嵌入式智能汽车在线监测系统

第24卷第6期 2007年 6月 机 电 工 程 MECHANICAL＆ ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE Vo1．24 No．6 Jun．2007 嵌人式智能汽车在线监测系统 李正勤，蒋小洛 (温州大学 城市学院，浙江 温州 325035) 摘 要：提出了一种智能汽车状态在线监测和诊断系统。系统采用嵌入式系统结构和 CAN现场总 线通信控制方法，能有效地对影响汽车安全行驶的各状态信息进行采集和融合处理，系统软件集成 了故障诊断专家系统功能，对汽车安全状态进行实时的监测和诊断，并通过人机接 口进行显示和报 警。该系统在汽车电子领域有 良好 的应用前景 。 关键词：嵌入式系统；智能监测；故障诊断；专家系统；控制器局域网 中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1001—4551(2007)06—0043—03 Intelligent on-line monitoring system for automobile based on embedded technology LI Zheng—qin，JIANG Xiao—luo (College of City，Wenzhou un e ，Wenzhou 325035，China) Abstract：An intelligent on-line monitoring and diagnosing system for automobile were introduced． Employing the embed— ded system structure and CAN fieldbus，the proposed system efficiently collects the status data related to the security per- formance of the automobile and integrates them．Fault diagnosis expert system is implemented for real—time monitoring and diagnosing in the software．The information can be displayed and the alarm can be sounded through a man-machine inter- face．The system is promising in automobile application． Key words：embedded system；intelligent monitoring；fault diagnosis；expert system；controller area network(CAN) 0 前 言 借鉴于飞机飞行数据仪在空运管理方面的 成功应用，近年来汽车行驶状态监测、记录设备逐渐 在许多国家的地区得到大量的使用。1990年前后 欧洲共同体就通过了在汽车上安装行驶状态记录仪 的立法，并规定商用车必须安装状态记录仪。日本、 美国等国家也相继广泛地使用汽车行驶状态记录 仪。统计表明，汽车行驶状态记录仪的使用，可 以使交通事故率降低37％ 一52％。 与单纯状态记录功能的传统汽车行驶状态记录 仪不同，本研究提出了一种基于嵌入式技术的智能 汽车状态在线监测和诊断系统。 1 系统硬件结构 汽车系统是一个具有多输入、多输出、不确定性和 多干扰源的复杂非线性系统。智能状态监测和诊断系 统的设计应该具有良好的开放性、可扩展性 、交互性和 协作性，因此智能在线监测诊断系统为一个多传感器 系统，其主要任务包括 3个方面：①完成数据采集； ②完成故障诊断任务；③实现显示和报警输出功能。 系统#工作#如下：采集模块实现数据采集和 简单处理，然后传送到主控模块，由主控模块对处理 后的数据进行分析和诊断，采集模块与嵌入式主控 模块之间的数据通信通过 CAN总线实现。系统总 体框图，如图 1所示 。 图 1 系统硬件结构 收稿日期：2007—02—12 作者简介：李正勤(1968～)，男，湖北红安人，副教授，博士，主要从事嵌入式系统、远程监控与故障诊断技术方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 电 工 程 第 24卷 1．1 信号采集智能单元 信号采集单元的作用在于作为一个智能 CAN 节点，采集对汽车安全行驶具有重要影响的状态信 号，并对采集到的信号进行调理、转换和处理，然后 将处理后的状态信息经由 CAN现场总线发送到嵌 入式主控处理单元进行进一步的处理。一个信号采 集智能单元结构，如图2所示。 信号采集智能单元 厂聂 再 ] ． ． 1 ● 戥 1J石1t l旧 半 U l 1 ． 0 一 ——广 l I ! l信号I广——— ——] ： j匦 l 卜l 卜区 ： l转换l L————一 ：。 t⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ _ _ | 图 2 信号采集 智能单 元结构 在图2所示的信号采集单元的结构中，考虑到 汽车内的工作环境十分恶劣，传感器的选择必须能 够经受较大范围的温度变化(一40℃ ～150℃)，而 且要求精度高、可靠性好、抗干扰和抗震动性能较 强。例如轮胎气压传感器采用 Infineon公司的硅压 阻式压力传感器 SP12，该芯片胎压测量范围为 100 ～ 450 kPa，是一款专门为轿车设计的传感器。 信号采集智能单元都直接安装固定在汽车的各 主要部位上。例如负责实时采集汽车轮胎空气压力 和温度参数的压力传感器和温度传感器安装在各个 汽车轮胎的内部⋯。而信号调理、处理装置则安装 在汽车的轮毂上，对所采集到的数据进行预处理、实 时分析和在线监测，并同时将处理后的数据通过 CAN现场总线发送到嵌入式主控单元。 各个微处理器或数字信号处理器的功能是通过 读取其 I／O接口的数据，接受信号采集和预处理电路 的信号输入，实现部分实时分析和状态监控的功能。 并将处理后的数据通过接口发送到CAN总线上。 1．2 嵌入式处理器单元 嵌入式处理器单元位于汽车的驾驶员座位前 方，连接有声音报警器和小型液晶显示器。其主要 功能是从 CAN总线上接收各个信号采集智能单元 的数据，按照既定算法进行多传感器的数据融合处 理，集成的故障诊断专家系统可以对可能出现或已 经出现的危险状态或故障进行分析处理，屏幕显示 功能可以显示出汽车行驶状态关键信息，声音警报 功能对危险状态进行语音告警。 