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【摘 要】 将ARM嵌入式技术与OBDII随车诊断系统相结合，研发一种高速、精确的发动机性能检测系统，利用内部的高速AD对发动机的点火系统等进行采集、处理，同时利用带有OBDII协议的模块连入汽车OBDII接口，通过蓝牙将故障码传送到上位机。在实验中对汽车发动机的点火系统、空气流量计等进行了测试，并对波形进行分析，证明系统的可行性，提高了发动机检测的效率，具有较高的使用价值。
【关键词】 发动机 ARM OBDII 检测 蓝牙
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.08.007
发动机是汽车的心脏，由于其结构复杂并且工作条件环境恶劣，因此故障率往往很高，所以掌握发动机的综合性能检测技术变得尤为重要。随着嵌入式计算技术的高速发展，汽车上安装了越来越复杂的电子器件，传统的检测技术已经无法满足现代汽车故障诊断的需求，使得对汽车发动机检测设备的可靠性、实用性、智能性等方面提出了更高要求，所以研究高性能的综合汽车检测系统刻不容缓。
1 系统总体结构
发动机性能检测系统的结构框图如图1所示，由下位机和上位机两部分组成。下位机以意法半导体公司的Cortex-M3架构芯片STM32F103作为控制器，模拟信号经调理电路以后进入STM32F103内部，利用STM32F103内部集成的高速AD模块对信号采样转换，转换后的数据通过从串口蓝牙模块传送到上位机处理，芯片内部的64K RAM和512K FLASH可以作为数据缓存、存储，配有一个LCD屏进行显示。另外下位机中配有一个独立的OBDII模块，用于直接插到汽车的OBDII接口，通过连接蓝牙模块将故障码传送到上位机作诊断处理。上位机是系统的核心，决定了系统的整体性能，采用三星公司的ARM11系列单片机S3C6410为核心处理器，其最高工作频率可以达到667MHz。上位机系统配有256M的SRAM和2G的NAND FLASH用来保证Linux系统的通畅运行。上位机配有一个蓝牙模块用于分时接收下位机传上来的数据；还配有一个2G海量存储卡用于存储采集的数据；再配有一个5寸LCD触摸屏用于实现人机交互接口。
图1 发动机检测系统结构框图
2 数据采集与处理系统
2.1 A/D数据采集模块
STM32F103ZET内部集成3个12位逐次逼近型模拟数字转换器，它的最快转换时间1us；有多达18个通道，包括16个外部和2个内部信号源；每个通道的A/D具有单次转换、连续转换、间断以及扫描四种模式；支持DMA方式；当采用双AD模式采集时，在主频为56MHZ时可以达到2MHZ的采样速率。
发动机检测数据采集系统采用ADC1的通道1、通道2，ADC3的通道3、通道4四路输入进行采集，采用连续转换，用定时器控制采样速率，利用DMA1和DMA2分别对ADC1和ADC3采集的数据进行直接存储到数组Buff1[800]和Buff2[800]中，其中Buff1数组的奇数存放的是1通道A/D后的值，偶数存放的是2通道A/D后的值，Buff2数组的奇数存放的是3通道A/D后的值，偶数存放的是4通道A/D后的值。
2.2 系统蓝牙通信模块与实现
发动机检测系统采用GC-02-DIP蓝牙模块实现通信，Class2蓝牙模块最大波特率为1.3Mbps，工业级无线数据采集，一对一自动建链，透明串口；可上传数据至PC、笔记本、PDA、智能手机等。GC-02-DIP的串口波特率、起始位、停止位、奇偶校验位由编程设定，串行口为TTL电平，如果与计算机串口通信时要采用RS232电平转换器，计算机最大波特率为115200bps，如果超过，需外加高速串口。
3 上位机系统研究与开发
上位机主要是以S3C6410为核心控制单元，包括核心控制器、存储器接口电路、TFT液晶显示电路、触摸屏电路、蓝牙模块电路、海量存储电路、电源电路等。
3.1 人机交互界面
