农用电控柴油机自诊断系统设计

聂 斐，黄国毅，李 涵

（江苏农林职业技术学院，212400，江苏句容）

伴随着电控柴油机在农业机械上的广泛应用，农用机械故障也由简单的机械故障逐步转向为复杂的电控系统故障。农用柴油机的主要使用对象是农民，显然，凭借传统的维修经验已然无法解决现在电控柴油机出现的故障诊断与排除的问题。此外，由于农业机械维修行业工作环境及条件的限制，维修从业人员专业知识水平普遍不高。因此，设计出合理的电控柴油机故障诊断教学实验系统，为各院校及相关培训机构的农机维修专业人才培养搭建较好的平台，是势在必行的。目前，针对发动机部分故障诊断的培训教学的设备及系统主要有：电控柴油机故障诊断仿真软件、电控柴油机实验台架、电控柴油机示教板及在车故障诊断系统等。本文主要针对目前农机维修教育培训行业中所使用的电控柴油机故障诊断教学实验系统的现状，结合无线技术在行业维修用设备上的应用，拟设计一套基于无线控制的农用电控柴油机自诊断教学实验系统。

1 农用电控柴油机自诊断系统的功能

农用电控柴油机自诊断系统主要实现了电控柴油机传感器故障、ECU（电子控制单元）故障、执行器故障和各部件线路连接故障的诊断及故障模拟，此系统有如图1 所示的功能。

图1 农用电控柴油机自诊断系统总体功能

首先，该系统实现农用电控柴油机的在车故障读取，从ECU 端引出检测端子，以故障指示灯跳码的方式进行人工读码，从而快速获取故障信息。主要设计以下内容。

（1）ECU 故障输出系统设计。根据柴油机电路图，结合故障诊断接口的线路排列，合理设计读码引出线路。

（2）操作仪表改装设计。在不影响原仪表板上各功能的基础上，合理利用空间，设计故障灯显示窗口，实现人工读码。

（3）故障参数匹配。针对引出的故障信息，利用外接专用故障解码软件进行故障参数的获取，与人工读码进行对比，对不正确的故障参数进行调整。

其次，可通过无线控制模拟出农用电控柴油机上如传感器、执行器及电子控制单元（ECU）常见的故障。

最后，可作为实训室设备利用人机时数统计管理平台，通过无线控制系统，监控各实训室设备的使用情况，并作记录。

2 故障诊断教学平台设计方案

本系统的整体设计思路如图2 所示，在整机的ECU 接口输入与输出端子上另串上一组电路控制模块，电路控制模块中设置有无线收发模块、继电器组合模块及串口控制器等装置。通过继电器开关的通断或串入电阻值的大小来改变ECU 接收的信号或发出的指令信号，从而达到控制柴油机工作状态的目的。其中，故障设置是本教学平台的主要作用，对传感器电路采用通、断路控制或是串入电阻提供失真信号，对电源电路和执行电路一般是采用断路控制及适当的短路控制来进行故障设置。

图2 故障诊断教学平台整体关系图

根据系统的设计要求，控制界面设计了继电器远程控制、继电器工作状态显示、模拟故障设置、模拟故障恢复、控制系统网络连接显示及ECU 检测端子等功能。

3 农用电控柴油机自诊断系统设计

针对农用电控柴油机自诊断系统产品开发的故障诊断需求，采用无线控制系统对柴油机电控系统电路进行控制，实现了电控柴油机传感器、执行器及ECU等故障的诊断与模拟设置。此系统通过无线控制电路的设计，可实现故障及其他功能的远程控制。主要工作集中在对ECU 和各功能的电路设计，来保证该系统能达到一定的抗干扰性、可靠性及通用性。

3.1 硬件设计

农用电控柴油机自诊断系统硬件部分主要由主控器、通信组件、继电器驱动组件和电源组件等部分组成。本系统采用处理器STM32F103ZET6 作为控制器的核心模块，高性能ARM Cortex-M3，32 位RISC 内核处理器，满足此系统的各功能开发需求；通过GPRS 通信方式连接远程服务器，以保证无以太网的条件下系统联网遥控；继电器驱动组件采用SRD-05VDC-SL-C 继电器及EL817 光耦器件；电源组件用LM2596 和AMS1117 电压转换芯片。硬件电路设计方面主要采用功能模块化及接口化设计，其中包括核心控制器电路、电源电路、继电器驱动电路及通信模块电路的设计。继电器驱动电路如图3 所示，GPRS 模块电路如图4 所示。该系统硬件设计主要围绕结构、原理图、PCB、焊接、调试、测试的流程展开。硬件结构及测试完成的硬件实物如图5 所示。

图3 继电器驱动电路

图4 GPRS 模块电路

图5 系统硬件结构与实物图

3.2 软件设计

硬件功能的开发及各功能电路的充分利用是靠软件实现的。该系统故障诊断台主要通过无线控制技术实现对农用电控柴油机的故障诊断，因此系统关键技术则是利用互联网来实现远程遥控。为了避免有线以太网接入点固定及WiFi 接入距离受限的缺陷，本文选用GPRS 接入方式。实现远程故障诊断台遥控的两个关键环节则是基于硬件设备的软件设计及基于WEB的软件设计。

其中，硬件驱动部分基于STM32F103ZET 的嵌入式软件采用MDK4.12 开发工具开发。故障诊断系统中融合了ZigBee 无线传感器网络协议、TCP/IP 协议和RS-232 协议，设计合理的通信规约。故障诊断台仅执行设备控制这一任务，上电初始化完成后即进入遥控命令监测状态，实时监测远程服务器端的遥控命令报文，解析后进行控制执行的响应。软件设计流程如图6所示。遥控命令报文接收在中断中进行，从而保证快速响应，完成一次报文接收后即对报文进行CRC 校验和地址有效性检验，以确认报文的正确性及遥控继电器的地址是否有效。校验通过后，根据报文解析出的继电器地址，执行相应的继电器动作响应。

图6 软件设计流程图

4 结语

在对农用电控柴油机自诊断系统进行多次测试改进后，系统运行稳定，响应速度快，能够正确读取ECU内部信息及故障信息。通过试验对比，该系统可应用于各类农用机械的电控柴油机。同时，该平台教学功能丰富，具有故障模拟、数据读取、统计等功能，可以用于实践教学环节中故障诊断等操作实训，还可以用于等级工等专业技能培训。