基于Simulink的小型汽油機溫度傳感器故障自診斷軟件開發

李捷輝， 丁樂盛， 毛功平， 劉大為， 鐘光耀

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

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·測試與診斷·

基于Simulink的小型汽油機溫度傳感器故障自診斷軟件開發

李捷輝， 丁樂盛， 毛功平， 劉大為， 鐘光耀

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

運用MATLAB/Simulink模型開發平臺，采用飛思卡爾MC9S12XEP100單片機作為主芯片，選取典型的模擬量傳感器溫度傳感器為研究對象，采用模塊化的設計思想，開發了傳感器故障診斷軟件，通過特定的診斷算法以及容錯策略判斷傳感器是否存在故障。在168F小型汽油機上,通過人為設置故障，驗證了故障診斷軟件的可行性。試驗結果表明，該軟件運行穩定可靠，診斷效果明顯，對普通模擬量傳感器的診斷軟件開發具有指導意義。

汽油機； 溫度傳感器； 故障診斷； 軟件開發

自1988年美國工程師協會(SAE)、美國環保署(EPA)、加州空氣資源委員會(CARB)協同提出OBDⅠ系統標準以來[1]，該系統逐漸由缺乏統一檢測項目、通信協議、診斷接口的情況發展成為對所有零部件及各項子功能都具有自診斷功能的OBDⅡ系統，程序規模占據控制軟件的70%以上。國外著名的電噴系統供應商，如BOSCH,DELPHI,DENSO等，將自診斷技術作為核心技術進行嚴格保密[2]。因而，開發具有自主知識產權的故障自診斷系統十分必要。

近年來，國內諸多學者對OBD系統進行了大量研究，設計出了詳細合理的診斷策略，開發出具有自主知識產權的診斷軟件，診斷效果能夠滿足OBD系統的要求。北京交通大學張欣教授以WT615Z280CNG天然氣發動機作為研究對象，對傳感器故障等進行了分析并制訂了詳細的診斷策略，通過C語言編程實現對故障的自診斷[3]；長安大學吳克剛教授針對使用ST公司專用芯片L9741，L9709，L9825，L9958的硬件驅動方案進行分析，根據故障反饋信號生成故障碼，實現對傳感器等零部件的故障自診斷[4]；吉林大學的劉忠長教授以捷達1.6 L發動機作為對象研究車載診斷系統，研究傳感器、執行器、三效催化轉換器和失火故障診斷策略，并通過車隊試驗驗證診斷軟件的可靠性[5]；電子科技大學段翰聰教授利用以MC9S12DP256為主芯片的ECU，使用CodeWarrior作為開發工具編寫軟件，實現故障自診斷功能[6]；華南理工大學上官文斌教授研究了豐田卡羅拉電控系統，針對AVR單片機以匯編語言編寫故障診斷軟件[7]。

為進一步降低軟件開發過程的出錯率，提高軟件的可讀性和移植性，本研究以溫度傳感器作為研究對象，在分析信號處理電路的基礎上，制訂了相應的故障診斷策略及故障管理策略，采用基于模型的嵌入式軟件開發方式以及代碼自動生成技術，完成診斷軟件的開發。

1 開發環境及硬件平臺

1.1 基于模型的嵌入式軟件開發

基于模型的設計(MBD)是指在軟件設計過程中所有信息傳遞、運行的核心與基礎都是若干模型。通過Simulink建立模型進行仿真調試，再使用RTW(Real-Time Workshop)工具進行代碼自動生成[8]。Simulink是一個可視化的建模環境，通過可視化圖形設計、快速原型化、迭代設計、系統仿真等過程，設計完成具有一定控制邏輯關系的模型[8]。

這種方法通過早期驗證和各個設計環節的迭代，可以大大減少系統完成后和測試階段出現的錯誤數量，減少甚至不出現返工的情況，從而提高開發的速度和系統的可靠性?；谀Ｐ偷腣形開發流程見圖1。

1.2 主芯片

本電控系統選用Freescale 16位微處理器MC9S12XEP100作為主芯片，芯片具有增強型32位定時器、PWM發生器、32通道12位轉換精度AD轉換器、串行外設接口(SPI)、串行通信接口(SCI)和控制器局域網接口(CAN)，滿足控制要求[9]。

