專利名稱：汽車系統(tǒng)中的爆震信號檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。一方面，本發(fā)明涉及通過預(yù)測爆震信號來改進(jìn)燃 燒處理的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著汽油供應(yīng)的減少以及變得更加昂貴，存在對高效燃料消耗的不斷增長的需 求。此外，對內(nèi)燃機(jī)所導(dǎo)致的環(huán)境影響的關(guān)注增加了對具有發(fā)動機(jī)排放減少的內(nèi)燃機(jī)的需 求。盡管汽車制造商已經(jīng)試圖通過增加發(fā)動機(jī)壓縮比來滿足這些需求，但這可能導(dǎo)致發(fā)動 機(jī)的爆震，其為自發(fā)以及偶發(fā)產(chǎn)生的燃燒所不期望的模式，導(dǎo)致污染的增加并且損壞發(fā)動 機(jī)部件，以及產(chǎn)生令人不愉快的金屬般的噪音。為了增加燃料經(jīng)濟(jì)性以及減少發(fā)動機(jī)排放，曾經(jīng)試圖感測或檢測發(fā)動機(jī)爆震，并 且接著使用所檢測的爆震信號來控制發(fā)動機(jī)燃燒處理。典型的汽車系統(tǒng)使用諸如加速度傳 感器(jerk sensors)或者壓電或壓電陶瓷(piezoceramic)加速度傳感器的傳感器來捕獲 或檢測爆震事件。例如，根據(jù)燃燒室的尺寸以及氣缸充氣的聲速，缸內(nèi)壓力振動激發(fā)能夠由 加速度傳感器測量的結(jié)構(gòu)振動脈沖。氣缸的混響共振通常位于2kHz和12kHz之間。如認(rèn) 識到的，通過如下等式給出特定發(fā)動機(jī)氣缸幾何形狀的爆震頻率的粗略估計f = C(1)其中f；是爆震共振頻率，P 是振動模式常數(shù)，C是氣缸中燃?xì)獾穆曀僖约癇是氣 缸的半徑。圖1顯示了傳統(tǒng)爆震檢測方案10的示例，其描述了標(biāo)準(zhǔn)爆震檢測算法中的不同 塊。在檢測階段11，爆震傳感器輔助檢測爆震事件。爆震傳感器可以是非介入式傳感器 (例如，簡單加速度傳感器)或者介入式傳感器(例如，用以作為測量燃燒室的共振頻率中 釋放的爆震能量的基準(zhǔn)的壓電陶瓷)。接著在信號處理階段12，在數(shù)字或模擬域中處理所 檢測的信號，并且在提取階段13提取參數(shù)(諸如壓力或振動)。存在多種方法用于提取發(fā) 動機(jī)爆震所產(chǎn)生的共振頻率的能量，包括時間序列處理、頻率處理以及將一維信號轉(zhuǎn)換成 作為時間和頻率的函數(shù)的二維表達(dá)式的時_頻分布(TFD)技術(shù)。例如，使用最廣泛的TFD 是短時傅里葉變換(STFT)，并且研究人員還開發(fā)出了各種時_頻分布，諸如維格納_威利 (ffigner-Ville)分布的平滑版本，并且在爆震壓力信號的研究中采用它。使用這類分布的 具有爆震的信號的表示顯示了信號的非平穩(wěn)特性，以及共振頻率值對于時間的依賴性。如認(rèn)識到的，根據(jù)所使用的傳感器類型以及參數(shù)提取階段的具體實(shí)現(xiàn)，在精確地 檢測爆震信號時存在不同的挑戰(zhàn)。例如，磁致伸縮加速度傳感器(magnetostrictive jerk sensors)在檢測爆震信號時是高效的，但為了成本效益它們通常具有太多的組件。另一方 面，直接附加于氣缸墊或發(fā)動機(jī)體的簡單加速度傳感器能夠測量因?yàn)榘l(fā)動機(jī)爆震而在燃燒 室中引發(fā)的振動的強(qiáng)度，從而提供每個氣缸的局部信息。盡管它們是非介入的并且易于使 用，但加速度傳感器對發(fā)動機(jī)振動和來自發(fā)動機(jī)金屬部件的沖擊(shocks)很敏感。
參數(shù)提取階段也可能引入錯誤。例如，與短時傅里葉變換(STFT)相關(guān)的一個缺陷 是振幅模糊(amplitude smearing)效應(yīng)阻止了瞬間頻率參數(shù)被正確估計。為了描述該問 題，圖2和3描述了信號頻率的兩種不同的振幅特性曲線測量，其中y軸為對數(shù)刻度。圖2 中，振幅特性曲線21所針對的是與STFT的窗口(bin)頻率中的一個相一致的正弦信號頻 率，在這種情況下在STFT之后保持原始振幅。而圖3描述了位于STFT的兩個相鄰窗口頻 率之間的正弦信號頻率的振幅特性曲線22，在這種情況下能量遍布整個頻譜。由于振幅模 糊效應(yīng)，在該情況下檢測的振幅較低。這顯示在圖4和5中，其描述了信號頻率的兩個不同 的振幅特性曲線測量，其中y軸為線性刻度。圖4中，振幅特性曲線23(大約510)針對與 STFT的窗口頻率中的一個相一致的正弦信號頻率而顯示，而圖5顯示了當(dāng)峰值頻率位于兩 個相鄰頻率窗口之間時所檢測的振幅特性曲線24(大約435)較低。與STFT方案相比，復(fù) 雜的時_頻分布(例如，維格納-威利分布)計算量較大，并且在多分量信號的情況下可能 產(chǎn)生混淆干擾(confusing artifacts)，其導(dǎo)致了基音檢測(pitch detection)中的誤差。如同從前面描述中所能看到的一樣，檢測內(nèi)燃機(jī)中的發(fā)動機(jī)爆震的傳統(tǒng)方法過于 復(fù)雜、費(fèi)用高昂并且不可靠。此外，由于對外部信號(諸如發(fā)動機(jī)振動和沖擊)敏感以及因 為傳統(tǒng)的STFT提取方案所導(dǎo)致的振幅模糊效應(yīng)，這類系統(tǒng)不能精確地測量信號頻率。因 此，存在對改進(jìn)的檢測內(nèi)燃機(jī)中爆震信號的系統(tǒng)和方法的需求。還存在對發(fā)動機(jī)爆震檢測 方案的需求，該方案提供一種精確測量和檢測發(fā)動機(jī)爆震事件而使得發(fā)動機(jī)控制算法能夠 最小化其不良影響方案的方式。此外，存在對克服本領(lǐng)域中諸如上面所述的問題的爆震檢 測系統(tǒng)和方法的需求。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在結(jié)合附圖以及隨后的詳細(xì)描述來閱讀 本申請的剩余部分之后，傳統(tǒng)處理和技術(shù)的更多局限和缺點(diǎn)將變得顯而易見。


當(dāng)結(jié)合下列附圖來考慮優(yōu)選實(shí)施例的下列詳細(xì)描述時，可以理解本發(fā)明及其眾多 的目的、特征和所獲得的優(yōu)點(diǎn)。圖1以框圖形式描述了傳統(tǒng)爆震檢測處理中的階段；圖2和3描述了信號頻率的兩種不同的振幅特性曲線測量，其中y軸為對數(shù)刻度；圖4和5描述了信號頻率的兩種不同的振幅特性曲線測量，其中y軸為線性刻度；圖6以框圖形式描述了其中實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所選實(shí)施例的爆震檢測方案的汽車 系統(tǒng)；圖7描述了根據(jù)本發(fā)明所選實(shí)施例的檢測發(fā)動機(jī)爆震的示例性流程序列；圖8-10針對不同類型的發(fā)動機(jī)操作條件描述了時域中的數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)測 量；圖11和12描述了在(a)具有爆震和(b)不具有爆震的低通模擬過濾之后傳感器 數(shù)據(jù)的數(shù)字化頻譜測量；圖13以時序圖形式描述了用來控制傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)字采樣為爆震數(shù)據(jù)段的爆震
