孫先松

長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 荊州 434023

我國(guó)城市化的建設(shè)發(fā)展很快，挖掘機(jī)在建設(shè)中起到了非常重要的作用。目前，很多挖掘機(jī)都到了經(jīng)常出故障的階段，如果不及時(shí)修理，對(duì)使用方的經(jīng)濟(jì)損失會(huì)很大。機(jī)械和液壓系統(tǒng)的故障很直觀，一般機(jī)修人員都能檢測(cè)維修，而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)故障，專業(yè)的有經(jīng)驗(yàn)的維修人員有時(shí)都很難檢測(cè)與維修。美國(guó)卡特彼勒公司(Caterpillar，簡(jiǎn)稱CAT)生產(chǎn)的系列挖掘機(jī)因?yàn)橘|(zhì)量和性能優(yōu)良，在我國(guó)擁有大量的客戶，其發(fā)動(dòng)機(jī)的維修資料很少，特別是其電控模塊資料都沒有公開，維修需借助專用工具。筆者通過對(duì)CAT 320D型發(fā)動(dòng)機(jī)的ECM模塊進(jìn)行測(cè)試分析，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)只需用戶接上挖掘機(jī)的相應(yīng)接口，就能在本地診斷發(fā)動(dòng)機(jī)，或者遠(yuǎn)程傳輸給有經(jīng)驗(yàn)的維修人員，以更準(zhǔn)確地診斷發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)、性能和故障[2]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

CAT 320D型挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示[3]。主要包括數(shù)據(jù)源端(發(fā)動(dòng)機(jī)電控模塊ECM)、數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分和遠(yuǎn)程終端[4]3個(gè)部分。

圖1 CAT發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture diagram of CAT engine remote diagnosis system design

1)數(shù)據(jù)源端 ECM主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電控系統(tǒng)的故障進(jìn)行自診斷，檢測(cè)各傳感器的好壞和工作狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視和保護(hù)，并保存所有相關(guān)的數(shù)據(jù)，可通過專用適配器和ET軟件讀出數(shù)據(jù)和進(jìn)行編程配置。診斷系統(tǒng)是直接從ECM中讀出數(shù)據(jù)和進(jìn)行配置，不需要專用的適配器。

2)數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分 使用一個(gè)主控CPU，通過CDL接口電路與ECM進(jìn)行通信，并外接GPS模塊、4G模塊和電源、本地接口，通過4G模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。

3)遠(yuǎn)程終端 遠(yuǎn)程終端是連接到Internet網(wǎng)絡(luò)的一臺(tái)服務(wù)器，通過公網(wǎng)接收4G模塊傳送的數(shù)據(jù)，服務(wù)器上設(shè)計(jì)有相應(yīng)軟件，主要完成接收數(shù)據(jù)、顯示和發(fā)送控制命令等工作。服務(wù)器可申請(qǐng)固定IP、租用云服務(wù)器或者使用第三方域名解析軟件來實(shí)現(xiàn)。

2 電控系統(tǒng)原理

ECM是核心部件，具有連續(xù)監(jiān)測(cè)并控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，主要有燃油噴射控制、點(diǎn)火控制、怠速控制、各種傳感信號(hào)檢測(cè)、工作狀態(tài)指示、自診斷與報(bào)警、數(shù)據(jù)通信總線接口等。CAT 320D型發(fā)動(dòng)機(jī)使用的ECM功能框圖如圖2所示。主要接有壓力、溫度、位置和轉(zhuǎn)速4種傳感器，能完成發(fā)動(dòng)機(jī)工作全部的電子控制，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)故障和電氣系統(tǒng)故障診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視和保護(hù)的信息，用戶還可以可編程設(shè)置配置參數(shù)[5]。ECM數(shù)據(jù)讀寫要通過CAN總線或CDL總線，有數(shù)據(jù)模式和校正模式2種操作模式。數(shù)據(jù)模式有8種級(jí)別信息：PS壓力[6]、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、液壓油溫度、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、實(shí)時(shí)故障代碼、數(shù)據(jù)輸入和控制輸出顯示。校正模式信息包括發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、ECM型號(hào)、軟件版本信息、數(shù)據(jù)輸出測(cè)試、PRV閥控制測(cè)試、轉(zhuǎn)速設(shè)置、PS壓力校正、校核發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開關(guān)、自動(dòng)控制制動(dòng)器校正、PRV閥校正等。所有數(shù)據(jù)都可以通過CAT自定義的CDL總線進(jìn)行讀寫[7]。