1.3 溫度傳感器特性

溫度傳感器用于對進氣、冷卻水、機油等溫度信號進行監測，對發動機起動噴油量、運行工況噴油量、點火提前角等參數進行修正[10]，因此，對溫度傳感器的診斷是自診斷系統的重要功能之一 。

本系統采用的溫度傳感器是具有負溫度系數的熱敏電阻式(NTC)傳感器，即傳感器自身的電阻值隨著溫度的升高而減小。傳感器在電路中與一個標準電阻串聯，并在兩端施加5 V參考電壓。當溫度發生變化時熱敏電阻阻值相應變化，兩端的電壓值也產生相應變化，因此，熱敏電阻的電壓信號可以表示當前溫度信號[7]。

由于本系統采用的溫度傳感器是無源傳感器，為了提高驅動能力，電路采用了添加上拉電阻的設計思路，并添加BAV99雙向二極管對輸入電路進行了限幅保護，添加Π型濾波電路對干擾信號進行消除。溫度傳感器信號處理電路見圖2。

機體溫度傳感器的采樣點在ETEMP處，經過信號處理電路得到一個模擬電壓值，ECU內部的A/D模塊可以將電壓信號轉換為數字量信號。由于系統設定采樣精度為12位，因此采樣值為0～4 095，該數字量可以反映傳感器溫度值。由于電阻R6與傳感器自身所帶電阻同處一條電路，根據串聯電路的分壓原理，與ECU相連的ETEMP端的電壓值即為圖2中A點處的電壓值，通過監測ETEMP的輸入值，即可對溫度傳感器進行診斷。A點電壓由式(1)確定：

(1)

2 故障診斷策略軟件設計

故障診斷軟件的輸入信號主要包括機體溫度和進氣溫度。軟件設計主要針對傳感器信號范圍診斷、合理性邏輯診斷、使能條件設置以及故障狀態下的失效保護。當溫度傳感器信號超出了設定的上限閾值或下限閾值，可以認為發生了超限故障；在沒有超限故障的前提下，當傳感器信號值與正常狀況的邏輯關系不符合時，可以認為發生了合理性故障。

2.1 故障類型

2.1.1 超限故障

超限故障也稱為電路通斷性故障，即斷路故障和短路故障。機體溫度傳感器正常工作溫度范圍在-30～120 ℃之間，根據電路中的串聯分壓原理，當傳感器阻值隨溫度變化時，ETEMP端的輸入電壓在0.05～4.25 V之間。當傳感器信號電路與ECU斷開時，信號接近0，當與電源短接時，信號接近4 095，因此，可以設定數字量上限閾值為4 000，下限閾值為100。當ECU檢測到的采樣信號不在此范圍內時，故障診斷軟件就可以認為傳感器發生超限故障。溫度傳感器超限故障診斷策略見圖3[11-12]。

2.1.2 合理性故障

溫度傳感器合理性診斷策略大致分為兩個部分[13-15]，具體的診斷策略見圖4。

1) 當發動機處于冷起動狀態，機體溫度與進氣溫度的數值比較接近，當ECU檢測到兩者之間的差值超過了設定的閾值，則可以認為出現合理性故障；

2) 當發動機起動后處于怠速或正常運行狀態，借鑒豐田汽車的診斷策略，如果在起動20 min以后，溫度傳感器的采樣值仍然顯示溫度低于30 ℃，則可以認為溫度傳感器出現合理性故障。

系統在進行合理性診斷時，為了避免出現錯誤的診斷結果，必須滿足以下三項使能條件：

1) 蓄電池供電電壓在正常范圍內；

2) 機體溫度傳感器本身無超限故障；

3) 進氣溫度傳感器本身無超限故障。

2.2 故障信息管理

2.2.1 故障確認及清除

對于自診斷系統而言，應設計故障信息管理策略，一方面對可能出現的故障進行容錯處理，防止出現誤診斷，另一方面，在故障消失后，需要對故障狀態進行清除。本研究采用的故障信息管理策略見圖5。當ECU檢測到傳感器信號的開路、短路或者合理性故障后，管理功能就會對故障現象進行確認，當故障連續發生的次數超過專家經驗認可的限定閾值后，故障將被確認。故障信息的清除策略與此相同。為了便于查詢，歷史故障信息會被保存在ECU的Flash中，當超過40次暖機循環檢測無故障后，則徹底清除Flash中的故障信息。采取以上的故障容錯策略、清除策略，可以有效地避免虛假故障信息的干擾，從而避免發動機頻繁進入失效保護模式，提高了發動機運行的安全性。

