葉翠安

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實(shí)船柴油機(jī)氮氧化合物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

葉翠安

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東高校船舶自動(dòng)化集成技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣州 510800）

開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的CAN總線通信實(shí)船柴油機(jī)氮氧化合物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試方法，系統(tǒng)包括STM32微控制器及其片內(nèi)集成的 CAN 控制器、CAN 收發(fā)器、智能NOx傳感器，通過(guò)CAN總線通信，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)NOx化合物參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

船舶 柴油機(jī) STM32 SAE J1939協(xié)議 NOx化合物檢測(cè)

0 引言

《MEPC(國(guó)際海洋保護(hù)委員會(huì)).176(58)》附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》規(guī)定了船舶柴油機(jī)NOx排放限制標(biāo)準(zhǔn)，分三個(gè)階段實(shí)施, 并于2005年5月生效。規(guī)則對(duì)NOx排放值非?？量虈?yán)厲。新規(guī)則、新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)與深入實(shí)施，一些排放不達(dá)標(biāo)船舶將不能進(jìn)入IMO申請(qǐng)?jiān)O(shè)立的排放控制區(qū)（ECA），否則可能受到罰款及其它不良后果。

目前，國(guó)際上對(duì)船舶大氣污染物的排放控制，均是以船用發(fā)動(dòng)機(jī)為主體進(jìn)行控制，通過(guò)型式核準(zhǔn)、生產(chǎn)一致性檢查、在用符合性檢查等環(huán)境管理方式實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶大氣排放污染控制。對(duì)船用柴油機(jī)氮氧化合物排放檢驗(yàn)的方式手段，一般是通過(guò)前期發(fā)證、初次發(fā)證檢驗(yàn)，在柴油機(jī)廠臺(tái)架實(shí)驗(yàn)檢測(cè)完成。營(yíng)運(yùn)實(shí)船上主要是通過(guò)的年度換證、中間檢驗(yàn)來(lái)完成。主要的測(cè)試方法有3種：1）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)檢查法；2）簡(jiǎn)化測(cè)量化；3）直接測(cè)量和監(jiān)測(cè)法[1]。根據(jù)附則VI的要求和“船用柴油機(jī)氮氧化合物排放試驗(yàn)與檢驗(yàn)指南”中的直接測(cè)量和監(jiān)測(cè)法，很難在實(shí)船上進(jìn)行，主要原因是規(guī)則中測(cè)試的排氣組分濃度參數(shù)多，采用的氣體分析儀相對(duì)來(lái)說(shuō)比較龐大、操作復(fù)雜，不便在船上安裝使用，不適合NOx排放實(shí)船在線測(cè)試[2]。本文結(jié)合實(shí)際，開(kāi)發(fā)一種嵌入式的CAN總線實(shí)船柴油機(jī)NOx化合物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試等方面進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端＋NOx傳感器＋上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)集成。包括Cortex-M3微控制器采集監(jiān)測(cè)終端，智能NOx傳感器，通信單元模塊，電源系統(tǒng)，人機(jī)界面觸摸屏等。圖１所示ARM Cortex-M3嵌入式硬件框架圖。

圖1　基于ARM Cortex-M3嵌入式系統(tǒng)硬件框架圖

1.1數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

1）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用互聯(lián)型系列STM32F107作為核心控制器，擁有標(biāo)準(zhǔn)AI與DI，便于和底層設(shè)備聯(lián)接，擁有4路串口。4路串口主要用于通信單元模塊聯(lián)接，現(xiàn)場(chǎng)上位PC機(jī)聯(lián)接，觸摸屏聯(lián)接和采用modbus協(xié)議與通信模塊RTU聯(lián)接。

2）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用互聯(lián)型系列STM32F107作為核心控制器，該MCU帶有CAN總線控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，實(shí)現(xiàn)CAN通信僅需進(jìn)行外圍的接收電路的設(shè)計(jì)即可。它的作用是分析和處理傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，并向傳感器發(fā)送電壓控制指令，控制傳感器的工作狀態(tài)。

3）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端與智能NOx傳感器采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CAN-Bus接口與智能NOx傳感器組成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

1.2 NOx傳感器。

很多護(hù)生在進(jìn)入婦科實(shí)習(xí)之后，特別是男護(hù)生，在面對(duì)操作時(shí)能夠見(jiàn)到婦科病人的隱私部位而出現(xiàn)緊張、恐懼、害羞，從而回避婦科護(hù)理操作，之后甚至更加會(huì)逃避一些護(hù)理教學(xué)。這類(lèi)的護(hù)生并不能很快的進(jìn)行自我角色轉(zhuǎn)換，這種沉重的心理壓力使其對(duì)于婦科實(shí)習(xí)失去興趣，并且懷疑自我價(jià)值。

