（机械电子工程专业论文）基于客车eps系统多功能随车诊断仪的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 客车电控气动换挡( e p s ) 系统改变了传统的机械式变速换挡，使操纵手柄位置更 加灵活，选档和换挡更加轻便准确，实现了客车换挡的轿车化。但是随着e p s 系统的不 断应用和发展，其稳定性、安全性和可靠性的要求也随之增加，并最终促成了e p s 诊断 系统的研制和开发。 通过对现有几种控制方案的优缺点分析，在不影响e p s 系统功能的前提下，提出了 一种基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制。该诊断仪主要由主控单元、显示单元 及通讯单元等三部分组成，主控单元和显示单元分别采用独立的微控制器。主控单元主 要负责通过r s 2 3 2 串口线采集e p s 系统数据信息，然后对这些数据进行处理、分析和存 储，最后将e p s 故障信息及重要的车辆运行信息传输给显示单元；显示单元通过m 1 0 0 驱动模组控制t f t l c d 触摸屏，将重要的信息以图片及文字形式显示出来；通讯单元配 制了u s b 、r s 2 3 2 和s d 卡等接口，负责与上位机p c 进行通讯，还使用了c a n 总线接口 与其它汽车电子模块进行数据交换。整个诊断仪能为驾驶员提供实时、准确的客车运行 信息，降低离合器的磨损，增加换挡过程的平稳性，从而节约能源。 本文主要论述了诊断仪系统的整体方案设计，e p s 系统诊断的相关技术原理，主控 制器及各个控制模块的软硬件设计及诊断仪的外观结构设计，并在此基础上对一些关键 部分作了比较详细的剖析。 关键词：电控气动换挡；诊断仪；t f t l c d 触摸屏；离合器磨损 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 r e s e a r c ho fam u l t i - f u n c t i o no n - b o a r dd i a g n o s t i ca p p a r a t u s b a s e do nb u s e p ss y s t e m a b s t r a c t n l ee l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f t ( e p s ) s y s t e mh a sc h a n g e dt h e 仃a d i t i o n a ls h i f to f m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n i tm a k e st h ep o s i t i o no fc o n t r o lc r a n ka n ds h i f tm u c hm o r ef l e x i b l e ， c o m f o r t a b l ea n da c c u r a t ea n di te v e n t u a l l ya c t u a l i z e st h ep a s s e n g e rc a rg e a r - s h i f t sc a r 1 i k e h o w e v e r ，埘t 1 1t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe p ss y s t e m ，s o m er e q u i r e m e n t so fi t s s t a b i l i t y ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yh a v ei n c r e a s e d ，a n d ，a sar e s u l t , 晰n ga b o u tt h ed i a g n o s t i c s y s t e mo f e p s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lc o n t r o lp r o g r a m sw h i c hh a v ee x i s t e da n du n d e rt h e p r e m i s eo fw i t h o u ta f f e c t i n gt h es y s t e m sf u n c t i o n ，w ed e s i g n e dam u l t i f u n c t i o no n b o a r d d i a g n o s t i ca p p a r a t u sb a s e do nb u s e p ss y s t e m n l ed i a g n o s t i ca p p a r a t u sm a i n l yc o n s i s t so f m a i nc o n t r o lu n i t , d i s p l a yu n i ta n dc o m m u n i c a t i o nu n i t i nt h i sa p p a r a t u s ，m a i nc o n t r o lu n i ta n d d i s p l a yu n i ta r es e p a r a t