（通信与信息系统专业论文）基于labview的车辆故障诊断分析系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车工业的发展对世界经济起到巨大的推动作用，汽车电子技术也不断进 入到我们的生活。在汽车电子技术中，车辆信息分析是不可忽视的一部分，它 使交通运输系统在信息化基础上发展到个更高阶段，使交通运输系统具有更 加智能化的管理和组织。车辆安全性能也是不容忽视的部分，对车辆进行故障 诊断无疑提高了汽车使用的可靠性、经济性和安全性，减少了盲目维修产生的 费用，获取了更大的经济效益和社会效益。目前，汽车诊断技术在国内还处于 起步阶段，跟国外相比还有很大的距离，所以研究车辆故障诊断系统具有非常 重要的意义。 本文提出的基于l a b v i e w 的车辆故障诊断分析系统是一个集数据采集、 数据传输、数据分析处理为一体的应用系统。这个系统以汽车各个部件的工作 状态信息为研究对象；以车身c a n 网络为网络平台；采用国际通用的故障诊断 协议k w p 2 0 0 0 及其故障诊断代码，配合w i n d o w s 平台下l a b v l e w 的数据处 理软件来展开研究工作。 本文重点研究车辆故障诊断分析系统中的数据传输和故障分析处理的方 法。 数据传输部分由车载c a n 网络和c a n u s b 网关组成。c a n 网络主要负 责传输各个c a n 节点上的传感器采集到的数据，c a n 网络将数据传输到 c a n 九r s b 网关。c a n u s b 网关的核心控制部分是内置c a n 控制器的5 l 内核 单片机p 8 7 c 5 9 1 ，它连接c a n 收发器和串行u s b 控制器m a x 3 4 2 0 ，实现c a n 数据与u s b 数据的相互转换： 故障分析处理部分在p c 机上运行，它以l a b v i e w 的强大数据分析能力为 基础，充分利用了l a b v i e w 提供的各种功能的数据分析库和控件，用图形化g 语言设计故障诊断应用程序来进行故障处理，结合k w p 2 0 0 0 协议中定义的故 障诊断代码，根据车载网络汇总的各种数据，快速、准确的找到故障原因并提 供解决方案。故障诊断程序利用l a b v i e w 提供的d d e 技术，实现了l a b v i e w 与u s b 接口之间的数据传输。 本文研究的车辆故障诊断系统能够快速确定故障位置，找到故障原因，有 利于维修人员快速、准确的排除故障。此技术有利于国内的车辆故障诊断分析 系统的快速发展，为发动机故障诊断提供了新的途径，车辆故障诊断分析系统 具有重要的经济价值和广阔的应用前景。 关键词：故障诊断，u s b ，c a n ，l a b v i e w ，d d e 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o i n d u s t r yp l a y s a ne n o f m o u sr o l et ot h e d e v e l o p m e n to f t h ei n t e r n a t i o n a le c o n o m y ；t h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l e c o n s t a n t l ye n t e r s i n t oo u rl i f eo fu st o o i nt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo ft h e a u t o m o b i l e ，v e h i c l ei n f o r m a t i o na n a l y s i si sap a r tt h a tc a n tb ei g n o r e d ，i tm a k e st h e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo ft h et r a f f i cd e v e l o pi n t oah i 曲e rs t a g eo nt h eb a s i so f i n f o r m a t i o n , i tm a k et r a f f i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a v ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n d o r g a n i z a t i o n t h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ei sap a r tt h a tc a n tb ei g n o r e d e i t h e r i ti su n d o u b t e d l yt h a ti m p r o v e dt h ed e p e n d a b i l i t y , e c o n o m y , s e c u r i t yt h a tt h e a u t o m o b i l eu s e s , t ot h et h i n g 也a td i a g n o s et h ev e h i c l ec a r r i e so nt h et r o u b l e g u a r a n t