農用電控柴油機自診斷系統設計

聶 斐，黃國毅，李 涵

（江蘇農林職業技術學院，212400，江蘇句容）

伴隨著電控柴油機在農業機械上的廣泛應用，農用機械故障也由簡單的機械故障逐步轉向為復雜的電控系統故障。農用柴油機的主要使用對象是農民，顯然，憑借傳統的維修經驗已然無法解決現在電控柴油機出現的故障診斷與排除的問題。此外，由于農業機械維修行業工作環境及條件的限制，維修從業人員專業知識水平普遍不高。因此，設計出合理的電控柴油機故障診斷教學實驗系統，為各院校及相關培訓機構的農機維修專業人才培養搭建較好的平臺，是勢在必行的。目前，針對發動機部分故障診斷的培訓教學的設備及系統主要有：電控柴油機故障診斷仿真軟件、電控柴油機實驗臺架、電控柴油機示教板及在車故障診斷系統等。本文主要針對目前農機維修教育培訓行業中所使用的電控柴油機故障診斷教學實驗系統的現狀，結合無線技術在行業維修用設備上的應用，擬設計一套基于無線控制的農用電控柴油機自診斷教學實驗系統。

1 農用電控柴油機自診斷系統的功能

農用電控柴油機自診斷系統主要實現了電控柴油機傳感器故障、ECU（電子控制單元）故障、執行器故障和各部件線路連接故障的診斷及故障模擬，此系統有如圖1 所示的功能。

圖1 農用電控柴油機自診斷系統總體功能

首先，該系統實現農用電控柴油機的在車故障讀取，從ECU 端引出檢測端子，以故障指示燈跳碼的方式進行人工讀碼，從而快速獲取故障信息。主要設計以下內容。

（1）ECU 故障輸出系統設計。根據柴油機電路圖，結合故障診斷接口的線路排列，合理設計讀碼引出線路。

（2）操作儀表改裝設計。在不影響原儀表板上各功能的基礎上，合理利用空間，設計故障燈顯示窗口，實現人工讀碼。

（3）故障參數匹配。針對引出的故障信息，利用外接專用故障解碼軟件進行故障參數的獲取，與人工讀碼進行對比，對不正確的故障參數進行調整。

其次，可通過無線控制模擬出農用電控柴油機上如傳感器、執行器及電子控制單元（ECU）常見的故障。

最后，可作為實訓室設備利用人機時數統計管理平臺，通過無線控制系統，監控各實訓室設備的使用情況，并作記錄。

2 故障診斷教學平臺設計方案

本系統的整體設計思路如圖2 所示，在整機的ECU 接口輸入與輸出端子上另串上一組電路控制模塊，電路控制模塊中設置有無線收發模塊、繼電器組合模塊及串口控制器等裝置。通過繼電器開關的通斷或串入電阻值的大小來改變ECU 接收的信號或發出的指令信號，從而達到控制柴油機工作狀態的目的。其中，故障設置是本教學平臺的主要作用，對傳感器電路采用通、斷路控制或是串入電阻提供失真信號，對電源電路和執行電路一般是采用斷路控制及適當的短路控制來進行故障設置。

圖2 故障診斷教學平臺整體關系圖

根據系統的設計要求，控制界面設計了繼電器遠程控制、繼電器工作狀態顯示、模擬故障設置、模擬故障恢復、控制系統網絡連接顯示及ECU 檢測端子等功能。

3 農用電控柴油機自診斷系統設計

針對農用電控柴油機自診斷系統產品開發的故障診斷需求，采用無線控制系統對柴油機電控系統電路進行控制，實現了電控柴油機傳感器、執行器及ECU等故障的診斷與模擬設置。此系統通過無線控制電路的設計，可實現故障及其他功能的遠程控制。主要工作集中在對ECU 和各功能的電路設計，來保證該系統能達到一定的抗干擾性、可靠性及通用性。

3.1 硬件設計

農用電控柴油機自診斷系統硬件部分主要由主控器、通信組件、繼電器驅動組件和電源組件等部分組成。本系統采用處理器STM32F103ZET6 作為控制器的核心模塊，高性能ARM Cortex-M3，32 位RISC 內核處理器，滿足此系統的各功能開發需求；通過GPRS 通信方式連接遠程服務器，以保證無以太網的條件下系統聯網遙控；繼電器驅動組件采用SRD-05VDC-SL-C 繼電器及EL817 光耦器件；電源組件用LM2596 和AMS1117 電壓轉換芯片。硬件電路設計方面主要采用功能模塊化及接口化設計，其中包括核心控制器電路、電源電路、繼電器驅動電路及通信模塊電路的設計。繼電器驅動電路如圖3 所示，GPRS 模塊電路如圖4 所示。該系統硬件設計主要圍繞結構、原理圖、PCB、焊接、調試、測試的流程展開。硬件結構及測試完成的硬件實物如圖5 所示。

圖3 繼電器驅動電路

圖4 GPRS 模塊電路

圖5 系統硬件結構與實物圖

3.2 軟件設計

硬件功能的開發及各功能電路的充分利用是靠軟件實現的。該系統故障診斷臺主要通過無線控制技術實現對農用電控柴油機的故障診斷，因此系統關鍵技術則是利用互聯網來實現遠程遙控。為了避免有線以太網接入點固定及WiFi 接入距離受限的缺陷，本文選用GPRS 接入方式。實現遠程故障診斷臺遙控的兩個關鍵環節則是基于硬件設備的軟件設計及基于WEB的軟件設計。

其中，硬件驅動部分基于STM32F103ZET 的嵌入式軟件采用MDK4.12 開發工具開發。故障診斷系統中融合了ZigBee 無線傳感器網絡協議、TCP/IP 協議和RS-232 協議，設計合理的通信規約。故障診斷臺僅執行設備控制這一任務，上電初始化完成后即進入遙控命令監測狀態，實時監測遠程服務器端的遙控命令報文，解析后進行控制執行的響應。軟件設計流程如圖6所示。遙控命令報文接收在中斷中進行，從而保證快速響應，完成一次報文接收后即對報文進行CRC 校驗和地址有效性檢驗，以確認報文的正確性及遙控繼電器的地址是否有效。校驗通過后，根據報文解析出的繼電器地址，執行相應的繼電器動作響應。

圖6 軟件設計流程圖

4 結語

在對農用電控柴油機自診斷系統進行多次測試改進后，系統運行穩定，響應速度快，能夠正確讀取ECU內部信息及故障信息。通過試驗對比，該系統可應用于各類農用機械的電控柴油機。同時，該平臺教學功能豐富，具有故障模擬、數據讀取、統計等功能，可以用于實踐教學環節中故障診斷等操作實訓，還可以用于等級工等專業技能培訓。