考虑到系统的功能和处理速度要求，采用的是 PC104嵌入式系统结构 。在实际应用中选用研祥 公司的 EC3—1541CLDNA作为中央处理器模块板。 1．3 CAN通信总线单元 CAN最初是由德国的 BOSCH汽车公司为汽车 检测和控制系统设计的 。图 1和图 2中的 CAN 总线接 口结构 ，如 图 3所示。 图 3 CAN总线接 口 系统总线控制器采用的是 Phihps半导体公司生 产的 SJA1000，它是一种独立的 CAN控制器，主要用 于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。 82C250是 CAN控制器与物理总线之间的接口， 它最初是为汽车中的高速应用(达 1 Mbps)而设计 的。器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。 2 系统软件结构 2．1 系统软件框图 系统软件设计选择微软公司的 Windows CE操 作系统，开发工具为 Embedded VC++4．0。软件采 用模块化设计方法，其软件结构，如图4所示。 监测数据数据库 图 4 软件 系统模块 化结构 各主要模块的功能如下： (1)中央调度模块。负责模块的调度和各模块 间的数据及信号通信。 (2)CAN通信模块。底层通信的完成，数 据传送的完成。 (3)实时监测模块。将汽车运行状态数据直接 与正常工作状态的参数值进行比较，根据数据 差别的程度进行监测、报警，是初步的运行状态诊 断，具有较强的故障处理实时性。 (4)故障诊断模块。在实时监测模块的基础 上，根据专家系统方法，对汽车运行状态进行更深层 次的诊断，对可能出现的故障进行预警和对已经出 现的故障进行诊断。 (5)监测数据数据库。存放由 CAN通信模块 传送过来的各信号采集智能单元采集处理的汽车状 态数据，供实时监测模块和故障诊断模块使用。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 李正勤，等：嵌入式智能汽车在线监测系统 (6)报警处理模块。通过声音报警、LCD屏幕 文字及图像显示方式向汽车驾驶员进行故障预警， 通知驾驶员及时处理。 (7)人机接口模块。处理用户按键，进行故障 显示、声音报警。 2．2 故障诊断专家系统 系统采用一种基于规则推 理 (Rule—Based Rea— soning)的方法 ¨ 。其系统结构，如图5所示。 故障预警 故障诊断输出 图5 故障预警、诊断专家系统结构 由于汽车的行驶关键状态较多，各状态都对汽 车的安全行驶具有影响，一些状态之间存在着耦合 关系。作为一个多传感器信息的系统，需要将各传 感器数据进行数据融合处理，由此得出一个数据关 联矩阵，作为专家系统推理的信息源数据。 由于汽车行驶的故障诊断是一种模糊知识，不具 有严格的定义和精确数学分析，因此系统设计中采用 产生式规则来表达专家知识，规则的一般表达式为：R# if A the B with CF(B，A)。其中 R#为规则编号，if部分 是故障的表现(事实)，then部分是产生这些表现的原 因，cF为规则的置信度数值，可以理解为权值，表示 A 对B的支持程度，因此 cF的取值范围为[0，1]区间。 在故障诊断专家知识库中，所有的规则形成一 个层层递进的推理网络 ，网络是多层的，形成一种树 型结构。 2．3 CAN总线通信控制系统 在汽车状态监测系统中，各信号采集单元及嵌 入式处理单元均作为智能节点挂载到 CAN总线上。 嵌入式处理单元作为中央处理模块读取各信号采集 智能单元发送的数据。系统软件中的 CAN通信模 块的程序流程，如图 6所示。 中央处理系统模块与整车 CAN网络连接 ，可接 收总线上的全部数据帧。在 CAN网络中数据以报 文为单位进行传输，节点对总线的访问采取位仲裁 方式。一个 CAN数据帧包括标识符和8字节数据。 根据标识符可判断出该数据帧是哪个信号采集智能 单元发送的，再根据预先设计的和该信号采集智能 单元间的通信协议对 8个字节数据进行解析可得到 实际的参数值。如图7所示为电池状态信息采集单 元向中央处理模块发送的一个数据帧的格式。 CAN总线控制器 初始化 ● 创建数据文件 ● 读取cAN信息帧 ● 读取cAN信息帧 图 6 CAN通信模块程序流 程 ID 数据 P R DP PF PS SA 0Byte电压低字节 1Byte电压高字节 2By 电压低字节 3Byte电压高字节 3 0 0 0 10 11 4By 温度 5Byte状态位 6Byte故障码 7Byte控制器LIFE 图 7 CAN数据帧格式 3 结束语 本研究提出的智能汽车状态在线监测和故障预 警、诊断系统采用分布式的汽车行驶状态多传感器 监测的体系结构，基于嵌入式系统的中央处理模块 和 CAN现场总线通信控制方法，能有效地对影响汽 车安全行驶的各状态信息进行采集和融合处理。 监测系统的体系结构整合了多个汽车状态监测 功能，并且易于进行功能方面的扩展，也可进一步与 汽车发动机监控系统进行整合 ，提高汽车行驶安全 可靠型，因此具有较好的应用前景。 参考 文献(Reference)： [1] 钱 伟，孔慧芳．智能胎压监测系统的设计[J]．仪器 仪表学报，2006，27(z1)：234～235． QIAN Wei，KONG Hui—fang．Design of tyre pressure mo- nitoring system[J]．Chinese Journal of Scientific In- strument，2006，27(Z1)：234—235． [2] 张稳稳．PC104串121通信在工程中的应用 [J]．微计算 机信息，2006(2)：234—235． ZHANG W en—wen．Application of PC104 serial commuhi- cation in engineering[J]、Control&Automation，2006 (2)：234—235． [3] 邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计[M]．北京：北 京航空航天大学出版社，1996． [4] 吴今培，肖健华．智能故障诊断与专家系统[M]．北 京 ：科学出版社，1997． [5] 杨叔子．基于知识的诊断推理[M]．北京：清华大学出 版社，1993． [编辑：罗向阳] 维普资讯 http://www.cqvip.com