e e dt h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ev e h i c l e , a tt h es a m et i m e , r e d u c e d t h ee x p e n s e st h a tm a i n t a i n e dp r o d u c e db l i n d l y ，f o rg u a r a n t e e i n gt h es e e u r i t ya n d e c o n o m y , h a v eo b t a i n e dg r e a t e re c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t a tp r e s e n t ，o u r a u t o m o b i l ed i a g n o s e st h a tc o m p a r e d 晰mf o r e i g nc o u n t r i e s t h e r ea r eav e r yb i g d i s t a n c e si nt e c h n o l o g y , i th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g sf o rt h et r o u b l ed i a g n o s i so f s t u d y i n gv e h i c l e t h i st e x tp u t sf o r w a r dt h a tt h ev e h i c l em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sa n a l 如c a ls y s t e m b a s e do nl a b v i e wi sg a t h e r e db yad a t u mo fc o l l e c t i n g ，d a t at r a n s m i s s i o n , d a t u m a r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e df o rt h ei n t e g r a t i v ea p p l i c a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e m r e g a r d se n g i n ei n f o r m a t i o no ft h ea u t o m o b i l e a st h er e s e a r c h o b j e c t ；r e g a r d a u t o m o b i l eb e d yc a nn e t w o r ka st h en e t w o r kp l a t f o r m ，a d o p tt h ei n t e r n a t i o n a l l y a g r e e dt r o u b l et od i a g n o s et h a tp r o t o c o lk w p 2 0 0 0a n dt h et r o u b l ed i a g n o s ec o d e s ， c o o p e r a t i n g 、i t l lt h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r el a b v i e w i nt h ep l a t f o r mo f w i n d o w s p l a t f o r m , t oh u n c hr e s e a r c hw o r k t h i sp a p e rs t u d i e st h em e t h o d sm o s t l yt h a td a t at r a n s m i s s i o na n di r o u b l e a n a l y z e da n dp r o c e s s e di nv e h i c l em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sa n a l y t i c a ls y s t e m t h ep a r to fd a t at r a n s m i s s i o na r em a d eu pb yt h ec a nn e t w o r ka n dt h e c a n u s bg a t e w a y t h ec a nn e t w o r ki sr e s p o n s i b l ef o rt r a n s m i t t i n gt h ed a t a 武汉理工大学硕士学位论文 m a i l l i y ，t h e s ed a t aa r eg a t h e r e dt oc a nn o d es e n s o r sw h i c h c o n n e c te v e r yp a r to f t h e a u t o m o b i l e t h ec a nn e t w o r kt r a n s p o r t st h ed a t at ot h ec a n 九j s bg a t e w a y 