基于虚拟仪器的汽车ECU参数监测仪设计Word格式文档下载.docx
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但是这些检测方式不同程度地存在着稳定性差、操作复杂、检测误差大、检测效率低等缺点。
随着计算机技术和电子技术在汽车上的普及运用,汽车产业对汽车售后维修服务提出了更高要求,这促使了汽车的故障诊断采用了更多简便、快速和智能化的检测仪器,并且要求这些检测仪器能够实时采集和反映汽车工况的技术数据或曲线,依据这些检测仪采集的参数、曲线来进行汽车故障的诊断。
在这其中虚拟仪器技术的运用占到了很大的比重,取得了巨大的社会和经济效益。
与传统的仪器相比,虚拟仪器具有以下优势:
(1)极大的丰富和完善了传统仪器所具有的功能。
(2)用户可以自行定义仪器的功能。
(3)具有稳定性高的测量和便捷的重复性。
(4)成本低性价比高。
(5)具有较短的系统构造周期,方便用户进行功能扩展与升级。
(6)作为一种新兴技术,虚拟仪器为汽车仪表技术的发展注入了一股新鲜的活力,有利于以后的技术发展[2]。
通过OBD-Ⅱ接口协议与行车电脑ECU通信获得仪表测试所需的各种模拟、数字、开关、等各种信号参数,之后通过串口通信使OBD-Ⅱ蓝牙模块和PC平台的蓝牙接收器对接,再利用NI的LabVIEW软件对整个测试系统进行设计,最终目标是研制一个小巧、灵活、可靠性高的便携式检测系统,在汽车仪表检测中它能够针对大部分的车型,模拟产生仪表所需的各种采集信号信息,从而实现汽车状态信息的实时反馈。
随着计算机技术和检测技术的不断发展,更多的检测专业领域会将看到虚拟仪器技术的身影。
得力于LabVIEW的图形化编程平台,用户能够依据自己的各种需求,在较短的时间内搭建完成一套合适功能的汽车测试系统。
运用LabVIEW平台搭建各种系统不仅减少了开发调试周期使可执行的程序快速生成,还节省了许多成本。
此外兼具有数据存储,回放等功能。
1.2车辆状态监测仪的发展
随着改革开放以来三十多年的经济发展,我国的汽车工业有了很大的发展与进步,现今中国已成为世界第一大消费市场。
然而自新中国成立以来的相当一段时间,我国的汽车行业安全检测标准一直由国家强制性检定项目负责计量检定,以工程车为载体携带各种大量的汽车专用检测仪器对汽车仪表成产线进行参数的检测。
这种检测方式效率较为低下且可靠性能并不高。
自上世纪八十年代美国成功研制了VisualInstruments(虚拟仪器,简称VI)。
在中国虚拟仪器技术在汽车监测方面逐渐得到各种应用,一部分高校已经把虚拟仪器技术,特别是LabVIEW和科研试验结合起来,在汽车发动机振动的分析、试验监控等综合测试方面取得了很多研究成果。
运用LabVIEW搭建起来的汽车监测系统操作简单,用户可以自行地增、减模块,对系统进行重新配置以满足新的监测要求,既不会浪费已有的硬件和软件资源,又能满足监测要求。
由此可以预见,汽车仪表监测的虚拟仪器化是目前甚至以后相当一段时间技术发展方向。
1.3预期目标
(1)各个模块工作稳定。
(2)监测仪的软件部分,即LabVIEW程序能够适合OBD-Ⅱ硬件模块,软硬件能够很好的结合。
(3)OBD-Ⅱ模块能和LabVIEW软件模块实现蓝牙无线通讯,实时的监测汽车的ECU参数,并且可以存储和回放。
1.4论文主要内容和安排
本论文从虚拟仪器车辆ECU参数监测方向。
包括一下几点主要研究内容:
(1)汽车电子控制系统原理,学习OBD-Ⅱ模块接口协议。
(2)了解ELM327汽车诊断仪接口电路及其硬件相关。
(3)使OBD-Ⅱ硬件上的蓝牙模块和PC上的蓝牙接收器对接,调试蓝牙串口功能。
(4)设计该监测仪的硬件连接和软件程序,运用LabVIEW的图形化编程平台完成主要软件架构,搭建起一个PC实时车辆状态监测平台系统并且完成调试。
(5)分析监测仪性能参数,实验验证理论结果。
(6)完成该汽车ECU参数监测仪样机。