窗口 ；圖14描述了去除非窗口分量之后的數(shù)字化采樣的傳感器數(shù)據(jù)測量；圖15描述了根據(jù)本發(fā)明所選實(shí)施例的可用于抗混疊濾波的四種不同IIR濾波器 的頻率響應(yīng)；
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圖16描述了數(shù)字化過濾的爆震信號的頻率響應(yīng)；圖17描述了可用于STFT模塊的不同窗口的規(guī)格化頻譜；圖18繪制(plots) 了不同基頻的失配誤差；以及圖19-21描述了不同類型的爆震事件的平均幀能量測量。如認(rèn)識到的，為了描述的簡明和清楚，無需按照比例來繪制附圖中所示的元件。例 如，出于促進(jìn)和提高清晰度及理解的目的，某些元件的尺寸會相對于其它元件而被放大。而 且，在被視為適當(dāng)?shù)那闆r下，在附圖中重復(fù)使用附圖標(biāo)記來表示對應(yīng)或類似的元件。
具體實(shí)施例方式描述了用以有效地并且精確地檢測內(nèi)燃機(jī)中的爆震事件的發(fā)動機(jī)爆震信號處理 系統(tǒng)和方法。通過使用非介入式傳感器(諸如加速度傳感器)來檢測發(fā)動機(jī)爆震信號，能 夠測量因?yàn)楸鹗录谌紵抑幸l(fā)的振動的強(qiáng)度。在經(jīng)過低通過濾以后，將所測量的 振動信號從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，允許應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)來提取參數(shù)以檢測信號中爆 震事件的出現(xiàn)。接下來，通過應(yīng)用抗混疊濾波、抽取過濾信號(例如，通過系數(shù)D)以及使用 時-頻技術(shù)(諸如STFT)將所抽取的過濾信號轉(zhuǎn)換成作為時間和頻率的函數(shù)的二維表達(dá)式 來提取參數(shù)。通過抽取過濾信號來減少其采樣頻率，由于以較低的頻率來計算STFT，所以 減少了處理器上的計算負(fù)荷。此外，通過為STFT選擇最小化頻譜泄漏以及提高主頻的適當(dāng) 窗口函數(shù)，能夠提高STFT的頻率分辨率。根據(jù)信號中所檢測的頻率分量，計算信號的基頻。 一旦提取了相關(guān)參數(shù)，則檢測基音頻率的出現(xiàn)以及信號的短期能量中的任何增加以指示信 號中爆震事件的出現(xiàn)。通過結(jié)合基音檢測和基于能量的爆震檢測，提供了一種更精確的爆 震檢測算法，其具有更少的可能由完全基于能量的算法所產(chǎn)生的“假”爆震檢測?，F(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。盡管在下面的描述中 闡述了各種細(xì)節(jié)，但將認(rèn)識到，可以脫離這些具體細(xì)節(jié)來實(shí)踐本發(fā)明，并且對于此處所述的 發(fā)明可以做出各種實(shí)現(xiàn)特定的決定以實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計人員的、將會隨實(shí)現(xiàn)的不同而變化的特 定目的，諸如與工藝技術(shù)或設(shè)計相關(guān)約束的兼容性。盡管這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜且耗 時的，但其應(yīng)當(dāng)是受益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所采取的慣用程序。例如，以框 圖形式而不是詳細(xì)地顯示所選方面以避免限制本發(fā)明或者使本發(fā)明不清楚。此外，此處所 提供的詳細(xì)描述中的某些部分通過計算機(jī)存儲器中數(shù)據(jù)的算法或操作來表示。本領(lǐng)域技術(shù) 人員使用這些描寫和表示來向本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員描述和傳達(dá)他們工作的實(shí)質(zhì)。一般而 言，算法涉及導(dǎo)致期望結(jié)果的有條理(self-consistent)的步驟序列，其中“步驟”涉及物 理量的操作，所述物理量可以(但無需必要地)采用能夠被存儲、傳輸、組合、比較以及以其 它方式操作的電信號或磁信號形式。通常用法是將這些信號稱為位、值、元件、符號、字符、 術(shù)語、數(shù)字或類似形式。這些以及類似術(shù)語可以與適當(dāng)?shù)奈锢砹肯嚓P(guān)聯(lián)并且僅僅是施加給 這些物理量的便利標(biāo)簽。除非明確聲明，否則如從下面描述中所顯而易見的一樣，會認(rèn)識到 在整個說明書中，使用諸如“處理”或“計算”或“運(yùn)算”或“確定”或“顯示”或類似的術(shù)語 的描述涉及計算機(jī)系統(tǒng)或類似電子計算設(shè)備的動作和處理，其操作計算機(jī)系統(tǒng)的寄存器和 存儲器中的物理(電子)量所表示的數(shù)據(jù)并將它們轉(zhuǎn)換為類似地由計算機(jī)系統(tǒng)存儲器或寄 存器或其它這類信息存儲、傳輸或顯示設(shè)備中的物理量所表示的其它數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，將參考附 圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。
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圖6以框圖形式描述了其中實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所選實(shí)施例的爆震檢測方案的汽車 系統(tǒng)300。在所述示例中，汽車系統(tǒng)300包括發(fā)動機(jī)301和反饋控制信號334以控制發(fā)動機(jī) 301的運(yùn)行的發(fā)動機(jī)控制單元(E⑶)302。該控制信號334用于調(diào)整發(fā)動機(jī)301的運(yùn)行，從 而至少最小化(如果不能完全去除)爆震行為。這類調(diào)整的性質(zhì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知 的。可操作地耦接發(fā)動機(jī)301的是傳感器結(jié)構(gòu)，其包括位于發(fā)動機(jī)內(nèi)的至少一個(對 于一個氣缸)爆震傳感器310。傳感器結(jié)構(gòu)可操作地耦接可以實(shí)現(xiàn)為EOT 302的一部分或 與ECU 302分離的信號處理結(jié)構(gòu)，以檢測、感測和測量因?yàn)榘l(fā)動機(jī)中的爆震事件而在燃燒 室中包含的振動。在EOT 302中，通過信號預(yù)處理階段312、參數(shù)提取階段318以及爆震檢 測階段326來處理振動信號，上述階段結(jié)合起來檢測共同表明發(fā)動機(jī)爆震事件的出現(xiàn)的預(yù) 定基音頻率和任何短期能量增加。將認(rèn)識到，可以通過軟件或其它控制邏輯所控制的專用 硬件電路和/或處理單元來實(shí)現(xiàn)這些階段中的任何一個或更多個。在所選實(shí)施例中，爆震傳感器可以實(shí)現(xiàn)為直接附加于發(fā)動機(jī)301中的氣缸墊或發(fā) 動機(jī)體(未示出)的加速度傳感器，從而提供具有成本效益的振動傳感器。