2.2.2 故障碼

當診斷出故障后，通過故障燈和故障碼來指示故障出現、故障部位和故障原因。為了節省開發周期以及便于故障碼通信，本系統以J1939診斷應用層協議為基礎，對可疑參數編號(SPN)、故障模式標志(FMI)以及故障發生次數(OC)進行賦值，與SAE-J2012規定的5位字符OBDⅡ標準故障碼相對應。機體溫度傳感器的故障碼見表1[15-16]。

表1 機體溫度傳感器故障碼

2.3 失效保護措施

當故障發生后，正常情況下的控制策略已不適用，ECU會根據故障的嚴重等級，在確保發動機安全性的情況下，采取故障模式下的控制策略，即失效保護模式。

3 故障診斷控制模型建立

故障自診斷是一個復雜的邏輯判斷過程，在建立Simulink模型時，需要將診斷、故障碼及故障燈控制、使能條件、失效保護等各個模塊分別建立模型，通過信號線連接，便于后續對各個模塊進行修正、移植。

基于Simulink建立的溫度傳感器診斷模型見圖6。其中輸入信號包括機體溫度信號、蓄電池電壓、進氣溫度信號；輸出信號包括故障碼MIL_Code、可疑參數編號SPN、故障模式標志FMI、故障燈信號MIL、溫度修正信號ETEMP_Modify和溫度缺省值信號ETEMP_Default。模型按照功能的不同分為四個模塊：故障診斷控制模塊、故障碼及故障燈控制模塊、故障診斷使能條件模塊、失效保護措施模塊。在功能模塊內部，利用Stateflow模塊，以圖形形式建立診斷功能流程圖，實現C語言中的if語句、if-else語句和switch語句功能。在stateflow流程圖中，判斷條件([判斷條件])置于水平轉移線上，執行動作({執行動作})置于垂直轉移線上[17]。

3.1 故障診斷模塊

圖7示出了斷路故障診斷流程，圖中u1為溫度傳感器采樣輸入值，counter_1為斷路故障計數器，clear_counter_1為斷路故障燈清除計數器，clean_counter_1為斷路故障碼清除計數器，Open_Fault為斷路故障模式標志，MIL_Flag_1為斷路故障燈模式標志，Open_Fault_Clean_Flag為斷路故障碼清除標志。根據stateflow語言結構，水平轉移線1為if判斷語句，用作對輸入信號、計數器的判斷；水平轉移線1方向節點處為if判斷成立后的執行語句，主要用作對計數器累加、清除以及故障標志的確立、清除。垂直轉移線2為else執行語句，當信號輸入值小于100，可以認為傳感器發生斷路故障，則故障計數器加1；當故障連續且計數器累計值達到5[13]，則斷路故障得到確認，執行語句被激活，故障模式標志和故障燈模式標志都被置為“1”，故障計數器清零。同理，故障的清除，故障燈的熄滅、點亮，故障碼的輸出、清除都按照故障管理策略進行。

3.2 故障碼及故障燈控制模塊

圖8示出了故障碼和故障燈控制流程。水平轉移線1判斷故障模式標識、故障清除標識的狀態，節點后的執行語句選擇對應的故障參數編號、故障模式標志以及故障燈狀態，左側垂直轉移線2為無條件轉移通路，用于控制一些異常情況[17]。

3.3 診斷使能條件模塊

圖9示出了合理性診斷使能條件模塊。使能條件包括蓄電池電壓、無超限故障、滿足設定時間，多個使能條件通過“與”邏輯合并，在所有使能條件滿足的情況下，輸出使能信號“1”，激活合理性診斷功能，否則使能信號保持為“0”。