日舱 c o r eo fc a n ，u s bg a t e w a yc o n t r o l s5 1k e r n e lo n e - c h i pc o m p u t e rp 8 7 c 5 9 1 也a ta r e b u i l t - i nc a nc o n t r o l l e rp a r t l y , i tc o n n e c t sc a nt r a n s c e i v e ra n ds e r i a lu s b c o n t r o l l e rm a x 3 4 2 0 r e a l i z e st h em u t u a lc o n v e r s i o no f c a nd a t aa n du s bd a t a ； n e p a r tt h a tt h et r o u b l ei sa n a l y z e da n dp r o c e s s e dr u n so np cm a c h i n e i tt a k e t h el a b v i e wf o r m i d a b l ed a t aa n a l y s i sa b i l i t ya st h ef o u n d a t i o n 。h a sf u l l yu s e d e a c h k i n do ff u n c t i o nf o r m i d a b l ed a t aa n a l y s i ss t o r e h o u s ew h i c hl a b v i e wp r o v i d e sa n d c o n t r o l s c a r r i e so nb r e a k d o w np r o c e s s i n gw i t ht h ef i g u r e sa n dd i a g r a m sg l a n g u a g e d e s i g nb r e a k d o w nd i a g n o s i sa p p l i c a t i o np r o c e d u r e ，u n i f i e sb r e a k d o w nd i a g n o s i s c o d ew h i c hi nt h ek w p 2 0 0 0a g r e e m e n td e f i n e s , c a r r i e se a c hj 【i j l do fd a t aa c c o r d i n g t ot h ev e h i c l ew h i c ht h en e t w o r kc o m p i l e s ，f a s t ，a c c u r a t ef o u n dt h eb r e a k d o w n r e a s o na n dp r o v i d e st h es o l u t i o n t h ep a r tt h a tt h et r o u b l ei sa n a l y z e da n dp r o c e s s e d a d o p t st h et r o u b l ed i a g n o s t i cp r o g r a mw h i c he x p l o i t sd d et e c h n o l o g yo f f e r e db y l a b v i e w i tr e a l i z e s 也a tl a b v i e wa n db e t w e e nt h eu s bc o n n e c t i o nd a t a t r a n s m i s s i o n n l i sp a p e rs t u d i e st h es y s t e mt h a tv e h i c l et r o u b l ed i a g n o s e 。c a nf a s td e f i n i t et h e p o s i t i o no fd i a g n o s e s , f i n dt h er e a s o no ft h et r o u b l e ，h e l pt h em a i n t e n a n c ep e r s o n a l t 0b ef a s t ，a c c u r a t e l yf i x i n gt h eb r e a k d o w n n i st e c l l l l o l o g ) ，i sf a v o r a b l et ot h ef a s t d e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i cv e h i c l em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sa n a l y t i e a ls y s t e m ，a n d o f f e r sal l e ww a y , t h ea n a l y t i c a ls y s t e mo fv e h i c l et r o u b l ed i a g n o s et h a th a v ev e r y i m p o r t a n te c o n o m i cw o r t ha n d w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：m a l f u n c t i o nd i a g n o s i n g , u s b ，c a n ，l a b v i e w , d d e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文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，也不包含为获得武汉理工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。 