（机械工程专业论文）电控发动机故障分析实验仿真系统开发设计.pdf

摘要 摘要 指导教师史金飞教授陈新华高工 工程硕士游心仁 如何在不对发动机产生实际破坏的情况下使发动机产生故障是提高汽车维修教学水平， 丰富汽车维修教学手段的一个重要方面。设计发动机传感器现场数据获取平台，开发电喷发 动机故障仿真系统具有十分重要的现实意义和应用价值。 论文提出了由p c 机进行控制，开发一套人机界面友好并辅助一定多媒体教学的电喷发动 机故障仿真系统。系统通过在硬件上切换数据传输通道改变电子控制单元( e c u ) 的数据获取 情况，使用s q ls e v e r 2 0 0 0 数据库实现数据的存储与管理，同时通过大量的实验建立了故障 库。论文重点介绍了系统在硬件和软件方面的设计与开发以及数据库在本系统中的应用。 论文所研究的电喷发动机故障仿真系统已经在实际的发动机上进行了大量的实验，实验 情况良好，提高了教学水平与质量。 关键词：电喷发动机电子控制单元仿真 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sv e r y i m p o r t a n t t og e n e r a t em a l f u n c t i o no fm o t o rw i t h o u t b r i n g i n gd e s t r u c t i o nt ot h em o t o r f o rt h ei m p r o v e m e n to ft h et e a c h i n gl e v e lo fm o t o rm a i n t e n a n c ea n dt h ea b u n d a n c eo ft e a c h i n g m e a n so fm o t o rm a i n t e n a n c e i ti sv e r ys i g n i f i c a n ta n du s e f u lt od e s i g nt h ep l a t f o r mt og e tt h ef i e l d d a t ao fm o t o rs e n s o ra n d d e v e l o p m o t o rm a l f u n c t i o ne m u l a t i o n s y s t e m i ti sb r o u g h tt h a tt h es y s t e mw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ec a nb ec o n t r o l l e db yp c i nc o n t r a c t i o nt o t h ef o r m e rs y s t e mc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e ma l s oi n c l u d e sc e r t a i n m u l t i m e d i a 。t e a c h i n gf u n c t i o n t h es y s t e mi n f l u e n c e st h em e a n sb yw h i c he c ug e t sd a t a b y s w i t c h i n g d a t at r a n s f e r sc h a n n e la n d m a n a g e s d a t aw i t ht h eh e l po fs q ls e v e r2 0 0 0d a t a b a s e t h e m a l f u n c t i o nb a s ew a sb u i l tb yl o t so fe x p e r i m e n t s d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h e a p p l i c a t i o no fd a t a b a s ei sm a i n l yi n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e mh a sd o n em a n ye x p e r i m e n t su p o np h y s i c a lm o t o lt h er e s u l t sw e r eg o o d t h e s y s t e mi m p r o v e dt h et e a c h i n gl e v e la n dq u a l i t y k e y w o r d s ： e l e c t r i cm o t o re c ue m u l a t i o n i i y6 9 4 4 0 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除予咬中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：f ! ! ! ! ：! 