采用基于氧化鋯基的電化學(xué)電流測(cè)試方法，由多層氧化鋯基片疊層共燒而成，中間加入了加熱體，測(cè)試電極、氧泵電極等組成[3]。基于氧化鋯的多層傳感器的智能檢測(cè)，是由氧化鋯NOx傳感器和一個(gè)電控單元(ECU)組成，電控單元是由監(jiān)測(cè)終端提供電壓信號(hào)控制加熱體溫度，改變傳感器的加熱策略，通過(guò) CAN 總線SAE J-1939協(xié)議來(lái)傳輸測(cè)量到的柴油機(jī)NOx化合物濃度。

1.3上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)集成

通信單元模塊采用技術(shù)集成方法，以GPRS、WCDMA通信以及3G/4G數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)，集成有GPRS/CDMA模塊和以太網(wǎng)模塊。將北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端與GPRS、WCDMA通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)同步傳輸。

2 基于J1939協(xié)議的智能NOx傳感器

2.1 J1939協(xié)議簡(jiǎn)介

J1939協(xié)議是由卡車(chē)與公共汽車(chē)控制和通信分委會(huì)制訂開(kāi)發(fā)，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）推薦的汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，支持閉環(huán)控制的在多個(gè)電子控制單元（ECU）間高速通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；以CAN2.0B為基礎(chǔ)，是CAN應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是一種傳輸速率較高的 C 類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，波特率可達(dá)到250Kbps，主要應(yīng)用于商用車(chē)輛、艦艇上。

J1939使用29位ID的擴(kuò)展幀格式，格式包含一個(gè)單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。單元由七部分組成，包括優(yōu)先級(jí)(P)、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁(yè)(DP)、協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PF)、PDU 特定域 (PS)和源地址(SA)[4]。在協(xié)議中，報(bào)文不僅指定了傳輸類(lèi)型、報(bào)文結(jié)構(gòu)及其分段、流量檢查等信息，而且報(bào)文內(nèi)容本身也做了精確的定義，對(duì)每個(gè)ECU 的地址、命名、報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)域等都做了明確規(guī)定。采用“地址聲明”的方法進(jìn)行地址分配。對(duì)通信參數(shù)中的連續(xù)型參數(shù)，使用SLOT（比例Scaling；界限Limit；偏移量Offset和傳輸Transfer功能）進(jìn)行定義。每個(gè)SLOT提供適合給定類(lèi)型中大部分參數(shù)的數(shù)值范圍和分辯率。參數(shù)的實(shí)際值＝偏移量+分辯率×測(cè)量值，其應(yīng)用層協(xié)議詳細(xì)規(guī)定了車(chē)輛控制與通信所用到的各種參數(shù)，并為每個(gè)參數(shù)分配了一個(gè)可疑參數(shù)編號(hào)（SPN），協(xié)議中還定義了參數(shù)組，并為每個(gè)參數(shù)組分配一個(gè)編號(hào)（PGN）作為該參數(shù)組的唯一標(biāo)簽，J1939協(xié)議中是通過(guò)PGN編號(hào)來(lái)處理消息的，通過(guò)該編號(hào)可辨識(shí)數(shù)據(jù)幀的具體信息[5]。

2.2智能NOx傳感器的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)幀

NOx傳感器是基于SAE J1939傳輸協(xié)議的智能傳感器，其通信規(guī)則為：波特率250 Kbps、傳輸循環(huán)速度：50 ms、整數(shù)、擴(kuò)展幀格式，標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)刂?8F00F52h（(PGN = 61455, in HEX: F00F），SAE J1939 標(biāo)準(zhǔn)下的NOx濃度數(shù)據(jù)幀具體定義如下[6,7]：

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：1 字節(jié)

分辨率：0.05 ppm/bit

數(shù)據(jù)范圍：-200ppm到+3012ppm

數(shù)據(jù)類(lèi)型：測(cè)量值

可疑參數(shù)號(hào)（SPN）：3328

參數(shù)群編號(hào)（PGN）：65247

2.3智能NOx傳感器通信控制流程

項(xiàng)目利用廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司的CANPro協(xié)議分析平臺(tái)，對(duì)監(jiān)測(cè)終端與傳感器間的報(bào)文進(jìn)行采集分析，其接收與發(fā)送控制流程具體如圖2所示。