一理卜帐j 粤 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师繇尹姚日期：导师签名： ：日期： 谰。5 ，圆 。一 i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 汽车故障诊断技术是逐渐发展起来的- f 3 技术。近年来，汽车故障诊断技 术得到了极大的发展，出现了许多新的先进的分析技术以及高技术含量的分析 系统。本文将针对汽车故障诊断技术，根据它的意义和来源、以及它的发展概 况等，来展开研究。 1 1 课题研究的意义和来源 自本世纪开始，中国的汽车工业进入了一个高速发展阶段，各种车辆的产 销量都年年创下新高，随着信息技术、网络技术的飞速发展和广泛应用，以及 在车辆上的广泛应用，车辆的智能化、网络化、信息化和集成化进程不断加速， 世界汽车工业正面临重大技术变革，车辆将由一个传统的机械产品提升为一个 高科技的移动的多媒体平台，车辆装置趋向于以计算机作为平台，将车辆通信、 导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统。各种各样品牌的 国产和进口车，其内部构造有着很大的区别，并且越来越复杂，自动程度也越 来越高，所以车辆工业的发展也越来越依赖于电子技术。 对车辆进行信息分析是交通运输系统在信息化基础上发展的一个更高阶 段，能使交通运输系统的管理与组织的智能化。通过高科技手段，应用计算机 和传感设备、通信技术、系统工程等软、硬件技术的集成，能使交通运输系统 的组织和管理实现信息化、智能化，并且能提高交通运输系统的安全性、快速 性和可靠性，提高交通运输设施的利用率和效率。 在复杂的车辆信息分析中，最重要的是保证车辆的安全性。如果汽车上某 部分出现故障而没能及时发现和排除，其结果可能造成车毁人亡的严重后果； 如果某个部件因故障不能运行，可能会造成巨大的经济损失。找到车辆故障位 置并解决故障，能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，并消 除故障，提高设备运行的可靠性、安全性，并把故障损失降低到最低l l j 。可见， 设备故障诊断技术在保证车辆的安全可靠运行，以及获得很大的经济效益和社 会效益上，对车辆进行故障诊断，保证了车辆的安全可靠运行，又获取了更大 武汉理工大学硕士学位论文 的经济效益和社会效益。其意义是很重大的。 对于众多的车辆信息，以发动机上信息最为集中，而且最重要，所以对车 辆发动机进行信息分析处理尤其重要。 1 2 车辆故障诊断在国内外的研究现状 车辆信息系统主要包括以下几个部分：总线系统、底盘控制系统、车身控 制系统、车辆动力系统，娱乐功能系统、保安系统、汽车安全系统。在整个系 统中，总线系统无疑等同于人体的神经系统；底盘控制系统包括制动、循迹防 滑控制系统、方向控制、悬挂系统；车身控制系统包括开关控制、电动车窗控 制、车门控制、前照灯控制；信息娱乐功能系统包括车载娱乐、信息处理和g p s 导航系统；车辆动力系统是车辆电子系统的核心，它包括发动机控制、动力转 向等部分；保安系统包括遥控车锁、入侵警报、无源遥控开锁；但是不能忽视 的是车辆中的安全性能系统，它涵盖了安全气囊、a b s 稳定性和线控安全、倒 车雷达、防盗系统及胎压监测系统等l z j 。 2 0 世纪9 0 年代初期，汽车信息分析专家系统研究对象的范围逐步扩大到 汽车的整个系统，并向多知识、多模型诊断方向发展。尤其是国外的信息分析 技术飞速发展，b r e n n a n 公司等运用状态监控和模糊逻辑推理，开发了车辆悬 架单元的信息分析系统。m l s m i t h 为e a t o n 公司开发的车辆制动系集成分析系 统，该系统对输入的信息和事实数据进行规则和神经网络交互式推理后，完成 制动系统的分析和处理。h i r p a l 等公司开发了一个基于决策树的诊断专家系统 e x e d s ，通过建立征兆群，达到快速诊断的目的。 国内在车辆信息分析技术的研究方面起步较晚。2 0 世纪8 0 年代末，国内 部分高校和科研机构对车辆信息分析专家系统进行研究，并相继发表了一些研 究文献。2 0 世纪9 0 年代中期后，国内的研究进入快速发展期，部分高等院校 做了大量的研究工作，部分研究已达到国外同等水平。从整体上看，无论是知 识表示方法，还是推理方法，都呈现出多样化唧。在基于信号处理方面，从传 统的傅里叶变换到小波分析，为分析信号的预处理提供一条有效的技术路线； 在基于知识处理方面，从传统基于逻辑的信息分析专家系统到神经网络技术的 信息分析专家系统仅仅经历了十来年的时间。 总的来说，我国在车辆信息分析专家系统方面的研究一直紧跟国外学术动 2 武汉理工大学硕士学位论文 态，对新理论、新方法和新趋势等方面的把握和研究，并及时对新理论、新方 法和新趋势等方面的把握和研究，逐步取得了一些有价值的成果。