e l yc o n t r o l l e db yt h e i ro w nm c u m a i nc o n t r o lu n i ti sm a i n l y r e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n gs o m eq u a n t i t a t i v ed a t ao fe p ss y s t e mt h r o u g hr s 2 3 2 ，a n dt h e ni t a n a l y s e s ，d e a l sw i t ha n ds t o r a g e st h e s ed a t a sm o r e ，t h em a i nc o n t r o lu n i tw o u l ds e n dt h e f a u l tm e s s a g eo fe p ss y s t e ma n ds o m ei m p o r t a n tv e h i c l e si n f o r m a t i o nt ot h ed i s p l a yu n i t d i s p l a yu n i tw o u l dd i s p l a yt h e s ei n f o r m a t i o ni nt h ef o r mo fp i c t u r e sa n dt e x t st h r o u g hm 10 0 a n dt f t l c dt o u c hs c r e e n c o m m u n i c a t i o nu n i tu s e sn o to n l yu s b r s 2 3 2a n ds dc a r dt o c o m m u n i c a t ew i t hu p p e rc o m p u t e r ，b u ta l s oc a nb u st oe x c h a n g ed a t a 谢mo t h e re l e c t r o n i c m o d u l e s 1 1 1 ed i a g n o s t i ca p p a r a t u sc a np r o v i d er e a l - t i m ea n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no f p a s s e n g e r c a rf o rd r i v e r s ，a n di tc a nr e d u c ec l u t c hw e a ra n di n c r e a s es m o o t h n e s sd u r i n gg e a r s h i f tp r o c e s s i no r d e rt os a v ee n e r g y t l l i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e ss y s t e ms o l u t i o n so fd i a g n o s t i ca p p a r a t u sa n ds o m et e c h n i c a l p r i n c i p l e so fd i a g n o s i n ge p ss y s t e m i ta l s oc o m p l e t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so f t h em a s t e ra n ds a l v e sc o n t r o lm o d u l e sa sw e l la ss t r u c t u r a la p p e a r a n c e 彤矗a f sm o r e i tm a k e s m o r ed e t a i l e da n a l y s i so ns o m ek e y c o m p o n e n t s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cp n e u m a t i cs h i f t ；d i a g n o s t i ca p p a r a t u s ；t f t - l c dt o u c hs c r e e n ； c l u t c hw e a r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堇受譬至笆幽垒碰毖屈咝应么蜊 作者签名：! i 数 日期：卫年- _ 竺月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 汽车工业水平是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志之一，而其中客车工业水 平又占据很大的比重。特别是在现代化城市中，传统的客车技术在节约能源、环境保护、 安全性和舒适性方面已经不能满足其发展的需求，因此为了降低油耗、减少污染，提高 行驶的安全性和乘坐的舒适性，先进的可视化的客车仪表仪器在现代客车控制系统中得 到了广泛的应用。 