电子控制单元仿真测试台信号检测的界面设计与实现

周建萍，王志萍

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090）

自动变速技术是提高车辆使用性能、改善车辆动力性和经济性的有效措施，同时还将大大减轻驾驶员的劳动强度［1］.工控机是电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）仿真测试台中测试电路的核心单元，它发出ECU所需的各种信号，如模拟量、数字量和频率量，通常ECU都能有效地识别与接受由工控机通过定时器8253发出的频率量，但当频率未定时，ECU就不能识别与接受.其原因是在计数初值每次写入8253后，还要经过一个时钟脉冲的上升沿和下降沿，才能将计数初值装入实际的计数器，在频率转换的交接处会产生频率未定的波形，此未知频率的大小完全是随机的，它造成了ECU所接受到的频率量被间断或产生奇异变化［2］.

长期以来，傅立叶变换是研究函数奇异性的主要工具［3，4］，但傅立叶变换对信号的表示要么在时域，要么在频域，不能反映出随时间变化的频率，缺乏空间局部的变化.因此，它只能确定一个函数奇异性的整体性质，而难以确定奇异点在空间的位置和分布情况.小波分析具有时频局部化性质，能够有效地分析信号的奇异性，确定奇异点的位置与奇异度的大小［5］.本文采用db5小波对ECU仿真测试台的转速信号发生突变所产生的奇异点进行检测，设计了用户友好的操作界面，并通过MATLAB进行仿真实现.

1 ECU仿真测试台

自动变速器中的ECU是自动变速系统的核心部件，设计ECU仿真测试台的主要目的是为研究桑塔纳2000型轿车自动变速器的结构和性能提供一个平台.图1给出了ECU仿真测试台的基本工作原理.仿真测试台的硬件主要包括工业控制机，显示器，自动变速器的ECU，818L板，726D/A转换板，VF转换电路板，电磁阀，信号显示仪表板，电源，试验台箱体［2］.

图1 ECU仿真测试台结构原理

桑塔纳2000型轿车的自动变速器ECU的基本工作原理是：中央微处理器接收多种传感器采集的代表汽车状态的各种外围信号，并对这些数据进行存储和处理，根据汽车运行状态和驾驶员意愿调用不同的换档规律，然后通过控制电磁阀的开闭驱动相应执行机构，实现对变速器制动器、离合器、液力变矩器锁止的自动控制，完成自动变速.ECU系统结构如图2所示［2］.

汽车自动变速电子控制系统是典型的多输入多输出系统.系统输入信号有4种类型：模拟量信号、开关量信号、连续脉冲信号和单脉冲信号.输出信号有3种类型：顺序电磁阀、PWM信号和开关量信号.

图2 ECU系统结构示意

2 小波变换及其db5小波

时频分析方法的基本思想是将能量有限的信号分解到一组正交基上，这组正交基或是可数，或是不可数，但都是在给定的信号函数空间上稠密.而短时傅里叶变换则在正交基上又加了一组时间窗，在数学上是对分解后的信号再进行一次分解.如果能找到一组函数，使其成为在能量有限信号的函数空间上稠密的正交基，并且单纯的由一个函数的伸缩和平移生成，这就是小波变换的思想.

小波变换的定义是把某个被称为基本小波（也叫母小波）的函数ψ（t）做位移b后，再在不同尺度下与待分析的信号做内积［5］：

式中的t是连续变量，a和b也是连续变量，所以称式（1）为连续小波变换（Continuous Wavelet Transform，CWT）.加因子1/是使在不同的尺度a值下与基本小波WTx（a，b）的能量保持相等.

信号奇异性是指信号在某处有间断或某阶导数不连续.奇异点即突变点，往往包含了信号的重要特征.将小波函数看作某一平滑函数的一阶导数时，信号小波变换模的局部极值点对应于信号的突变点（或边缘）;将小波函数看作某一平滑函数的二阶导数时，信号小波变换模的过零点也对应于信号的突变点（或边缘）.因此，采用检测小波变换系数模的过零点和局部极值点的方法可以检测信号的边缘位置.

Daubechies小波系是由法国学者Daubechies提出的一系列二进制小波的总称［6］.在MATLAB中记为db N（N为小波的序号，N=2，3，…，10）.该小波没有明确的解析表达式，小波函数Ψ与尺度函数Φ的有效支撑长度为2N－1，小波函数Ψ的消失矩为N.Daubechies小波系具有紧支撑正交、不对称、正交分解、双正交分解、精确重构、有限滤波器、快速算法等特点，所以可以很好地用于信号的奇异性检测.

