能，最后l c d 模块完成诊断结果显示。 2 2 核心板电路结构设计 核心板为系统的主控模块，是最小系统板，由c p u 处理器、电源电路、 存储单元、晶振电路和复位电路组成【3 1 1 。核心板的总体结构框图如2 2 所示。 哈尔滨理t 人学下学硕 j 学位论文 n a n df l a s hn o rf l a s h 其他电路 6 4 m2 m 电源电路 s 3 c 2 “o3 2 ms d r a m j t a g 调试电路晶振电路 3 2 ms d r a m 图2 - 2 核心板结构框图 f i g 2 2c o r eb o a r db l o c kd i a g r a m 下面对核心板电路中的主要单元模块进行详尽的介绍，并给出相应模块的 电路原理图。 2 2 1c p u 处理器单元 c p u 选择的是三星$ 3 c 2 4 4 0 ，主频4 0 0 m h z ，最高可达5 3 3 m h z 。 $ 3 c 2 4 4 0 内核采用a r m 9 2 0 t ，它支持m m u ( 内存管理单元) 、a m b a ( 先进微 控制器总线结构) 和h a r v a r d 高速缓存体系结构，可以支持l i n u x 、w i n c e 、 e p o c 3 2 等操作系统。另外，$ 3 c 2 4 4 0 集成了1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓 存、l c d 控制器、3 通道u a r t 、4 通道d m a 、4 通道p w m 、i o 口、8 通道 1 0 位a d c 和触摸屏接口，并支持1 2 c 、1 2 s 、s p i 总线、u s b 主从设备及s d 卡和m m c 接口。可以说，$ 3 c 2 4 4 0 是一款高性能的a r m 9 处理器1 3 2 ，”i 。 2 2 2 电源电路 对于任何系统，要想安全、可靠、稳定的运行，其电源系统的设计至关重 要，设计电源电路需要考虑输入输出电压、功耗、安全系数等诸多因素。本系 统核心a r m 9 处理器的内核工作电压为1 8 v ，i o 口、u s b 收发器、外部总 线i o 口的工作电压为3 3 v 。考虑到优化电源电路设计，本系统供电是直接使 用外部的直流5 v 电源供电，通过电压转换芯片转换成整个系统工作所需电压 1 8 v 、3 3 v 。 电压转换芯片选取的是l m l l l 7 ，其电压输出范围为1 2 5 v 一- 1 3 8 v ，可以 通过电路中的两个外部电阻实现。另外，它还有5 个固定电压输出分别是： 1 8 v 、2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 和5 v 。l m l l l 7 还提供电流限制和热保护，提高了 电源电路工作的稳定性。电压转换电路如图2 3 所示。 u 4 v d d 5 vl m l l1 7 - 3 3 v d d 33 v 图2 3 电源模块原理图 f i g 2 - 3c i r c u i to fp o w e rm o d u l e 2 2 3 存储单元 存储单元包括s d r a m 和f l a s h 单元，s d r a m 一同步动态随机存储 器，由于s d r a m 掉电后不能保持原有数，但是其读取速度快，所以主要存储 l d d 船 五一 蔓 畿t t a l l ll d d 阳2 4 ： 嚣 w 嚣 l d 【r 4筇二 2d 耋 豁嚣l d c 并： 磊 l d l d m a t 6 , 4 5 l l p m嚣： 廿d。3 l 札r 7 3 0 二 4d 。4 l d c 髓 3 l ： d筇 l d d 融 诒： 6 d 0 6要 l d a m t 6 ； l d f r 1 0 乃二 7d 喝l d i t i 口 “e i c r l l 3 4 二 l d q 8 l a d d r l 2 卫： ” 唧 l d 1 2 r i33 ，： a i o i ：x j t o 冀l d t m 1 a i i d 叫1 要l u l d i i t j , t 、i i ； l d d r l 4骑一 a 1 2 d 3 1 2 l d d r 2 4 d q l 3 b 0 d q l 4 l d d r 2 1 从l d q l 5 h w b 衄 埒 l 【，q md c s 1 9 l l s c 卯 l m e l 剪二1 1 8w 眦 u d q m - s r s l s c k e 卵一 i s c s 一1 7 s u 删耍二 躏棚b ：1 6i a w g 黜 y 0 l口3 甲 嚣 v 唧 1 (， 4 l 删啪11 r 瞄iv i ) d 2 钉 m 嘲 3 6 阳d 。0 1 广一 1 2 唧嘲l 4 了 斯 v 濑lv d d q 2 舶 咒 v q 2w l d w 3 7 图2 4s d r a m 接口电路 f i g 2 - 4i n t e r f a c ec i r c u i to fs d r a m 一7 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的是程序执行中产生的数据。板载s d r a m 总共为6 4 m ，s d r a m 的芯片型号 为h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p ，是采用两片3 2 m 的s d r a m 并接在一起，形成3 2 _ b i t 的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度。