基于Simulink的小型汽油机温度传感器故障自诊断软件开发

李捷辉， 丁乐盛， 毛功平， 刘大为， 钟光耀

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)



·测试与诊断·

基于Simulink的小型汽油机温度传感器故障自诊断软件开发

李捷辉， 丁乐盛， 毛功平， 刘大为， 钟光耀

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

运用MATLAB/Simulink模型开发平台，采用飞思卡尔MC9S12XEP100单片机作为主芯片，选取典型的模拟量传感器温度传感器为研究对象，采用模块化的设计思想，开发了传感器故障诊断软件，通过特定的诊断算法以及容错策略判断传感器是否存在故障。在168F小型汽油机上,通过人为设置故障，验证了故障诊断软件的可行性。试验结果表明，该软件运行稳定可靠，诊断效果明显，对普通模拟量传感器的诊断软件开发具有指导意义。

汽油机； 温度传感器； 故障诊断； 软件开发

自1988年美国工程师协会(SAE)、美国环保署(EPA)、加州空气资源委员会(CARB)协同提出OBDⅠ系统标准以来[1]，该系统逐渐由缺乏统一检测项目、通信协议、诊断接口的情况发展成为对所有零部件及各项子功能都具有自诊断功能的OBDⅡ系统，程序规模占据控制软件的70%以上。国外著名的电喷系统供应商，如BOSCH,DELPHI,DENSO等，将自诊断技术作为核心技术进行严格保密[2]。因而，开发具有自主知识产权的故障自诊断系统十分必要。

近年来，国内诸多学者对OBD系统进行了大量研究，设计出了详细合理的诊断策略，开发出具有自主知识产权的诊断软件，诊断效果能够满足OBD系统的要求。北京交通大学张欣教授以WT615Z280CNG天然气发动机作为研究对象，对传感器故障等进行了分析并制订了详细的诊断策略，通过C语言编程实现对故障的自诊断[3]；长安大学吴克刚教授针对使用ST公司专用芯片L9741，L9709，L9825，L9958的硬件驱动方案进行分析，根据故障反馈信号生成故障码，实现对传感器等零部件的故障自诊断[4]；吉林大学的刘忠长教授以捷达1.6 L发动机作为对象研究车载诊断系统，研究传感器、执行器、三效催化转换器和失火故障诊断策略，并通过车队试验验证诊断软件的可靠性[5]；电子科技大学段翰聪教授利用以MC9S12DP256为主芯片的ECU，使用CodeWarrior作为开发工具编写软件，实现故障自诊断功能[6]；华南理工大学上官文斌教授研究了丰田卡罗拉电控系统，针对AVR单片机以汇编语言编写故障诊断软件[7]。

为进一步降低软件开发过程的出错率，提高软件的可读性和移植性，本研究以温度传感器作为研究对象，在分析信号处理电路的基础上，制订了相应的故障诊断策略及故障管理策略，采用基于模型的嵌入式软件开发方式以及代码自动生成技术，完成诊断软件的开发。

1 开发环境及硬件平台

1.1 基于模型的嵌入式软件开发

基于模型的设计(MBD)是指在软件设计过程中所有信息传递、运行的核心与基础都是若干模型。通过Simulink建立模型进行仿真调试，再使用RTW(Real-Time Workshop)工具进行代码自动生成[8]。Simulink是一个可视化的建模环境，通过可视化图形设计、快速原型化、迭代设计、系统仿真等过程，设计完成具有一定控制逻辑关系的模型[8]。

这种方法通过早期验证和各个设计环节的迭代，可以大大减少系统完成后和测试阶段出现的错误数量，减少甚至不出现返工的情况，从而提高开发的速度和系统的可靠性。基于模型的V形开发流程见图1。

