王希凡，湯 東，徐亞超，陳 烈

(1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇213200)

0 引 言

柴油機(jī)具有熱效率高、油耗低，動(dòng)力性強(qiáng)及可靠性高的特點(diǎn)，越來越多的輕型車(如轎車、輕卡)開始使用柴油機(jī)。但是柴油機(jī)顆粒物(PM)排放高的缺點(diǎn)一直是制約柴油機(jī)應(yīng)用的主要瓶頸，柴油機(jī)排放的PM 中PM 2.5 占80%，對(duì)人體健康和環(huán)境都造成很大的危害。隨著排放法規(guī)對(duì)車輛PM 排放的要求越來越高，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)廢氣中PM 的含量變得越來越重要。

CAN 總線目前在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［1］。本文主要通過CAN 總線技術(shù)，將PM 傳感器設(shè)計(jì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，并依據(jù)SAE J1939 協(xié)議為PM傳感器制定通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)柴油機(jī)廢氣中PM 的含量，為柴油PM 過濾器(DPF)的故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和柴油車PM 的排放控制提供新的途徑［2，3］，以滿足應(yīng)用要求。

1 顆粒物傳感器的原理

漏電流式PM 傳感器的機(jī)械部分主要包括電極、引流板、金屬外殼和絕緣陶瓷等。在安裝的時(shí)候，PM 傳感器的末端要安裝在排氣管的中心處，因?yàn)榕艢夤艿闹行奶帤饬魉俣茸罡撸瑝簭?qiáng)最小，利用文丘里管原理作用使得廢氣沿如圖1 中的箭頭流經(jīng)傳感器內(nèi)部。在金屬外殼和電極之間加載1 kV 的電壓，廢氣流經(jīng)電極時(shí)，獲得電荷，在電場(chǎng)的作用下向接地的引流板方向運(yùn)動(dòng)，因此，在電極和外殼之間形成微弱的電流。測(cè)量得到回路中的電流與廢氣中PM 的濃度存在一定的關(guān)系，利用這種關(guān)系，可以將測(cè)量得到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成柴油機(jī)尾氣中PM濃度的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)尾氣中PM 濃度的測(cè)量。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of sensor

2 PM 傳感器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，主要分為PM 傳感器機(jī)械部分和其控制系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在PM 傳感器的金屬外殼和高壓電極之間加1 kV 的高壓。PM 傳感器的控制系統(tǒng)主要由電源模塊、信號(hào)放大模塊、測(cè)溫、加熱、通訊和微處理器模塊等構(gòu)成，控制系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of sensor system

3 通信協(xié)議設(shè)定

J1939 是由美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)為車輛定義的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議對(duì)報(bào)文的結(jié)構(gòu)、傳輸?shù)念愋偷茸髁嗣鞔_的規(guī)定，同時(shí)也精確定義了報(bào)文的內(nèi)容，用戶根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域選擇不同的應(yīng)用層協(xié)議［4］。J1939 協(xié)議將CAN 標(biāo)識(shí)符劃分為如下幾個(gè)部分:優(yōu)先級(jí)(P)、數(shù)據(jù)頁(yè)(PGN)、協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)格式、PDU 特定域(PS)和源地址(SA)。

3.1 應(yīng)用層協(xié)議的制定

PM 傳感器的應(yīng)用重點(diǎn)在兩個(gè)方面:一方面是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DPF 工作狀態(tài)，為DPF 故障監(jiān)測(cè)和再生時(shí)機(jī)選擇提供新的途徑;另一方面用于車載診斷(OBD)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)PM 排放的情況。

3.1.1 DPF 故障檢測(cè)系統(tǒng)

DPF 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括:PM 過濾器前端PM 傳感器(FPMS)，PM 過濾器后端PM 傳感器(APMS)，PM 過濾器控制單元(DCU)和指示系統(tǒng)(IS)。

FPMS 和APMS 將采集的PM 濃度的信息和傳感器工作溫度信息發(fā)送給DCU，接收來自DCU 的指令對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制;DCU 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的狀態(tài)和PM傳感器發(fā)送的信息對(duì)PM 傳感器工作狀態(tài)和指示系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.1.2 再生系統(tǒng)應(yīng)用層

定義PM 濃度和傳感器溫度報(bào)文，該報(bào)文發(fā)生在系統(tǒng)工作過程中，通信雙方為DCU/APMS。觸發(fā)方式為周期觸發(fā)，發(fā)起者為APMS。APMS 向DCU 發(fā)送PM 濃度信息和PM 傳感器工作溫度信息。