由于我国车 辆制造业水平的相对落后，制造质量、工艺等环节技术薄弱以及车辆运行环境 较差等原因，导致车辆信息的多变性，促使了车辆信息分析专家系统的研究与 开发。 今后汽车电子将体现网络化和智能化的发展方向，电子控制装置通过c a n 总线提供稳定、可靠的低成本网络连接；电机、开关、传感器和车灯等则通过 本地互连网络( l i n ) 进行网络连接1 4 】。安全、节能、环保以及智能化和信息化是 未来车辆的发展趋势。与这些要求相适应，车辆电子化的趋势越来越明显，车 辆信息分析也越来越重要。 本文提出的基于l a b v i e w 的车辆故障诊断分析系统是一个集数据传输、 信息分析处理为一体的应用系统，有利于国内的车辆故障诊断分析系统的快速 发展。 1 3 课题主要研究内容 本课题主要研究的是基于l a b v i e w 的车辆故障诊断分析系统，该系统以 车辆发动机故障信息为研究对象，并对它进行分析并处理，确定故障位置，找 出故障原因。 以汽车发动机信息为研究对象，研究的内容是： ( 1 ) 利用l a b v i e w 强大数据处理功能，结合通用的故障诊断协议 k w p 2 0 0 0 对车辆故障诊断进行处理。 ( 2 ) 将底层采集的数据经c a n ，u s b 接口传输到p c 机，利用l a b v i e w 进行数据分析、处理，分析数据的含义，并结合k w p 2 0 0 0 故障诊断代码，将 最终的分析、诊断结果进行显示。整个分析系统包括数据传送、数据分析、故 障诊断并指明故障原因。 车载故障诊断系统的构成如图1 1 所示。 汽车上的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，即控制器局域网) 总线组成一个 车载网络，使得汽车传感器上采集到的信息通过已经创建的车载网络，并最终 汇集到c a n u s b 网判5 1 。汇集到c a n u s b 网关的数据通过u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，即串行总线) 接口，传输到上位机，利用l a b v l e w 强大的数据处理 武汉理工大学硕士学位论文 功能，结合专用的汽车故障诊断代码k w p 2 0 0 0 ，得到数据故障结果，在上位机 中的运行。这个过程包括数据的获得、数据处理、结果显示等。 m 叮 蓄点总占 图i 一1 结构原理图 现代汽车的内部，包括车门、车窗、车灯、发动机、a b s 、轮胎、刹车系 统、转向系统等等都通过总线形式连接在一起，通过一个共同的c a n u s b 网 关将数据传输到汽车的外部 6 1 c a n 总线用于连接实时性要求很高的部件， c a n 总线将采集到不同部件的数据，统统汇总到c a n u s b 网关上，然后通过 u s b 接口同外部设备通信，并将一台装有l a b v i e w 故障诊断程序的电脑通过 c a n u s b 网关同汽车内部的总线相连接，这样电脑并可获得各个部件的数据， 然后由故障诊断程序对采集到的数据进行分行，结合k w p 2 0 0 0 故障诊断协议 中的故障诊断代码，以确定汽车的故障出在哪里，并给出适当的解决方案。 本文的故障诊断系统分成两个部分：一部分是数据传输部分、另一部分是 数据分析处理部分。 由于这个故障诊断系统的结构比较复杂，我们主要以控制汽车发动机汽缸 的空燃比为例，对采集到的空燃比的相关参数进行处理，并结合k w p 2 0 0 0 的 故障诊断代码，对数据进行诊断。 4 武汉理工大学硕士学位论文 空燃比a f 是指在发动机进气过程中吸入气缸的空气与燃油( 汽油) 重量 之比，也就是说，混合气中的空气与燃油的比例称为空燃比。汽车的有害排放 物主要来自发动机的排气，汽车尾气所含的有害物主要有c o 、h c 、n o x 、s o , 以及微粒物质( 铅化物、碳烟、油雾等) 等，这些有害污染物的排放已经威胁到 人类赖以生存的环境。因此要采取各种措施降低汽车尾气中有毒物质的含量， 同时尽量使燃烧过程更充分，从而达到降低环境污染和节能的目的，而这一目 的的实现就要通过氧传感器对汽车发动机的空燃比( 斛) 进行检测，控制发动机 中的油的燃烧过程，既可解决排气净化问题，又可提高燃料的燃烧效率，节约 能源【刀。 空燃比的理论值大体约为1 4 8 。空燃比过高，汽车尾气冒黑烟，过低会使 得汽车动力不足，把空燃比保持在理论空燃比1 4 8 附近的一个狭窄范围内具有 很重要的意义。 检测汽车发动机的a f ，用的是氧传感器，用氧传感器来检测废气口的氧 含量。由于废气中氧含量与燃烧室入口处的a f 有确定的对应关系，故测出了 废气中的氧含量，也就确定了a f 之值。因而可根据氧传感器所得到的信号， 把它反馈到控制系统，来微调燃料的喷射量，使a f 控制在最佳状态，既大大 地降低了排污量，又节省了能源。随着美国、日本、西欧等发达国家相继对汽 车颁布了排放法规，严格限制从汽车内排出的三种有害气体( h c 、c o 和n 0 2 ) 对大气的污染，故目前生产的汽车大部分都装有空燃比控制用的氧传感器。 在这个故障诊断系统中，发动机废气的空燃比被氧传感器检测到，并把信 息传到p c 机中，通过信号处理，计算出空燃比的比值，把比值同理论空燃比 做比较，判断出问题出在何处。 本文以汽车发动机信息为研究对象；以车身c a n 网络构建网络平台；采 用国际通用的故障诊断协议k w p 2 0 0 0 及其故障诊断代码；配合w i n d o w s 平台 下l a b v i e w 的数据处理软件平台，来展开研究工作。