三日期：芝竺兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：f ! ；! ! 三! 三导师签名： 日期：2 叫，口8 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 汽车工业是国民经济发展的支柱行业，现代汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合 的产物，是促进汽车工业发展的尤为重要的因素。随着汽车电子控制技术的越来越先进，汽 车电子装置也变得更加复杂，从而对新的汽车维修人才的培训也提出更高、更新的要求。 传统的汽车维修技术存在很大的局限性，偏向于机械故障的检测诊断，而对微机控制的 发动机管理系统的故障的维修显得不够专业。传统的汽车维修技术同时体现不出科学性，主 要是以更换部件为主的维修方式，而没有体现在技术诊断上。 因此进行新的汽车维修人才培训的系统平台的搭建就显得很有必要，新的系统平台将为 人才培养提供强而有效的手段，从而可以培养出高水平的，具有科学维修意识的人才。 本论文结合江苏省交通厅的交通科学研究计划项目“电控发动机故障分析实验仿真系统 开发设计”( 项目编号为o i y o l 3 ) 开发一套电控发动机故障仿真系统。 研究开发一套具有友好人机界面，能实现各种复杂故障的模拟，同时具有传感器信号实 时显示，动态的数据流系统，故障自动诊断等功能的电控发动机实验仿真系统。本系统的完 成将为教学环节提供仿真度更高的实验环境，并以图形化的方法直观的显示传感器各种故障 的发生，达到事半功倍的教学效果。并且，本系统将以微型计算机为控制主机，有很高的通 用性和可移植性，能适应其它类型发动机的教学与实验的需要。 目前，全国教育系统都在大力推进教育现代化，拆巨资购买教育现代化设备，而在汽车 维修领域，还没有较好的现代化教育设备，本项目“电控发动机故障分析实验仿真系统开发 设计”的研制成功，必将受到各汽车维修学校和培训机构的欢迎，具有很高的推广应用价值。 1 2 发动机故障诊断技术的发展历程 现代汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。自七十年代首块电脑( e c u ) 在 汽车上应用以来，给汽车工业带来划时代的变化，特别是近十年来，电子信息技术发展十分 迅猛，并且越来越多地被引入到汽车装置上，使汽车越来越智能化。汽车智能化是将先进的 电子信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、自动控制技术、计算机处理技术等有效 l 变塑奎兰堡主兰垡堡墨 地整合，集成运用于汽车装置，实现大范围、全方位发挥作用的实时、准确、安全、高效、 环保的综合运行系统。 第1 阶段( 7 0 年代- - 8 0 年代初) 由于被诊断的电子控制系统的结构简单，故障种类很少，故障码很简单，所用的故障诊 断仪也较为简单。它除了可以读取故障码之外，还可监视汽车的运行状态、清除故障码和获 取少量的诊断数据。 美国福特公司的s t a r ( s e l f - t e s ta u t o m a t i cr e a d e r ) ，它适用干1 9 7 8 年的欧洲经济共 同体一i ，1 9 7 9 年的欧洲经济共同体i i ，1 9 8 0 年一1 9 8 4 年的欧洲经济共同体一i i i 发动机控 制单元和车身控制单元，维修人员可以通过它读取e c u 内记录的故障码。 当时的“扫描仪”故障诊断仪，可用于1 9 8 1 年通用公司的电控发动机模块e c m 和1 9 8 5 年的车身控制模块b c m 的故障诊断，除了可以读取故障码外，它还可以显示少量的数据。 第2 阶段( 8 0 年代初- - 8 0 年代末) 为了适应增强的在板诊断系统故障诊断功能，出现了功能更为强大的故障诊断仪。故障 诊断仪配有探头，可以检测汽车的电子电路和电子器件，还可与e c u 的在板诊断系统进行交 互式通讯，从而获取更多的汽车或发动机的运行信息，并能通过故障诊断仪控制汽车和发动 机部件的工作和设定其运行状态。 福特公司的故障诊断仪，可以诊断1 9 8 4 年的欧洲经济共同体一i v 发动机管理系统，该诊 断仪配有一个监视器和一个8 通道的记录仪。 通用公司的故障诊断仪t e c i t l 可诊断1 9 8 6 年的g m 3 0 发动机管理系统和1 9 8 7 年的g m p 4 的e c m 。车上各子控制系统之间通过通讯线连接在一起，故障诊断仪可以通过数据连接线( 装 配线数据链环) 与发动机管理系统通讯，检测各系统的故障。 第3 阶段( 8 0 年代末一现在) 故障诊断技术向智能化和信息化方向发展是该阶段的特点。故障诊断仪可直接控制汽车 或发动机的部件，维修手册和诊断手册等被有效地组织成“智能化”的电子文档，存储于诊 断系统内。维修人员在专家故障诊断系统上，可以方便地查询所需的资料，得到检测故障的 步骤和排除故障的方法。 