農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶 斐，黃國(guó)毅，李 涵

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，212400，江蘇句容）

伴隨著電控柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的廣泛應(yīng)用，農(nóng)用機(jī)械故障也由簡(jiǎn)單的機(jī)械故障逐步轉(zhuǎn)向?yàn)閺?fù)雜的電控系統(tǒng)故障。農(nóng)用柴油機(jī)的主要使用對(duì)象是農(nóng)民，顯然，憑借傳統(tǒng)的維修經(jīng)驗(yàn)已然無法解決現(xiàn)在電控柴油機(jī)出現(xiàn)的故障診斷與排除的問題。此外，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械維修行業(yè)工作環(huán)境及條件的限制，維修從業(yè)人員專業(yè)知識(shí)水平普遍不高。因此，設(shè)計(jì)出合理的電控柴油機(jī)故障診斷教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為各院校及相關(guān)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的農(nóng)機(jī)維修專業(yè)人才培養(yǎng)搭建較好的平臺(tái)，是勢(shì)在必行的。目前，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部分故障診斷的培訓(xùn)教學(xué)的設(shè)備及系統(tǒng)主要有：電控柴油機(jī)故障診斷仿真軟件、電控柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、電控柴油機(jī)示教板及在車故障診斷系統(tǒng)等。本文主要針對(duì)目前農(nóng)機(jī)維修教育培訓(xùn)行業(yè)中所使用的電控柴油機(jī)故障診斷教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合無線技術(shù)在行業(yè)維修用設(shè)備上的應(yīng)用，擬設(shè)計(jì)一套基于無線控制的農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)的功能

農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了電控柴油機(jī)傳感器故障、ECU（電子控制單元）故障、執(zhí)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(tǒng)有如圖1 所示的功能。

圖1 農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)總體功能

首先，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)用電控柴油機(jī)的在車故障讀取，從ECU 端引出檢測(cè)端子，以故障指示燈跳碼的方式進(jìn)行人工讀碼，從而快速獲取故障信息。主要設(shè)計(jì)以下內(nèi)容。

（1）ECU 故障輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)柴油機(jī)電路圖，結(jié)合故障診斷接口的線路排列，合理設(shè)計(jì)讀碼引出線路。

（2）操作儀表改裝設(shè)計(jì)。在不影響原儀表板上各功能的基礎(chǔ)上，合理利用空間，設(shè)計(jì)故障燈顯示窗口，實(shí)現(xiàn)人工讀碼。

（3）故障參數(shù)匹配。針對(duì)引出的故障信息，利用外接專用故障解碼軟件進(jìn)行故障參數(shù)的獲取，與人工讀碼進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不正確的故障參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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

最后，可作為實(shí)訓(xùn)室設(shè)備利用人機(jī)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)管理平臺(tái)，通過無線控制系統(tǒng)，監(jiān)控各實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的使用情況，并作記錄。

2 故障診斷教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路如圖2 所示，在整機(jī)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(shè)置有無線收發(fā)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(guān)的通斷或串入電阻值的大小來改變ECU 接收的信號(hào)或發(fā)出的指令信號(hào)，從而達(dá)到控制柴油機(jī)工作狀態(tài)的目的。其中，故障設(shè)置是本教學(xué)平臺(tái)的主要作用，對(duì)傳感器電路采用通、斷路控制或是串入電阻提供失真信號(hào)，對(duì)電源電路和執(zhí)行電路一般是采用斷路控制及適當(dāng)?shù)亩搪房刂苼磉M(jìn)行故障設(shè)置。

圖2 故障診斷教學(xué)平臺(tái)整體關(guān)系圖

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，控制界面設(shè)計(jì)了繼電器遠(yuǎn)程控制、繼電器工作狀態(tài)顯示、模擬故障設(shè)置、模擬故障恢復(fù)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接顯示及ECU 檢測(cè)端子等功能。

3 農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的故障診斷需求，采用無線控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)電控系統(tǒng)電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了電控柴油機(jī)傳感器、執(zhí)行器及ECU等故障的診斷與模擬設(shè)置。此系統(tǒng)通過無線控制電路的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)故障及其他功能的遠(yuǎn)程控制。主要工作集中在對(duì)ECU 和各功能的電路設(shè)計(jì)，來保證該系統(tǒng)能達(dá)到一定的抗干擾性、可靠性及通用性。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)硬件部分主要由主控器、通信組件、繼電器驅(qū)動(dòng)組件和電源組件等部分組成。本系統(tǒng)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(nèi)核處理器，滿足此系統(tǒng)的各功能開發(fā)需求；通過GPRS 通信方式連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，以保證無以太網(wǎng)的條件下系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)遙控；繼電器驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換芯片。硬件電路設(shè)計(jì)方面主要采用功能模塊化及接口化設(shè)計(jì)，其中包括核心控制器電路、電源電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路及通信模塊電路的設(shè)計(jì)。繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示，GPRS 模塊電路如圖4 所示。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要圍繞結(jié)構(gòu)、原理圖、PCB、焊接、調(diào)試、測(cè)試的流程展開。硬件結(jié)構(gòu)及測(cè)試完成的硬件實(shí)物如圖5 所示。

圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

圖4 GPRS 模塊電路

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件功能的開發(fā)及各功能電路的充分利用是靠軟件實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)故障診斷臺(tái)主要通過無線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)用電控柴油機(jī)的故障診斷，因此系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)則是利用互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。為了避免有線以太網(wǎng)接入點(diǎn)固定及WiFi 接入距離受限的缺陷，本文選用GPRS 接入方式。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷臺(tái)遙控的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)則是基于硬件設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)及基于WEB的軟件設(shè)計(jì)。

其中，硬件驅(qū)動(dòng)部分基于STM32F103ZET 的嵌入式軟件采用MDK4.12 開發(fā)工具開發(fā)。故障診斷系統(tǒng)中融合了ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議和RS-232 協(xié)議，設(shè)計(jì)合理的通信規(guī)約。故障診斷臺(tái)僅執(zhí)行設(shè)備控制這一任務(wù)，上電初始化完成后即進(jìn)入遙控命令監(jiān)測(cè)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程服務(wù)器端的遙控命令報(bào)文，解析后進(jìn)行控制執(zhí)行的響應(yīng)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。遙控命令報(bào)文接收在中斷中進(jìn)行，從而保證快速響應(yīng)，完成一次報(bào)文接收后即對(duì)報(bào)文進(jìn)行CRC 校驗(yàn)和地址有效性檢驗(yàn)，以確認(rèn)報(bào)文的正確性及遙控繼電器的地址是否有效。校驗(yàn)通過后，根據(jù)報(bào)文解析出的繼電器地址，執(zhí)行相應(yīng)的繼電器動(dòng)作響應(yīng)。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)農(nóng)用電控柴油機(jī)自診斷系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試改進(jìn)后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，能夠正確讀取ECU內(nèi)部信息及故障信息。通過試驗(yàn)對(duì)比，該系統(tǒng)可應(yīng)用于各類農(nóng)用機(jī)械的電控柴油機(jī)。同時(shí)，該平臺(tái)教學(xué)功能豐富，具有故障模擬、數(shù)據(jù)讀取、統(tǒng)計(jì)等功能，可以用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中故障診斷等操作實(shí)訓(xùn)，還可以用于等級(jí)工等專業(yè)技能培訓(xùn)。