基于网络技术的汽车嵌入式远程故障诊断

黄 强，张 晓

（九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005）

基于网络技术的汽车嵌入式远程故障诊断

黄 强，张 晓

（九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005）

从实现具有远程自诊断能力的智能化机械设备的角度，系统介绍了面向网络技术的、具有远程监控、诊断和维护能力的嵌入式汽车故障诊断系统的实现技术。该系统采用数字信号处理器，实时检测并分析获取的振动信号，并在网络诊断中心中进行故障分析，实现协同诊断，有效地提高了汽车的状态监控与故障诊断系统的智能化水平。

嵌入式系统网络技术远程故障诊断

1 前言

随着信息技术、计算机网络技术的飞速发展，远程分布式故障诊断理论与方法的研究越来越受到关注，其实现已不存在技术上的瓶颈。但目前还只是停留在设备状态异常或正常的简单判别，以及一些具有明确因果关系的简单的故障诊断，对于复杂、大型设备的机械故障进行嵌入式智能诊断目前尚无有效的方法[1]。本文从构建基于网络技术的嵌入式远程状态监控与故障诊断系统的角度出发，详细介绍了该系统的实现技术。

2 嵌入式远程故障诊断系统的总体结构

首先，在需要进行诊断的内燃机上的振动、转速等传感器将振动信号采集到嵌入式处理系统中；该系统首先采用小波降噪技术对信号进行预处理，然后利用基于尺度的小波包分解方法提取特征值，再经过蓝牙设备，无线传输到接收端，并实现与网络的连接。通过计算机网络传输给故障诊断中心处理系统，系统总体结构参见图1。

故障诊断中心在接受到需要诊断的内燃机系统发送的特征值后，从共享数据库存储器中调用相同型号的内燃机历史诊断数据，利用神经网络模型来比较分析，从而智能地判断出需要诊断的内燃机系统的故障状态及部位；然后，一方面发送诊断结果给需要进行诊断的内燃机系统，另一方面将对应的特征值和诊断结果存储到共享数据库中，不断更新和丰富共享数据库的数据。

图1 嵌入式远程故障诊断系统结构

3 远程故障诊断系统硬件实现技术

嵌入式状态监控与诊断系统在具体实现上，一方面要求具有较强的实时性、高度的可靠性和较高集成度，要求几乎无需人工干预即能自主运行；另一方面，要求嵌入式监控及诊断系统在运行过程中必须能够根据采集到的各类信息，准确地分析和判断出设备的运行状况、故障原因及部位。

因此，嵌入式状态监控与诊断系统在设计时需要考虑到如下要求：

（1）可扩展性：随着各项技术的不断进步，系统应具有能为用户增加新功能的能力；

（2）开放性：故障的识别和判断必须依赖于网络数据库，因此要和网络互联，实现信息的双向共享和利用；

（3）对网络技术的支持：实现跨地域远程监控、协作诊断；

（4）可维护性：为系统维护和升级方便，可通过网络实现远程维护。

为此，本系统的硬件设计采用了主从式方式，由ARM处理器、基于DSP的信号同步采集板以及辅助的信号调理和抗混滤波板组成。其中，嵌入式ARM处理器作为系统的主控单元，采用具有自主知识产权的自定制Linux操作系统，一方面获取并存储DSP采集的设备状态数据及故障特征数据，根据其内嵌的软件进行准实时的在线状态识别和故障诊断；另一方面提供面向Internet/Intranet的远程网络监控、诊断及维护服务。信号同步采集板和信号调理、抗混滤波板共同用于实现对输入的16通道振动信号根据当前实际测量的转速进行整周期同步采样，并通过板内DSP芯片对采集的信号进行实时分析和处理，提取信号中隐含的故障特征，供嵌入式ARM处理器进行状态识别和故障诊断[2]。系统结构框图如图2所示。

图2 远程故障诊断系统的硬件系统结构框图

（1）传感器。由于本系统主要是对振动信号进行分析研究，所以该数据采集系统的传感器组由两部分组成，一部分是获取振动信号的，采用振动加速度传感器；另一部分是获取发动机运行工况的，包括发动机速度传感器、水温传感器和负荷传感器等。传感器的安装位置以拾取故障信号最敏感为原则，安装密度以基本能够反映所有故障而数量最少为优。