人机交互接口是本系统的一个重要组成部分，大量的人机交互信息需要通过人机交互界面来完成，用户只有通过人机交互才能知道系统的内部运行信息。本系统的人机交互接口模块包括液晶显示器接口模块和触摸屏接口模块。触摸屏界面包含了位置和方位控制逻辑、ADC界面逻辑和中断发生逻辑。系统的触摸屏接口模块利用S3C6410提供的触摸屏接口，采用四线制电阻式触摸屏，电源电压3.3V。其中触摸屏接口控制触摸屏的位置和方位（TSXP，TSXM，TSYP，TSYM）为X坐标转换和Y坐标转换选择触摸屏的位置和方位。
3.2 上位机应用程序开发
上位机系统主要实现上位机与下位机之间的蓝牙通信；OBDII模块数据的解码，分析故障并提供给用户解决方案；SD卡的数据存储及对前端采集数据的波形显示等功能。
4 实验检测
系统的试验和测试都是在桑塔纳2000AJR发动机实验台上进行的，分别对发动机的单缸初级点火波形以及空气流量计波形进行检测，得到的数据波形如图2和图3所示。
图2 单缸初级点火波形
从图2可知，系统采集到的发动机初级点火波形的充电段，击穿段，放电段以及振荡段都很清晰。为了保证程序运行速度，最大限度地捕捉信号，采用了简化程序的绘图算法的方法。可以对存储后的波形进行分析，可以分析波形的相关参数，如点火波形的击穿电压，充电时间，放电电压等参数。同时还可以进行多缸点火波形检测，实现平列波，并列波，重叠波等波形显示，分析，对比，更方便直观的看出击穿电压是否均衡，点火电压是否有差异，凸轮磨损不均匀等点火系统常见故障。
当发动机运转时，波形的幅值好像不断的再跳动，这是正常的。因为热膜式空气流量计中没有任何机械运动部件，测量值不会受到运动部件惯性因素的影响，所以它能够快速地对空气流量变化做出反映。图3中加速时波形中的杂波主要是由于在进气真空之下各缸进气口上的空气气流脉动引起的，但是发动机ECU中的处理电路一般都会清除这些杂波信号。
5 结语
采用ARM嵌入式技术与OBDII随车诊断系统相结合研发了一套高速、精确的发动机性能检测系统，分别对检测系统的下位机硬件系统和上位机软件系统进行了开发和研究，并将该系统应用在发动机实验台上，实验结果表明，系统的检测结果精确度较高，具有非常好的动态性能，对研究发动机的点火系统、空气流量计等方面的性能具有非常重要的意义。
作者简介
黄宇，本科，工程师，现于沈阳特种设备检测研究院从事特种设备检验工作。
（责任编辑：张晓明）
【关键词】 发动机 ARM OBDII 检测 蓝牙
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.08.007
发动机是汽车的心脏，由于其结构复杂并且工作条件环境恶劣，因此故障率往往很高，所以掌握发动机的综合性能检测技术变得尤为重要。随着嵌入式计算技术的高速发展，汽车上安装了越来越复杂的电子器件，传统的检测技术已经无法满足现代汽车故障诊断的需求，使得对汽车发动机检测设备的可靠性、实用性、智能性等方面提出了更高要求，所以研究高性能的综合汽车检测系统刻不容缓。
1 系统总体结构
发动机性能检测系统的结构框图如图1所示，由下位机和上位机两部分组成。下位机以意法半导体公司的Cortex-M3架构芯片STM32F103作为控制器，模拟信号经调理电路以后进入STM32F103内部，利用STM32F103内部集成的高速AD模块对信号采样转换，转换后的数据通过从串口蓝牙模块传送到上位机处理，芯片内部的64K RAM和512K FLASH可以作为数据缓存、存储，配有一个LCD屏进行显示。另外下位机中配有一个独立的OBDII模块，用于直接插到汽车的OBDII接口，通过连接蓝牙模块将故障码传送到上位机作诊断处理。上位机是系统的核心，决定了系统的整体性能，采用三星公司的ARM11系列单片机S3C6410为核心处理器，其最高工作频率可以达到667MHz。上位机系统配有256M的SRAM和2G的NAND FLASH用来保证Linux系统的通畅运行。上位机配有一个蓝牙模块用于分时接收下位机传上来的数据；还配有一个2G海量存储卡用于存储采集的数据；再配有一个5寸LCD触摸屏用于实现人机交互接口。
图1 发动机检测系统结构框图
