基于ARM11與OBDII的發動機性能檢測系統研究

【摘 要】 將ARM嵌入式技術與OBDII隨車診斷系統相結合，研發一種高速、精確的發動機性能檢測系統，利用內部的高速AD對發動機的點火系統等進行采集、處理，同時利用帶有OBDII協議的模塊連入汽車OBDII接口，通過藍牙將故障碼傳送到上位機。在實驗中對汽車發動機的點火系統、空氣流量計等進行了測試，并對波形進行分析，證明系統的可行性，提高了發動機檢測的效率，具有較高的使用價值。

【關鍵詞】 發動機 ARM OBDII 檢測 藍牙

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.08.007

發動機是汽車的心臟，由于其結構復雜并且工作條件環境惡劣，因此故障率往往很高，所以掌握發動機的綜合性能檢測技術變得尤為重要。隨著嵌入式計算技術的高速發展，汽車上安裝了越來越復雜的電子器件，傳統的檢測技術已經無法滿足現代汽車故障診斷的需求，使得對汽車發動機檢測設備的可靠性、實用性、智能性等方面提出了更高要求，所以研究高性能的綜合汽車檢測系統刻不容緩。

1 系統總體結構

發動機性能檢測系統的結構框圖如圖1所示，由下位機和上位機兩部分組成。下位機以意法半導體公司的Cortex-M3架構芯片STM32F103作為控制器，模擬信號經調理電路以后進入STM32F103內部，利用STM32F103內部集成的高速AD模塊對信號采樣轉換，轉換后的數據通過從串口藍牙模塊傳送到上位機處理，芯片內部的64K RAM和512K FLASH可以作為數據緩存、存儲，配有一個LCD屏進行顯示。另外下位機中配有一個獨立的OBDII模塊，用于直接插到汽車的OBDII接口，通過連接藍牙模塊將故障碼傳送到上位機作診斷處理。上位機是系統的核心，決定了系統的整體性能，采用三星公司的ARM11系列單片機S3C6410為核心處理器，其最高工作頻率可以達到667MHz。上位機系統配有256M的SRAM和2G的NAND FLASH用來保證Linux系統的通暢運行。上位機配有一個藍牙模塊用于分時接收下位機傳上來的數據；還配有一個2G海量存儲卡用于存儲采集的數據；再配有一個5寸LCD觸摸屏用于實現人機交互接口。

圖1 發動機檢測系統結構框圖

2 數據采集與處理系統

2.1 A/D數據采集模塊

STM32F103ZET內部集成3個12位逐次逼近型模擬數字轉換器，它的最快轉換時間1us；有多達18個通道，包括16個外部和2個內部信號源；每個通道的A/D具有單次轉換、連續轉換、間斷以及掃描四種模式；支持DMA方式；當采用雙AD模式采集時，在主頻為56MHZ時可以達到2MHZ的采樣速率。

發動機檢測數據采集系統采用ADC1的通道1、通道2，ADC3的通道3、通道4四路輸入進行采集，采用連續轉換，用定時器控制采樣速率，利用DMA1和DMA2分別對ADC1和ADC3采集的數據進行直接存儲到數組Buff1[800]和Buff2[800]中，其中Buff1數組的奇數存放的是1通道A/D后的值，偶數存放的是2通道A/D后的值，Buff2數組的奇數存放的是3通道A/D后的值，偶數存放的是4通道A/D后的值。

2.2 系統藍牙通信模塊與實現

發動機檢測系統采用GC-02-DIP藍牙模塊實現通信，Class2藍牙模塊最大波特率為1.3Mbps，工業級無線數據采集，一對一自動建鏈，透明串口；可上傳數據至PC、筆記本、PDA、智能手機等。GC-02-DIP的串口波特率、起始位、停止位、奇偶校驗位由編程設定，串行口為TTL電平，如果與計算機串口通信時要采用RS232電平轉換器，計算機最大波特率為115200bps，如果超過，需外加高速串口。

3 上位機系統研究與開發

上位機主要是以S3C6410為核心控制單元，包括核心控制器、存儲器接口電路、TFT液晶顯示電路、觸摸屏電路、藍牙模塊電路、海量存儲電路、電源電路等。

3.1 人機交互界面

人機交互接口是本系統的一個重要組成部分，大量的人機交互信息需要通過人機交互界面來完成，用戶只有通過人機交互才能知道系統的內部運行信息。本系統的人機交互接口模塊包括液晶顯示器接口模塊和觸摸屏接口模塊。觸摸屏界面包含了位置和方位控制邏輯、ADC界面邏輯和中斷發生邏輯。系統的觸摸屏接口模塊利用S3C6410提供的觸摸屏接口，采用四線制電阻式觸摸屏，電源電壓3.3V。其中觸摸屏接口控制觸摸屏的位置和方位（TSXP，TSXM，TSYP，TSYM）為X坐標轉換和Y坐標轉換選擇觸摸屏的位置和方位。

3.2 上位機應用程序開發

上位機系統主要實現上位機與下位機之間的藍牙通信；OBDII模塊數據的解碼，分析故障并提供給用戶解決方案；SD卡的數據存儲及對前端采集數據的波形顯示等功能。

4 實驗檢測

系統的試驗和測試都是在桑塔納2000AJR發動機實驗臺上進行的，分別對發動機的單缸初級點火波形以及空氣流量計波形進行檢測，得到的數據波形如圖2和圖3所示。

圖2 單缸初級點火波形

從圖2可知，系統采集到的發動機初級點火波形的充電段，擊穿段，放電段以及振蕩段都很清晰。為了保證程序運行速度，最大限度地捕捉信號，采用了簡化程序的繪圖算法的方法。可以對存儲后的波形進行分析，可以分析波形的相關參數，如點火波形的擊穿電壓，充電時間，放電電壓等參數。同時還可以進行多缸點火波形檢測，實現平列波，并列波，重疊波等波形顯示，分析，對比，更方便直觀的看出擊穿電壓是否均衡，點火電壓是否有差異，凸輪磨損不均勻等點火系統常見故障。

當發動機運轉時，波形的幅值好像不斷的再跳動，這是正常的。因為熱膜式空氣流量計中沒有任何機械運動部件，測量值不會受到運動部件慣性因素的影響，所以它能夠快速地對空氣流量變化做出反映。圖3中加速時波形中的雜波主要是由于在進氣真空之下各缸進氣口上的空氣氣流脈動引起的，但是發動機ECU中的處理電路一般都會清除這些雜波信號。

5 結語

采用ARM嵌入式技術與OBDII隨車診斷系統相結合研發了一套高速、精確的發動機性能檢測系統，分別對檢測系統的下位機硬件系統和上位機軟件系統進行了開發和研究，并將該系統應用在發動機實驗臺上，實驗結果表明，系統的檢測結果精確度較高，具有非常好的動態性能，對研究發動機的點火系統、空氣流量計等方面的性能具有非常重要的意義。

作者簡介

黃宇，本科，工程師，現于沈陽特種設備檢測研究院從事特種設備檢驗工作。

（責任編輯：張曉明）