1 1课题背景 据统计资料表明，在城市道路行驶时，载货客车每行驶l o o k m ，需起步和停车8 0 - - - - 1 0 0 次，而公共客车一般站距在5 0 0 m 左右，在市中心站距更短，在这样短的距离内，驾 驶员需要反复进行起步、换挡和停车操作，劳动强度很大，而且现代城市客车多数采用 发动机后置结构，使用手动机械变速器，换挡手柄过长，在频繁的换挡过程中易使驾驶 员疲劳，极大地分散了驾驶员的注意力，降低了行驶的安全性【l 】。 鉴于上述缺点，客车传动系统的改进已成为改进和完善客车总体性能的重要方向。 客车电控气动换挡系统，简称客车e p s 系统( e l e c t r o n i cp n e u m a t i c ss h i f t ) 就是其 中之一，它是在不改变变速器结构的基础上，采用电子控制气动助力的方式实现换挡， 替代传统的机械式变速换挡的系统。该系统操纵手柄位置灵活，选档和换挡轻便准确， 可彻底实现客车换挡的轿车化，整个换挡过程采用最优的换挡步骤和气动备压传动，降 低了离合器的磨损，增加了换挡过程中的平稳性，使得动力传递较为平稳，冲击小，大 大节约了能源，延长了客车的寿命【2 】。相信在不久的将来，该系统将取代传统的机械变 速器，成为主流。 但是，与其它汽车电子技术相同，客车e p s 系统也存在着因电子元器件而造成的故 障风险，它的稳定性能很大程度上取决于微控制器、电磁阀、传感器等其它半导体产品 性能和手柄，气缸等其它机械结构，从某种意义上来看，电子元器件及机械结构的故障 制约着该系统的发展和推广前景。因此，在这种背景下，为了能提高客车e p s 系统的稳 定性，安全性以及更好的降低离合器的磨损，节约能源，设计一种基于客车e p s 系统的 多功能随车诊断仪使其能完成对客车电控气动换挡系统进行故障诊断、显示、监测、预 警、统计等功能，具有重要的理论意义和应用价值。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 1 2 国内外研究现状 1 2 1电控气动换挡系统的研究现状 电控气动换挡系统的研究在国外有很长的发展历史。首先出现的是半自动的s a m t 系统，如1 9 8 3 年美国e a t o n 公司的s a m t 系统，1 9 8 6 年瑞典s c a n i a 公司的c a g 系统， 其实质是辅助换挡系统，即由电子控制系统实现换挡，而换挡时刻由驾驶员踩离合器踏 板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换挡时刻，但他们仍然不能取消离合 器踏板，实现传动系的全自动操作。而后出现了全自动化的电控自动变速器( a u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) ，如1 9 8 3 年日本五十铃公司的n a v i 一5 电控机械式自 动变速系统，实现了离合器的自动操纵1 3 】。伊顿公司在1 9 8 3 年也宣布成功地将重型货车 的手动变速器实现了自动化。z f 公司的一种1 6 挡的变速器也实现了自动换挡，于1 9 8 8 年将这种称为“a u t os h i f t ”的变速装置装备在g e n e v a 货车上此后，美国福特( f o r d ) 公司，德国大众汽车公司、意大利菲亚特( f i a t ) 汽车公司、法国雷诺( r e n a u l t ) 汽车 公司和日本丰田汽车公司也都相继开展机械式自动变速器的研究和开发，并已有各自的 产品问世，全自动a m t 己进入产品化和实用化阶段1 4 制。 随着现代控制理论的发展，其成功应用于电子控制的汽车传动系统，例如日本丰田 公司的五挡液力机械自动变速器a 3 5 0 e ，就是根据现代控制理论中线性二次型最优控制 理论来确定其控制规律的。此外，由于自动换挡规律和起步时都受到环境、驾驶员的驾 驶水平和车况等因素的影响，日本的五十铃( i s u z u ) 、尼桑( n i s s a n ) 等开始采用模糊推 理的智能化方法进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器接合速度的模糊控制【3 】。 智能化使得车辆在复杂多变的工作条件下，采用正确措施使换挡规律、换挡品质、起步 及变速性能进一步提高。 我国在这方面的研究工作起步较晚，但起点较高，主要侧重于无级变速传动和机械 式自动变速器( a m t ) 的研究，由于电控机械式自动变速器在保留原有轴式齿轮变速器 的基础上进行开发，适合于轿车、大客车、重型车等车辆，因此比较适合我国国情。 吉林工业大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等多家单位均在此方面取得 了积极成果，1 9 9 8 年8 月吉林工业大学自主研制开发的桑塔纳( s a n t a n a ) 牌2 0 0 0 a m t 样车通过了国家鉴定，鉴定专家一致认为达到了国际先进水平。目前，正进一步加强在 系统可靠性等方面的研究，努力促使其向商业化发展。对已有车辆变速器操作系统进行 改进研究尚不多见，西安沃尔沃汽车公司在其大客车上装备了从瑞典引进的e g s 操纵系 统，该系统采用多缸电控气操作，结构复杂，价格高，重量大，不易普及【7 1 。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 汽车诊断仪器的研究现状 汽车诊断仪器的研究在很早以前国际标准化组织( i s o ) 就发布了有关故障诊断的 标准，对于采用与e c u 通讯的故障诊断设备可参照美国汽车工程学会( s a e ) 标准进行 设计。