图3 远程故障诊断系统应用软件逻辑关系

（2）嵌入式处理系统。选用Samsung公司的ARM9芯片S3C2410A作为ARM系统单元的主芯片。S3C2410A是三星公司生产的面向高端嵌入式应用的一款MCU，内部采用ARM920T内核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、SD卡接口和MMC卡接口、10位的AD控制器等。DSP系统单元主要完成对采集卡采集进来的发动机振动信号进行算法处理并判断发动机的故障类型，此处选用TI公司的TMS320C540作为DSP系统单元的主芯片。TMS320C540是一款功能强大的DSP芯片，该处理器主要用在需要由浮点运算提供精密和动态范围的高性能信号处理。嵌入式系统主要是用来对传感器获取的振动信号进行小波降噪、特征值提取及网络传输通信与控制，选用的ARM芯片和DSP单元能很好地完成这些任务[3]。

（3）蓝牙模块。采用爱立信POK101 008系列模块，该模块支持点对多点通信，每个带蓝牙模块的设备可以组成一个个匹克网，彼此间以主从方式进行数据通信。本系统所采用的008系列模块带有微带天线，是一种贴在带有金属板的介质基片上的辐射贴片，其基片的介电常数小于10，比常规的微波天线具有重量轻、体积小的特点。

4 嵌入式故障诊断系统应用软件的构成

系统应用软件主要由数据初始化模块、采集控制模块、数据传输模块、数据处理模块和网络通讯模块五部分组成。系统应用软件逻辑关系如图3所示。

（1）初始化模块：在进行监测状态前，该模块初始化数据库，录入设备的基本信息及标准配置信息，并初始设置系统的网络连接；

（2）采集控制模块：初始化数据库后，进入该模块，选择要检测的设备、采集方式和数据传输方式，并提取相应的基本信息与网络传输信息作比较判断；

（3）数据传输模块：选择要检测的设备和采集方式后，开始采集传输数据。针对计算机设备，首先执行安装在其上的代理软件以收集其信息，而后根据采集方式传输数据；针对交换机和路由器设备，测试仪发送Telnet指令，这时它们会返回相应的大量信息，然后收集需要的信息并根据采集方式传输回来；

（4）数据处理模块：在该模块中，对返回的数据信息进行分类、分析、推理、判断，最终得出诊结果，并给出维修建议，然后存储诊断结果以便日后检查；

（5）网络协议模块：在该模块中，根据故障检测指令，通过网络管理协议和应用程序接口，再通过无线网络传输这些信息到网络数据库所在网络中去[4,5]。

5 结束语

本系统用于基于振动信号分析的汽车远程故障诊断。数据采集和初步分析在嵌入式系统中完成，再由蓝牙模块完成对接收端的无线传输，借助网络的丰富资源实现对各类故障的准确判定，故障诊断的识别方法见参考文献[1]，并指导驾驶人员进行相应的操作。该诊断方法能有效地提高效率、节约成本，具有广阔的应用前景。

1黄强，宋士华，丁志华等.基于振动分析的柴油机故障程度的研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007（6）：105-107.

2闵华松，刘光临.高速旋转机械嵌入式状态监测与故障诊断系统研究[J].信息与控制，2006（3）：309-313.

3 Chung L,Subramanian N.Architecture-Based Semantic Evolution:a Study of Remotely Controlled Embedded Systems.Proceedings ofthe IEEE International Conference on Software Maintenance.Los Alamitos,CA,USA:IEEE Computer Society,2001:663-666.

4 Lee C T,Rong Z W,Lin J M.Linux Kernel Customization for Embedded Systems by Using Call Graph Approach.Proceedings of the Asia and South Pacific Design Automation Conference.Kitakyushu,Japan,2003：689-692.

5 Discenzo F M,Unsworth P J,Loparo K A,et al.Self-Diagnosing Intelligent Motors:a Key Enabler for Next Generation Manufacturing Systems.Computing&Control Engineering Journal,2000(5):228-233.

The Remote Embedded Diagnosis System for Vehicles Based on Web Technology

Huang Qiang,Zhang Xiao
(School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China)

To construct an intelligent machine with self-diagnosis ability,the technology for realizing an embedded intelligent fault diagnosis system with remote monitoring,diagnosis, and maintenance functions for the vehicles is introduced systematically.The system is based on the digital signal processor that can measure and analyze vibration signals in real time. Then faults are analyzed in a remote diagnosis center.This embedded fault diagnosis technology can effectively improve the intelligence of a fault diagnosis system.

Embedded system;Web technology;Remote fault diagnosis

来稿日期：2009-02-10基金项目：江西省自然科学基金项目（2008GQC0002），江西省教育厅科技资助项目（GJJ08448）作者简介：黄强（1976-），男，副教授，博士后，主要研究方向为汽车智能控制与故障诊断。