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章主要技术背景 本文研究的车辆故障诊断分析系统中包含了几个重要的技术，有些技术已 经是比较成熟的，我们将主要讨论一下这些技术的背景，并讲述本文的车辆故 障诊断分析系统是如何应用这些技术。 2 1 虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，简称v 1 ) 是利用计算机显示器的显示 功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机 强大的软件功能实现信号数据的运算，分析和处理；利用i o 接口设备完成信 号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。灵活 高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供 全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对数据实时分析应用的需求嗍。 2 1 1 虚拟仪器的产生和发展 n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( n i 美国国家仪器有限公司) 在业界率先提出“虚拟 仪器”概念至今已有1 5 年了。在这1 5 年里，n i 逐步改变了全世界工程师和科 学家们对于测量和自动化的方法。今天，全世界的工程师和科学家们正在成千 上万个应用系统中使用“虚拟仪器技术”，从而达到缩短开发时间、提高产品 品质并降低生产成本的共同目的。同时，虚拟仪器技术也正逐渐趋于成熟和完 善的境界。 这也正是n i 近3 0 年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有 同时拥有高效的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部 分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的 集成这四大优势。 虚拟仪器技术帮助工程师们更容易了解并掌握测量系统。例如，以往工程 师们总是使用几台单独的仪器设备分别进行各种物理量的测量，然后以手动方 式进行初步的运算和分析；而现在，利用分析软件与简单的测量硬设备，就可 6 武汉理工大学硕士学位论文 以毫不费力地建置一套成本低廉且具有各种仪器功能的系统。 功能强大、现成即用的软件能够使得过程自动进行。工程师们使用个人计 算机轻易就能完成整个资料撷取、分析和显示的工作，同时却不影响到测量系 统的性能或功能。例如，l a b v i e w 简易的流程图编辑程序风格使得工程师们 可以快速创建符合自己特定要求的应用程序。l a b v i e w 与硬件设备的紧密整合 使它更简单地实现测量和控制自动化，同时能充分利用个人计算机的分析、显 示和网络连接功能。 虚拟仪器系统的基本构架包括功能强大的软件、模块化的测量硬件及标准 商业科技( 如个人计算机和网际网络) 。虚拟仪器技术包含了专为控制应用设 计的软件及针对不同频率与精确度范围的通用测量硬件，因此，工程师可以在 测试或控制应用中自行定义测量功能。这些软硬件工程工具能紧密地与开放式 的商业计算机平台整合使用，充分利用不断进步的计算机科技以获取高效率、 高性能及低成本的利益。同时，其应用范围极其广泛，从车辆到消费电子，从 石油到燃料能源，横跨数百个方面。 2 1 2 虚拟仪器的优点 虚拟仪器技术的四大优势： ( 1 ) 性能高：虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全 “继承”了以现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓 的处理器和文件i o ，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的 分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展 现其更强大的优势。 ( 2 ) 扩展性强：这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的 技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少 的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用 最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加 速产品上市的时间。 ( 3 ) 开发时间少：在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计 算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷 就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配 置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 无缝集成：虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着 产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完 整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时f 司t 9 1 。