當(dāng)然，可以使用 諸如加速度傳感器或者壓電或壓電陶瓷加速度傳感器的其它傳感器。響應(yīng)于感測或測量發(fā) 動機(jī)氣缸中的振動，爆震傳感器310生成傳感器數(shù)據(jù)信號313。盡管也可以使用諸如博世 (Bosch)傳感器的其它傳感器，但圖6描述了西門子(Siemens)傳感器的典型爆震傳感器特 性曲線311。如從圖6所包含的信號特性曲線311的繪圖中所看到的一樣，傳感器特性曲線 311通常包含高頻信號響應(yīng)分量(例如，超過30kHz)，其僅僅提供爆震事件的大致表示并且 應(yīng)當(dāng)被過濾以防止對較低頻段的混疊效應(yīng)。為了從傳感器數(shù)據(jù)信號313中去除高頻信號特性曲線噪聲分量，模擬預(yù)處理模塊 312可以對傳感器數(shù)據(jù)信號313應(yīng)用低通模擬過濾314。在示例性實(shí)現(xiàn)中，模擬過濾314從 傳感器數(shù)據(jù)信號313中去除超過25kHz的信號頻率分量。該模擬過濾步驟去除高頻噪聲分 量，從而生成預(yù)處理的或低通過濾的信號315。將認(rèn)識到，在模擬預(yù)處理階段312，可以在傳 感器數(shù)據(jù)信號313上執(zhí)行其它模擬預(yù)處理步驟。為了數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 316將低通過濾的信號315采樣為數(shù)字 化的信號317。這可以通過將輸入數(shù)據(jù)信號315轉(zhuǎn)換成被劃分為幀的數(shù)字采樣來完成。在 示例性實(shí)施例中，ADC 316將100kHz的輸入數(shù)據(jù)信號315采樣為數(shù)據(jù)幀，每一幀具有256個 采樣。將認(rèn)識到，可以使用其它采樣率和幀大小，其中在較高時間或頻率分辨率之間權(quán)衡幀 大小。通過數(shù)字化預(yù)處理信號315，可以使用數(shù)字處理技術(shù)來提取參數(shù)以檢測數(shù)字化信號 317中爆震事件的出現(xiàn)。在各種實(shí)施例中，可以通過離散的以及可分別編程的硬件電路來實(shí)現(xiàn)ADC 316、抗 混疊濾波器320和抽取器322中的一個或更多個?？商娲?，可以將這些單元中的一或更 多個集成為單個增強(qiáng)型數(shù)字采樣單元，其集成了能夠以高速率接受ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果、通過硬 件低通濾波器傳遞所述結(jié)果、接著對濾波器的輸出進(jìn)行向下采樣并且輸入較低采樣率結(jié)果 至結(jié)果FIFO的可編程ADC和抗混疊抽取濾波器。這允許ADC以足夠高的速率來采樣傳感 器以避免帶外噪聲的混疊，而提供減小的采樣率輸出以最小化完全處理數(shù)字化波形所需的 DSP處理帶寬量。圖8-10描述了數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)信號317的示例，針對不同類型的發(fā)動機(jī)操作條件顯示了時域中的傳感器數(shù)據(jù)。首先，圖8顯示了當(dāng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火較早時出現(xiàn)0. 175秒的爆 震的數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)51。在圖9，數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)52顯示在點(diǎn)火較晚的情況下信號的 能量中沒有突變。最后，圖10顯示了在發(fā)動機(jī)正常點(diǎn)火的情況下信號的能量中沒有突變。 在這些示例的每一個中，對運(yùn)行在3600rpm的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測量并且在100kHz進(jìn)行采樣。如 這些測量所示，發(fā)動機(jī)氣缸中的振動因?yàn)楸鹗录某霈F(xiàn)而增加。通過產(chǎn)生氣缸共振頻率 的諧振，來自于爆震事件的這些振動還增加了短期能量級，如圖11和12所示，其描述了在 (a)具有爆震和(b)不具有爆震的低通模擬過濾之后傳感器數(shù)據(jù)的頻譜測量。當(dāng)爆震事件 出現(xiàn)時(如圖11的數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)61中所示)，氣缸的共振和諧振頻率顯示為處于7kHz 以及更高諧振頻率的能量脈沖。然而，當(dāng)沒有爆震事件出現(xiàn)時(如圖12的數(shù)字化傳感器數(shù) 據(jù)62中所示)，沒有處于諧振和共振頻率的能量脈沖尖峰。盡管在此結(jié)合數(shù)字化單個傳感器數(shù)據(jù)信號315來描述，但ADC316可以實(shí)現(xiàn)為多通 道或增強(qiáng)型排隊ADC，從而同時處理來自多個氣缸的多個爆震傳感器數(shù)據(jù)信號的采樣。通 過提供能夠在分離的隊列或通道中接收和獨(dú)立處理來自分離源的數(shù)據(jù)的ADC 316，能夠并 行地采樣來自不同氣缸的傳感器數(shù)據(jù)。為了允許ADC 316直接連接至高阻抗聲敏爆震傳感 器，ADC 316可以包括差分輸入；用于增加動態(tài)范圍的一體化可變增益放大器；以及用于 偏置以及傳感器診斷的可編程上拉和下拉電阻。在所選實(shí)施例中，通過控制ADC 316的采樣操作可以從傳感器數(shù)據(jù)315中去除外 部信息，使得采樣僅僅出現(xiàn)在預(yù)定采樣或爆震窗口期間。結(jié)果是ADC 316采樣僅僅位于爆 震窗口內(nèi)的模擬傳感器數(shù)據(jù)315，否則不生成采樣輸出。可以結(jié)合指定窗口延遲值、窗口持 續(xù)時間值、窗口結(jié)束值和/或窗口期間值的爆震窗口參數(shù)來定義爆震窗口 71 (或者其序列 71,72等)。圖13中描述了這些參數(shù)，其以時序圖形式顯示了用于提取爆震數(shù)據(jù)段信息的 爆震窗口 71、72的參數(shù)值。在操作中，在每個爆震窗口緩存來自傳感器的數(shù)據(jù)，同時去除非 窗口分量。圖14顯示了所得到的ADC輸出，其描述了在去除非窗口分量82之后的爆震傳 感器數(shù)據(jù)測量值81。隨著發(fā)動機(jī)條件的改變，可以相應(yīng)地調(diào)整爆震窗口參數(shù)。表1提供了 不同爆震窗口參數(shù)的示例性列表，這些參數(shù)能夠用來以在100kHz采樣的針對4缸GM發(fā)動 機(jī)的不同的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)來控制ADC 316。表1:爆震窗口參數(shù) 一旦通過ADC 316生成數(shù)字化信號317，則可以在參數(shù)提取模塊318中處理它以提取參數(shù)信息。在所選實(shí)施例中，通過應(yīng)用抗混疊濾波器320、通過抽取器322抽取過濾信號 并且接著使用時-頻分布技術(shù)將所抽取的過濾信號轉(zhuǎn)換成作為振幅和頻率的函數(shù)的二維 表達(dá)式來提取參數(shù)信息。