s d r a m 的地址空间为 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 x 3 3 f f f f f f ，因为是并接，它们将引脚n s c s 都连接到n g c s 6 作 为片选，这决定了物理起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。s d r a m 电路原理图如图2 - 4 所示。 f l a s h 存储单元包括n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两部分。n o r f l a s h 的读取速度要优于n a n df l a s h ，将b i o s 存放在n o rf l a s h 中， 在系统加载之前，完成硬件设备初始化，分配好内存单元，为加载操作系统做 好准备。n o rf l a s h 的大小为2 m ，芯片型号为s s t 2 9 v f l 6 0 1 ，n o rf l a s h 通过2 2 条地址总线和1 6 条数据总线同c p u 相连接，由于地址是从a 1 开始， 意味着每次最小读写单位是2 b i t ，该设计可以兼容支持最大8 m b i t 的n o r f l a s h ，其电路原理图如图2 5 所示。 n a n df l a s h 里烧写的是完整的系统程序，n a n df l a s h 的大小为 6 4 m ，芯片型号为k 9 f 1 2 0 8 。n a n df l a s h 不具有地址线，它是通过专门的 控制接口同$ 3 c 2 4 4 0 相连，数据总线为8 b i t 。n a n df l a s h 的电路原理图如 图2 6 所示。 u 1 0 图2 5n o rf l a s h 接口电路 f i g 2 5i n t e r f a c ec i r c u i to f n o r f l a s h ) d 3 3 v 叫 n f c e c l e a l e n 眦 n f r e 7 加6 s 啪肼 既加3 c l e加2 a l e加l w e姗 r e s ew p v s sv c c v 嚣v c c ) d 3 3 v ：c 1 0 0 1 l j f 图2 石n a n d f l a s h 接口电路 f i g 2 - 6i m e f f a c ec i r c u i to f n a n df l a s h 一一一一一一一一一一一 能一习习一埔隔 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 2 2 4 复位电路 系统核心板的复位电路，是采用复位芯片m a x 8 1 1 实现的，c p u 要求的 是低电平复位，复位电路原理图如2 7 所示： v d d 3 3 vu 9 亨 图2 7 复位电路 f i g 2 7c i r c u i to f r c s o t 2 3 扩展板电路结构设计 本系统的扩展板电路设计主要包括l c d 模块、c a n 通信模块、串口及 u s b 模块。下面详细介绍各个模块的电路设计过程。 2 3 1l c d 模块 汽车发动机故障诊断及预报系统对发动机异常工况下的数据进行分析处 理，结果通过l c d 显示出来，维修人员可以根据显示结果，判定发动机故障 原因及故障可能发生的概率。 本系统的核心处理器$ 3 c 2 4 4 0 带有l c d 控制器，控制信号引脚包括 v c l k ( 像素时钟信号) 、v l i n e ：h s y n c ( 行脉冲信号) 、v f r a m e ： v s y n c ( 帧同步信号) 、v m ：v d e n ( 数据使能信号) 、v d 2 3 ：0 】( l c d 像素 数据输出端) 等。本系统采用的是统宝3 5 寸t f t 色液晶显示屏，分辨率为 2 4 0 * 3 2 0 ，具有触摸功能。在扩展板上有一个4 l 引脚0 5 m m 间距的白色座， 这是l c d 的接口，其中包含了l c d 的控制信号，这些控制信号都是从 $ 3 c 2 4 4 0 中直接引出来的，主要包括行场扫描、时钟、使能及完整的r g b 数 据信号等。另外，为了系统调试方便，还引出了复位信号( i 脏s e t ) ，其中 3 7 、3 8 、3 9 、4 0 引脚为四线触摸屏接口，可以直接连接触摸屏使用。l c d 接 口电路如图2 8 所示。 一9 一 哈尔滨理丁人学丁学硕l ：学位论文 l c d l v d d 5 vl 2 v d d 5 v v d 03 1 i 7 d 2 5 4v d l 、m 4 7 6 7 1 ) 3 v d 6 9 8 v d 5 g w d 1 l 1 0v 1 ) 7 v d 91 3 1 2v d 8 v d l l 1 5 1 4v d l 0 v d l 31 7 1 6 、巾1 2 、巾1 51 9 1 8 v d l 哇 v d l 6 2 l 2 0 g n d 、巾1 8 2 3 2 2v d l 7 v d 2 02 5 2 4 v d l 9 、巾2 22 7 2 6 v d 2 1 g n d 2 9 2 8v d 2 3 g p b l3 l 3 0 f c dp w v l 】5 | i 3 3 3 2 r 迟e s e t v l i w e 3 5 3 4v 张a 艇 t s 硼 3 7 3 5v c l k t s 硼 3 9 3 8 t s x p 4 0r s y p l 图2 8l c d 接口电路 f i g 2 8i n t e r f a c ec i r c u i to fl c d 2 3 2c a n 通信模块 随着汽车产业的高速发展，越来越多的先进技术应用到汽车的开发研究 中，为了克服传统汽车点对点的单一通信方式、车内线束过多、可靠性低等缺 点，现在大多数汽车已经采用c a n 总线技术，进行汽车内部电控单元的数据 传输。