福特公司1 9 8 5 年的在线汽车维修信息系统绿洲( 在一线汽车的服务通知s y s - - t e m ) ，维 修终端通过打印机接口或以比调制解调器方式与主机连接，以获取与故障发生相关的维修信 息。 通用公司1 9 8 6 年的汽车维修计算机系统凸轮( 用计算机处理汽车的维护系统) 也具有相似 2 墨二量堑堕 的功能。维修中心的主机通过串行通讯与在维修点的终端机相连，相互之间可以交换信息。 此外，维修点的终端还可向维修中心上载故障信息及维修过程的记录和结果。1 3 。 随着汽车电子技术的飞速发展，各种功能的汽车电子控制系统装车的数量不断增多，控 制功能也变得越来越复杂，相应的诊断技术也会一步发展。 1 3 发动机故障仿真系统的进展 随着汽车电子控制技术的发展，汽车中的电控发动机部分产生的故障也愈发显得多样性， 需要先进的故障诊断技术。为了培训出高质量的发动机故障诊断技术人员，高性能的仿真平 台是必不可少的，从而推动发动机的故障仿真技术的发展。随着技术的飞速发展，发动机故 障仿真系统的发展也经历了由简单到复杂的工程。 第一代仿真系统只能演示发动机的运行机能，要拔去电器插头才能实现发动机部分几个 故障，无法进行相应的测试维修。该代产品以电控发动机台架为代表。 第二代仿真系统能进行发动机的运行实验和一些数据测试，但无故障模拟功能，不能进 行故障排除的实验，而且此试验台不对外销售。该代产品以丰田公司培训中使用的“电控发 动机教学试验台”为代表。 第三代仿真系统能通过开关简单的设置故障，但隐蔽性较差，仿真度不理想。该代产品 以苏州捷维汽车技术发展公司的试验台架为代表。 发达国家汽车微机控制故障检测诊断技术与汽车制造技术基本是同步发展的，其主要精 力放在推出新产品上，世界各地的办事处只负责当地特约维修站的人员培训，并且只针对当 前新车所采用的新技术开展，但其整车培训技术并不十分尖端。主要是通过软件模拟故障， 无实物演示，缺乏直观性，并且其价格不菲，一般学校难以接受。该代产品以a t e c h 公司和福 特公司的培训中心提供的产品为代表。 以上这些或多或少都难以满足教学的需要。 1 4 课题的主要研究内容 1 4 1 发动机故障的分类 该项目以模拟发动机故障为目的，研究发动机故障的类型和如何建立发动机故障库是本 项目首先需要解决的问题。 3 变堕查堂堡主兰垡笙兰 发动机在实际使用时发生的故障非常复杂：按工作状态分有间隙故障和永久性故障；按 故障程度分有某一个传感器发生了故障和几个传感器同时发生了故障；按故障本身的类型分 有短路、断路和信号失真。所以这部分研究的内容有： 对故障进行整理、归纳及分类； 建立发动机故障库。 1 4 2 硬件接口的开发 发动机控制系统与计算机系统是两个完全不同的系统，要实现两者之间的互联需要开发 专用的接口。电喷发动机控制系统有其自身的特点：电喷发动机控制系统是一个实时闭环控 制系统。当其中插入信号采集发送器时，为保证原有系统的正常工作，信号采集发送器设备 必须有很高的实时性要求。同时，发动机的传感器数量很多，其信号又分开关量和模拟量两 种，这就要求信号采集发送器设备能同时输入和输出相当数量的数字量信号和模拟量信号， 并且为了不影响原有系统的正常运行，对信号的采集和输出有很高的精度要求。为了保证整 个系统通用性和可移植性，信号采集发送器设备还须留一定数量的备扇通道。 1 4 3 系统软件的开发 功能的实现是通过软件完成的，因此软件的开发工作将是本项目的重点。系统软件需要 完成的功能有： 人机交互的复杂故障信号的生成； 传感器信号的实时显示和数据流的动态显示 传感器信号的历史记录： 传感器故障信号的自动识别； 系统对传感器故障分类整理： 故障排除后传感器故障信号的自动恢复。 4 第二章系统总体方案设计 2 1 系统分析研究 第二章系统总体方案设计 2 1 1 电喷发动机的工作原理 汽车计算机控制系统由感测控制信号的传感器，以计算机为核心的电控单元和实现控 制意图的执行器三部分组成。传感器是系统中信息的输入部分，它用于感测控制系统外 部的信息，并将得到的信息转换为电信号后传输给电控单元，输入信息是引起控制系统 发生变化的原因；电控单元是控制系统的中枢，是系统中的信息处理部分，它通过处理、 分析和计算输入信息形成控制指令，并将形成的控制决定传输给执行器，处理是控制系 统对输入的响应过程；执行器则是控制系统的输出部分，它将电控单元生成的控制指令 转变为实现控制目标的物理运动，输出是系统根据输入产生的结果。如图2 - 1 所示。 发动机控制信息 幽2 1 电喷发动机原理图 以进气温度传感器的信号作为计算机如何处理信息的示例。如果空气温度低，其密度 就大，单位体积内含有较多的氧气。而较温暖的空气密度比较低，单位体积的含氧量较 少。冷空气，也就是密度较大的空气，与密度比较小的暖空气相比需要更多的燃料与之 混合。微处理器必须根据空气温度和密度供应准确数量的燃料。如图2 2 所示。 进气温度传感器位于进气歧管内可以感知进气温度的地方。这个传感器有一个电阻元 件。当空气冷时，电阻元件电阻值增加。反之，当传感器温度增加时，电阻元件的电阻 值减小。当进气温度传感器变冷时，它向计算机送出一个高的模拟电压信号，a d 转换器 再把这个信号转换成数字信号。 