圖2 ECM功能框圖Fig.2 ECM functional block diagram

通過對(duì)ECM數(shù)據(jù)的讀寫，可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式配置，設(shè)計(jì)中還必須了解具體外圍部件的連接。320D型ECM有A、B 2個(gè)接口，引腳定義圖如圖3所示，主要信號(hào)說明如表1所示。

圖3 ECM的A、B接口引腳定義圖Fig.3 A and B Interface pin definition diagram of ECM

表1 ECM的A、B接口信號(hào)說明

3 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件實(shí)現(xiàn)部分主要是數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分，以FPGA芯片EP4CE10E22為控制核心，連接一個(gè)GPS模塊和一個(gè)4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)從ECM的CDL接口輸入輸出數(shù)據(jù)，并通過4G模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。

3.1 FPGA核心單元電路設(shè)計(jì)

FPGA芯片為Altera Cyclone IV的E系列，共有10320邏輯單元，片內(nèi)有414kbit RAM，有645個(gè)邏輯塊、2個(gè)PLL、10個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、8個(gè)IO BANK，用戶可用91個(gè)IO口，內(nèi)核工作電壓1.15～1.25V，144引腳EQFP封裝。CDL接口數(shù)據(jù)首先經(jīng)過隔離、調(diào)理后進(jìn)入FPGA的52、53腳，ECM各種操作模式下數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一致，為了保證編解碼和通信的實(shí)時(shí)性，F(xiàn)PGA外圍接有一片SDRAM存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)緩存，主控電路如圖4所示。另外FPGA還需要有下載電路及配置電路，如圖5所示。

圖4 FPGA主控電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of FPGA main control circuit

圖5 配置和下載電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of configure and download circuit

3.2 GPS模塊單元電路設(shè)計(jì)

GPS模塊使用的是ATGM336H，它是一款高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊，支持中國(guó)的北斗、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS 以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS。模塊通過串口連接到FPGA的串口1上(TXD1和RXD1引腳)，模塊引腳和電路原理圖如圖6所示[8，9]。

圖6 GPS模塊電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of GPS module circuit

3.3 4G模塊單元電路設(shè)計(jì)

4G模塊使用的是USR-LTE-7S4 V2，支持TD-LTE(移動(dòng)4G)制式標(biāo)準(zhǔn)，支持移動(dòng)和聯(lián)通的 2G/3G/4G方式、電信4G方式，數(shù)據(jù)傳輸最高下行速率150Mbps，上行速率50Mbps。在GSM方式下下行速率 384kbps，上行速率128kbps。支持IPv4、IPv6、IPv4/IPv6雙堆棧。模塊通過串口和USB接口2種方式與FPGA相連，串口通信速率最高可達(dá)115200kbps,USB接口為USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，電路原理圖如圖7所示[10，11]。

圖7 4G模塊電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of 4G module circuit

4 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件主要包括兩部分，一部分是數(shù)據(jù)采集硬件上的FPGA程序設(shè)計(jì)，另一部分是遠(yuǎn)程終端PC機(jī)上的程序設(shè)計(jì)[12]。

4.1 FPGA程序設(shè)計(jì)

主要涉及CDL信號(hào)的編碼與解碼、GPS配置與數(shù)據(jù)讀取、4G模塊的配置與數(shù)據(jù)收發(fā)，核心內(nèi)容是串口的收發(fā)設(shè)計(jì)。GPS模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183協(xié)議，波特率范圍4800～115200bps，默認(rèn)9600bps。在FPGA編程時(shí)，開機(jī)和復(fù)位GPS要注意GPS模塊冷啟動(dòng)時(shí)間≤35s，熱啟動(dòng)和重捕獲時(shí)間≤1s。另外定位更新率默認(rèn)1Hz。因此讀取速度可以幾秒鐘采樣一次。

4G模塊使用網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?，?shù)據(jù)通過模塊串口直接發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，不做任何處理和修改，模塊也可以接受來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并直接將接受信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口設(shè)備。FPGA編程時(shí)不需要關(guān)注串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，只需通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。模塊支持2路相互獨(dú)立的Socket連接，每路Socket僅支持作為TCP Client和UDP Client。每路Socket也都支持短連接方式，當(dāng)設(shè)置為短連接時(shí)，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)和服務(wù)器建立連接，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，如果一定時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，則會(huì)超時(shí)斷開。兩路Socket必須同為長(zhǎng)連接，或者同為短連接，不可混合使用。FPGA編程串口發(fā)送指令操作說明如表2所示。