同时，协调各通讯协议及相对应的具体的应用文件和领域等问题也正在审议之中。 有关汽车故障诊断专家系统的开发与研究，己作为人工智能( a i ) 的应用领域之一。 汽车故障诊断专家系统的开发，自2 0 世纪8 0 年代以来，可分为雏型期、改进期和发展 期三个阶段1 8 - 9 1 。 一、雏型期一诊断咨询系统的开发 2 0 世纪7 0 年化后期至8 0 年代初期，在汽车维修行业中首先开发的就是诊断咨询系 统。1 9 8 6 年，美国通用汽车公司和福特汽车公司分别推出了称之为c a m s 和s b d s 的故障 诊断咨询系统。1 9 8 6 年，日本丰田汽车公司的维修、信息及技术部门联合开发了“维修 技术咨询系统 。1 9 8 7 年8 月开始用于丰田发动机集中电子控制系统t e e s 的诊断。作 为系统信息流，对维修企业遇到难度较大的车辆故障诊断与维修问题时，专业技术人员 在预制的问诊表上填入有关事项，并电传到丰田汽车公司维修总部。维修总部的有关人 员以此为基础，把信息输入到“维修技术咨询系统”，并由专家系统的维修程序提出诊 断结果和维修方案。根据资料介绍，美国各大汽车公司开发出的汽车诊断系统，在1 9 9 0 年的诊断能力大致为2 0 - 3 0 。到1 9 9 6 年，通用和福特公司的该项步指标已达到了 6 0 一7 0 。 二、改进期一诊断系统的开发 2 0 世纪8 0 年代中期至8 0 年代末期，由于汽车电控制技术的飞速发展，故障诊断的 难度也越来越大，复杂程度也不断提高。因此，开发故障诊断系统的重要性显著提高。 1 9 8 5 年，日产、丰田等汽车公司都研制了相关的故障诊断专家系统。这些专家系统 应用人工智能语言l i s p 或p r o l o g 进行开发，在构造知识库方面重点解决了知识库的利 用效率、知识库的合理性确认和知识库编辑三个方面的问题。 三、发展期一构造工具的开发 进入2 0 世纪9 0 年代，开始出现了“专家系统工具”的研究。这种“专家系统工具” 具有知识获取支援功能的专用编辑器，不需要智能语言，从而解决了过去存在的知识库 效率低的缺点。目前，汽车故障诊断专家系统与其他诊断方式相比，具有以下特点： 1 车内诊断和非车载诊断主要局限于汽车电器系统，而专家系统可以适用于电器 和机械两方面的诊断； 2 专家系统能利用车内诊断和非车载诊断的数据和信息，并可以与检测系统联接， 有效地提高诊断效率和精度； 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 3 专家系统能与信息系统相联，在不断充实知识库的同时，通过改进各诊断系统 的相互关系，充分发挥专家系统的优点； 因此，现代诊断系统具有知识库的使用效率高、诊断的适应能力强和信息的检索速 度快等优点。 1 3 课题的研究目的和意义 目前，客车e p s 系统的出现填补了国内的空白，迅速提升了国内客车及重型车辆底 盘的技术含量，符合欧美发达国家在该领域的发展趋势，是迈向智能化底盘系统的重要 一步，并且在国内商用汽车、公交及客车市场上，客车e p s 系统受到了不少司机的欢迎 和青睐【1 0 1 。 为了提高客车e p s 系统的稳定性、安全性以及更好的完善该系统的总体性能，使其 能够经得起市场的考验，在国内客车市场上占据主体地位，彻底实现国内客车换挡的轿 车化，就必须有一系列与之相配套的相关的硬件及软件系统作支持。本课题来源于大连 耐驰车辆电子设备有限公司的实际项目，设计一种与之相配套的基于客车e p s 系统的多 功能随车诊断仪。本课题的研究目的就是通过对来自e p s 系统端口实时的重要数据进行 诊断分析，并且通过显示、存储、统计以及报警等方式，对其运行状况进行实时的监测。 并且对部分重要数据进行存储，如换挡时间等，为今后系统的二次开发、换挡系统的自 学习、换挡力的优化以及同步器的磨损检测提供数据支持。 对于任何一套汽车电子控制系统来说，由于受温度过高、环境恶劣等外界因素的影 响，电子元器件很容易出现故障，从而导致系统功能瘫痪，客车e p s 系统也不例外。本 课题的研究有助于提高客车e p s 系统的稳定性和安全性，能够对离合器中的传感器、霍 尔元件、换挡气缸、电磁阀、手柄等电子和机械故障进行诊断，有助于驾驶员及时了解 掌握e p s 系统的运行状况，能及时更换故障元件，延长系统的寿命，提高客车的安全性， 从而最终提升e p s 变速器的市场的竞争力。总之，本课题的研制对逐步完善客车e p s 系 统功能具有重要的经济价值和现实意义。 1 4 课题的主要研究内容 本课题的研究内容与市场上其它的通用型汽车诊断仪相比，研究内容既有相同之 处，也有其独到之处。相同之处在于原理上都是对电子控制单元的输出电压信号的检测， 来判断信号电路的是否出现故障，并将故障以代码形式进行存储，同时显示故障，提醒 驾驶员。 大连理工大学硕士学位论文 而不同之处在于，本课题的研究内容主要是针对客车e p s 系统，因此具有较强的特 殊性，e p s 系统诊断的部分机理也有所不同。并且本课题在功能上还包括了一般行车记 录仪的功能，对客车的各个行驶参数进行记录，如车速、油量、里程、水温等，在特殊 情况下可以作为行车记录仪，为确定交通事故责任人提供依据，系统存储的数据完全符 合我国出台的行车记录仪标准。通过借鉴当前国内外先进的技术经验以及设计思想，开 发了低成本的基于客车e p s 系统的多功能随车诊断仪。 其主要的研究内容如下： 第一章简要的介绍了本课题研究的背景、意义、发展现状及研究目的。 