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 温度变低时，进气温度传感器向计算机输入一个高的 模拟电压信号，a d 转换器把这个信号转换成数字信号示意图 1 一进气温度传感器受到低温2 一进气歧管3 一燃油喷油器4 一进气温度传感器5 一向计算机送 入高电压幅值的模拟信号6 一送到微处理器的数字信号( 代表l 或o 的一串“通断”信号) 微处理器一收到这个进气温度传感器信号就访问r o m 中的查询表。查询表列出了每一空 气温度对应的空气密度。当进气温度传感器电压信号很高时，查询表会指出空气密度很大。 这个信息传给微处理器，微处理器控制输出驱动器和燃油喷油器，提供发动机所需要的准确 数量的燃油。如图2 - 3 所示。 图2 - 3 微处理访问r o m 中的查询表，检索空气密度信息，向输出驱动器发出命令示意图 e c u 是燃油系统的控制单元，对车辆的安全性及可靠性具有至关重要的影响，必须满足抗 6 苎三里墨堕：望竺塑壅堡盐 震动，抗高温，低温，抗电磁干扰等方面的要求，从硬件软件上采取措施，保证车辆的安全 性和系统的可靠性系统控制单元e c u 为一集中控制系统，控制单元由微机同时对燃油喷射系 统、电子点火系统、怠速调节系统、谐波增压系统等发动机自动控制系统进行集中控制；另 外，还可对自动变速器、空气调节器、巡行等子系统进行集中控制，是控制功能较强的电子 控制单元。 e c u 根据各种传感器及输入信号提供的有关信息，通过处理、计算以及与内部存储数据的 比较、判断做出控制决策。这些控制决策是以电信号的形式通过输出接口，传送给各种执行 器，由执行器将这些控制命令转换成具体的控制过程加以实现。3 。 2 1 2 系统实现机理 发动机中传感器与e c u 之间的数据信号传输的控制是本系统中的重点，也是我们在系统 实现中首先要解决的问题。数据信号的传输包括两个方面：数据的获取与数据的输出。在发 动机的原理中我们可以知道传感器与e c u 是直接相连的，为了实现前面所提的问题，我们可以 断开传感器与e c t j 之间的连接，然后在两者之间建立一个接口来控制数据的流通情况。这个 接i z l 可以实现向计算机输入数据和计算机输出数据，数据流通的改变可以通过数字开关量来 实现，因此这个接口在硬件上应该包括a d 采样卡，d a 输出卡和数字量输入输出卡，数字 量输入输出卡控制数字继电器切换数据流通通道。当需要传感器与e c u 相连通的时候，我们 让接口中的开关与传感器相连，当需要计算机与e c u 相连的时候，我们让接口中的开关与计算 机相连。如图2 _ 4 所示。 图2 4 系统实现机理图 东南大学硕士学位论文 2 1 3 系统实现功能 经过上述的研究与分析，给出系统如下的功能要求。 1 ) 实现对传感器信号波形的处理，包括的内容有： a ) 传感器信号数据的采集； b ) 信号波形的人工处理： c ) 信号波形的保存。 2 ) 实现对发动机各种故障的模拟，包括的内容有： a ) 模拟信号的发送； b ) 数据传送通道的切换。 3 ) 为发动机的模拟故障建立数据库，并可以进行维护。 4 ) 在系统没有设置模拟故障的情况下，发动机正常运转。 5 ) 故障排除后，发动机恢复正常。 2 2 系统实施方案与工作流程 在本项目中，为了实现发动机复杂故障的产生以及传感器信号的实时显示、发动机故障 的自动诊断与故障维修指导，将数据采集装置接入发动机主体与发动机控制模块之间，再由 实验p c 从数据采集装置接收传感器信号实时显示，并将p c 生成的模拟故障信号通过数据采 集装置送回原系统的回路，对于发动机控制模块发出的控制信号，p c 将其采集后实时显示。 示意图如下图2 5 所示： 第二章系统总体方案设计 图2 - 5总体设计示意图 项目实施工作流程如图2 - 6 所示。 9 查堕奎兰堕主兰垡堡兰 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 相关知识介绍 知识点考核 i 上 合格否? n o i y e s l篡= = 流 上 填写初始实验数据 上 进入实验 上 读故障码、读数据流 0 故障诊断、提出维修方案 上 填写实验数据及体会 图2 - 6 项目实施流程 l o 第二章系统总体方案设汁 2 3 系统总体结构 电喷发动机故障仿真系统采用以实验用p c 机为服务器的两层网络结构。第一层是由实验 用p c 机，发动机传感器，发动机e c u 组成的数据采集与发送层。该层使用普通数据线实现数 据的传输。实验用p c 机采集到实时数据后可直接保存到本地数据库中。第二层由实验用p c 机与教师用p c 机组成的数据管理层网。教师p c 机通过网络访问实验用p c 机，从而可以实现 对数据的获取与修改。 使用这样结构的仿真系统具有以下的优点： 1 )实验用机与教师用机的分开，体现了系统设计的模块化，便于程序的编制，同时也 实现了系统使用在人员上的相对独立性，有利于维护系统的安全性。 2 )教师用机通过网络连接到实验用机的服务器上，因此教师用机可以根据需要放在办 公单位局域网覆盖的任何地方，实现了对发动机故障基库的远程访问。同时支持多台教师用 机连接到数据库访问基库，只要在教师用机上安装教师模块程序即可。 