3.1.3 協(xié)議數(shù)據(jù)單元設(shè)計(jì)

根據(jù)PM 傳感器測(cè)量的精度和范圍計(jì)算出PM 濃度信息需要占用3 個(gè)字節(jié)，傳感器工作溫度信息占用2 個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為8 個(gè)字節(jié)。

確定報(bào)文的優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)頁(yè)(DP)、PDU 格式(PF)、特定PDU(PS)和源地址(SA)。優(yōu)先級(jí)設(shè)定為1。PF 選定為255。根據(jù)SAE 規(guī)定，DP 取0。PS 取4。取APMS 的地址為128。

根據(jù)每位的值求取參數(shù)群編號(hào)(PGN)和標(biāo)識(shí)符(ID)。由上面所定義的參數(shù)可以算出參數(shù)群編號(hào)(PGN)的值如表1所示。

表1 PGN 的構(gòu)成與計(jì)算Tab 1 Constitution of PGN and calculation

SRR 為替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求，用戶在使用過程中為傳輸緩沖器置位為1。IDE 標(biāo)志顯示擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符是否用于該緩沖器，IDE 位在此為1 表示擴(kuò)展模式。RTR 位表示反映CAN 幀中遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求的狀態(tài)，在此，RTR 位為0 表示數(shù)據(jù)幀?？傻贸?2 位仲裁場(chǎng)(表2)。最后將標(biāo)識(shí)符與數(shù)據(jù)域進(jìn)行結(jié)合，組成整個(gè)數(shù)據(jù)幀，如表3 所示。

表2 仲裁場(chǎng)的構(gòu)成與計(jì)算Tab 2 Constitution of arbitration field and calculation

表3 數(shù)據(jù)幀Tab 3 Data frame

系統(tǒng)中仲裁場(chǎng)的32 位所對(duì)應(yīng)的是MC9S08DZ60 芯片中的4 個(gè)標(biāo)識(shí)符寄存器(IDR0 ～I(xiàn)DR3)。在軟件中PM 傳感器所發(fā)送的PM 濃度數(shù)據(jù)幀所對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符寄存器的賦值如表4 所示。

表4 標(biāo)識(shí)符寄存器每一位的值Tab 4 Value of each bit of identifier registers

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化的理念，利用C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫，并借助CW for Microcontrollers V6.3 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試和燒錄。

PM 傳感器控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括初始化模塊、CAN 接收和發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊、CAN 總線通信中斷處理模塊和主程序模塊。

4.1 初始化模塊

控制系統(tǒng)初始化程序模塊包括:微處理器初始化、CAN模塊初始化、A/D 初始化、RTI 初始化。

4.1.1 波特率參數(shù)設(shè)置

對(duì)于MC9S08DZ60 芯片，波特率的計(jì)算公式如下

其中，fbit為總線波特率;Tbit為標(biāo)稱位時(shí)間;fCANCLK為CAN 主時(shí)鐘頻率;Pr escalar value 為預(yù)分頻值;timesegment1為相位緩沖段1;timesegment2為相位緩沖段2［5］。

根據(jù)SAE J1939 協(xié)議，采用的總線波特率為250 kbps。通過計(jì)算得出CAN 總線波特率fCANCLK為4 MHz 時(shí)，將寄存器CANBTR0 設(shè)置為0x40，將寄存器CANBTR1 設(shè)置為0x23。

4.1.2 標(biāo)識(shí)符接收濾波器設(shè)置

在本系統(tǒng)CAN 初始化的過程中，CAN 控制寄存0(CANCTL0)設(shè)置為 0xCC，CAN 控制器寄存器1(CANCTL1)設(shè)置為0x67。2 個(gè)控制器寄存器設(shè)置的主要功能是使能CAN 模塊、選用振蕩器時(shí)鐘源、環(huán)回自測(cè)禁止、正常運(yùn)行。

4.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換初始化

在本系統(tǒng)軟件設(shè)置中，配置寄存器(ADCCFG)設(shè)置為0x04，選擇高速配置、將ADCK 設(shè)置為輸入時(shí)鐘除以1、短采樣時(shí)間、12 位轉(zhuǎn)換精度、選擇總線時(shí)鐘為輸入時(shí)鐘源;狀態(tài)和控制寄存器2(ADCSC2)設(shè)置為0x00，選擇軟件觸發(fā)、比價(jià)功能禁止;更新狀態(tài)和控制寄存器1(ADCSC1)設(shè)置為0x01，轉(zhuǎn)換完成中斷功能禁止、進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要選擇輸入通道。