圖2 智能NOx傳感器數(shù)據(jù)采集控制流程圖

3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端CAN總線通信設(shè)計(jì)

CAN數(shù)據(jù)總線通信網(wǎng)絡(luò)一般是由一個(gè)CAN控制器、一個(gè)收發(fā)器及電阻終端、傳輸線組成。CAN控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳送到CAN收發(fā)器。CAN 總線程序是使 MCU 處理器與CAN 設(shè)備相互通信的程序，通過(guò)總線程序才能和CAN 設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作，CAN總線程序主要完成3個(gè)工作：初始化CAN 控制器，發(fā)送CAN 報(bào)文和接收CAN 報(bào)文。項(xiàng)目程序開(kāi)發(fā)利用ARM MDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和STM32固件函數(shù)庫(kù)，采用固件庫(kù)提高了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)效率。如CAN通信配置、初始化CAN 控制器、發(fā)送CAN 報(bào)文和接收CAN 報(bào)文是由初始化函數(shù)（CAN-Init）、接收數(shù)據(jù)函數(shù)（CAN-Read）、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)（CAN-Write）等庫(kù)函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)。

3.1 CAN總線通信接口設(shè)計(jì)

CAN通信接口電路由集成了可編程的BXCAN控制器的STM32處理器連接光電隔離器件，然后連接PCA82C250CAN收發(fā)器組成。CAN收發(fā)器兼具接收與發(fā)送功能，將控制器的TTL電平轉(zhuǎn)換到兩個(gè)總線終端(CANH和CANL)之間的差分電平，然后數(shù)據(jù)在總線電纜上傳輸，如圖3 所示，6N137 為光電耦合芯片，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)間的電氣隔離，82C250 是CAN 控制器和物理層總線間的接口。

圖3 CAN通信接口電路圖

3.2 CAN總線通信配置與初始化

3.3 CAN 總線應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

4 NOx傳感器安裝與測(cè)試

4.1 NOx傳感器安裝

為防止水份進(jìn)入到傳感器探頭中，NOx傳感器須豎直安裝在柴油機(jī)排氣管道上方方向，須按上下中軸線10度左右的傾斜角度安裝。

4.2 NOx傳感器測(cè)試

利用標(biāo)準(zhǔn)氣源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)測(cè)試，NOx標(biāo)準(zhǔn)氣體為純正的一氧化氮和二氧化氮混合物，氧氣含量為0.0%，NOx零點(diǎn)氣體須為潔凈干燥空氣，不能含有NOx，但含有20.9%的氧氣。測(cè)試主要內(nèi)容是校零與量程校準(zhǔn)，在完成安裝后，正常使用前，系統(tǒng)必須校準(zhǔn)調(diào)試。系統(tǒng)通常需要5分鐘的預(yù)熱時(shí)間，等讀數(shù)穩(wěn)定后才能校準(zhǔn)；為得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，樣本氣體壓力及流量須與排放廢氣壓力和流量一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著船用柴油機(jī)排放IMO TIER III排放標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)將出臺(tái)的《船機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》的深入實(shí)施，船舶柴油機(jī)NOx排放實(shí)船測(cè)試勢(shì)在必行，本文立足于船舶實(shí)際情況，研究柴油機(jī)NOx化合物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于解決目前船舶排放實(shí)船檢測(cè)難于實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題具有重要意義，具有一定的價(jià)值。

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Design of Nitrogen Oxides Monitoring System for A Ship’s Diesel Engine

Ye Cui’an

(Guangdong Communication Polytechnic Guangdong University Ship Automation Integration Technology Development Center, Guangzhou 510800, China)

This paper develops a kind of CAN bus communication real ship diesel engine nitrogen oxides (NO) monitoring system based on STM32, and describes the system hardware composition, software design and the test method. The system includes STM32 micro controller and integrated CAN controller within system, CAN transceiver, intelligent NO sensor. Through CAN bus communication, the real-time monitoring of NO compound parameters of the diesel engine is realized.

ship; diesel engine; STM32; SAEJ1939 protocol; NO compound detection

TP393

A

1003-4862（2016）08-0017-03

2016-06-09

①?gòu)V東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目：船用柴油機(jī)氮氧化合物排放在線監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)發(fā)與應(yīng)用(編號(hào)：2013-04-012)；②廣東高校船舶自動(dòng)化集成技術(shù)開(kāi)發(fā)中心（粵財(cái)教〔2013〕412號(hào)）

葉翠安（1969-），男，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，大管輪。研究方向：輪機(jī)工程與自動(dòng)控制技術(shù)。