2 4 系统功能结构 按照系统功能需求的分析，系统功能可以概括为三个部分：数据处理，仿真实验，故障 基库维护。 1 ) 数据处理：从发动机的各个传感器中采集它们工作时的实时数据，数据采集的采样 率可调，采集波形的长度一般固定在3 0 0 到5 0 0 个点。采集完毕后数据以波形的方式表现出 来。同时对波形能够进行调整以备以后利用故障波形进行故障仿真用。例如正常波形是在 o - 1 v 之间变化，那么我们将其波形调整到高于l v 。最终获得的有用波形在数据库中的保存 与删除的功能当然是必须的。 2 ) 仿真实验：为了给学生在进行实验提供指导性的帮助，帮助学生较为生动形象地接 触电喷发动机的各种故障形式，从而开发了这样一个模块。 3 ) 故障基库维护：系统用户从远程访问数据库中的数据，实现对数据的管理与查询。 在数据管理层网，通过数据的网络访问方式来支持远程，多用户的数据操作。本系统一旦投 入使用以后估计使用率将会较高，随着新的仿真故障的建立，将会产生大量的数据，因此需 要使用较大型的数据库系统来存储数据。本系统中使用了s q ls e v e r 数据库。该数据库具有 查堕查兰耍主兰篁堡三| ! ； 强大的管理能力和安全性，已经在c l i e n t s e v e r 模式中得到了很好的应用。 系统的功能实现使用了三个程序：信号数据处理程序，仿真实验实现程序，故障基库管 理与维护程序。 信号数据处理程序运行于实验用p c 机上，信号数据处理程序通过数据采集设备获得数据， 并按照一定的格式将数据放置于数据库中。 仿真实验实现程序也运行于实验用p c 机上，仿真实验实现程序从基库中调用相关实验用 的仿真故障的数据，并切断或者是切换相关的数据传送通道，从发动机连续采集数据并以波 形方式显示在p c 机的显示器上，向e c u 发送适当的数据，然后最终完成实验。 故障基库管理与维护程序运行于教师用p c 机上，故障基库管理与维护程序通过a d o 接口 访问s q ls e v e r 数据库，实现数据的网络传输。 本系统由硬件与软件两部分组成，下面的章节将详细讨论各个模块的功能在硬件与软件 上的实现。 第三章 故障库的建立与设计 3 1 故障分类 第三章故障库的建立与实现 上海桑塔纳2 0 0 0 g s i 型采用m 3 8 2 版本电控多点喷射系统，燃油喷射是进气门口、顺 序多点喷射，点火系是无分电器式。燃油喷射和点火系共由一个发动机控制模块控制。 发动机具有自我诊断系统，但是必须用专用仪器方可读出控制模块中储存的故障码。 发动机具有备用功能。例如当水温传感器线路有开路故障时，控制模块就认为水温始终 是1 9 5 c 。备用功能用于在控制系统、传感器、执行元件发生某些故障时，发动机仍可运转 ( 当然运转不好) ，以便汽车开到修理厂。 3 i 1 控制信号基本类型研究 汽车电子信号的五个基本类型研究： 直流信号 在汽车中产生直流( d c ) 信号的传感器或电源装置有蓄电池电压或控制电脑输出的 传感器参考电压。 模拟传感器信号发动机冷却水温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、 废气再循环翼板式或热丝空气流量计、真空和节气门开关，以及进气压传感器。 交流( a c ) 信号 在汽车中产生交流( a c ) 信号的传感器和装置有：车速传感器、防滑制动轮速传感器、 磁电式曲轴转角和凸轮轴传感器、从模拟压力传感器信号得到的发动机真空平衡波形、爆震 传感器。 频率调制信号 在汽车中产生可变频率信号的传感器和装置有：数字式空气流量计、福特数字式进气压 力传感器、光电式车速传感器、霍尔式车速传感器、光电式凸轮轴和曲轴转角传感器、霍尔 式车速传感器，霍尔式凸轮轴转角传感器。 脉冲调制信号 在汽车中产生脉宽调制信号的电路或装置有：初级点火线圈、电子点火正时电路、废气 1 1 变塑奎兰堕主兰垡笙苎一 再循环控制、净化、涡轮增压和其它控制电磁阀、喷油嘴、怠速控制马达和电磁阀。 串行数据( 多路) 信号 若汽车中具备有自诊断能力和其它串行数据送给能力的控制模块，则串行数据是由发动 机控制电脑，车身控制电脑和防滑制动系统或其控制模块产生。 3 1 2 测控信号分析 1 ) 空气流量传感器( g 7 0 ) ：空气流量计用来检测发动机的进气量，供发动机控制单元计 点火提前角和喷油量的基本参数。 空气流量计是模拟输出电压信号传感器，空气流量计在空气流量增大时，输出电压也随 之升高，空气流量计内部温度补偿电路比较复杂，输出电压模拟信号被送到控制电脑，控制 电脑则根据这个信号来计算发动机负荷判定燃油供给量和点火正时等等。 2 ) 进气温度传感器( g 7 2 ) ：是一个两线式模拟传感器，进气温度传感器用于检测进气管 中的空气温度，当用示波器或万用表测试时，从表中读出的是传感器热敏电阻两端电压降， 进气温度低时，传感器电阻值及电压降就高，进气温度高时传感器的电阻值和电压降就低。 3 ) 位置传感器( 6 6 9 、6 8 8 ) ：节气门控制部件由发动机控制单元来控制，怠速开关、节 气门定位电位计和节气门电位计，给发动机控制单元目前节气门位置的信息。发动机控制单 元命令节气门定位器动作使发动机调节在规定的怠速范围内。 