1.2 主芯片

本电控系统选用Freescale 16位微处理器MC9S12XEP100作为主芯片，芯片具有增强型32位定时器、PWM发生器、32通道12位转换精度AD转换器、串行外设接口(SPI)、串行通信接口(SCI)和控制器局域网接口(CAN)，满足控制要求[9]。

1.3 温度传感器特性

温度传感器用于对进气、冷却水、机油等温度信号进行监测，对发动机起动喷油量、运行工况喷油量、点火提前角等参数进行修正[10]，因此，对温度传感器的诊断是自诊断系统的重要功能之一 。

本系统采用的温度传感器是具有负温度系数的热敏电阻式(NTC)传感器，即传感器自身的电阻值随着温度的升高而减小。传感器在电路中与一个标准电阻串联，并在两端施加5 V参考电压。当温度发生变化时热敏电阻阻值相应变化，两端的电压值也产生相应变化，因此，热敏电阻的电压信号可以表示当前温度信号[7]。

由于本系统采用的温度传感器是无源传感器，为了提高驱动能力，电路采用了添加上拉电阻的设计思路，并添加BAV99双向二极管对输入电路进行了限幅保护，添加Π型滤波电路对干扰信号进行消除。温度传感器信号处理电路见图2。

机体温度传感器的采样点在ETEMP处，经过信号处理电路得到一个模拟电压值，ECU内部的A/D模块可以将电压信号转换为数字量信号。由于系统设定采样精度为12位，因此采样值为0～4 095，该数字量可以反映传感器温度值。由于电阻R6与传感器自身所带电阻同处一条电路，根据串联电路的分压原理，与ECU相连的ETEMP端的电压值即为图2中A点处的电压值，通过监测ETEMP的输入值，即可对温度传感器进行诊断。A点电压由式(1)确定：

(1)

2 故障诊断策略软件设计

故障诊断软件的输入信号主要包括机体温度和进气温度。软件设计主要针对传感器信号范围诊断、合理性逻辑诊断、使能条件设置以及故障状态下的失效保护。当温度传感器信号超出了设定的上限阈值或下限阈值，可以认为发生了超限故障；在没有超限故障的前提下，当传感器信号值与正常状况的逻辑关系不符合时，可以认为发生了合理性故障。

2.1 故障类型

2.1.1 超限故障

超限故障也称为电路通断性故障，即断路故障和短路故障。机体温度传感器正常工作温度范围在-30～120 ℃之间，根据电路中的串联分压原理，当传感器阻值随温度变化时，ETEMP端的输入电压在0.05～4.25 V之间。当传感器信号电路与ECU断开时，信号接近0，当与电源短接时，信号接近4 095，因此，可以设定数字量上限阈值为4 000，下限阈值为100。当ECU检测到的采样信号不在此范围内时，故障诊断软件就可以认为传感器发生超限故障。温度传感器超限故障诊断策略见图3[11-12]。

2.1.2 合理性故障

温度传感器合理性诊断策略大致分为两个部分[13-15]，具体的诊断策略见图4。

1) 当发动机处于冷起动状态，机体温度与进气温度的数值比较接近，当ECU检测到两者之间的差值超过了设定的阈值，则可以认为出现合理性故障；

2) 当发动机起动后处于怠速或正常运行状态，借鉴丰田汽车的诊断策略，如果在起动20 min以后，温度传感器的采样值仍然显示温度低于30 ℃，则可以认为温度传感器出现合理性故障。

系统在进行合理性诊断时，为了避免出现错误的诊断结果，必须满足以下三项使能条件：

1) 蓄电池供电电压在正常范围内；

2) 机体温度传感器本身无超限故障；

3) 进气温度传感器本身无超限故障。

2.2 故障信息管理

2.2.1 故障确认及清除

对于自诊断系统而言，应设计故障信息管理策略，一方面对可能出现的故障进行容错处理，防止出现误诊断，另一方面，在故障消失后，需要对故障状态进行清除。本研究采用的故障信息管理策略见图5。当ECU检测到传感器信号的开路、短路或者合理性故障后，管理功能就会对故障现象进行确认，当故障连续发生的次数超过专家经验认可的限定阈值后，故障将被确认。故障信息的清除策略与此相同。为了便于查询，历史故障信息会被保存在ECU的Flash中，当超过40次暖机循环检测无故障后，则彻底清除Flash中的故障信息。采取以上的故障容错策略、清除策略，可以有效地避免虚假故障信息的干扰，从而避免发动机频繁进入失效保护模式，提高了发动机运行的安全性。