3.4 失效保護模塊

在診斷模塊檢測到任意故障后，故障信號會傳遞到失效保護模塊。失效保護措施可以分為兩類：

1) 在發動機起動工況下，為了在機體溫度傳感器發生故障時順利起動發動機，取進氣溫度減去5 ℃作為缺省值，若進氣溫度也存在故障，則采用-30 ℃作為缺省值以確保發動機起動；

2) 在怠速或運行工況下，取80 ℃作為缺省值，同時通過溫度修正信號減少40%最大供油量。

4 試驗驗證與結果

在完成故障診斷模塊設計后，將模型嵌入發動機總體控制模型，選擇對應系統目標文件，通過自動代碼生成功能生成單片機可執行的C語言代碼。

試驗選用168F小型汽油機作為研究對象，通過人為設置模擬故障，以驗證故障診斷程序的可行性。本系統采用Metroworks公司出品的單片機軟件設計開發工具CodeWarrior作為調試監測平臺，通過16位BDM下載器刷寫程序、監測發動機運行狀態并顯示故障代碼。

模擬故障分為如下三類：

1) 將機體溫度傳感器信號線路與ECU斷開，模擬傳感器開路故障；

2) 將機體溫度傳感器信號線路與供電電源短接，模擬傳感器短路故障；

3) 在發動機冷機狀態時，分別將機體溫度傳感器與進氣溫度傳感器先后加熱，使兩者產生較大溫差，模擬傳感器合理性故障[18]。

在變量監測界面里，Data:1界面顯示MIL_Code,SPN_ETEMP和FMI_ETEMP，分別代表OBDⅡ故障碼、可疑參數編號和故障模式標志；Data:2界面顯示發動機各個傳感器信號數值，RAW_ADC[2]為機體溫度采集通道，RAW_ADC[4]為進氣溫度采集通道。由圖10和圖11可見，在Data:1中機體溫度傳感器斷路故障碼為P0118，故障參數編號為110，故障模式標志為3，在Data:2中RAW_ADC[2]的采集信號大于設定上限閾值4 000，為超上限故障。由圖12和圖13可見，在冷起動狀態時(Speed=0)，機體溫度和進氣溫度的信號值都處在正常范圍內，但兩者差值超過預設范圍，可以判斷出現了合理性故障，因此顯示故障碼P0116。

5 結束語

基于模型的設計(MBD)由于具備可視性、快速原型化等特點，相比手寫代碼可以極大減少開發過程中出錯的可能性，可提高系統開發的效率和準確性。傳感器的診斷是OBD系統必不可少的一部分，通過Simulink建立故障診斷模型，并將其模塊化處理，在后續的開發過程中具備了極高的可移植性，方便后續開發。試驗結果表明，采用所設計開發的故障診斷軟件，可以準確判斷溫度傳感器是否出現故障，在判斷故障后，系統點亮故障燈并顯示故障碼以提醒操作人員，通過失效保護措施，保證發動機繼續安全運行。

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[編輯： 姜曉博]

Diagnostic Software Development for Temperature Sensor of Small Gasoline Engine Based on Simulink

LI Jiehui, DING Lesheng, MAO Gongping, LIU Dawei, ZHONG Guangyao

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The sensor diagnostic software of modular design was developed with MATLAB/Simulink platform based on the main chip of Freescale MC9S12XEP100 by selecting the temperature sensor among the typical analog variable sensors as the research object. Through the specific diagnostic algorithm and fault tolerant strategy, the sensor faults could be detected. The feasibility of the software was verified by the simulated fault on 168F small gasoline engine. The test results show that the software is stable and,reliable and the diagnostic effect is obvious. The development project provides the reference for the development of general analog sensor diagnostic software.

gasoline engine; temperature sensor; fault diagnosis; software development

2015-02-01；

2015-04-21

江蘇省高校自然科學研究面上項目(13KJB470003);江蘇省汽車工程重點實驗室開放基金項目(QC201307)

李捷輝(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向為發動機電控技術研究；jhli@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.015

TK418

B

1001-2222(2015)05-0087-06