在各種實(shí)施例中，通過STFT模塊324來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，該模塊通過為 輸入信號選擇提高主頻的窗口而正確估計瞬間頻率和所檢測信號的振幅?？够殳B濾波器320的功能是從輸入數(shù)據(jù)317中去除高頻分量，并且由此能夠由任 何期望的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在所選實(shí)施例中，選擇四階橢圓形IIR濾波器作為抗混 疊濾波器，因?yàn)槠渚哂卸盖蜐L降(roll-off)并且最小化了濾波器的阻帶頻率中的能量。圖 15描述了可用于抗混疊濾波器320的具有22kHz的截止頻率的四個不同的四階IIR濾波 器的頻率響應(yīng)。具體地，頻率響應(yīng)90描述了巴特沃斯(Butterworth) IIR濾波器，頻率響應(yīng) 91描述了橢圓形IIR濾波器，頻率響應(yīng)92描述了切比雪夫(ChebyshevUlIR濾波器，而頻 率響應(yīng)93描述了切比雪夫2IIR濾波器。在所述示例中，橢圓形濾波器特性曲線93具有陡 峭滾降和最小阻帶隙(stop-gap band)能量的最佳組合，接下來依次是切比雪夫1濾波器、 巴特沃斯濾波器和切比雪夫2濾波器。在過濾結(jié)果方面，抗混疊濾波器320用來使傳感器 數(shù)據(jù)信號317中低于20kHz的頻率分量通過并且阻止傳感器數(shù)據(jù)信號317中高于30kHz的 頻率分量。盡管IIR濾波器320改變了爆震信號317的相位信息，但這對所公開的爆震檢 測方案的操作并不重要。圖16描述了應(yīng)用抗混疊濾波器320的結(jié)果，其描述了所過濾的爆 震信號321的特性曲線以顯示與圖11中所述的未過濾的爆震信號317的頻率分量相比，高 頻噪聲分量從所過濾的爆震信號321中去除了。在抽取器322，利用系數(shù)D減少輸入的已采樣數(shù)字信號317的采樣頻率來產(chǎn)生與輸 入數(shù)字信號317相比具有減少的采樣頻率的抽取信號323。盡管可以使用任何期望的抽取 系數(shù)D，但在示例實(shí)施例中，通過降低采樣從100kHz到50kHz來抽取輸入的已采樣數(shù)字信號 317。通過減少輸入的已采樣數(shù)字信號317的頻率，因?yàn)樵试S以更低頻率執(zhí)行后續(xù)的STFT 計算，所以減少了處理器上的計算負(fù)荷。通過STFT模塊324執(zhí)行提取參數(shù)信息的最后步驟，其轉(zhuǎn)換抽取信號323以確定隨 時間變化的信號的局部的正弦頻率和振幅量。在離散時間的情況下，將要被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信 號323有效地劃分為可能相互重疊的組塊或幀。每個組塊經(jīng)過傅里葉變換，并且增加復(fù)數(shù) 結(jié)果至矩陣，該矩陣針對時間和頻率的每一個點(diǎn)記錄幅度和相位。特別的并且通過結(jié)合圖6 所述的STFT波形325所述，輸入信號x(n)(表示所抽取的輸入信號323)乘以持續(xù)時間通常 有限的窗口 w(n)。計算乘積X(n).W(n)的傅里葉變換，并且接著按時間偏移窗口 w(n)，并 且再次計算乘積的傅里葉變換。該操作獲得窗口中心的每個位置m的分離的傅里葉變換。 換言之，STFT模塊324計算兩個變量《和m的函數(shù)XSTFT，m)。頻率變量《是連續(xù)的， 并且通常范圍是< < Ji。偏移變量m通常是某些固定整數(shù)K的整數(shù)倍(即，m能夠 在{ ，-2K，-K，0，K，2K， }中取值)。實(shí)際上，對于任何固定的m，窗口捕獲m周圍局部區(qū)域中的輸入信號x(n)323的特 征。因此，窗口有助于在獲得頻域信息之前局域化時域數(shù)據(jù)。從以上描述可知，能夠?qū)⒍虝r 傅里葉變換算術(shù)地描述成Xsm(ej、m)= |>(n).W(n-m).e-iMl(2)如果對于所有的n，W(n) = 1，則上述表達(dá)式縮減為針對m的任何選擇的傳統(tǒng)傅里
9葉變換。根據(jù)其定義，能夠?qū)TFT模塊324當(dāng)作具有有限數(shù)量濾波器的濾波器組。對于每 個頻率co^STFT模塊324執(zhí)行濾波操作(例如，針對每個頻率窗口的傅里葉變換形式的濾 波操作)。根據(jù)所選實(shí)施例，其中僅僅對離散的頻率集10< 0< Wl<... < COm_1<2M 計算傅里葉變換，STFT模塊324的功能縮減為具有M個帶通濾波器的濾波器組。不同于傅里葉變換，STFT直到窗口 w(n)被指定時才被唯一定義。事實(shí)上，窗口的 選擇控制了“時間局域化”和“頻率分辨率”之間的權(quán)衡。時域采樣所開窗口的數(shù)目越大，頻 率分辨率越好。然而，這意味著錯過“事件”出現(xiàn)的時間。另一方面，如果窗口大小減小，信 號中時間的時間局域化會更好，但信號的頻率分辨率(即，k/N)因?yàn)镹變小而更差。根據(jù) 特定頻率分辨率，通過使用適當(dāng)?shù)拇翱?，能夠?qū)崿F(xiàn)期望的時間局域化，并且反之亦然。為了 實(shí)現(xiàn)精確的爆震信號檢測，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地選擇STFT模塊324中的窗口函數(shù)以通過減小頻率模 糊效應(yīng)來提高STFT的頻率分辨率。根據(jù)所選實(shí)施例，選擇最小化旁瓣(sidelobe)能量級 和比率Wa^fiVWO))的窗口函數(shù)。圖17描述了可用于STFT模塊324的四個不同窗口的 規(guī)格化頻譜。具體的，頻率響應(yīng)111描述了布萊克曼哈里斯(Blackman Harris)窗口，頻率 響應(yīng)112描述了漢寧(Harming)窗口，頻率響應(yīng)113描述了漢明(Hamming)窗口，而頻率響 應(yīng)114描述了拋物線(parabolic)窗口。根據(jù)所述的示例，布萊克曼哈里斯窗口 111具有 陡峭滾降以及大部分頻率范圍上的最小阻帶隙能量的最佳組合，接下來依次是漢寧窗口、 漢明窗口和拋物線窗口。如同能夠看到的一樣，誤差性能將取決于頻率范圍和第二正弦曲 線的位置。在爆震檢測模塊326中，所提取的參數(shù)用來檢測預(yù)定基音頻率(塊330)以及檢測 任何短期能量增加(塊328)。如果兩者均在信號中出現(xiàn)，則檢測到爆震信號(塊332)。另 一方面，如果僅僅檢測到條件中的一個，則沒有檢測到爆震信號。例如，在發(fā)動機(jī)遭遇突然 振動(諸如能夠由開過坑洼或鐵路軌道所導(dǎo)致)的情況下，加速度傳感器可能檢測到遍布 所有頻率的較高能量級，但可能檢測不到共振基音頻率。在這類情況下，爆震檢測模塊326 可能不返回爆震事件，而完全基于能量的檢測方案可能已經(jīng)錯誤地檢測到爆震信號。為了實(shí)現(xiàn)雙條件爆震檢測模塊326，提供了能量計算模塊328，能量計算模塊328 使用所提取的頻率和振幅信息327來計算時域中的短期能量值，其為特定的時間持續(xù)期間 信號x(n)中的能量值并且由等式3定義 其中&是N個采樣中第1個分析幀的能量。在其它實(shí)施例中，可以在頻域中計算 能量。附加的或者替代地，可以計算其它能量相關(guān)值，諸如平均幀能量，其通過對具有在前 幀的預(yù)定數(shù)量的短期能量值的短期能量值進(jìn)行組合和平均來確定。如下面所述，使用濾波 和向下采樣的信號的短期能量值，通過確定短期能量值是否存在增加來檢測信號中爆震的 出現(xiàn)。爆震檢測模塊326還包括基音檢測模塊330，其使用所提取的頻率和振幅信息 329來計算所檢測信號的基頻。對于每一幀，這通過從STFT模塊324的輸出中選擇關(guān)鍵 頻率以及比較每一窗口與其相鄰窗口的振幅來完成。振幅譜中的這些峰值被稱為泛音 (partials)?；谛盘栴l譜中最大數(shù)量泛音的最大公約數(shù)，從關(guān)鍵頻率中選擇最相近的基 頻。為了比較每個窗口與其相鄰窗口的振幅，使用雙向失配誤差計算處理。該誤差計算是雙步驟處理，其中所測量的每個泛音首先與最近的預(yù)測諧振相比較以給出測量至預(yù)測誤 差(