3 ECU仿真测试台信号检测的界面设计

ECU仿真测试台发出频率量来模拟汽车的转速.实际上桑塔纳2000型轿车转速信号的原始采集信号为正弦信号，桑塔纳2000型轿车从低速到高速的加速过程所反映的转速信号为低频到高频，同理其从高速到低速的减速过程所反映的转速信号为高频到低频，所以在MATLAB仿真中可以由两个不同频率的正弦信号合成为原始信号，原始信号在频率交接处产生突变.综合起来，需要进行奇异点检测的转速信号共有4种：从低频到高频加速时的转速信号;从高频到低频减速时的转速信号;从低频到高频再到低频时的转速信号;从高频到低频再到高频时的转速信号.为方便起见，设计一个对用户来说操作方便且友好的界面非常必要.图3为ECU仿真测试台信号检测界面，其左下方的坐标轴显示的是从高频到低频减速时的转速信号.

图3 ECU仿真测试台信号检测的界面

先在“选择类型”里选择一种转速变化情况，在界面上的“选择类型”里面有4种转速变化可供选择，类型选好后会自动显示函数表达式，点击“生成函数”按钮就会在左下方的坐标轴上显示出变频信号的图形，再点击“添加噪声”按钮会在左下方的坐标轴上显示出变频信号染噪后的图形，最后点击“小波分析”按钮会在左下方的坐标轴上显示出小波分解后的细节信号.

4 基于小波变换的ECU仿真测试台信号检测

在MATLAB7.0编程环境下实现以上界面，采用db5小波对转速发生不同变化时的信号进行小波6层分解，并提取小波分解的系数，最后画出有价值的2层细节信号（d1和d2），见图4至图7.

图4 从低频到高频加速时的小波分解信号

图5 从高频到低频减速时的小波分解信号

图4是转速从低频到高频加速时的小波分解图，其原始信号在时刻点500 s处发生频率交接;图5是转速从高频到低频减速时的小波分解图，其原始信号在时刻点500 s处发生频率交接.

图6是转速从低频到高频再到低频时的小波分解图，其原始信号在250 s和850 s两个时刻点发生频率交接;图7是转速从高频到低频再到高频时的小波分解图，其原始信号在250 s和850 s两个时刻点发生频率交接.

图6 从低频到高频再到低频时的小波分解信号

图7 从高频到低频再到高频时的小波分解信号

从图4和图5可以看出，在信号分解的细节部分第1层（d1=500 s）非常清晰地显示了突变点的准确位置，并由此可以推出原始信号在此时刻点发生了突变，这与上面交接频率的参数设置完全吻合.图6和图7信号分解的细节部分第1层（d1=250 s，850 s）同样也验证了上述结论.

5 结论

（1）db5小波能准确地检测出ECU仿真测试台转速信号发生突变时的奇异点，为下一步研究ECU仿真测试台的信号并提高其性能奠定了基础.

（2）与傅立叶变换相比，小波变换由于具有时频局部化性质，不仅可以知道频率分量在信号中出现的种类，而且可以知道这些频率分量在时域内的变化状况，从而确定非平稳信号奇异点的位置.

［1］JEFFREY C，CUTAJAR R，RICHARDSON A.The integration of on-line monitoring and reconfiguration functions into a safety critical automotive electronic control unit［J］.Journal of Electronic Testing，2005（21）：405-416.

［2］周建萍.桑车2000自动变速器ECU仿真测试台的研究［D］.同济大学，2005.

［3］FANG Qiang，COSIC Irena.Can short time Fourier transform dectect the localized latent periodicity of a protein sequence?［C］//Biomedical Engineering，IEEE EMBS Asian-Pacific Conference，2003：66-67.

［4］NEVES F，SOUZA H，BUENO E et al.A space-vector discrete fourier transform for detecting harmonic sequence componentsof three-phase signals［C］//Industrial Electronics，IECON＇09.35th Annual Conference of IEEE，2009：3 631-3 636.

［5］孙延奎.小波分析及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2005：157-175.

［6］ALBERT Boggess，FRANCIS JNarcowich.小波与傅里叶分析基础［M］.北京：电子工业出版社，2005：210-218.

（编辑胡小萍）