因此，本系统设计了c a n 通信模块，实现与汽车间的通信，来获得发 动机运行工况下的数据。 c a n 模块电路包括控制单元和收发单元两个部分。控制单元采用的芯片 是m c p 2 5 1 0 ，它的引脚功能介绍如表2 1 所示。选用m c p 2 5 1 0 作为控制器， 是因为它具有以下特点： 支持c a n 总线通信协议c a n 2 0 a 2 0 b ，8 字节有效数据长度并支持 远程帧。 最高可达1 m b s 的传输速率。 内部有2 个接收缓冲区和3 个发送缓冲区，可缓解m c u 压力。 s p i 串行总线，可直接与嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 连接，减少了总线物 理连接，提高系统可靠性。 3 5 5 v 电压范围内供电，能直接与3 3 v i o 的$ 3 c 2 4 4 0 处理器连 接。 收发单元采用的芯片是m c p 2 5 5 1 ，它是可容错的高速c a n 器件，可为 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 c a n 模块控制单元提供差分收发能力，完全符合i s o 一118 9 8 标准，工作速率 高达1 m b s 。 表2 - 1m c p 2 5 1 0 引脚说明 t a b l e2 1p i n so f m c p 2 5 1 0 引脚接口信号说明引脚接口信号说明 1 t x c a n 发送输出引脚 1 0r x l b fr x b l 中断引脚 2r x c a n 接收输入引脚 11 r x o b fr x b 0 中断引脚 3c l k o u t 时钟输出引脚 1 2 ，i n t 中断输出引脚 4，t x o r t s t x b 0 请求发送 1 3s c k s p i 接口时钟输入 5厂t - x 1 r t s t x b l 请求发送 1 4s i 8 p i 接口数据输入 6 厂r x 2 r t s t x b 2 请求发送 1 5s o s p i 接口数据输出 7o s c 2 振荡器输出 1 6，c s 8 p i 接口片选输入 80 s c l 振荡器输入 1 7r e s e t 低电平复位输入 9 v s s 参考地 18 v d d电源输入 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 的s p i m i s 0 0 、s p i m o s l 0 、s p i c l k 0 和n s s 0 引脚 与m c p 2 51 0 的s c k 、s i 、s o 及c s 功能引脚相连，通过r x c a n 、t x c a n 和收发单元m c p 2 5 5 1 之间发送串行数据。收发器m c p 2 5 5 l 与c a n 总线连 接。c a n 通信模块的电路原理图如图2 - 9 所示。 图2 - 9c a n 模块电路 f i g 2 9c i r c u i to f c a n m o d u l e 哈尔滨理工大学工学硕： 学位论文 2 3 3 串口模块 本系统处理器$ 3 c 2 4 4 0 带有3 个串口，分别是i ，a r t 0 、u a r t l 、 u a r t 2 ，但是在系统中我们只用到u a r t 0 ，用来调试及下载目标程序。 r s 2 3 2 是全双工的串行通讯标准，包括主通道和辅助通道，能同时进行数 据的接收和发送。由于$ 3 c 2 4 4 0 的1 几电路定义的高低电平信号同r s 2 3 2 标 准的高低电平信号不同，需要信号电平转换。因此，我们使用芯片 m a x 3 2 3 2 s o p 完成电平转换。u a r t 0 与电平转换芯片m a x 3 2 3 2 s o p 的接口 连接图如图2 1 0 所示。 v d d 3 i i l 矾 i l u 3 t x d oi l1 4 r s d o r x d 01 2 t l i not l o u t r o u t i 兮 r i i , i i 1 3r s r x d 0 n r r s o1 07r s r t s 0 ：o m in f l _ s 09 t 瑚n1 1 0 u t 8r s c t s d _ l ：ol、， r o 叮r 2砒n 2 6 i ：l c l + c 2 + 4 2 7 、 r s t x d 0c 6 c 7 7r s e t 9 0 = = 一一 一一 3r s r x d 01 0 43 5i 舛 8r s h i s 0 ci-c2- 4、， 9 i 二 5 7 、 ：l 2 v +磐v 6 b o ) 【c o n nd b 9 ii =f # 2 m a x 3 2 3 2 s o p # ! f 图2 1 0u a r t 接口电路 f i g 2 - 10i n t e r f a c ec i r c u i to fu a r t 2 3 4u s b 模块 在本系统的硬件平台上，有两种u s b 接口，分别是u s bh o s t 和u s b s l a v e 。