第二章主要论述了系统的总体设计方案和基本原理，并进行了系统可行性论证和扩 展性分析。 第三章主要论述了e p s 系统诊断的相关技术原理，主要包括变速操纵单元、电磁阀 组，换挡气缸组件以及变速器的诊断分析。 第四章重点论述了诊断仪主控单元的硬件结构及其实现方法，包括主控制器、时钟 电路、存储模块、s d 卡接口电路、c a n 总线、看门狗复位电路以及电源电路设计等。 第五章重点论述了诊断仪显示单元的硬件电路设计、t f t l c d 液晶触摸屏的基本原 理及其控制原理。 第六章重点论述了诊断仪的软件设计，包括诊断仪的主程序设计及各个模块子程序 设计。 第七章主要论述了诊断仪产品外观结构设计。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 2 系统总体方案设计 2 1系统解决方案的选择 在现代多数的智能化的仪器仪表中，根据主控制器的不同，大致可以分为以下两种 解决方案：一种是以3 2 位的a r m 核微处理器为核心，另外一种是以8 位1 6 位的单片机 为核心。下面分别介绍两者各自的特点： 2 1 1a r m 解决方案 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，于1 9 9 1 年成立 于英国剑桥，专门从事基于r i s c 技术芯片的设计与开发。全世界有十几家较大的半导 体公司都从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器，根据各自不同的应用领域，加入适当 的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 系列、a r m 9 9 e 系列、a r m i o e 系列、a r m l l 系列、 s e c u r c o r e 系列、s t r o n ga r m 微处理器系列和x s c a l e 处理器以及其他厂商基于a r m 体 系结构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。其中a r m ? 系列、a r m 9 9 e 系列、a r m i o e 系列、a r m i1 系列 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同领域对功耗、 性能、体积的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【l l 】： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集； 3 使用大量寄存器，指令执行速度更快； 4 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定； 目前，采用a r m 技术知识产权核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，几 乎已经深入到各个领域【1 2 】： 1 无线通讯领域：a r m 以其高性能和低成本在该领域的地位日益巩固，目前已有超 过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术。 2 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争优 势。此外，a r m 在语音及视频处理上的优化获得了广泛的支持，也对d s p 的应用领域提 大连理工大学硕士学位论文 出了挑战。 3 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机 中得到广泛应用。 系统以a r m 微处理器为核心，采用嵌入式操作系统，将内核与用户空间的内存管理 分开，通过进程的管理调度系统，对信号处理、信号存储、故障显示等多任务进行管理。 使用集成的s d r a m ，l c d 等控制器对内存，显示器直接进行控制，并且使用己固化的u s b 、 r s 2 3 2 串口及驱动程序与上位机p c 进行通讯。 2 1 2 单片机解决方案 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代，发展至今已有3 0 多年的历史，其中8 位1 6 位的单 片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的微控制器，具有体积小、功能强、功耗低、 性价比高、易于推广应用等显著特点。其中最具代表性的8 位1 6 位单片机分别为 m c s - 5 1 、a v r 系列以及m s p 4 3 0 系列。 随着最新亚微米c m o s 技术应用于单片机芯片的制作，现在的8 位1 6 位新型单片机 不但保持低廉的价格，而且一改往日c p u 处理速度低、内存低、端口少等缺点，向大容 量、高性能、外围电路内装化发展i l 引。 l - c p u 功能的加强：现代8 位1 6 位新型单片机通过增加c p u 字长，硬部件的扩充、 总线速度的提高，甚至采用双c p u 结构或者多c p u 结构，以及流水线结构来提高数据处 理速度和精度。 2 存储器的发展：容量不断增大，新型单片机片内r o m 空间一般可以达到4 k 到8 k 字节，r a m 空间可以达到2 5 6 字节，有些型号的r o m 和r a m 空间更多。