表2 4G模塊操作指令說明

FPGA程序采用Verilog HL語言設(shè)計(jì)，分3個(gè)層次，其中第3層串行數(shù)據(jù)收發(fā)控制設(shè)計(jì)有FIFO緩沖單元，每個(gè)控制模塊中還需要有波特率控制、數(shù)據(jù)位格式設(shè)計(jì)等內(nèi)容，具體如圖8所示。

圖8 FPGA程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of FPGA programming

4.2 PC終端程序設(shè)計(jì)

在PC終端上，在Windows 10下采用Visual Studio2017進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，一部分是基于Socket的TCP服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作模式下數(shù)據(jù)量不一樣，最高不超過15kbps，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程使用單線程就能很好地工作；另一部分是界面和數(shù)據(jù)解析、功能實(shí)現(xiàn)，程序設(shè)計(jì)主界面如圖9所示。

圖9 PC終端主界面示意圖Fig.9 Diagram of main interface of PC terminal

主界面主要顯示一些系統(tǒng)信息和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等；顯示和清除診斷故障代碼；顯示記錄事件代碼；設(shè)置更改ECM的參數(shù)；進(jìn)行診斷和標(biāo)定；顯示發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行報(bào)警事件；匯總報(bào)告和打印診斷結(jié)果[13]。報(bào)告中主要包括如下信息[14]：

1)系統(tǒng)信息內(nèi)容：設(shè)備識(shí)別號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)序列號(hào)、ECM零件號(hào)、ECM序列號(hào)、軟件組零件號(hào)、軟件組發(fā)布日期、軟件組描述MHI。

2)額定功率、額定峰值扭矩、最高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍、Idle Speed。

3)測(cè)試規(guī)范：滿負(fù)荷油量設(shè)置、全扭矩設(shè)定值、保安系統(tǒng)固定化安裝狀態(tài)。

4)工作狀況：總工作時(shí)數(shù)、總?cè)加?消耗量)、總的怠速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、總的怠速燃油消耗、怠速時(shí)間百分比、平均燃油消耗量。

5)報(bào)警信息分為3級(jí)[15]：一級(jí)報(bào)警系統(tǒng)有未授權(quán)的鑰匙、電池電壓異常、液壓回油濾清器堵塞、ATT濾清器堵塞、空氣濾清器堵塞、燃油濾清器堵塞、油水分離器已滿、燃油油位低、潤(rùn)滑油油位低、自動(dòng)潤(rùn)滑故障；二級(jí)報(bào)警系統(tǒng)有進(jìn)氣溫度高、冷卻液溫度高、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)超速警告、液壓油溫度高、液壓油溫度高(工裝)、燃油壓力高、ECM故障、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊故障、監(jiān)視器故障、需要進(jìn)行維修、工裝控制故障；三級(jí)報(bào)警系統(tǒng)有提升超載警告、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力低。

6)記錄的診斷事件代碼[16]： ECM隨時(shí)自動(dòng)檢測(cè)相關(guān)的一些開關(guān)、傳感器、電磁閥等，將異常事件記錄在存儲(chǔ)器中，并對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警。讀出記錄事件代碼數(shù)據(jù)，便可以診斷分析故障。常見的有油門位置傳感器異常(診斷事件代碼91-8)、燃油濾清器壓差傳感器異常(95-3)、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓傳感器異常(100-3)、燃油壓力傳感器異常(經(jīng)過燃油濾清器之后)(460-3)、進(jìn)氣歧管壓力傳感器異常(1785-3)、燃油導(dǎo)軌壓力傳感器異常(1797-3)、進(jìn)氣加熱器異常(3257-3)。