2.2.2 故障码

当诊断出故障后，通过故障灯和故障码来指示故障出现、故障部位和故障原因。为了节省开发周期以及便于故障码通信，本系统以J1939诊断应用层协议为基础，对可疑参数编号(SPN)、故障模式标志(FMI)以及故障发生次数(OC)进行赋值，与SAE-J2012规定的5位字符OBDⅡ标准故障码相对应。机体温度传感器的故障码见表1[15-16]。

表1 机体温度传感器故障码

2.3 失效保护措施

当故障发生后，正常情况下的控制策略已不适用，ECU会根据故障的严重等级，在确保发动机安全性的情况下，采取故障模式下的控制策略，即失效保护模式。

3 故障诊断控制模型建立

故障自诊断是一个复杂的逻辑判断过程，在建立Simulink模型时，需要将诊断、故障码及故障灯控制、使能条件、失效保护等各个模块分别建立模型，通过信号线连接，便于后续对各个模块进行修正、移植。

基于Simulink建立的温度传感器诊断模型见图6。其中输入信号包括机体温度信号、蓄电池电压、进气温度信号；输出信号包括故障码MIL_Code、可疑参数编号SPN、故障模式标志FMI、故障灯信号MIL、温度修正信号ETEMP_Modify和温度缺省值信号ETEMP_Default。模型按照功能的不同分为四个模块：故障诊断控制模块、故障码及故障灯控制模块、故障诊断使能条件模块、失效保护措施模块。在功能模块内部，利用Stateflow模块，以图形形式建立诊断功能流程图，实现C语言中的if语句、if-else语句和switch语句功能。在stateflow流程图中，判断条件([判断条件])置于水平转移线上，执行动作({执行动作})置于垂直转移线上[17]。

3.1 故障诊断模块

图7示出了断路故障诊断流程，图中u1为温度传感器采样输入值，counter_1为断路故障计数器，clear_counter_1为断路故障灯清除计数器，clean_counter_1为断路故障码清除计数器，Open_Fault为断路故障模式标志，MIL_Flag_1为断路故障灯模式标志，Open_Fault_Clean_Flag为断路故障码清除标志。根据stateflow语言结构，水平转移线1为if判断语句，用作对输入信号、计数器的判断；水平转移线1方向节点处为if判断成立后的执行语句，主要用作对计数器累加、清除以及故障标志的确立、清除。垂直转移线2为else执行语句，当信号输入值小于100，可以认为传感器发生断路故障，则故障计数器加1；当故障连续且计数器累计值达到5[13]，则断路故障得到确认，执行语句被激活，故障模式标志和故障灯模式标志都被置为“1”，故障计数器清零。同理，故障的清除，故障灯的熄灭、点亮，故障码的输出、清除都按照故障管理策略进行。

3.2 故障码及故障灯控制模块

图8示出了故障码和故障灯控制流程。水平转移线1判断故障模式标识、故障清除标识的状态，节点后的执行语句选择对应的故障参数编号、故障模式标志以及故障灯状态，左侧垂直转移线2为无条件转移通路，用于控制一些异常情况[17]。

3.3 诊断使能条件模块

图9示出了合理性诊断使能条件模块。使能条件包括蓄电池电压、无超限故障、满足设定时间，多个使能条件通过“与”逻辑合并，在所有使能条件满足的情况下，输出使能信号“1”，激活合理性诊断功能，否则使能信号保持为“0”。