4.2 CAN 總線通信模塊

系統(tǒng)中，PM 傳感器控制系統(tǒng)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)采用中斷的方式來實(shí)現(xiàn);而接收總線上的報(bào)文則通過查詢的方式來實(shí)現(xiàn)。

PM 傳感器控制系統(tǒng)向總線上發(fā)送報(bào)文采用周期發(fā)送的方式，進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序后，開始調(diào)CAN 發(fā)送函數(shù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后退出中斷服務(wù)程序。流程圖如圖3(a)所示。

PM 傳感器控制系統(tǒng)需要接收的信息主要是來自發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元對(duì)PM 傳感器工作狀態(tài)控制的信息，當(dāng)查詢到總線上有來自其他節(jié)點(diǎn)的報(bào)文時(shí)，便對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行比較，若是本系統(tǒng)需要的信息便接收;反之，則不接收。流程圖如圖3(b)所示。

圖3 CAN 點(diǎn)線發(fā)送與接收程序流程圖Fig 3 Flow chart of CAN bus sending and receiving programs

4.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊主要包括溫度和電流信號(hào)的采集和數(shù)字濾波。由于PM 傳感器輸出的電流信號(hào)非常微弱，即使很小的干擾也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來很大的影響，因此，采用濾波的方式濾除干擾噪聲。本系統(tǒng)數(shù)字濾波采用了一種一階滯后濾波算法［6，7］，取a=0 ～1:本次濾波結(jié)果=(1－a)×本次的采樣值+a×上次濾波的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中a 取0.9。流程圖如圖4 所示。

圖4 信號(hào)處理流程圖Fig 4 Flow chart of signal processing

4.4 通信中斷服務(wù)程序

通信中斷服務(wù)程序流程圖如圖5 所示。中斷程序是通過設(shè)置核心芯片中的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)模塊來實(shí)現(xiàn)的。在軟件設(shè)置中，寄存器RTCSC 設(shè)置為0x9C，選用1 kHz 振蕩器，進(jìn)行10 分頻，并中斷使能;寄存器RTCMOD 設(shè)置為0x64 設(shè)置中斷間隔為1 s。

圖5 通信中斷服務(wù)程序流程圖Fig 5 Flow chart of communication interrupt service program

4.5 開發(fā)板軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)板具有完整的CAN 通信硬件，本課題利用雙絞線連接開發(fā)板和控制系統(tǒng)電路板的CAN_L 和CAN_H 引腳，并用開發(fā)板上的兩個(gè)按鍵通過CAN 總線對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。用開發(fā)板上的4 位數(shù)碼管顯示通過CAN總線發(fā)送過來的溫度和顆粒物濃度信號(hào)，進(jìn)而驗(yàn)證控制電路的性能。開發(fā)板的主程序流程圖和控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6(a)，(b)。

圖6 開發(fā)板與控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig Flow chart of main programs of development board and control system

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示，主要包括兩大部分:傳感器電路板和開發(fā)板。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)電阻器阻值的大小來獲得不同的電流值，電流大小由6000—02—100 μA 型精密電流表A 讀取，在0 ～120 nA 之間變化，并通過放大器放大和轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電壓信號(hào)，由單片機(jī)采集處理后通過CAN 總線發(fā)送到開發(fā)板上，并由數(shù)碼管把結(jié)果顯示出來，如圖8 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig 7 Experimental device

圖8 電流放大結(jié)果Fig 8 Current amplification results

實(shí)驗(yàn)表明:硬件電路和軟件的信號(hào)處理模塊能夠很好地完成微電流信號(hào)的放大和轉(zhuǎn)換功能，并且具有很好的線性度，通過修正處理可以實(shí)現(xiàn)三塊電路板的轉(zhuǎn)換放大效果保持一致。

6 結(jié) 論

以SAE J1939 協(xié)議為基礎(chǔ)為顆粒物傳感器制定的應(yīng)用層協(xié)議，在實(shí)際硬件平臺(tái)中可以實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)行穩(wěn)定，為將來PM 傳感器在實(shí)際應(yīng)用中通信協(xié)議的制定提供參考。

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