虚拟仪 器软件平台为所有的i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量 设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性 2 1 3l a b v i e w 的技术及应用 l a b v i e w 的v i 技术：l a b v i e w 的测试系统软件由多层虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，简称v 1 ) 构成，一个可以由更底层的多个组成。l a b v i e w 的另一个主要特点是每一个v i 都有一个用户接口组件，也就是与实际仪器面 板相对应的软面板。 l a b v i e w 采用数据流图作为编程工具，并扩展了数据流图功能，使它能够 处理循环、顺序和条件等程序控制，并在此基础上提出了结构化数据流程图模 型。l a b v i e w 的完整优异的图形化软件开发环境得到了工业界和学术界的认 可。 l a b v i e w 采用g 语言编程，g 语言与传统高级编程语言最大的差别在于 编程方式，g 语言采用图形化编程。定义了数据模型、结构类型和模块调用语 法规则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级 语言，同时g 语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。扩展函 数库主要面向数据采集、g p i b 和串行仪器控制，以及数据分析、数据显示和 数据存储。 g 语言编写的程序称为虚拟仪器v i ，因为它的界面和功能与真实仪器十分 相像，在l a b v i e w 环境下开发的应用程序都被冠以v l 后缀。g 语言最佳地实 现了模块化编程思想。用户可以将一个应用分解为一系列任务，再将每个认务 细分，将一个复杂的应用分解为一系列简单的子任务，为每个子任务建立一个 ，然后，把这些组合在一起完成最终的应用程序。 l a b v i e w 从1 9 8 6 年正式发行，发展到现在的l a b v i e w 3 0 ，标志着 l a b v i e w 作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境得到工业界和 学术界的承认，并迅速占领市场。目前已经发展到最新版本l a b v i e w 7 0 ，包 括控制和仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、p i d 控制等众 多附加软件包，运行于w i n d o w sn t 9 8 ，l i n u x ，m a c i n t o s h ，s u n ，h p u x 等多 武汉理工大学硕士学位论文 种平台的工业标准软件开发环驸1 0 1 。在美国，许多工科大学已将l a b v i e w 作 为课堂或实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。不同领域的科学 家和工程师将这个易用的软件包应用在他们工作中的各种课题。 l a b v i e w 的应用：l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、车辆、半导体、 生物医学等世界范围的众多领域得到广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集 到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成， 我们都可以发现l a b v i e w 应用的成果和开发的产品。 l a b v i e w 主要应用在以下方面： ( 1 ) l a b v i e w 应用于测试于测量：l a b v i e w 已成为测试与测量领域的工 业标准，它能够构成实际所需要的数据采集系统等；它还拥有工业界最大的仪 器驱动程序库；支持i n t e n e t ，a c t i v e x ，d d e ，s q l 等交互式通信方式实现数 据共享等。 ( 2 ) 应用于过程控制和工业自动化：l a b v i e w 具有强大的硬件驱动、图 形显示能力和便携的快速程序设计使得l a b v i e w 为过程控制和工业自动化应 用提供了优秀的解决方案。 ( 3 ) 应用于实验室研究与自动化：l a b v i e w 提供了功能强大的高级数学 分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域 算法等众多科学计算模块，具有非常方便的计算和分析功能。即使在联合时域 分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，l a b v i e w 也提供了专门 的附加软件包。 本文较详细讲述了针对车辆故障诊断信息，利用l a b v i e w 的优点来分析 故障信息数据，并给出分析结果。 2 2 汽车故障诊断协议 2 2 1 汽车故障诊断协议的发展 在汽车故障诊断这一方面，针对诊断设备和汽车发动机的电子控制单元 ，( e c u ) 之间的数据交换，各大汽车公司几乎都制定了相关的标准和协议。