节气门定位器v 6 0 ：控制怠速；怠速开关f 6 0 ：提供怠速位置信号。 节气门位置传感器是一个可变电阻( 电位计) ，它告诉电脑节气门的位景，节气门位置传 感器包含与节气门轴相联的滑动触点臂，该触点臂在绕可动触点的轴放置的电阻材料段上滑 动。 节气门位置传感器是一个三线传感器。其中一线从电脑的传感器电源引来的5 v 电压对传 感器电阻材料供电，另一线连接电阻材料的另一端为传感器提供接地。第三根线连至传感器 的可动触点，提供信号输出至电脑，电阻材料上每点的电压，由可动触点探测，并与节气门 角度成正比。 这是一个重要的传感器，因为电脑用它的信号来计算发动机负荷，点火时间，排气再循 环控制，怠速控制和像变速器换挡点那样的其他参数。一个坏的节气门体位置传感器会引起 加速滞后和怠速问题，以及驾驶性能问题和排放试验失败等。 4 ) 水温传感器( 6 6 2 ) ：冷却液温度信号用来修正喷油量和点火角，也是使活性炭罐电磁 动作的一个要素。是一个两线式模拟传感器，传感器的电阻随着传感器温度的增加而减小， 里三至垫堕壁箜堡皇皇堡生 传感器外壳接地，因此它只有一条信号线。传感器由控制电脑提供5 v 参考电源供电，同时它 们将与温度成比例的电压反送给控制电脑。 5 ) 发动机转速传感器( g 2 8 ) ：发动机控制单元从发动机转速传感器接收到发动机转速信 号。发动机控制单元又把发动机转速信息转送给电子转速表。如果发动机控制单元没有接收 到转速来的信号，发动机立即停止运行或者不能起动。 6 ) 氧传感器( g 3 9 ) ：氧传感器安装在排气总管上，它告诉发动机控制单元，排气中残 余氧的含量。控制单元用来计算瞬间的空燃比。为了保持空燃比系数接近为1 ，发动机控制 单元不断地接收到氧传感器的输入信号，又连续不断地修正喷嘴( n 3 0 n 3 3 ) 的喷油量，使 之达到最佳混合比，确保燃料充分燃烧，降低c o 值，这就是所谓的闭环控制。 7 ) 凸轮轴位置传感器( 霍尔传感器) ( g 4 0 ) ：从霍尔传感器的信号，发动机控制单元就 可识别l 缸上止点，并根据点火顺序，相应确定了喷射顺序，同时对各缸进行爆震控制。起 动时，霍尔传感器的信号用于确定首次点火。 霍尔效应传感器由一个永久磁铁或磁极的几乎完全闭合的磁路组成，一个软磁叶轮转过 磁铁和磁极之间的空隙，当在叶轮上的窗口允许磁场通过，并不受阻碍的传到霍尔效应传感 器上的时候，磁场就中断了( 因叶片是传导磁场到传感器上的媒体) ，叶轮在窗1 ：3 开和闭遮断 磁场，导致霍尔效应传感器像开关一样接通和关断。这个装置实际上是一个开关设备，而它 包含有关键功能的部件霍尔效应传感器。 8 ) 爆震传感器( g 6 1 、g 6 6 ) ：发动机爆震极限与燃油辛烷值，发动机的工况和工作条件 等因素有关，各缸工作的爆震强度是有变化的，发动机控制单元能单独地对每一缸进行最佳 点提前角控制。 爆震传感器是交流信号发生器，它探测振动，是压电装置。能感知振动( 例如发动机起爆 震时能产生交流电压) 的特殊材料构成。 点火过早，排气再循环不良，低标号燃油等原因引起的发动机爆震会造成发动机损坏。 爆震传感器向电脑( 有的通过点控制模块) 提供爆震信号，使得电脑能重新调整点火正时以阻 止进一步爆震。实际上是充当点火正时反馈控制循环的“氧传感器”角色。 爆震传感器安放在发动机体汽缸上。当振动或敲缸发生时，它产生一个小电压峰值，敲 缸或振动越大。爆震传感器产主峰值就越大。一定高的频率表明是爆震或敲缸，爆震传感器 通常设计成测量5 至1 5 千赫范围的频率。当控制单元接收到这些频率时，电脑重修正点火正 时，以阻止继续爆震，爆震传感器通常十分耐用。所以传感器只会因本身失效而损坏。 9 ) 电源及燃油泵：电压为蓄电池电压。 1 5 查堕奎兰堡主鲎些堡兰 1 0 ) 喷油器：喷油器由控制单元控制，按顺序开启喷油。控制单元控制喷油器的接地， 通过开启时间确定喷油量。电压为蓄电池电压，电阻：室温时为1 3 1 8 欧姆，发动机正常 工作时增加4 6 欧姆，断油( 最高) 转速：6 4 0 0 r p m ；怠速：8 0 0 + 3 0 r p m 。 i i ) 怠速电机( v 6 0 ) 它的作用是它在怠速调节范围内通过齿轮传动操纵节气门。见节气 门位置传感器。 本系统任务就是人为地使发动机产生故障，所产生的故障分为两类：断开故障和失真故 障。发动机的每个传感器基本上都可以在e c u 中反映出这两种故障，现将发动机故障列表如 下表3 - 1 所示： 表3 1发动机故障列表 序号控制信号传感器信号类别信号参数值 效果 lg 6 2l 2g 6 221 v 3g 7 21 4g 7 22l v 5g 7 01 66 7 022 5 v 7g 6 9l 8g 6 922 v gg 2 81 1 0g 3 91 1 lg 3 921 8 v 1 2n 3 0l 1 3g 4 01 1 4g 6 6l 1 5g 6 622 5 v 1 6 j 1 7 1 1 7g 8 81 注：信号类别1 、断开2 、失真 第三章故障库的建立与设计 3 2 故障实现 为了发动机仿真故障的实现，在系统数据库中建立如上的表，根据实验内容的选择，获 取传感器名称、信号类别、以及失真电压值，得到这些数据后，就可以进行相关的实验。