其次，所預(yù)測的每個諧振與最近的被測泛音相比較以給出預(yù)測至測量誤差 (En_p)。如等式[4]所示，總誤差(Errt。tal)是這兩個誤差的加權(quán)組合 其中，N是由
給出的測試(trial)基頻(ffmd)的諧振數(shù)目；|_x」
運(yùn)算返回大于x的最小整數(shù)；f_是最高頻率；A_是被測泛音的最大振幅；以及K是泛音的 總數(shù)(即，每一幀中的關(guān)鍵頻率)。如從等式4所看到的一樣，總誤差(Errt。tal)通過基頻來 規(guī)格化，并且并入有考慮泛音的振幅效應(yīng)的因素，諸如信號基音的信號噪聲比(SNR)。由于 誤差是所測泛音和最近諧振頻率之間的頻率差(Afn= Afn= fn-fk|)的函數(shù)，所以最大 誤差出現(xiàn)在缺少諧振或者振幅比率小的時候。類似地，最小誤差將出現(xiàn)在測試頻率的大部 分諧振出現(xiàn)或者振幅比率大的時候。例如，值p = 0. 5、q = 1. 4以及r = 0. 5滿足上述的 加權(quán)屬性。產(chǎn)生最小失配誤差的頻率是信號的基音。如果雙向失配誤差高于3，則檢測不到 基首。爆震檢測模塊326還包括爆震判定模塊332，其結(jié)合能量計算模塊328和基音檢 測模塊330的輸出來檢測爆震事件。盡管邏輯地實(shí)現(xiàn)為邏輯與門功能，但可以使用任何期 望的比較電路或方法。例如，通過使用50%重疊的布萊克曼哈里斯窗口來計算超過128個 采樣(50kHz)的能量估計，以及使用上升沿檢測器來實(shí)現(xiàn)著眼于當(dāng)前幀的能量估計并且將 其與在前幀的能量進(jìn)行比較的簡單預(yù)測器，輸入信號的短期能量的上升沿可以用來檢測輸 入信號中的短期能量增加。如果當(dāng)前能量比在前幀能量大預(yù)定系數(shù)，則該幀被標(biāo)識為可能 稱得上是發(fā)動機(jī)爆震。為了提供示例性實(shí)現(xiàn)，如果當(dāng)前能量大于在前短期能量平均值的兩 倍并且大于前一幀能量的三倍，則該幀被當(dāng)作爆震的候選。類似地，爆震判定模塊332包括 檢測控制邏輯或電路以在5-lOkHz的范圍內(nèi)檢測預(yù)示信號中出現(xiàn)爆震事件的基音頻率的 出現(xiàn)。當(dāng)滿足兩個條件時(即，基音頻率的出現(xiàn)以及信號短期能量的增加)，爆震判定模塊 332預(yù)測幀包括爆震事件。盡管各種不同種類的可用的信號處理和操作(handling)結(jié)構(gòu)可以用來構(gòu)成在此 描述的信號處理結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，但一種工作起來令人十分滿意的配置采用的形式是由飛思卡 爾(Freescale)制造并且作為JPC563M60微控制器來銷售的多通道數(shù)據(jù)獲取模塊的組合。 來自爆震傳感器的模擬信號通過適當(dāng)?shù)哪M輸入進(jìn)入該結(jié)構(gòu)，其后，在流入總線結(jié)構(gòu)以與 STFT模塊(324)通信之前對這類信號進(jìn)行模擬低通濾波(塊312)、通過德爾塔-西格瑪 (delta-sigma)ADC轉(zhuǎn)換器數(shù)字化(塊316)、抗混疊濾波(塊320)以及抽取(塊322)。還可以結(jié)合圖7來描述本發(fā)明的所選實(shí)施例，其描述了根據(jù)本發(fā)明所選實(shí)施例的 檢測發(fā)動機(jī)爆震的示例性流程序列400。如圖所述，當(dāng)爆震檢測器檢測或測量發(fā)動機(jī)氣缸 中的振動，從而生成模擬信號時，處理開始(步驟402)。在數(shù)字化輸入的模擬信號并且對 數(shù)字化信號進(jìn)行低通濾波(例如，通過抗混疊濾波器)以從輸入數(shù)據(jù)中去除高頻分量之后
11(步驟404)，應(yīng)用短時傅里葉變換(STFT)(步驟406)以提取振幅和頻率信息408。如上所 述，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地選擇STFT中的窗口函數(shù)以提高STFT的頻率分辨率，并且在所選實(shí)施例中， 在STFT步驟406中使用布萊克曼哈里斯窗口。基于從輸入數(shù)據(jù)信號中提取的頻率和振幅信息408，在步驟410計算信號的基頻 并且還計算信號的短期能量(步驟420)?；纛l率的出現(xiàn)以及信號短期能量的增加指示信 號中爆震事件的出現(xiàn)(步驟430)?？梢酝ㄟ^使用所提取的頻率和振幅信息408首先檢測峰值頻率來實(shí)現(xiàn)基音頻率 檢測步驟410 (步驟412)。接下來，選擇候選或所預(yù)測的基音頻率(fk)(步驟414)?；?信號頻譜中最大數(shù)量泛音的最大公約數(shù)，從關(guān)鍵頻率中選擇候選頻率。通過使用雙向失配 誤差計算Err (fk)(在步驟416)，比較峰值頻率和候選基音頻率，并且選擇最小化誤差函數(shù) Err(fk)的候選基音頻率作為基音頻率(步驟418)。為了演示如何在步驟410檢測基音頻率，考慮如下示例，將測試信號施加給包含 正弦曲線系列{100，200，300，500，600，700，800} Hz的爆震傳感器。對于ffund = 50Hz的測試 基頻，所有的泛音均為諧振，但丟失了 {50，150，250，350，400，450，550}Hz的諧振。相對照 地，對于ffund = 100Hz的測試基頻，僅僅丟失{400}Hz的諧振。如果對其它測試基頻(150， 200,250Hz)應(yīng)用相同的分析并且以使用等式[4]計算失配誤差的方式來量化，則結(jié)果可以 繪制成如圖18中所示的那樣。因?yàn)樽钚∈湔`差所對應(yīng)的是100Hz的測試基頻，所以它 是給定的泛音集中的基頻。這顯示了基音檢測算法能夠成功地檢測給定頻率集中出現(xiàn)的基 頻。在所選實(shí)施例中，預(yù)定的硬性截止值(例如，3.0)可以用來從測試基頻中選擇基音頻 率，使得失配誤差超過預(yù)定的硬性截止值的任何測試基頻將不會被選為基音頻率。通過限 制失配誤差，該算法保證不檢測假基頻。通過限制測試基頻的范圍，該算法有效并且更準(zhǔn)確 地確定輸入信號中爆震事件的出現(xiàn)。對于短期能量計算步驟420，可以通過使用所提取的頻率和振幅信息408首先計 算幀能量￡ 來實(shí)現(xiàn)(步驟422)。如上所述，可以或者在時域或者在頻域中計算幀能量以通 過使用等式[3]累積幀內(nèi)采樣的信號能量來確定一個幀期間所檢測信號323的能量值。接 下來，計算平均幀能量(步驟424)，諸如對具有在前幀的預(yù)定數(shù)量的短期能量值的短期幀 能量值En進(jìn)行組合和平均。為了演示如何在步驟436檢測幀能量增加，考慮圖19-21所示的示例性測試信號， 其描述了不同類型的爆震事件的平均幀能量測量。