薛福佺，徐亞超，薛福英

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000;2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537000;3.江蘇大學(xué)汽車與交通學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

柴油機(jī)排放中含有大量的顆粒物，尤其是PM2.5占顆粒物排放的80%，其會(huì)對環(huán)境和人體健康造成很大的危害.隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，顆粒物捕集器 (DPF)被廣泛應(yīng)用于柴油車上，這是目前實(shí)現(xiàn)柴油車顆粒物排放控制的最有效的和簡單的方法.但是對DPF使用中故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還沒有較為有效的方法［1］.新型車載漏電流式顆粒物傳感器的研制為實(shí)時(shí)監(jiān)測顆粒物捕集器工作狀態(tài)提供了新的方案.

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和普及，結(jié)合現(xiàn)有的電子技術(shù)，將儀表、控制單元以及傳感器通過一條總線連接起來，實(shí)現(xiàn)分布式的控制，便出現(xiàn)了現(xiàn)場總線智能傳感技術(shù).CAN總線技術(shù)在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，是目前唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線［2］.在顆粒物傳感器控制系統(tǒng)中集成了CAN總線通訊技術(shù)，使得其能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)其他控制單元進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享.由美國汽車工程協(xié)會(huì)制定的SAE J1939協(xié)議已在商用車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、輪船、大型發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以SAE J1939協(xié)議為基礎(chǔ)為顆粒物傳感器制定通訊協(xié)議［3-4］.

1 顆粒物傳感器的原理

漏電流式顆粒物傳感器的機(jī)械部分主要包括電極、引流板、金屬外殼和絕緣陶瓷等，顆粒物傳感器的原理示意圖如圖1所示.在安裝時(shí)，顆粒物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示意圖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1kV的電壓，廢氣流經(jīng)電極時(shí)，獲得電荷，在電場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.測量得到回路中的電流與廢氣中顆粒物的濃度存在一定的關(guān)系，利用這種關(guān)系，可以把測量得到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成柴油機(jī)尾氣中顆粒物濃度的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)尾氣中顆粒物濃度的測量.

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)顆粒物傳感器所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)以及工作條件，對其控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)提出了以下要求:顆粒物傳感器根據(jù)柴油機(jī)尾氣中顆粒物濃度的變化輸出的電流信號(hào)僅為幾十納安到一百多納安，如此微弱的電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)易于識(shí)別的0～5V的電壓信號(hào)，就需要對電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大［5］;顆粒物傳感器的工作環(huán)境隨工況變化溫度變化范圍很大，因此，需要測量顆粒物傳感器實(shí)時(shí)工作的溫度，并對輸出的電流信號(hào)進(jìn)行修正;當(dāng)顆粒物傳感器工作一段時(shí)間以后，在引流板和高壓電極之間會(huì)沉積顆粒物，因此，在傳感器內(nèi)部需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱器，燒掉沉積的顆粒物;顆粒傳感器最終需要將測量的顆粒物濃度信號(hào)共享到發(fā)動(dòng)機(jī)的其它控制單元.

按照顆粒物傳感器功能的要求，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，主要分為兩大部分:顆粒物傳感器機(jī)械部分和控制系統(tǒng).顆粒物傳感器的機(jī)械部分的示意圖如圖1所示，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在顆粒物傳感器的金屬外殼和高壓電極之間加載1kV的高壓.顆粒物傳感器的控制系統(tǒng)硬件電路主要由電源模塊、信號(hào)放大模塊、測溫、加熱、通訊和微處理器模塊等構(gòu)成.整個(gè)顆粒物傳感器的控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.通訊模塊的硬件結(jié)構(gòu)主要包括集成了CAN控制器的S9S08DZ60芯片和高速CAN收發(fā)器TJA1040.

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路示意圖

3 控制系統(tǒng)的軟件和通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

顆粒物傳感器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)控制系統(tǒng)的各模塊的功能將程序進(jìn)行分塊編寫，并在主程序中進(jìn)行調(diào)用和協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊運(yùn)行.SAE J1939協(xié)議明確規(guī)定了汽車內(nèi)部控制單元的地址配置、命名、通訊的方式和報(bào)文的優(yōu)先級等細(xì)節(jié).

顆粒物傳感器控制系統(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總線通訊中斷處理模塊和主程序模塊.控制系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示.

圖3 控制系統(tǒng)的軟件框架圖

控制系統(tǒng)初始化程序模塊主要包括:微處理器初始化、CAN模塊初始化、A/D初始化、RTI(Interrupt Return Instruction)初始化.初始化流程圖如圖4所示.CAN模塊初始化主要包括CAN控制器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)、波特率設(shè)置、濾波器設(shè)置、運(yùn)行模式的選擇和等待總線時(shí)鐘同步.

圖4 控制系統(tǒng)初始化流程圖

文中采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式來制定和驗(yàn)證通訊協(xié)議的可行性.由于顆粒物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中可以安裝到DPF的前后端實(shí)時(shí)監(jiān)測DPF的工作狀態(tài)和故障，故采用四塊電路板來搭建模擬DPF故障監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺(tái)，從而驗(yàn)證控制系統(tǒng)通訊功能.四塊電路板分別代表顆粒物捕集器前端顆粒物傳感器 (FPMS)，顆粒物捕集器后端顆粒物傳感器 (APMS)，顆粒物捕集器控制單元 (DCU)和指示系統(tǒng) (IS).DPF故障監(jiān)測系統(tǒng)信息交換示意圖如圖5所示.