各章节内容如下:
第一章为前言,介绍了本研究课题的背景与意义,以及未来的发展方向。
第二章,ECU参数监测仪的总体设计,这章阐述了系统的需求分析、设计原则、设计流程、虚拟仪器技术的基本概念和应用,为之后的软硬件设计提供了基本的理论基础。
第三章,系统的硬件设计,根据所提出的硬件设计框架图,分别介绍了OBD汽车监测模块、蓝牙技术、PC蓝牙适配器。
以及它们的组成联系。
第四章,系统的软件设计,整个软件部分也才用模块化设计,根据软件设计流程表,分别介绍了串口通信模块、队列指令模块、事件判断模块、循环运行模块、数据储存模块、图标显示模块。
第五章为监测仪的系统实时调试和总结,在车辆驾驶室内部安插OBD-Ⅱ监测模块即ELM327,调试其与LabVIEW程序的蓝牙无线通讯。
第六章为最后总结整个监测仪设计中所遇到的问题和需要改进的缺陷。
2监测仪系统的总体设计
ECU参数设计仪器总体设计是根据需求解决OBD-Ⅱ硬件模块构型、软件平台、开发环境、研制策略等问题。
2.1监测仪系统的需求分析
ECU(ElectronicControlUnit)电子控制单元,又称“行车电脑”、“车载电脑”等。
从用途上讲则是一种汽车专用微机控制器,也叫汽车专用单片机。
在汽车行驶的过程中它不断地与采集来的各传感器的信号数据参数进行计算和比较,通过计算和比较的结果来控制发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。
汽车ECU参数监测仪,实时获取相关汽车行驶的参数,如发动机转速、行驶速度、油耗等,并通过LabVIEW的前面板控件图表化显示出来。
监测仪的具体需求分析如下:
(1)系统测试对象为:
带有ECU控制单元的小型车辆。
(2)系统的各项参数:
发动机转速、行驶速度、油耗、发动机冷却液温度。
(3)实验数据的存储:
实验信息和监测数据能够及时存储,选择合适的方式便于管理,并保证数据获取的效率和准确性;
(4)充分利用现有的实验条件和设备:
系统设计在满足实验实际需要的基础上应充分利用现有的条件,以节省成本,并充分发挥各仪器的功能。
2.2总体设计流程
检测仪系统总体设计流程图如图2-1:
图2-1系统总体设计流程图
(1)软件需求分析:
LabVIEW软件所需要的VISA资源、驱动、函数等。
(2)OBD-Ⅱ模块的选择:
选用ELM327诊断仪。
ELM327是目前最新基于PC的OBD-Ⅱ通用型汽车诊断检测工具。
它支持所有OBD-Ⅱ自诊断系统及与其相兼容的通讯协议检测。
ELM327为蓝牙接口,通过RS232转换协议连接笔记本电脑上的蓝牙适配器。
(3)软件各个功能区划分:
整个软件图形化编程分为一下几个功能部分:
●串口通信功能部分
●队列指令功能部分
●事件判断功能部分
●循环运行功能部分
●数据储存功能部分
●图标显示功能部分
(4)OBD-Ⅱ模块和PC蓝牙接口对接通信:
运用windowsBluetooth协议保持通讯。
2.3系统的设计原则
由于本监测系统应用于汽车上,依靠蓝牙传输,监测仪的工作环境比较复杂,有可能存在电磁干扰等外在不利因素,稳定性要求较高的同时又要考虑成本等因素。
因此,设计监测仪要考虑一下几点原则:
(1)可靠性好、功耗较低的原则。
由于该系统为数据监测系统,数据来源的可靠性和整个系统的稳定性高是首要的设计标准,并且由于系统的工作环境比较复杂,因此检测系统的稳定性要求比较高。
此外,由于该检测系统运行所需能源基本靠汽车本身提供,功耗较低可以节省汽车能源。
(2)软件和硬件比例协调的原则。
一般来说一个系统中,采用硬件越多可以提高系统的运行速度,使其性能提高,但所需成本也越高。
采用软件越多则可以减少硬件的数目从而降低成本,但软件的设计也愈加复杂,甚至会造成系统的不稳定。
所以要将软硬件结合起来考虑,找到一个平衡点,以最小成本实现系统的功能。
(3)模块化设计的原则