a t m e l 公司的a t 8 9 c x x 系列单片机采用f l a s hr o m 技术，极大地改变了单片机应用系统的结果模式以及开发和 运行条件。 3 片内i o 的改进：增加并行口的驱动能力，增加i o 端口的逻辑控制能力，从 固定方式到交叉开关配制转变。 4 片内资源的增加：除了存储器和i o 端口增加外，有的还配置了a d 转换器、 脉宽调制p 1 j | m 、正弦波发生器、c r t 控制器、l e d 和l c d 驱动器等。 系统以8 位1 6 位单片机为核心，采用时间片轮转的方法构成前后台处理技术对系 统时序进行管理。将控制单元与显示单元分开，各单元分别配置微处理器，彼此之间用 r s 2 3 2 串口进行通讯，控制单元配制必要的存储器芯片来存储数据，并且配置u s b 、r s 2 3 2 串口等外设与上位机p c 进行通讯。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 2 1 3 两种方案对比 上述我们介绍了两种不同解决方案的系统组成，为了能更好的满足系统性能，降低 成本，下面我们将两种方案进行对比，并得出最适合的设计方案。 1 实际成本性价比方面，单片机优于a r m 解决方案。由于其处理速度比a r m 低， 配制的相关外设比较便宜，而且p c b 版也较好设计，2 0 m h z 的数字电路基本上不用过多 考虑信号完整性，大多数只需2 层p c b ，而a r m 速度能轻易达到i o o m i p s ，因此大多数 需要4 层p c b 。 2 功能方面，a r m 优于单片机解决方案。因为a r m 引入嵌入式操作系统之后，可以 实现许多单片机系统不能完成的功能。比如：嵌入式w e b 服务器，j a v a 虚拟机等。但是 本系统的功能主要是实现e p s 系统故障的诊断，即数据的处理、存储、分析、显示，所 以高性能的新型单片机也可以实现上述功能。 3 开发周期方面，单片机优于a r m 解决方案。单片机程序绝大多数是用汇编或者c 语言编写，与用c + + 等高级语言编写的3 2 位a r m 程序相比，设计人员较容易掌握，不需 要花更多的时间去熟悉。而且，单片机的一些常用外设驱动程序代码已经公开化，设计 人员只需要稍作改动就可以实现功能。 通过上述的综合分析、比较，并结合本系统要完成的功能，最终选择8 位1 6 位单 片机作为系统的解决方案。 2 2 系统可扩展性分析 客车e p s 系统还处于发展阶段，面对日趋激烈的市场竞争，它的技术、性能、稳定 性、安全性等各方面也在不断的更新和完善之中，因此就要求本课题基于客车e p s 系统 的多功能随车诊断仪必须能够在需要的时候重新定义自己的目标，满足客户的要求，在 功能上具有一定的灵活性、可移植性、可扩展性。具体的说，诊断仪在未来能够对e p s 系统进行全方面、实时、准确的监测，能与客车上其它的汽车电子技术相辅相成，成为 一个整体。 2 2 1 现场总线 现场总线是一个工业过程控制新时代的开端。它能够使用一对简单的双绞线给现场 设备供电，并传输现场设备与控制室之间的通信信号。现场总线的节点是现场设备或现 场仪表，这些仪表都遵循统一的标准和规范，按照系统化和开放型要求，实现数字化、 智能化、标准化，并且增加远距离操作和就地控制功能。但它不是传统的单功能仪表， 而是具有综合功能的智能仪表，如智能压力传感器节点，不仅具有信号变换、补偿功能， 大连理工大学硕士学位论文 而且具有运算功能【1 4 】。 现场总线控制系统是一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把控 制、补偿计算、参数修改、显示、报警等功能分散到各个现场仪表，把挂接在总线上相 关的网络节点组成一个完整的自动化系统。 现场总线发展至今主要有以下几种：基金会现场总线f f ；p r o f i b u s ；w o r l d f i p ； c o n t r o l n e t d e v iv e n e t ；c a n 总线。它们与传统的模拟仪表相比，有着如下优点【1 5 】： 1 一对n 结构：一对传输线，n 台仪表，双向传输多个信号。这种一对n 结构使得 接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易，如果增加现场设备或现场仪表，只需 要并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。 2 可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高，无需采用抗干扰性和提高精度的 措施，从而减少了成本。 3 可控状态：操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪器的工作状况，也能对 其进行参数调整，还可预测或寻找故障，使其始终处于操作员的远程监视与可控状态， 提高了系统的可靠性，可控性和可维护性。 4 互换性：用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备或现 场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其他品牌的同类仪表照常 工作，实现“即接即用”。 