具體的，針對其中出現(xiàn)爆震事件的第一 超前點(diǎn)火測試信號130 (以100kHz的采樣率對轉(zhuǎn)速3600rpm的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測量)，在圖19 中按幀來繪制爆震能量。此外，以波形131來繪制所計算的平均幀能量。如同能夠看到的 一樣，平均幀能量131通常很小(例如，< 2)，但當(dāng)幀18出現(xiàn)爆震事件時，幀能量急劇增加。 這通過爆震檢測算法被成功地檢測，如所計算的平均幀能量波形131中的點(diǎn)132所示。相對 照地，圖20顯示了其中爆震事件沒有出現(xiàn)的第二正常點(diǎn)火測試信號140的繪圖(以100kHz 的采樣率對轉(zhuǎn)速為3600rpm的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測量)。類似地，圖21顯示了其中爆震事件沒有 出現(xiàn)的第三較晚點(diǎn)火測試信號150的繪圖(以100kHz的采樣率對轉(zhuǎn)速為3600rpm的發(fā)動 機(jī)進(jìn)行測量)。當(dāng)幀能量缺少顯著增加(例如，> 4或5)，則不存在表明檢測到爆震事件的 所計算的短期能量波形的增加，如通過圖20和21中缺少爆震事件指示來表示的。將認(rèn)識到，能夠修改在此所述的爆震檢測技術(shù)并且在處于如下采樣級別的爆震窗
12口中使用它標(biāo)識爆震出現(xiàn)在哪個采樣。此外，該算法通過減少幀中的采樣數(shù)目能夠?qū)崿F(xiàn) 更高的準(zhǔn)確度。通過僅僅在幀能量存在短期增加時計算基音，能夠進(jìn)一步優(yōu)化所公開的爆 震檢測技術(shù)。還可以將爆震檢測算法的參數(shù)調(diào)整得更嚴(yán)格或更不嚴(yán)格，諸如通過改變峰值 檢測條件或者改變頻率幀能量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)更嚴(yán)格的要求，將存在更少的爆震檢測，而根據(jù)更 寬松的要求，可能檢測到過多的爆震事件。此外，通過重疊輸入數(shù)據(jù)的幀并且計算該數(shù)據(jù)的 STFT，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的時間分辨率以及因而更高的準(zhǔn)確度。然而，這產(chǎn)生了處理器上額外的 計算負(fù)荷。在檢測爆震信號之前，爆震判定步驟430針對表明出現(xiàn)爆震信號的兩個條件有效 地評估所檢測的信號。在示例性實(shí)現(xiàn)中，在步驟432中檢測預(yù)定基音頻率和諧振的出現(xiàn)，并 且在步驟436中檢測短期能量增加變化。如果所檢測的基音頻率對應(yīng)于爆震事件的共振和 諧振頻率，基音檢測步驟432提供爆震事件指示中的一個。另一指示通過確定是否已經(jīng)檢 測到短期能量增加來提供(步驟436)。通過比較當(dāng)前幀能量En和在前幀的能量和/或平 均幀能量，能夠檢測短期幀能量中的增加。通常，平均幀能量很小，但在發(fā)生爆震事件時，與 平均幀能量相比，幀能量En顯著增加。將認(rèn)識到，可以使用其它技術(shù)來檢測短期幀能量的 增加，諸如通過使用預(yù)定閾值以比較幀能量￡ 和在前幀的能量。如果這些條件中的一個或兩者沒有被滿足(例如，判定432、436中任何一個的結(jié) 果為負(fù))，則不存在爆震信號指示，并且處理結(jié)束(步驟434)。然而，如果條件中的兩者都 被滿足(例如，判定432和436的結(jié)果為正)并且被檢測到(判定437的結(jié)果為正)，則提 供已經(jīng)檢測到爆震信號的指示(步驟438)并且序列結(jié)束(步驟439)。如將認(rèn)識到的，已經(jīng) 檢測到爆震信號的指示可以由適當(dāng)?shù)陌l(fā)動機(jī)控制算法用來通過調(diào)整發(fā)動機(jī)的燃燒操作而 最小化爆震帶來的不良影響。已經(jīng)測試了在此所述的技術(shù)以顯示與傳統(tǒng)的基于能量的爆震檢測算法相比，使用 在此所公開的雙條件檢測方案是如何更準(zhǔn)確地檢測爆震事件。表2中列出了測試結(jié)果，其 顯示了較寬的條件范圍，在這些條件下，已經(jīng)對處于各種發(fā)動機(jī)rpm級別以及超前、正?；?較晚點(diǎn)火條件下的4缸發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)測試了該算法。表2 爆震檢測測試案例 表2中，標(biāo)為“實(shí)際”的列包含與測試案例中出現(xiàn)|_震事件有關(guān)的信息?！盎跁剂?br> 的算法”列顯示了當(dāng)僅僅短期能量中的增加被用來檢測爆震信號時爆震信號的檢測。最后 一列顯示了在此所述的結(jié)合基音檢測和短期能量增加的雙條件檢測方法的爆震檢測結(jié)果。 通過“ V”表示爆震的出現(xiàn)，而“X”表示信號中沒有爆震。如所看到的一樣，雙條件爆震檢 測方法實(shí)現(xiàn)了各種條件下100%的準(zhǔn)確率，而基于能量的算法在第6號和第9號測試具有錯 誤的正判定(positive)。這些測試可能對應(yīng)發(fā)動機(jī)遭遇突然振動(例如，經(jīng)過坑洼或鐵路 導(dǎo)軌)的情況，其中加速度傳感器顯示遍布所有頻率的更高能量級，但其中沒有檢測到基 音頻率。因?yàn)樵诖怂龅碾p條件爆震檢測系統(tǒng)和方法僅僅基于能量計算和控制代碼，其與 比較基音檢測中不同時間的時-頻分布或者基于能量的爆震檢測技術(shù)的其它爆震檢測技 術(shù)相比計算起來更有效并且更準(zhǔn)確。這使得其適于其中低功率很重要并且關(guān)注實(shí)時發(fā)送的 應(yīng)用，尤其是與計算強(qiáng)度更大的爆震檢測方案相比。現(xiàn)在，將認(rèn)識到，已經(jīng)提供了一種檢測內(nèi)燃機(jī)中爆震信號的方法和系統(tǒng)。如所公開 的一樣，傳感器結(jié)構(gòu)(例如，加速度傳感器或者附加至發(fā)動機(jī)氣缸的某些其它非介入式聲 敏傳感器)可操作地耦接內(nèi)燃機(jī)以響應(yīng)于發(fā)動機(jī)振動而生成傳感器信號信息?？刹僮鞯伛?接傳感器結(jié)構(gòu)的是信號處理結(jié)構(gòu)，其從傳感器信號信息中提取數(shù)字信號信息以識別數(shù)字信 號信息中的預(yù)定基音頻率和任何短期能量增加。在示例性實(shí)施例中，信號處理結(jié)構(gòu)包括將 傳感器信號信息采樣成數(shù)字傳感器信號的ADC。此外，信號處理結(jié)構(gòu)可以包括將數(shù)字傳感器 信號數(shù)字地濾波成濾波數(shù)字傳感器信號的抗混疊濾波器。信號處理結(jié)構(gòu)還可以包括將濾波 數(shù)字傳感器信號向下采樣成抽取的濾波數(shù)字傳感器信號的抽取器。此外，信號處理結(jié)構(gòu)可 以包括從抽取的濾波數(shù)字傳感器信號中提取瞬間頻率和振幅信息的短時傅里葉變換模塊。在所選實(shí)施例中，短時傅里葉變換模塊對抽取的濾波數(shù)字傳感器信號應(yīng)用布萊克曼哈里斯 窗口以減少頻率模糊。最后，信號處理結(jié)構(gòu)可以包括從瞬間頻率和振幅信息中檢測預(yù)定基 音頻率和短期能量增加的爆震檢測模塊。在所選實(shí)施例中，爆震檢測模塊包括使用雙向失 配誤差計算從瞬間頻率和振幅信息中計算基音頻率的基音檢測模塊。