u s bh o s t 和普通的p c 机u s b 接口一样；u s bs l a v e 是用来下载程序 到硬件平台上，由于本系统采用的操作系统是w i n d o w sc e ，我们将p c 机和 硬件平台的u s bs l a v e 端口连接，通过a c t i v e s y n e 软件和w i n d o w s 系统进行 同步，这样有利于系统程序调试。u s bh o s t 和u s bs l a v e 的电路原理图分别 如图2 1 l 、2 1 2 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 = iu s b p o r t a t y p e 图2 一iiu s bh o s t 电路图 f i g 2 - 1i c i r c u i to fu s bh o s t 2 4 系统硬件电路p c b 板设计 彳 u s bp ma 唧。 图2 1 2u s bs l a v e 电路图 f i g 2 12c i r c u i to fu s b s l a v e 在完成了硬件电路各个模块的设计并绘制完原理图后，丌始进行电路的 p c b 板设计。电路p c b 板设计过程中要注意很多问题，主要有板子尺寸、元 器件布局、布线、电磁兼容等因素，如果忽略细节问题的考虑，将对板子的寿 命和稳定性产乍影n 向。本系统板子p c b 设计包括核心极和扩展板两个部分， 核心板采用6 层板设计，并采用等长布线以满足电路信号完整性要求：扩展板 l 一j 。，。；。，p ，j 图2 13 扩展板顶层p c b 电路图 f i g 2 13t o pl a y e ro fp c be x p a n s i o nb o a r d 一|iji!|：；，8“2。；illil。l 哈尔滨理_ 丁人学t 学颂f j 学位论义 板采用2 层板设计。这罩我们给出扩展板的p c b 电路图，图2 1 3 为扩展板顶 层p c b 电路图，图2 14 为底层p c b 电路图。 2 5 本章小结 图2 一l4 扩展扳底层p c b 电路图 f i g 2 14b o t t o ml a y e ro fp c be x p a n s i o nb o a r d 本章对汽车发动机故障诊断及预报系统的硬件平台进行分析介绍。首先， 给出了系统硬件电路的总体架构，包括核心板电路和扩展板电路两部分。其 次，对核心板和扩展板电路组成进行了详细介绍，核心板包括c p u 处理单i 二、 电源电路、存储单元和复位电路；扩展板主要有l c d 模块、c a n 通信模块、串 口模块及u s b 模块。最后，介绍系统硬件电路的p c b 板设计，并且给出了系统 硬件电路实物图片。 哈尔演理t 人学t 学硕 ：学位论文 第3 章诊断及预报系统软件设计 任何一个系统要想安全、可靠、稳定的工作，系统硬件平台设计是前提， 系统的软件设计也至关重要。软件设计的好坏，直接关系到系统的性能能否更 好的实现。本系统的软件设计包括操作系统的定制、移植以及c a n 总线通信 协议分析，根据系统方案设计要求，采用w i n d o w sc e 操作系统，它是一款功 能强大的实时嵌入式操作系统，具有很多优秀的性能。本章将对汽车发动机故 障诊断及预报系统的软件设计进行详细的介绍。 3 1 系统软件总体结构 本系统的软件设计包括b s p ( 板级支持包) 配置、操作系统定制与移植、 c a n 总线通信协议编写、故障代码数据读取和分析处理、诊断结果显示等。 系统采用的软件丌发工具为p l a t f o r mb u i l d e r5 0 和v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 。系统软 件总体架构如图3 1 所示。 协议、设备驱动、文件系统 操作系统w i n d o w sc e 内核 b s p - 抽象操作系统与硬件之i 口j 的交互接口 图3 1 系统软件结构框图 f i g 3 1s o f t w a r eb l o c kd i a g r a mo f s y s t e m 3 2w i n d o w sc e 操作系统定制与移植 w i n d o w sc e 是高度模块化的嵌入式操作系统，可以根据实际要求对操作 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学化论义 系统进行定制，保留所需模块，裁去不需要的模块。另外，w i n d o w sc e 是一 个实时操作系统，具有支持嵌套中断、更好的线程响应能力、更多优先级等优 点，并且为开发人员提供了完善的丌发工具，针对应用程序开发人员，可选择 v i s u a ls t u d i o n e t 和e m b e d d e dv i s u a lc + + ；而操作系统定制人员可以利用 p l a t f o r mb u i l d e r 进行定制m i 。w i n d o w sc e 操作系统的体系结构包括四个部 分，如图3 2 所示。 i * 一：o l h t f i i n l e r n e t 客，、 -i 用，、界面 埔服务 1w m d 。w sc e 心程序i i 鹰_ e f i 和服务 l 臣