嵌入式車載狀態監測與故障診斷系統

【摘 要】介紹了一種全新的基于ARM嵌入式車載狀態監測與故障診斷系統，探討了車載狀態監測與故障診斷系統的基本原理。分析了該系統的硬件組成部分。還研究了嵌入式軟件系統的設計方法，能夠滿足狀態監測與故障診斷的需要。該系統必將作為一種全新的汽車電氣配置于汽車中。

【關鍵詞】嵌入式；汽車故障診斷；專家系統；ARM

隨著技術的發展，人們在工業控制、檢測設備及故障診斷等系統的設計中，也越來越智能化，精密化，汽車故障診斷系統亦是如此。現有的汽車故障診斷系統全部是大型固定設備，一般是汽車出了故障，停車后才能診斷。不僅使用不方便也不能有效的預防汽車故障。本系統就是基于嵌入式的車載故障診斷系統，可以實時檢測汽車的各項指標是否正常，并通過液晶顯示器顯示出來，它安裝在汽車駕駛室內，駕駛員隨時可以看到汽車的各項指標，如果那一項指標超出正常范圍，該系統通過蜂鳴器提示駕駛員，它能夠及早發現問題，避免一些不必要損失，方便維修人員維修。

一、車載狀態監測與故障診斷系統原理

首先要建立專家故障診斷系統，它由知識庫與推理機組成。知識庫收集提煉了具有相當經驗的汽車維修人員和診斷專家對于故障原因的認識。根據他們多年的故障診斷的經驗和方法歸納成數據庫規則。數據庫收集了包括內燃機爆響、氣門響等80余個規則。推理機是一個軟件系統，運用知識庫提供的關于數據域規則的知識，進行自動推理求解問題。

1. 知識庫的建立。

系統知識庫采用故障原因-征兆二元布爾關系矩陣來描述布爾函數：E=（S1，S2，…，Sn；R1，R2，…，Rm）。一個普通的故障原因與征兆圖如圖2：

其中：Rj為第j種類型故障類型；Si為第i種征兆；m為可能故障原因類型數；n為檢測到征兆類型數；為當故障Rj發生時征的Si可能狀態，且Iij為故障發生時，征兆Si可能的狀態且

2.推理機制。

推理機制我們采用的是基于上述模糊關系矩陣的推理。它把所有的故障表示成一張模糊的關系矩陣表，每一個矩陣值表示相應的故障癥狀可能確定的故障類型的貢獻程度。亦稱作模糊模型用A=（a1，a2，…，an）表示。當對系統進行故障信號采集，然后對每一個征兆類型賦值1或0，來確定函數G（·）（它表示某一故障原因組合具有的原因）。通過對數G（·）描繪的觀察征兆結果叫做觀察矢量，用S′表示。且令S′=（）。如果能觀察到征兆Si，則的值為1，反之為0，這時會得到一個觀察矢量S′，即給函數G（·）賦了值，此時可以得到一個矢量結果用A表示，A=（a1，a2，…，an）此時模型建立完成。

由專家確定的模糊關系矩陣表示為R，R=[ri，j]mxn其中m為結論個數，按照以下的模糊推理算得到結論：D=R·CT。其中·表示矩陣運算，D表示結（d1，d2，…，dn）論集中由每個結論結果所構成的m€？的向量，T表示轉置。D=（d1，d2，…，dn）表示第i個結論經過推理之后的值。取其中第j個結論作為最終的推理結論其中，j│dj=MAX（d1，d2，…，dn）即取其中的最大值作為最終的推理結論值。我們稱之為預測值，當該輸出變量的實際觀測值與預測值之間的差異超過某閥門值，就可以檢測出故障。

二、診斷系統硬件設備

ARM微處理器是32位嵌入式RISC微處理器，低功耗、高性能、低成本；提供擴充的16/32位雙指令集，處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集，增加了DSP指令集，提高了芯片的性能與靈活性。本文設計采用ARM7TDMI內核芯片S3CBB40X，該控制器具有強大的信號處理功能，實現比值、串級、前饋、程序控制等多種復雜的控制功能；具有溫壓補償功能，控制精確；能夠真正遠程控制功能，使用配套的數據管理軟件，可以方便的進行監控與管理。在汽車各個容易出現故障的地方加裝傳感器（比如爆燃傳感器），這些傳感器采集的信號經過放大電路放大進入A/D系統，A/D轉換器集成在ARM的內部，負責將前端采集的模擬信號轉換成ARM可以識別的數字信號，進入A/D采集數據池。數據進入到ARM后，即可通過ARM對數據進行分析和處理，包括對振動信號進行時域分析、頻譜分析、1/3倍頻程分析、示功圖、外特性圖分析等。系統還需要數據顯示模塊和數據存儲模塊。數據顯示是對數據進行多角度的表現，可通過數字、圖形等形式。數據存儲是對數據以文件的形式加以保存，便于數據的再現和數據的管理。其硬件圖如圖3。

三、軟件的設計

軟件的總體設計包括嵌入式Linux文件系統設計、網絡通信程序設計、數據采集程序設計、控制組態與驅動程序的設計。為了完成必要的數據采集，工況監控，實時顯示顯示動態的圖形流程，實時顯示測量數據，系統采取了多線程技術來實現實時功能，以滿足系統要求。采用多線程技術時，應合理劃分子線程，并解決好各線程間的同步問題。

測控對象的特征信息能否及時準確的提取是影響后續處理過程的關鍵，因此信息采集功能必須采用單獨的線程來管理，并盡量具有較高的線程優先級別。控制功能設計的好壞直接影響到整個系統能否正常運轉，須采用單獨的子線程。數據處理方法一般要占用較長的時間片，為保證系統人機交互的流暢，數據處理功能應單獨采用子線程管理。如要求采集數據的實時顯示，則數據顯示輸出功能應單獨設置為一個子線程。如不需要實時顯示，則可將數據顯示輸出功能放在人機交互操作放在主線程中處理。

故障診斷系統的主線程負責所有線程的總體調度和控制，主線程將各任務分派給各子線程，并顯示各種警報和錯誤信息系統中，數據實時采集顯示時開啟的線程數量最多，采集線程將數據存放到“數據池”，并設置一個標志位，提示顯示線程實時更新數據，它還要接受來自主線程和控制線程的命令。控制線程接受主線程的命令，監控設備運轉情況，必要時發送消息到采集線程停止或開啟采集操作。顯示線程以合理的方式顯示后臺數據處理線程的數據結果。主線程接受各種人機交互操作，并發送到相應線程處理。采集線程、控制線程間通信流程圖如圖4。

根據以上的想法編制程序，移植數據采集程序對兩次采集程序設置標準，符合標準的數據作為保留的采集數據，然后從數據庫里，讀取相應的數據進行比較。以下是部分程序：

通過以上程序就可以實現數據的比較與計算。再經過進一步的數據處理就可以輸出到駕駛室內的液晶顯示器上。

四、結論

介紹了一種全新的基于ARM的車載狀態檢測與故障診斷系統，它不僅可以讓駕駛員實時監測汽車檢測與故障診斷，及早發現故障，避免不必要的損壞，而且指導方便維修人員對汽車進行必要的維護與修理。

隨著技術的發展與汽車保有量的增加，嵌入式車載狀態監測與故障診斷系統必將作為一種常見的汽車電氣裝入汽車中，體現了廣闊的發展前景。

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