3.4 失效保护模块

在诊断模块检测到任意故障后，故障信号会传递到失效保护模块。失效保护措施可以分为两类：

1) 在发动机起动工况下，为了在机体温度传感器发生故障时顺利起动发动机，取进气温度减去5 ℃作为缺省值，若进气温度也存在故障，则采用-30 ℃作为缺省值以确保发动机起动；

2) 在怠速或运行工况下，取80 ℃作为缺省值，同时通过温度修正信号减少40%最大供油量。

4 试验验证与结果

在完成故障诊断模块设计后，将模型嵌入发动机总体控制模型，选择对应系统目标文件，通过自动代码生成功能生成单片机可执行的C语言代码。

试验选用168F小型汽油机作为研究对象，通过人为设置模拟故障，以验证故障诊断程序的可行性。本系统采用Metroworks公司出品的单片机软件设计开发工具CodeWarrior作为调试监测平台，通过16位BDM下载器刷写程序、监测发动机运行状态并显示故障代码。

模拟故障分为如下三类：

1) 将机体温度传感器信号线路与ECU断开，模拟传感器开路故障；

2) 将机体温度传感器信号线路与供电电源短接，模拟传感器短路故障；

3) 在发动机冷机状态时，分别将机体温度传感器与进气温度传感器先后加热，使两者产生较大温差，模拟传感器合理性故障[18]。

在变量监测界面里，Data:1界面显示MIL_Code,SPN_ETEMP和FMI_ETEMP，分别代表OBDⅡ故障码、可疑参数编号和故障模式标志；Data:2界面显示发动机各个传感器信号数值，RAW_ADC[2]为机体温度采集通道，RAW_ADC[4]为进气温度采集通道。由图10和图11可见，在Data:1中机体温度传感器断路故障码为P0118，故障参数编号为110，故障模式标志为3，在Data:2中RAW_ADC[2]的采集信号大于设定上限阈值4 000，为超上限故障。由图12和图13可见，在冷起动状态时(Speed=0)，机体温度和进气温度的信号值都处在正常范围内，但两者差值超过预设范围，可以判断出现了合理性故障，因此显示故障码P0116。

5 结束语

基于模型的设计(MBD)由于具备可视性、快速原型化等特点，相比手写代码可以极大减少开发过程中出错的可能性，可提高系统开发的效率和准确性。传感器的诊断是OBD系统必不可少的一部分，通过Simulink建立故障诊断模型，并将其模块化处理，在后续的开发过程中具备了极高的可移植性，方便后续开发。试验结果表明，采用所设计开发的故障诊断软件，可以准确判断温度传感器是否出现故障，在判断故障后，系统点亮故障灯并显示故障码以提醒操作人员，通过失效保护措施，保证发动机继续安全运行。

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[编辑： 姜晓博]

Diagnostic Software Development for Temperature Sensor of Small Gasoline Engine Based on Simulink

LI Jiehui, DING Lesheng, MAO Gongping, LIU Dawei, ZHONG Guangyao

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The sensor diagnostic software of modular design was developed with MATLAB/Simulink platform based on the main chip of Freescale MC9S12XEP100 by selecting the temperature sensor among the typical analog variable sensors as the research object. Through the specific diagnostic algorithm and fault tolerant strategy, the sensor faults could be detected. The feasibility of the software was verified by the simulated fault on 168F small gasoline engine. The test results show that the software is stable and,reliable and the diagnostic effect is obvious. The development project provides the reference for the development of general analog sensor diagnostic software.

gasoline engine; temperature sensor; fault diagnosis; software development

2015-02-01；

2015-04-21

江苏省高校自然科学研究面上项目(13KJB470003);江苏省汽车工程重点实验室开放基金项目(QC201307)

李捷辉(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向为发动机电控技术研究；jhli@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.015

TK418

B

1001-2222(2015)05-0087-06