此外，爆震檢測模塊 包括計算短期能量增加的能量計算模塊，諸如通過從瞬間頻率和振幅信息中計算幀能量值 并且接著將該幀能量值和一或更多個在前幀的幀能量值進(jìn)行比較來算短期能量增加。預(yù)定 基音頻率和短期能量增加結(jié)合用來生成爆震檢測信號。依照另一種形式，通過使用爆震傳感器首先獲取內(nèi)燃機(jī)中氣缸的模擬振動信號信 息，并且接著對模擬振動信號進(jìn)行低通濾波以去除高頻分量，提供了一種從內(nèi)燃機(jī)獲取發(fā) 動機(jī)爆震數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)。接著，將模擬振動信號信息處理成多個幀以生成抗混疊的、向 下采樣的數(shù)字時域信號。在所選實(shí)施例中，該處理包含將模擬振動信號信息數(shù)字化采樣為 數(shù)字傳感器信號，將數(shù)字傳感器信號低通數(shù)字化濾波為濾波數(shù)字傳感器信號并且接著將濾 波數(shù)字傳感器信號抽取為抽取的濾波數(shù)字傳感器信號。隨后，將數(shù)字時域信號短期傅里葉 變換為數(shù)字頻域信號，從而為每一幀生成瞬間頻率和振幅信息。在所選實(shí)施例中，短期傅里 葉變換處理包含將數(shù)字時域信號和布萊克曼哈里斯窗口相乘。瞬間頻率和振幅信息用來檢 測幀中的預(yù)定基音頻率以及檢測幀中的預(yù)定能量增加。例如，通過計算雙向失配誤差值以 從一組候選基音頻率中進(jìn)行選擇，能夠檢測預(yù)定基音頻率，而通過比較當(dāng)前幀的第一能量 值和在前幀的第二能量值，和/或通過比較當(dāng)前幀的第一能量值和兩個或更多在前幀的平 均能量值(例如，平均幀能量)，能夠檢測預(yù)定能量增加。如果檢測到預(yù)定基音頻率和預(yù)定 能量二者都增加，則生成發(fā)動機(jī)爆震檢測信號。依照又一種形式，提供了一種檢測發(fā)動機(jī)爆震的方法，其中感測發(fā)動機(jī)振動的加 速度傳感器生成模擬傳感器信號。從模擬傳感器信號中逐幀地提取數(shù)字信號以識別數(shù)字 信號中預(yù)定基音頻率和任何短期能量增加。數(shù)字信號提取可以通過如下方式來完成將模 擬傳感器信號采樣為數(shù)字傳感器信號，將數(shù)字傳感器信號抗混疊濾波為濾波數(shù)字傳感器信 號，將濾波數(shù)字傳感器信號抽取為抽取的濾波數(shù)字傳感器信號，通過應(yīng)用布萊克曼哈里斯 開窗的短時傅里葉變換從抽取的濾波數(shù)字傳感器信號中提取瞬間頻率和振幅信息，并且從 瞬間頻率和振幅信息中檢測預(yù)定基音頻率和短期能量增加。通過使用雙向失配誤差計算從 瞬間頻率和振幅信息中計算基音頻率來完成預(yù)定基音頻率的檢測。此外，通過從瞬間頻率 和振幅信息中計算當(dāng)前幀能量值，并且比較當(dāng)前幀能量值和一或更多個在前幀的幀能量值 來完成短期能量增加的檢測。如果在一個幀中檢測到預(yù)定基音頻率和短期能量二者都增 加，則生成爆震檢測信號?？梢砸源鎯υ谟嬎銠C(jī)可讀介質(zhì)上并且作為計算機(jī)程序在通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)上執(zhí) 行以執(zhí)行特定任務(wù)的軟件來實(shí)現(xiàn)用于檢測或預(yù)測爆震信號的方法和系統(tǒng)，其使用在此所描 述和所顯示的基音檢測和短期能量變化的結(jié)合。對于硬件實(shí)現(xiàn)，用來執(zhí)行各種信號處理步 驟(例如，模擬濾波、數(shù)字化、抗混疊濾波、抽取、STFT處理等等)的元件可以實(shí)現(xiàn)在一或更 多個專用電路、專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、數(shù)字信號處理裝置(DSPD)、 可編程邏輯裝置(PLD)、場可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、被 設(shè)計用來執(zhí)行在此所述功能的其它電子單元或者它們的組合中。附加的或替代的，可以使 用軟件實(shí)現(xiàn)，從而可以在執(zhí)行在此所述功能的模塊(例如，程序、功能等等)中實(shí)現(xiàn)信號處理步驟的部分或全部。將認(rèn)識到，將功能劃分為模塊是出于示例的目的，而替代實(shí)施例可以 將多個軟件模塊的功能合并為單個模塊或者可以實(shí)施模塊功能的替代分解。在任何軟件實(shí) 現(xiàn)中，可以由處理器或控制器來執(zhí)行軟件代碼，其中所述代碼以及基礎(chǔ)的或已處理數(shù)據(jù)被 存儲在諸如板上或外部存儲單元的機(jī)器可讀或計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上。盡管在此公開的所述示例性實(shí)施例涉及在相同汽車系統(tǒng)中使用的各種爆震檢測 系統(tǒng)和方法，但本發(fā)明沒有必要限定于在此所述的示例性實(shí)施例。例如，在此公開的爆震檢 測算法可以用于任何內(nèi)燃機(jī)。此外，將認(rèn)識到，在此結(jié)合特定低通濾波功能來描述的實(shí)施例 可以推廣應(yīng)用至任何期望的傳遞感興趣信號的濾波功能。因而，以上所述的特定實(shí)施例僅 僅是示例并且不應(yīng)當(dāng)被視為對本發(fā)明的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可以通過對于受益于此處教導(dǎo)的 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的、不同但等同的方式來修改和實(shí)踐。因此，此前的描述不旨 在限定本發(fā)明為所述的特定形式，恰恰相反地，其旨在覆蓋可以被隨附權(quán)利要求所限定的 本發(fā)明的精神和范圍所包括的替換、修改和等效方案，由此本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解他們 可以以最廣泛的形式進(jìn)行多種改變、替換和變化而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。上文已經(jīng)針對特定實(shí)施例描述了益處、其它優(yōu)點(diǎn)和對問題的解決方案。然而，這些 益處、優(yōu)點(diǎn)、對問題的解決方案以及可以使任何益處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案出現(xiàn)或變得更加顯著 的任何要素不應(yīng)被解釋為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必需的或基本的特征或因素。如 此處使用的，術(shù)語“包括”、“包含”或其其它變體，旨在涵蓋非排他性的包括，由此包括一系 列要素的工藝、方法、物品或裝置并不是僅包括這些要素，而是可以包括未明確列出的或者 對于該工藝、方法、物品或裝置是固有的其它要素。
1權(quán)利要求