5 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态， 即可构成所需要的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在硬件或软 件上花费力气或增加额外投资。 6 综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现 一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。 7 分散控制：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路， 实现了彻底的的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 8 统一组态：由于现场设备和现场仪表引入了功能块的概念，所有制造商都使用 相同的功能块，并统一组态方法。这就使得组态变得非常简单，用户不需要因为现场设 备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态方法及编程语言。 9 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准全是公开的，所有 制造商都必须遵循。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互 连，也可与不同层网络互连；另外，用户可方便地共享网络数据库。 鉴于现场总线上述的诸多优点以及诊断仪在客车上使用的实际状况，增强系统的可 扩展性，我们在系统中添加了c a n 总线接口。它可以简化整车线束，便于维修，可提高 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 整车电气线路的可靠性和安全性，与其它的汽车电子模块实现数据共享。它为诊断仪提 供优良的故障诊断机制、可靠的数据传输及较高的传输速度，可满足实时性及可靠性的 要求，使整个客车系统更加模块化，智能化。 2 2 2 系统存储容量扩展 由于本系统采用的是8 位1 6 位单片机解决方案，无论旧的还是新型单片机与a r m 相比，r o m 和r a m 空间都比较有限，在这有限的空间内，系统不仅要实现程序代码及重 要数据的存储，还要开辟缓冲区进行数据处理。随着将来e p s 系统的扩展，处理、存储 的数据量也将会随之大量增加，因此如何有效的扩展单片机存储容量对于整个系统将来 的移植以及可扩展性研究至关重要。 扩展单片机存储容量的方法有很多，例如体选扩展法。当系统采用5 l 系列单片机 时，因为其地址线最大为1 6 根，所以直接寻址范围为6 4 k 字节，即0 0 0 0 h - - f f f f h 。体 选扩展存储的基本思想是：把外部存取器分成具有相同地址的几组存储体，然后通过硬 件逻辑及程序中的选体指令相互配合来选定某一个存储体，而禁止其它体的工作【1 6 】。 鉴于外扩存储芯片的价格、开发难易程度、系统的性能及与上位机交换数据的方便 程度，本系统采用的是基于单片机i o 口读写s d 卡大容量存储系统的设计方法，该方 法非常适合大量诊断数据的长期存储1 1 7 j 。 s d 卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，在2 4 m m 3 2 姗2 i m m 的体积 内结合了s a n d i s k 快闪记忆卡控制与m l c 技术和东芝的0 1 6 u 及0 1 3 u 的n a n d 技术， 通过9 针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上记忆的信息， 通过u s b 读卡器，可以很方便地将卡中文件拷贝到计算机中。而且它是一体化固体介质， 没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。 它具有体积小、功耗低、可擦写以及非易失性等特点被广泛应用于消费类电子产品 中。特别是近年来，随着价格不断下降且存储容量不断提高，它的应用范围日益增大。 在本系统中将一些需要在上位机上进行后续处理分析的大量数据存储到s d 存储卡 中，而且大容量的s d 卡可以事先存储客车将要去的目的地的简易地图及信息，包括行 驶的距离、时间、耗油量等一些基本行驶信息，使驾驶者对这次的行程有一个总体的了 解。单片机读写s d 卡的具体实现方法及接口电路将会在第四章中详细论述。 2 3 系统总体方案 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪主要是为了诊断e p s 系统而专门设计的，用户 只需要几台该诊断仪就可以为上百成千套e p s 系统服务。在客车出发之前，工作人员可 大连理工大学硕士学位论文 以手持几台该诊断仪测试所有客车e p s 系统的静态参数，确保系统在发车之前是安全可 靠的。诊断仪还可以被放置在客车上，与e p s 系统相连接，随车驶往目的地，在途中实 时监测诊断e p s 系统，完成必要的功能。 根据用户的实际需要及e p s 系统的相关技术原理，并考虑到未来系统的可移植性和 扩展性，该系统的总体方案框图如图2 1 所示。 系统从功能上分为以下几个方面：e p s 系统数据采集部分、数据处理部分、数据存 储部分、数据通讯部分和显示单元。