在设计系统的过程中,必须把系统分模块来设计,使各模块在系统结构功能上有相对的独立性和完整性。
模块化设计不仅便于整个系统的快速搭建,而且系统出现故障时可以得到迅速方便的检查和修理,对于日后的维护和升级有着重要的实际意义[3]。
2.4关于虚拟仪器技术的介绍
美国国家仪器公司NI(NationalInstruments)提出的虚拟测量仪器(VI)概念,这种新兴技术使得传统仪器领域发生了重大变革,它引导出了一个“即软件即是仪器”的全新理念,使得网络技术和计算机得以在仪器领域获得长足的发展。
所谓虚拟仪器,即是用计算机作为整个仪器系统的硬件平台,在计算机自带的的存储、运算、调用、回放功能下以实现各种仪器所需要的功能。
作为虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件,美国NI公司研发的LabVIEW软件在各种虚拟技术上得到广泛的应用。
与传统的文本编程语言依据语句和指令的文本顺序决定其程序的执行顺序相比,LabVIEW编程采用一种图标代替文本行创建应用程序即数据流编程方式。
程序的执行顺序依据为程序框图中节点之间的数据流向。
LabVIEW程序之所以被称为VI(VirtualInstrument)即虚拟仪器,是因为现实世界中的仪器在它的界面控件与操作都有对应的体现[4]。
LabVIEW提供了大量的工具箱和函数库,并集成了很多仪器硬件库。
LabVIEW编程支持多种操作系统平台,并且在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上,具有很好的可移植性。
2.4.1虚拟仪器的特点
虚拟仪器与传统仪器比较如表2-1,其中虚拟仪器具有以下特点
(6)软件即是仪器,软件占据主体地位,程序采用图形化、模块化设计,方便易懂[5]。
表2-1虚拟仪器和传统仪器的比较:
指标
虚拟仪器
传统仪器
结构
所组建的测量系统较灵活方便,软件占主体
测量系统包含多台子测量系统,硬件为主体
测量功能
测量功能可以由用户自己来定义,并且可以实现多功能测量和功能的删减。
测量功能由制造商确定,其功能不允许用户更改和删减
利用率
硬件资源可以重复的被用于不同的测量功能,其资源利用率高
由于固定的测量功能形式,不同的测量功能的实现需要不同的测量一起,利用率低
成本
维护、开发费用低廉,研制周期短
维护、开发费用高昂、研制周期长
更新周期
技术更新快
技术更新慢
适用场所
适用于现场或者通用实验室
适用于精密实验室
所用人员
可以单人设计研制
无法单人设计研制
2.4.2虚拟仪器的应用例子
(1)虚拟仪器在汽车方面的应用
随着汽车产业的蓬勃发展和科技的进步,一辆汽车的制造几乎全部可以用机器自动化来完成。
虚拟仪器在汽车技术上有很多的体现。
在汽车仪表制造方面,运用虚拟仪器技术可以设计一种在汽车仪表检测中涵概各种不同型号仪表的检测设备,对汽车仪表的生产质量和效率有重要的意义。
在汽车液力变矩器方面,由于液力变矩器性能的好坏将直接影响到汽车的行驶安全系数,可以运用虚拟仪器技术测量采集到不同转速和进口压力下的液力变矩器的性能参数。
其通过系统软件对这些参数进行比对和调整的能力,明显优于传统的测试仪,更加的有利于测试仪功能的扩充和智能测试与诊断的开发。
在在汽车的制动性和操纵稳定性方面,传统的汽车的制动性和操纵稳定性测试采用非接触式车速仪以及方位陀螺仪、垂直陀螺仪等传统仪器。
这些传统仪器设备大都具有结构复杂、成本较高的缺点,甚至有些参数的测量会造成较大的误差,并且有缺少相关的配套软件、数据处理繁琐等问题。
而利用虚拟仪器技术可以很方便的解决上述问题,它克服了传统的硬件检测仪器需要使用模拟跟踪仪绘制曲线进而靠人工判别辨认的缺点,实现了全数字化处理。
这对整个汽车系统的制动、操作性能的提高有重要作用[6]。
(2)虚拟仪器在教学方面的应用