2 数据采集与处理系统
2.1 A/D数据采集模块
STM32F103ZET内部集成3个12位逐次逼近型模拟数字转换器，它的最快转换时间1us；有多达18个通道，包括16个外部和2个内部信号源；每个通道的A/D具有单次转换、连续转换、间断以及扫描四种模式；支持DMA方式；当采用双AD模式采集时，在主频为56MHZ时可以达到2MHZ的采样速率。
发动机检测数据采集系统采用ADC1的通道1、通道2，ADC3的通道3、通道4四路输入进行采集，采用连续转换，用定时器控制采样速率，利用DMA1和DMA2分别对ADC1和ADC3采集的数据进行直接存储到数组Buff1[800]和Buff2[800]中，其中Buff1数组的奇数存放的是1通道A/D后的值，偶数存放的是2通道A/D后的值，Buff2数组的奇数存放的是3通道A/D后的值，偶数存放的是4通道A/D后的值。
2.2 系统蓝牙通信模块与实现
发动机检测系统采用GC-02-DIP蓝牙模块实现通信，Class2蓝牙模块最大波特率为1.3Mbps，工业级无线数据采集，一对一自动建链，透明串口；可上传数据至PC、笔记本、PDA、智能手机等。GC-02-DIP的串口波特率、起始位、停止位、奇偶校验位由编程设定，串行口为TTL电平，如果与计算机串口通信时要采用RS232电平转换器，计算机最大波特率为115200bps，如果超过，需外加高速串口。
3 上位机系统研究与开发
上位机主要是以S3C6410为核心控制单元，包括核心控制器、存储器接口电路、TFT液晶显示电路、触摸屏电路、蓝牙模块电路、海量存储电路、电源电路等。
3.1 人机交互界面
人机交互接口是本系统的一个重要组成部分，大量的人机交互信息需要通过人机交互界面来完成，用户只有通过人机交互才能知道系统的内部运行信息。本系统的人机交互接口模块包括液晶显示器接口模块和触摸屏接口模块。触摸屏界面包含了位置和方位控制逻辑、ADC界面逻辑和中断发生逻辑。系统的触摸屏接口模块利用S3C6410提供的触摸屏接口，采用四线制电阻式触摸屏，电源电压3.3V。其中触摸屏接口控制触摸屏的位置和方位（TSXP，TSXM，TSYP，TSYM）为X坐标转换和Y坐标转换选择触摸屏的位置和方位。
3.2 上位机应用程序开发
上位机系统主要实现上位机与下位机之间的蓝牙通信；OBDII模块数据的解码，分析故障并提供给用户解决方案；SD卡的数据存储及对前端采集数据的波形显示等功能。
4 实验检测
系统的试验和测试都是在桑塔纳2000AJR发动机实验台上进行的，分别对发动机的单缸初级点火波形以及空气流量计波形进行检测，得到的数据波形如图2和图3所示。
图2 单缸初级点火波形
从图2可知，系统采集到的发动机初级点火波形的充电段，击穿段，放电段以及振荡段都很清晰。为了保证程序运行速度，最大限度地捕捉信号，采用了简化程序的绘图算法的方法。可以对存储后的波形进行分析，可以分析波形的相关参数，如点火波形的击穿电压，充电时间，放电电压等参数。同时还可以进行多缸点火波形检测，实现平列波，并列波，重叠波等波形显示，分析，对比，更方便直观的看出击穿电压是否均衡，点火电压是否有差异，凸轮磨损不均匀等点火系统常见故障。
当发动机运转时，波形的幅值好像不断的再跳动，这是正常的。因为热膜式空气流量计中没有任何机械运动部件，测量值不会受到运动部件惯性因素的影响，所以它能够快速地对空气流量变化做出反映。图3中加速时波形中的杂波主要是由于在进气真空之下各缸进气口上的空气气流脉动引起的，但是发动机ECU中的处理电路一般都会清除这些杂波信号。
5 结语
采用ARM嵌入式技术与OBDII随车诊断系统相结合研发了一套高速、精确的发动机性能检测系统，分别对检测系统的下位机硬件系统和上位机软件系统进行了开发和研究，并将该系统应用在发动机实验台上，实验结果表明，系统的检测结果精确度较高，具有非常好的动态性能，对研究发动机的点火系统、空气流量计等方面的性能具有非常重要的意义。
作者简介
黄宇，本科，工程师，现于沈阳特种设备检测研究院从事特种设备检验工作。
（责任编辑：张晓明）