CAT320D型能夠診斷的故障錯(cuò)誤有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力過低、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度過高、液壓油溫度過高、進(jìn)氣濾芯堵塞、蓄電池電壓異常、連到蓄電池電壓的調(diào)速器致動(dòng)器反饋傳感器開路或短路、連到機(jī)體接地的調(diào)速器致動(dòng)器反饋傳感器短路、調(diào)速器致動(dòng)器反饋信號(hào)不穩(wěn)定、調(diào)速器致動(dòng)器反饋信號(hào)有偏差、調(diào)速器致動(dòng)器不動(dòng)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、監(jiān)控器RAM異常、對(duì)控制器的供電過多(43V)、PRV電流過大、PRV開路、監(jiān)控器電源(數(shù)字輸出)過電流、數(shù)字輸出中過電流(開溝電磁閥)、數(shù)字輸出中過電流(微調(diào)控制電磁閥)、數(shù)字輸出中過電流(行駛速度變化電磁閥)、數(shù)字輸出中過電流(行車警報(bào)器)、備用電磁線圈1(數(shù)字輸出)過電流、數(shù)字輸出中過電流(轉(zhuǎn)盤制動(dòng)器電磁閥)、備用電磁線圈2(數(shù)字輸出)過電流、發(fā)動(dòng)機(jī)速度異常、連到機(jī)體接地的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器短路、連到機(jī)體接地的液壓油溫度傳感器短路？連到機(jī)體接地的泵輸送壓力PWM傳感器短路、連到機(jī)體接地的備用PWM傳感器1短路。連到機(jī)體接地的備用PWM傳感器2短路、通電中泵輸送壓力PWM傳感器開路、連到機(jī)體接地燃油傳感器開路、連到蓄電池電壓的燃油傳感器開路或短路；供電過低(低于23V)、供電過高(高于32V)、發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋鈕不在10個(gè)指定的位置之一、交流發(fā)電機(jī)和速度傳感器數(shù)據(jù)不符1(交流發(fā)電機(jī)異常)、交流發(fā)電機(jī)和速度傳感器數(shù)據(jù)不符2(速度傳感器異常)、發(fā)動(dòng)機(jī)失速等。

在實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)信息中，從ECM讀入的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換成溫度和壓力時(shí)，計(jì)算公式有所區(qū)別，具體程序如下：

if ((pd[2] == 0xF2) && (pd[3] == 0x20))//進(jìn)行溫度解析

{

tempf = (pd[7] * 256.0+pd[6]);

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_waterTemp.SetWindowTextA(temstr);//顯示發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度

tempf = (pd[15] * 256.0+pd[14])/10.0;

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_airTemp.SetWindowTextA(temstr);//顯示空氣進(jìn)氣溫度

tempf = (pd[19] * 256.0+pd[18])/10.0;

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_oilTemp.SetWindowTextA(temstr);//顯示燃油溫度

}

if ((pd[2] == 0xD0) && (pd[3] == 0x04) && (pd[4] == 0xB5))//共軌壓力解析

{

tempf = (pd[6] * 256.0+pd[5])*4.0;

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_railPressure.SetWindowTextA(temstr);

}

if ((pd[2] == 0x40) && (pd[3] == 0x00) && (pd[4] == 0x00))//空氣和機(jī)油壓力解析

{

tempf = (pd[19] * 256.0+pd[18])/2.0;

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_airPressure.SetWindowTextA(temstr);//顯示渦輪增壓出口壓力(絕對(duì))

tempf = (pd[16] * 256.0+pd[15])/2.0;

temstr.Format("%.2f",tempf);

c_oilPressure.SetWindowTextA(temstr);//顯示發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力(絕對(duì))

}

發(fā)動(dòng)機(jī)配置參數(shù)修改一般需要權(quán)限，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，工廠都設(shè)定有缺省值，如要修改發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制、高怠速、發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、功率標(biāo)定號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上限等原廠鎖定的參數(shù)，需要工廠密碼才能操作。

5 結(jié)語

通過對(duì)CAT320D型發(fā)動(dòng)機(jī)電控模塊的測(cè)試應(yīng)用，完全實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程的監(jiān)控和診斷功能，通過系統(tǒng)人機(jī)界面獲取信息，可以讓有經(jīng)驗(yàn)的維修人員遠(yuǎn)程協(xié)助故障處理。該系統(tǒng)也可分析導(dǎo)致故障的位置和原因，提高檢修的效率。只需要將CDL的數(shù)據(jù)編譯碼系統(tǒng)簡(jiǎn)單修改，便可以擴(kuò)展到CAT多種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程診斷中，也可以外圍增加一些傳感器檢測(cè)挖掘機(jī)的工作情況，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控功能更完善。