其 中，o b d ( o n - b o a r dd i a g n o s t i c s ) i i 是美国1 9 9 5 年广泛采用的第二代诊断标准， o b d 即车载诊断系统。车辆装备o b d 系统后，在汽车的使用期内确保系统能 识别造成排放超标的故障和损坏的类型以及故障可能存在的位置，并以故障代 9 武汉理工大学硕士学位论文 码的形式将该信息存储在电控单元的存储器内。o b d i 为第一代车载诊断系统， o b d i i 是在o b d i 基础上发展起来的，o b d i 的缺点是除了无法有效地控制 废气排放，还引起另一个严重的问题，就是各车辆制造厂发展了自己的诊断系 统、检修流程、专用工具等，给非特约维修站技师的维修工作带来许多问题， 而且没有统一各国的汽车电子诊断标准，不方便用户使用和维修，于是，开始 发展第二代随车诊断系统( o b d i o t l l 】。 o b d n 可在发动机的运行状况中持续不断地监控汽车尾气，一旦发现尾气 超标，就会马上发出警报。当系统出现故障时，故障灯变亮，同时c p u 将故障 信息存入存储器，通过程序可以将故障代码从存储器中读出。根据故障码的提 示，维修人员就能迅速准确地确定故障的性质和部位。 o b d i i 比o b d i 增加了新的监测区域，包括催化转换器转换效率和决定 发动机缺火的曲轴速度，可以获得任何时间的发动机缺火、碳氢化合物排放增 加的信息。 o b d i i 更具有以下的功能： ( 1 ) 检测废气控制系统的关联的元件是否出现“老化”、“损坏”。 ( 2 ) 必须有警示装置，从而便于提醒驾驶员，进行废气控制系统的保养与 检修。 ( 3 ) 监控传感器和执行器的功能。 ( 4 ) 使用标准化的故障码，并且可用通用的仪器读取。 o b d - i i 主要对以下几种器件作出检测：三元催化、氧传感器、二次空气喷 射、燃油蒸发控制系统、发动机失火检测系统【1 2 1 o b d i i 主要是针对汽车发动车上的电子控制单元的数据传输作出的故障 诊断，而对于汽车的整个部件的故障，就无能为力了，这就需要新的故障诊断 - k w p 2 0 0 0 ( k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 ) 故障诊断协议。 2 2 2 基于k 线的k w p 2 0 0 0 故障诊断协议 欧洲汽车的故障诊断研究方面广泛使用了一种车载诊断协议标准是 k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 ( 简称k w p 2 0 0 0 ) ，它是o b d i i 的改进和扩充，该协 议实现了一套完整的车载诊断服务，并且满足欧洲的o b d ( e u r o p e a no nb o a r d d i a g n o s e ，简称e o b d ) 标准。 k w i 吃0 0 0 对汽车故障的诊断范围更加广泛，几乎涉及所有电控系统的状态 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 反馈。k w p 2 0 0 0 专用通信协议是目前汽车故障诊断研究方面应用较为普遍的串 行通信协议，它定义了车载电子控制单元( 例如电子燃油喷射系统、自动变速 箱、防抱死系统等) 与上层设备通过串行数据线连接实现的串行通信它遵从 i s 0 7 4 9 8 。 根据s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r ，美国汽车工程协会) 规定的 o b d 标准，车辆行业使用k 、l 线制进行诊断或标定，l 线单向传输，只在 系统初始化时传递从诊断设备到车辆总线的e c u 地址，系统联接成功后，l 线 恒定为高状态( 无信息传递) 。因此，为使系统设计简单，实际应用中大部分不 使用l 线。k 线可双向传递数据，系统初始化时先传递e c u 地址，联接成功 后用于信息交换。最初的k w p 2 0 0 0 是基于k 线的诊断协议，图2 - l 是基于k 线的k w p 2 0 0 0 的拓扑结构。 图2 - 1 基于k 线的k w p 2 0 0 0 的拓扑结构 2 2 3k w p 2 0 0 0 协议层及结构 k w p 2 0 0 0 协议即为i s o w d 1 4 2 3 0 1 1 3 1 ，k w p 2 0 0 0 协议仅对其中三个子层 进行了定义说明，即：应用层( 第七层) 、数据链路层( 第二层) 和物理层( 第 一层) 。 物理层：这部分描述了基于i s o 9 1 4 1 ，用以实现诊断服务的物理层，用于 配置硬件系统，指导接口电路的设计，同时将在i s o 一9 1 4 1 2 中描述的物理层 扩展成可以满足提供1 2v 或2 4v 电压的车辆的条款。 数据链路层：这部分定义了数据的传送格式，描述了诊断服务的通用要求， 允许1 个诊断仪控制在1 个随车e c u ( 例如电子燃油喷射、自动变速箱及防抱 死系统等) 中的诊断功能。这些随车e c u 嵌于车辆中，通过串行数据链路连接 在一起。 应用层：这部分包含如下规范：服务标识符的字节编码及其十六进制数值； 诊断服务请求与响应参数的字节编码；标准参数的十六进制数值。 武汉理工大学硕士学位论文 i s o 1 4 2 3 0 1 规定了k w p 2 0 0 0 协议的物理层规范( k 线、l 线) ，它在 i s o 9 1 4 1 2 的基础上把数据交换系统扩展到了2 4 v 电压系统。i