一種檢測內(nèi)燃機(jī)中爆震信號的系統(tǒng)，包含傳感器結(jié)構(gòu)，可操作地耦接內(nèi)燃機(jī)以響應(yīng)于發(fā)動機(jī)振動生成傳感器信號信息；以及信號處理結(jié)構(gòu)，可操作地耦接所述傳感器結(jié)構(gòu)以從所述傳感器信號信息中提取數(shù)字信號信息來識別所述數(shù)字信號信息中的預(yù)定基音頻率和任何短期能量增加，所述預(yù)定基音頻率和任何短期能量增加的組合用來生成爆震檢測信號。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器結(jié)構(gòu)包含加速度傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器結(jié)構(gòu)包含用于附加至發(fā)動機(jī)氣缸的非介 入式聲敏傳感器。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理結(jié)構(gòu)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述傳感器信號信息采樣為數(shù)字傳感器信號； 抗混疊濾波器，用于將所述數(shù)字傳感器信號數(shù)字化濾波為濾波數(shù)字傳感器信號； 抽取器，用于將所述濾波數(shù)字傳感器信號向下采樣為抽取的濾波數(shù)字傳感器信號； 短時傅里葉變換模塊，用于從所述抽取的濾波數(shù)字傳感器信號中提取瞬間頻率和振幅 信息；以及爆震檢測模塊，用于從所述瞬間頻率和振幅信息中檢測預(yù)定基音頻率和短期能量增 力口，其中如果檢測到所述預(yù)定基音頻率并且如果檢測到所述短期能量增加，則所述爆震檢 測模塊生成爆震檢測信號。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述短時傅里葉變換模塊將布萊克曼哈里斯窗口應(yīng) 用至所述抽取的濾波數(shù)字傳感器信號以減小頻率模糊。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述爆震檢測模塊包含基音檢測模塊，用于使用雙 向失配誤差計算來從所述瞬間頻率和振幅信息中計算基音頻率。
7.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述爆震檢測模塊包含能量計算模塊，用于從所述 瞬間頻率和振幅信息中計算幀能量值。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述爆震檢測模塊包含爆震判定模塊，用于通過比 較所述幀能量值和一或更多在前幀的幀能量值來計算短期能量增加。
9.一種從內(nèi)燃機(jī)獲取發(fā)動機(jī)爆震數(shù)據(jù)的方法，包含以下步驟 使用爆震傳感器從內(nèi)燃機(jī)中的氣缸獲取模擬振動信號信息；按幀來處理所述模擬振動信號信息以生成抗混疊的、向下采樣的數(shù)字時域信號； 將所述數(shù)字時域信號短期傅里葉變換為數(shù)字頻域信號，從而為每一幀生成瞬間頻率和 振幅信息；從所述瞬間頻率和振幅信息中檢測幀中預(yù)定基音頻率； 從所述瞬間頻率和振幅信息中檢測幀中預(yù)定能量增加；以及如果檢測到所述預(yù)定基音頻率并且如果檢測到所述預(yù)定能量增加，則生成發(fā)動機(jī)爆震 檢測信號。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中獲取模擬振動信號信息的步驟包含對所述模擬振 動信號信息進(jìn)行低通濾波以去除高頻分量。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中處理所述模擬振動信號信息的步驟包含 將所述模擬振動信號信息數(shù)字化采樣為數(shù)字傳感器信號；將所述數(shù)字傳感器信號低通數(shù)字化濾波為濾波數(shù)字傳感器信號；以及將所述濾波數(shù)字傳感器信號抽取為抽取的濾波數(shù)字傳感器信號。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對所述數(shù)字時域信號進(jìn)行短期傅里葉變換的步驟 包含將所述數(shù)字時域信號和布萊克曼哈里斯窗口相乘。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中檢測預(yù)定能量增加的步驟包含比較當(dāng)前幀的第一 能量值和在前幀的第二能量值。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中檢測預(yù)定能量增加的步驟包含比較當(dāng)前幀的第一 能量值和兩個或更多在前幀的平均能量值。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中檢測預(yù)定基音頻率的步驟包含計算雙向失配誤差 值以從一組候選基音頻率中進(jìn)行選擇。
16.一種檢測發(fā)動機(jī)爆震的方法，包含以下步驟由感測發(fā)動機(jī)振動的加速度計生成模擬傳感器信號；以及從所述模擬傳感器信號中按幀提取數(shù)字信號以識別所述數(shù)字信號中的預(yù)定基音頻率 和任何短期能量增加；如果在幀中檢測到所述預(yù)定基音頻率和短期能量增加，則生成爆震檢測信號。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中按幀提取數(shù)字信號的步驟包含將所述模擬傳感器信號采樣為數(shù)字傳感器信號；將所述數(shù)字傳感器信號抗混疊濾波為濾波數(shù)字傳感器信號；將所述濾波數(shù)字傳感器信號抽取為抽取的濾波數(shù)字傳感器信號；通過應(yīng)用加窗短時傅里葉變換從所述抽取的濾波數(shù)字傳感器信號中提取瞬間頻率和 振幅信息；以及從所述瞬間頻率和振幅信息中檢測預(yù)定基音頻率和短期能量增加。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中應(yīng)用加窗短時傅里葉變換的步驟包含對所述抽取 的濾波數(shù)字傳感器信號應(yīng)用布萊克曼哈里斯窗口。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中檢測預(yù)定基音頻率和短期能量增加的步驟包含使 用雙向失配誤差計算來從所述瞬間頻率和振幅信息中計算基音頻率。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中檢測預(yù)定基音頻率和短期能量增加的步驟包含從 所述瞬間頻率和振幅信息中計算當(dāng)前幀能量值，并且比較所述當(dāng)前幀能量值和一或更多在 前幀的幀能量值。
全文摘要
在汽車系統(tǒng)(300)中，提供了一種爆震檢測方案，用于檢測內(nèi)燃機(jī)中的爆震事件，其由諸如非介入式聲敏加速度傳感器(310)的傳感器結(jié)構(gòu)來感測以生成由信號處理結(jié)構(gòu)(312、316、318、326)處理的傳感器信號信息，信號處理結(jié)構(gòu)從傳感器信號信息中提取數(shù)字信號參數(shù)以識別數(shù)字信號信息中結(jié)合用來提供發(fā)動機(jī)爆震行為的正指示的預(yù)定基音頻率(330)和任何短期能量增加(328)。當(dāng)使用短期傅里葉變換(324)來提取數(shù)字信號參數(shù)時，通過對要被變換的數(shù)字信號適當(dāng)?shù)丶哟埃梢蕴岣邥r頻分辨率。
文檔編號F02D35/02GK101855440SQ200880115226
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者K·P·帕迪, P·W·門特 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司