圖5 DPF故障監(jiān)測系統(tǒng)信息交換示意圖

SAE J1939通訊協(xié)議是基于CAN總線協(xié)議的高層通訊協(xié)議，遵循CAN 2.0B規(guī)范，協(xié)議中將不對CAN中規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層以下的通訊協(xié)議進(jìn)行規(guī)定;DPF故障監(jiān)測系統(tǒng)各模塊之間的CAN通訊波特率選擇250kbps.以顆粒物捕集器后端顆粒物傳感器 (APMS)為例制定通訊協(xié)議.

協(xié)議數(shù)據(jù)單元的設(shè)計(jì)主要包括:確定數(shù)據(jù)幀所要發(fā)送的內(nèi)容，主要是確定數(shù)據(jù)的長度和數(shù)據(jù)位的組成.根據(jù)顆粒物傳感器測量的精度和范圍計(jì)算出顆粒物濃度信息需要占用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)域長度為8個(gè)字節(jié)，因此該數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域各位的組成如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)位組成

確定報(bào)文的優(yōu)先級、數(shù)據(jù)頁 (DP)、PDU格式 (PF)、特定PDU(PS)和源地址 (SA).由于該數(shù)據(jù)幀實(shí)時(shí)性在本系統(tǒng)中要求相對較高，這里優(yōu)先級設(shè)定為1.由于顆粒物傳感器發(fā)送的濃度信息及溫度信息是自己定義的，所以只能選用SAE J1939中規(guī)定的用戶可以定義的參數(shù)的PF，這種可自定義的PF只有239與255，239可以用來設(shè)定目的地址，255則是全局地址，意味著每個(gè)ECU單元都可以進(jìn)行接收.由于PM濃度報(bào)文和傳感器工作溫度的信息除在本系統(tǒng)中被使用外，還可能被其他支持J1939協(xié)議的單元 (如儀表等)接收處理，因此這里選定255.根據(jù)SAE規(guī)定，DP取0，而此時(shí)的PS為SAE J1939中規(guī)定的GE，是PF的擴(kuò)展，具體的值可以自己定義，在這里取4.SA為DPF后端顆粒物傳感器 (APMS)的源地址，SAE J1939中把128到247的地址留給了廠商自己定義，所以在這里取APMS的地址為128.對于PF大于240的情況，不存在目標(biāo)地址DA，此數(shù)據(jù)幀是面向系統(tǒng)中的所有ECU模塊的.最后根據(jù)每位的值求取參數(shù)群編號(hào) (PGN)和標(biāo)識(shí)符 (ID).最終，組成的整個(gè)數(shù)據(jù)幀的仲裁場如表2所示.

表2 仲裁場的構(gòu)成及計(jì)算

4 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，主要包括兩大部分:傳感器電路板和開發(fā)板.開發(fā)板上集成了所需要的按鍵、LED顯示屏、CAN模塊等資源;傳感器電路板作為測試對象采集微電流信號(hào) (模擬顆粒物傳感器的輸出信號(hào))，與開發(fā)板進(jìn)行CAN通訊.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)電阻R獲得不同大小的微電流信號(hào)，可由6000－02－100μA型電流表A讀取，并通過放大器放大、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，通過數(shù)碼管把結(jié)果顯示出來.記錄6000－02－100μA型精密電流表A上的數(shù)值和開發(fā)板數(shù)碼管上顯示的結(jié)果.試驗(yàn)中對3塊不同的傳感器電路板進(jìn)行測試和記錄，得出的數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中顯示電流和轉(zhuǎn)化后電壓的對應(yīng)關(guān)系.開發(fā)板上的兩個(gè)按鍵可以作為輸入信號(hào)用來控制傳感器電路板功能的選擇;按鍵8按下開始采集微電流信號(hào)，按鍵10按下采集溫度值，兩個(gè)按鍵同時(shí)按下，加熱電阻開始工作.

圖7 電流放大結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)放大電路能夠完成微電流信號(hào)的放大功能，并且具有很好的線性度;兩板之間CAN通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性在實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證;開發(fā)板的按鍵通過CAN總線可以控制傳感器工作狀態(tài)，因此，傳感器電路板能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求.

同時(shí)也對顆粒物傳感器控制系統(tǒng)的SAE J1939通訊協(xié)議進(jìn)行了模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).通過向電路板輸入微電流信號(hào)模擬顆粒物的濃度值，DPF前后兩端的電路板輸出的電壓V1和V2，通過CAN總線將兩路信號(hào)發(fā)到DCU進(jìn)行比較，從而來判斷DPF的工作狀態(tài)，當(dāng)判斷為故障時(shí)，DCU便向指示系統(tǒng) (IS)發(fā)送指令，發(fā)出報(bào)警信號(hào)來提示駕駛員，并做出相應(yīng)的響應(yīng).通過示波器記錄了通訊時(shí)CAN模塊的CAN_H和CAN_L波形圖如圖8所示.

圖8 CAN_H和CAN_L波形圖

5 結(jié)論

開發(fā)的基于SAE J1939協(xié)議的的顆粒傳感器的控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了顆粒傳感器輸出的微電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換;通訊模塊的硬件設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，通訊軟件和通訊協(xié)議可行性在模擬試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，集成CAN總線的顆粒物傳感器能夠智能的處理自身采集到的數(shù)據(jù)，控制其工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了與發(fā)動(dòng)機(jī)其他控制單元數(shù)據(jù)的共享.

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