根 据信号类别可以确定是进行断开实验还是进行失真实验。根据传感器名称在相应的数据表中 找到通道代码，就可以确定在哪一路通道上进行切换数据流向。根据失真电压值，就可以向 e c u 中输入相关的信号。完成上述工作后就实现了发动机故障的仿真，同时发动机将会产生 故障，这就将在专用的发动机故障诊断仪器中有所反映。 在本论文中把一个传感器发生故障称为简单故障，多个传感器发生故障称为复杂故障。在 一个实验中如要实现简单故障，则调用数据表中的一个记录即可完成。在一个实验中如要实现 复杂故障，则调用数据库中的多条记录即可实现。实现复杂故障的代码如下： f o r t = 1t 0 5 s e n s o r c d e = a d o r e s ( ”传感器”+ t r i m ( s t r ( t ) ) ) v a l u e f a u l t k i n d = a d o r e s ( ”故障”+ t r i m ( s t r ( t ) ) ) v a l u e a d o r e s 2 o p e n ”s e l e c t 4 f r o mm o t o r _ s e n s o rw h e r e “p 压= ”s e n s o r c d e & ”， a d o c o n ，a d o p e n d y n a m i c ，a d l o c k o p t i m i s t i c i fn o ta d o r e s 2 e o ft h e n i ff a u l t k i n d = 1t h e n s t a r t t e s t l = t r u e d o u t s t a t e = 1 i fa d o r e s 2 ( ”端口”、v a l u e = 5t h e n d o u t p o r t = 0 d o u t b i t = 4 e n d i f 数据库在系统引用是非常重要的，实现了复杂故障的任意设置。 3 3 数据库开发与设计 电喷发动机故障仿真系统采用了数据库技术，数据库在系统中发挥着十分重要的作用。 数据库的结构既要能满足现实使用的需要，又要能满足将来发展的需要。因此数据库的设计 是整个系统的设计中的一个关键点“”。 数据库设计是指对于一个给定的应用环境，创建一个性能良好，能满足不同用户使用要 求的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足用户的信息要 求和处理要求。也就是把给定的应用环境( 现实世界) 内存在着的数据，根据各种应用实现的 要求，加以合理地组织，逐步抽象成已经选定的某个数据库管理系统能够定义和描述的具体 1 7 查耍查堂堕主兰垡笙塞 数据结构的过程，以便根据这一结构建立起能反映现实世界中信息和信息之间的联系，满足 应用系统各个应用处理要求，能够实现系统目标的数据库。 将数据库设计分为以下几个步骤： 1 ) 需求分析； 2 ) 逻辑结构设计： 3 ) 数据库物理设计。 本系统采用的s o ls e v e r2 0 0 0 数据库，该数据库。便于管理和使用，具有w i n d o w s 界 面，s q ls e v e r2 0 0 0 非常易于使用。精简的新向导简化了特定服务器角色的安装和服务器管 理任务，从而使即便是没有专职管理员的服务器，管理起来也很简单。 3 3 1 需求分析 需求分析是数据库设计的第一阶段。这一阶段收集到的基础数据和组织数据流图( d a t a f l o wd i a g r a m 简记为d f d ) 是下一步设计的基础。 概念结构是整个组织中所有用户关心的信息结构，对整个数据库设计具有深远的影响， 而要设计好的概念结构，就必须在需求分析阶段用系统的观点来考虑问题、收集和分析数据 及其处理。 从数据库设计的角度考虑，需求分析阶段的目标是：对现实世界要处理的对象( 组织， 部门，企业等) 进行详细调查，了解原系统的概况，收集支持系统目标的基础数据及其处理。 在分析和表达用户需求时，常使用结构化分析法( s t r u c t u r e da n a l y s i s 简称s a 方法) 。 s a 方法用自顶向下，逐层分解的方式分析系统，用数据流图，数据字典描述系统“。”1 。任何 一个系统都可抽象为下图3 - 1 所示的结构。 图3 - 1 数据流图 然后把一个处理功能的具体内容分解为若干子功能，每个子功能继续分解，直到把系统 的工作过程表达清楚为止。数据流图表达了数据和处理过程的关系。处理过程的处理逻辑常 1 8 兰三兰苎堕壁塑壁皇兰堡丛 常用判定表或判定树来描述。 将上述理论与本系统的具体情况相结合，绘制出发动机故障仿真系统的数据流图如图3 - 2 所示。 3 3 2 逻辑结构设计 图3 - 2系统数据流程图 数据流图表示的企业概念模型是用户数据要求的形式化。它独立于任何一种数据模型， 因而也不为任何一个d b m s 所支持。为了建立用户所要求的数据库，必须把上述概念模型转换 成某个具体的d b m s 所支持的数据模型，这就是逻辑结构设计的任务。 