其各部分的具体功能介绍如下： e p s 系统 数据佳箍 主控单元 通讯3 一 实时时钟 蜂呜器报警 习匿 块i 2 微控制器 m c u s d 卡、 数据 存储模块 望塑! c a n 接口模块 2 4 v 直流电源p c 机 图2 1 系统总体结构框图 f i g 2 1 t h ef r a m eo ft h es y s t e m 显示单元 1 e p s 系统数据采集部分 本系统使用r s 2 3 2 串口与客车e p s 系统接口相连，e p s 系统输出的信息为二进制编 码形式，实时连续串行输出，每字节为一串，高位先输出，串口将采集到的实时数据送 往主控单元的微控制器m c u 中。 2 数据处理部分 主控单元的微控制器m c u 是整个系统的核心部分，本系统选用的是a t m e l 公司的 a t 8 9 c 5 1 e d 28 位单片机，它主要负责对传输到的实时数据按照e p s 系统诊断的相关技术 原理进行数据处理，处理完后将需要实时显示的数据送往显示单元，将需要后期处理和 分析的数据存储到存储单元或s d 卡中。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 3 数据存储部分 数据存储单元主要由高性能的铁电存储器f m 2 5 6 4 0 和串行闪速存储器a t 4 5 d 1 6 1 组 成。f m 2 5 6 4 0 主要接收来自e p s 系统的数据，作为数据临时缓冲区，防止数据掉电丢失， 并存储刷新频率较高的数据，如车速等。a t 4 5 d 1 6 1 主要存储需后续处理和分析的数据， 如换挡力、换挡时间等。为了一次能长时间存储大量的数据，防止频繁与上位机p c 交 换数据，也为了便于上位机数据的处理和分析，系统还配备了s d 存储卡来存储数据。 4 数据通讯部分 数据通讯部分主要由三个部分组成，通讯1 使用r s 2 3 2 串口与显示单元相连进行数 据交换。通讯3 当诊断仪随车诊断e p s 系统时，它使用r s 2 3 2 串口与e p s 系统接口相连； 当取下诊断仪时，它就充当通讯2 的功能，与上位机相连接交换数据。通讯2 还配置了 u s b 端口，便于数据的快速传输。考虑到与客车上其它众多的电子控制与测试仪器之间 的数据通讯，本系统还配置了c a n 总线接口。 5 显示单元部分 显示单元是诊断仪数据显示部分，主要显示实时时间、车速、e p s 系统档位、e p s 系统运行状况等一些运行参数。鉴于显示单元的实用性、通用性。、美观以及人机界面的 互换性考虑，本系统选择了3 5 寸t f t - l c d 触摸屏作为显示载体，选择a t m e l 公司的 a t 8 9 c 2 0 5 1 作为显示单元的微控制器，并选择北京迪文公司的m 1 0 0 作为触摸屏的驱动模 组。显示单元部分去掉了传统的外设键盘，通过触摸按键进行操作，使操作更加方便， 系统更加实用，减少了诊断仪的体积。 大连理工大学硕士学位论文 3e p s 系统诊断的相关技术原理 31 e p s 系统简介 客车的变速器布置在车身后部，为了改善操作性能及实现客车换挡的轿车化，其操 纵机构通常采用电控气动换挡系统，简称e p s 系统( e l e c t r o n i cp n e u r n a t i c ss h i f t ) ， 客车电控气动换挡系统示意图如图3l 所示。 ：l f 麓蒸轰 1 m ，j 2i 譬；：l 生器；霎i 翥：单兀 月赢赢j l _ f 呲拼蠕”气雠 霉：鱼露爷；j 速器 圆b n d _ ! _ 一“樱挲 一 警谚 峪叠1 r l二_ i 器裂：组件器差；蒜“： 图3 1e p s 系统结构图 f i g3 is t r u c t u r e o f t h e e p ss y s t e m e p s 系统是一套用于变速器齿轮换挡的电控气动系统，换挡操纵单元与变速器之间 没有机械连接，而是用一根电缆连接成一个独立的系统，节省了安装空间换挡操纵单 元与变速器之间的电缆可任意绕弯和连接，适应了低底盘客车的安装特性及超长距离的 变速操纵，简化了装车工艺”“。换挡操纵杆的运动触发一系列与变速器的档位一一对应 的开关。在齿轮变速器附加了一个选换挡控制汽缸，控制气缸里的气动活塞控制挂档和 摘档。活塞所需的压缩空气由电磁阀控制，而这些电磁阀则依次由e p s 系统的控制单元 所控制。控制单元可以确定变速器是否可以挟挡，并控制整个换挡过程。驾驶员只需控 制换挡操纵杆，就可以实现换挡。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 e p s 系统技术参数： 1 换挡手柄长： 1 6 0 r a m 2 换挡力： 8 n 3 选档力： i o - 1 6 n 4 系统气压：0 5 - 0 6 m p a 5 电压：d c 2 4 v ( 一1 5 一+ 2 5 ) 6 选档时间： 进档、退档都要将离合器踩到底，否则诊断仪会报警显示。 倒档、一档无同步器进档操作时，应在停车并踩下离合器3 秒后再进档。 3 、4 档选档位置，只需将手松开，e p s 系统会自动找到。 熄火停车时要使车辆处于空档状态。 无特殊情况，最好采用1 档或者2 档起步。 基于客车e p s 系统多功能随车诊断仪的研制 4 诊断仪主控单元硬件设计 主控单元的硬件设计是整个诊断仪系统的主要核心部分，它担负着与上位机、显示 单元及e p s 系统之间的通讯任务，并且所有诊断完成的数据全部存储在主控单元的存储 单元中。它性能的好坏决定着诊断仪是否能够对客车e