由于高等学校特别是理工科学校,教学、科研需要大量的测量分析仪器设备,尤其在实验教学中,需要多套实验仪器,而且一些传统实验仪器设备价格极其昂贵,因此购买仪器仪器设备所需投资巨大,一般学校很难满足实验教学要求,由此造成许多学校仪器设备缺乏、老旧过时,严重影响了学校的教学科研和学生的学习。
运用虚拟仪器系统,可以很好的解决上述问题。
由于虚拟仪器以软件作为主要载体,在实验教学和科研中使用虚拟仪器不但可以节约大量的经费,而且能提高教学科研的效率和质量。
此外,可以用虚拟仪器开发平台如LabVIEW开发各种不带相关功能硬件的“虚拟仪器”,不仅简单,且具有交互性、可操作性和真实感。
它与实际的虚拟仪器非常类似。
它们可以组建成为一个个虚拟的实验室,让学生通过虚拟实验室对“虚拟仪器”的模拟操作使用,使之全面了解和掌握这些仪器的使用和操作,为将来实际操作虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备培养较好的基础,这样一来既可减少实验教学人员的劳累,降低实验仪器设备的损耗,又可以提高实验教学效果与质量。
以实验教学所需实验仪器为例,将各种虚拟仪器的操作使用方法和所涉及的原理设计成独立的教学模块系统,搭建起一个基于网络的虚拟实验室。
这对实验教学的提高有着重要的意义[7]。
在远程教育方面,虚拟仪器也有广泛的应用空间,利用虚拟仪器和Internet资源技术融合,如ASP(Activeserverpages,动态服务器主页)、Socket(套接字)等。
用LabVIEW自带的网络发布功能将Internet与虚拟仪器结合起来,可以为远程教育中实验教学这一公认的难题提供一种全新的解决方案[8]。
3.监测仪的硬件设计
OBD-Ⅱ监测硬件模块目前技术以及较为成熟,而汽车ECU参数监测所用到的功能也较单一。
所以所用的硬件可以选用价格较为低廉的ELM327汽车监测模块。
3.1监测系统硬件的整体结构设计
整体硬件结构如图3-1。
传输
图3-1监测仪硬件设计流程框图
3.2基于蓝牙技术的OBD-Ⅱ模块
OBD-Ⅱ(OnBoardDiagnostics),即随车诊断系统,它通过安装在汽车上的OBD-Ⅱ模块,实时监测汽车的运行状况。
目前,OBD-Ⅱ随车诊断系统的连接器采用SAEJ1962标准的16引脚插座,数字信号主要采用ISO914和SAEJ1850规定的电平信号编码,读取诊断信息必须通过专用的OBD-Ⅱ电缆及接口。
利用蓝牙技术,将OBD-Ⅱ接口的电平编码进行无线电传输,不仅方便了OBD-Ⅱ随车诊断系统的信息交换,也将大大扩展OBD-Ⅱ随车诊断系统的应用领域。
本监测仪采用的OBD-Ⅱ模块为ELM327。
3.2.1蓝牙技术
蓝牙技术(Bluetooth),它是一种定位在现代通信网络的最后10m的小范围无线电波传输系统。
由于汽车内汽车驾驶室内苛刻的电子运行环境:
电子装置要求的温度范围宽达-40℃+85℃。
此外,其他车载射频设备,如GPS导航设备、汽车立体声装置、卫星数字音频无线电装置以及其他电器设备,这些无线设备发射的无线电波会在汽车驾驶室内造成反射,从而形成周相移动,这些周相由于互相移动可能发生重叠的削弱或破坏所需的信号,这些设备之间不同程度会形成干扰。
蓝牙技术的开发可以很好的解决上述问题。
蓝牙技术之所以有很强的抗干扰能力原因有两点:
第一,蓝牙技术有跳频的能力,蓝牙传输过程中要求发射器和接收器按照预先设定的模式,将79个不同信道中的一个信道每秒钟调整1600次。
这样一来就在很大程度上提高了其传输抗干扰水平。
第二,蓝牙技术规范中有抵抗任意射频干扰源的技术。
这种技术称为CQDDR(信道质量数据驱动率),这种技术可以监控到环境中的干扰噪音,统计测量蓝牙传输过程中有多少数据被损坏,然后实时地调整蓝牙传输数据包的类型,从而达到抗干扰的目的,实现最高的有效数据速率。
汽车应用的电子产品中所用的芯片了融合CQDDR就可以保证实现最高的传输速率及较高的抗干扰能力。
蓝牙技术具有下列特点:
(1)蓝牙使用全世界通用的频段。
其工作频率范围标准定义为2.402~2.480GHz,由于此频段不属于无线电管制范围,所以无须向无线电管理局申请频率使用权,这大大的有利于相关通信产品迅速地普及。
此外蓝牙通讯中所采用的频率跳跃技术(frequencyhopping)可以降低电波衰减和避免与其它通信系统形成相互干扰。
(2)蓝牙通讯模块的硬件结构十分合理。
蓝牙模块的硬件构造紧凑,它将所有的芯片、电容和电阻等元件制造在同一片电路板上,成为一片独立整体的蓝牙系统。
(3)蓝牙模块与上机的连接方式。
蓝牙模块的接入方式主要有两种:
一种是内嵌;
另一种是外接。
采用内嵌方式时,主机内部负责处理整个蓝牙技术的通信协议,即主机自带蓝牙模块不需要HCI(主机控制接口)。
采用外接方式时,由于主机缺少蓝牙通讯模块,需要在HCL加安装一个蓝牙适配器,其中HCI上层的通信协议由主机负责处理,HCI下层的通协议则由加装的蓝牙模块负责处理。
(4)在各种电子设备的应用方面,具有低功率、低成本与低辐射的特点[9]。
3.2.2ELM327汽车蓝牙监测模块
其外观如图3-2所示,它支持所有OBD-Ⅱ自诊断系统及与其相兼容的通讯协议检测。
本设计才用的ELM327为蓝牙接口模式,通过windows蓝牙协议连接笔记本电脑。
ELM327主要参数如下:
●支持OBD-Ⅱ车载诊断通讯协议:
ISO15765-4(CAN)
ISO14230-4(KWP2000)
ISO9141-2
J1850VPW
J1850PWM
●输出协议方式:
RS232
●波特率:
9600
●LED指示灯:
OBD-ⅡTx/Rx、RS232Tx、电源
●工作电压:
12v
●工作电流:
45mA
其芯片引脚如图3-3:
图3-2ELM327模块外观图3-3ELM327的芯片引脚图
在监测仪设计的初期阶段,由于没有实车进行测试,需要给OBD-Ⅱ模块连接一个外接12V的电源,这样即使没有实车,OBD-Ⅱ模块也可以和LabVIEW实现基本的命令通讯。
例如OBD指令ATI和ATRV,通过LabVIEW发送这条指令通讯之后返回参数中可以获得OBD-Ⅱ模块的版本信息和工作电压,本设计中选取了一些具有代表性的汽车参数,其OBD通讯指令如表3-1。
表3-1OBD-Ⅱ通讯指令表
OBD-Ⅱ通讯指令
返回参数
ATI
OBD-Ⅱ模块版本
ATRV
OBD-Ⅱ模块工作电压
ATDP
汽车OBD-Ⅱ通讯协议版本
010C
发动机转速
010D
车速
202F
燃油液位
0105
发动机冷却液温度
011F
自发动机启动时间
010B
进气管绝对压力
在汽车上正确安装OBD模块之后,欲进行OBD通讯需先确定所测试汽车的OBD通讯版本协议,指令ATDP可以获得协议版本并设置为自动获取以方便可以在其它车辆上工作。
3.2.3用于PC上的微型蓝牙适配器
蓝牙适配器是用于各种数码产品能适用蓝牙设备的接口转换器。
它采用外接方式连接PC,通过HCI(主机控制接口)上层的通信协议来运行和工作,本设计中所用的蓝牙适配器如图3-4:
主要规格参数如下:
●执行标准:
蓝牙v2.0+EDR,USBv2.0
●最高通讯速率:
30K-100k每秒
●通讯距离:
开放空间10米
●调制方式:
2.4G直序跳频(FHSS)
●发射功率:
Class2级别
●尺寸与重量:
22x18x7mm2.5g
图3-4蓝牙适配器
4监测仪的软件设计
软件设计是监测仪的重点。
其设计流程如图4-1,确定了硬件型号之后,接下来要做的就是设计与之配套的软件,整个软件可以看成是一个生产者/消费者模型。
生产者可以看作为发送的各种指令,消费者则负责把这些指令发送到设备中并读取数据。
建立起OBD-Ⅱ模块和PC的蓝牙通讯,之后通过VISA串口通信在LabVIEW上图形化编程把OBD-Ⅱ实时监测
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