经对发动机故障仿真系统的数据流图分析，建立如3 2 基表： 表3 - 2 数据基表 m o t o r _ m a i n存储主要数据表 m o t o r _ _ s c n s o r存储传感器代码表 m o t o r _ r e s u l t存储小测验结果表 m o t o r _ t e m p 存储临时数据表 对每一张数据表进行具体分析，设置各个表的字段属性。 m o t o r _ m a i n 是用来存放一些数据，包括有实验课程，传感器，故障内容以及实验相关的 内容。字段属性见图3 3 所示。 1 9 东南大学硕士学位论文 图3 - 3 m o t o r _ m a i n 字段属性表 m o t o rs e n s o r 用来存放每个传感器相关的通道。字段属性如图3 - 4 所示。 图3 - 4m o t o rs e n s o r 字段属性表 m o t o r r e s u l t 用来存放学生进行测验的结果。字段属性如下图3 5 所示。 第三章故障库的建立与设计 2 查堕查堂堡主兰垡笙苎 第三章故障库的建立与设计 图3 - 5 m o t o rr e s u l t 字段属性表 m o t o r _ t e m p 简单，字段属性见下图3 - 6 所示。 3 3 3 数据库物理设计 图3 - 6m o t o r t e m p 字段属性表 数据库物理设计的任务就是为上一阶段得到的逻辑数据库选择一个最适合应用环境的物 理结构，也就是确定在物理设备上有效地实现一个逻辑数据模型所必须采取的存储结构和存 取方法，然后对该存储模式进行性能评价，修改设计，经过多次反复，最后得到一个性能较 好的存储模式。数据库物理设计的主要目标是：第一，提高数据库的性能：第二，节省存储 量。 影响数据库性能的是数据库存储的数据量，当数据库内存储的数据量达到或接近数据库 极限时，数据库运行效率将会严重降低。本系统采用的是s q ls e v e r 2 0 0 0 数据库，该数据库 数据处理较强，数据存储容量较大，在一开始进行本系统初始设计的时候也考虑到了这方面 的优点。同时本系统的数据处理量虽然为数不少，但还不足以大到影响到s q ls e v e r 2 0 0 0 的 运行性能，即也不会对数据库内数据的访问速度产生严重的影响。因此在进行本系统数据库 设计时不用过多考虑数据库存储的数据量。 2 3 查堕查兰堡主兰垡笙苎 3 3 4 数据库程序开发 s q l s e v e r2 0 0 0 数据库系统的核心语言是s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 。s q l 语言是 一种类似于英语的结构化查询语言，它是目前国际标准化组织i s o 推荐的标准关系数据库语 言。使用s q l 语言编写数据库程序，实现如数据分区等与数据基表密切相关的数据处理过程， 其运行速度远快于使用外部应用程序对数据的处理【2 6 _ 2 ”。 与数据库建立连接的代码如下： c o n s t r i n g = ”p r o v i d e r = s q l o l e d b 1 ；p a s s w o r d 2 m o t o r ；p e r s i s t s e c u r i t y i n f 0 2 t r u e ；u s e r i d = s a ；i n i t i a lc a t a l o g = m o t o r ；d a t as o u r c e 2 t e s t ” a d o c o n o p e nc o n s t r i n g a d o r e s o p e n ”s e l e c t f r o mm o t o r m a i nw h e r e 课程名。s e l e c t e d l t e m & ”，a d o c o n ， a d o p e n d y n a m i c ，a d l o c k p e s s i m i s t i c a d o c o n 的打开就同数据建立了连接，然后再利用变量a d o r e s 来同数据库其中的一张表 建立联系。再通过如下的代码从数据库中获取数据：l a b e l l c a p t i o n = a d o r e s ( ”试题l ”) 。v a l u e 。 试题1 即为表m o t o rm a i n 中的一个字段。数据库的关闭代码为： a d o r e s ，c l o s e ，a d o c o n c l o s e 第四章硬件系统应用与开发 第四章硬件系统应用与开发 电喷发动机控制系统与计算机系统是两个完全不同的系统，要实现两者之间的互联需要 开发专用的接口。电喷发动机控制系统有其自身的特点：发电喷发动机控制系统是一个实时 闭环控制系统。当其中插入信号采集发送器时，为保证原有系统的正常工作，对信号采集发 送器设备就有很高的实时性要求。同时，发动机的传感器数量很多，其信号又分为开关量和 模拟量两种，这就要示信号采集发送器设备能同时输入和输出相当数量的数字量信号和模拟 量信号，并且为了不影响原有系统的正常运行，对信号