主動再生式DPF數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置的設(shè)計與應(yīng)用

周容，馬志振，尉遲勝軍，謝振凱，馬鵬飛

(1.天津市河西區(qū)機(jī)動車排污檢控站，天津 300201；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.天津市東麗區(qū)機(jī)動車排污檢控站，天津 300300)

0 引言

相比汽油機(jī)，柴油發(fā)動機(jī)在油耗、動力性、可靠性、低速轉(zhuǎn)矩及功率覆蓋面等方面均有明顯的優(yōu)勢，不僅一直是中重型車用動力裝置的主流，大量的非道路工程機(jī)械也普遍將柴油發(fā)動機(jī)作為主要的動力裝置。而同時，柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放量遠(yuǎn)超汽油機(jī)，造成了嚴(yán)重的大氣污染[1]，其顆粒物排放已成為大氣污染非常突出、緊迫的問題之一。隨著我國機(jī)動車排放法規(guī)對機(jī)動車排放限值要求逐漸嚴(yán)格，柴油機(jī)顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)作為控制柴油機(jī)顆粒物排放最為行之有效的技術(shù)手段，已成為柴油機(jī)顆粒物排放治理應(yīng)用廣泛的后處理產(chǎn)品[2-3]。

而DPF捕集顆粒物過程中會隨著顆粒物的積累，油耗增加，發(fā)動機(jī)動力性能下降[4]，不僅引起車輛排放更多的污染物，而且直接影響車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重將導(dǎo)致用戶私自拆卸顆粒物捕集器，大大降低了顆粒物削減效果。實時采集和分析顆粒物捕集器工作參數(shù)信息，掌握顆粒捕集器再生情況、運行狀況，有利于對車輛和顆粒捕集器進(jìn)行實時監(jiān)管[5-6]。本文作者旨在對柴油機(jī)顆粒捕集器工作狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，設(shè)計DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置，將溫度、壓力傳感器及車輛位置信息、時間數(shù)據(jù)等發(fā)送至監(jiān)控平臺，實現(xiàn)DPF工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 硬件需求分析及設(shè)計

1.1 功能需求分析

主動再生式DPF主要根據(jù)排氣背壓、溫度等信號判斷其工作狀態(tài)是否正常[7-8]，故DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置，應(yīng)主要包括對排氣管溫度、排氣背壓和再生信號等進(jìn)行采集。文中所設(shè)計數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸裝置基于汽車網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)，通過CAN總線實現(xiàn)對排氣溫度、排氣背壓的數(shù)據(jù)采集。

另外，考慮到遠(yuǎn)程監(jiān)測對車輛位置的需求，遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置應(yīng)具備定位功能，通過全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)獲取車輛位置數(shù)據(jù)，對車輛定位并計算車輛行駛速度、車輛運行軌跡等。遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲和加密，通過無線傳輸技術(shù)(General Packet Radio Service, GPRS)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程在線監(jiān)控平臺。故所設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置應(yīng)具備滿足的功能需求如下：

(1) 通過CAN協(xié)議讀取溫度、壓力等數(shù)據(jù)；

(2) 通過GPS獲取車輛運行位置、運行速度等信息；

(3) 具有時鐘模塊，能夠計算車輛運行時間及時長；

(4) 通過GPRS完成DPF運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與GPS和時間數(shù)據(jù)的上傳。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

考慮到DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置一般安裝在汽車駕駛室內(nèi)，可能暴露在高溫或低溫環(huán)境下，所以裝置需在較大溫度范圍內(nèi)保證穩(wěn)定運行。設(shè)計時采用32位汽車級發(fā)動機(jī)控制專用高速微控制器SPC563M64，可在零下30 ℃低溫至85 ℃高溫環(huán)境下正常工作。

車載蓄電池電壓存在不穩(wěn)定性，電池輸出電壓會在一定范圍內(nèi)變化，電源模塊可以在9～36 V輸入電壓下穩(wěn)定輸出5 V電壓為數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝信號處理電路與數(shù)字信號處理電路用來對傳感器信號進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)接入，是目前廣泛應(yīng)用且穩(wěn)定性較好的網(wǎng)絡(luò)模式，采用ATK-SIM900A模塊，可兼容GSM與GPRS網(wǎng)絡(luò)模式；采用GPS獲取車輛位置信息，包括時間、車速、經(jīng)緯度、運行方向等數(shù)據(jù)；采用1路CAN通信，與DPF控制器通過CAN總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；采用RS232進(jìn)行串口通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程終端與PC端的連接通信，完成軟件程序下載和終端調(diào)試。

除上述必備模塊外，硬件框架還應(yīng)包括數(shù)據(jù)的存儲模塊、獨立硬件看門狗和時鐘模塊。存儲模塊進(jìn)行車輛基本信息和運行數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲備份，此外還可在GPRS信號弱或無信號，無法及時上傳數(shù)據(jù)時可實現(xiàn)車輛及DPF后處理設(shè)備運行情況的全程監(jiān)控，并在回復(fù)網(wǎng)絡(luò)后將數(shù)據(jù)上傳。獨立硬件看門狗電路目的為防止軟件程序紊亂陷入死循環(huán)。時鐘模塊具備實時時鐘，并能夠通過衛(wèi)星授時方式同步時鐘；車載數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置實時時鐘采用北京時間，能夠連續(xù)24 h記錄DPF后處理設(shè)備運行數(shù)據(jù)。

2 軟件結(jié)構(gòu)及設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置軟件部分設(shè)計思想是基于AUTOSAR軟件規(guī)范。軟件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

微控制器抽象層是對底層物理設(shè)備的抽象，包含了ECU硬件的所有驅(qū)動，目的是實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能；ECU抽象層是將ECU外設(shè)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，封裝了微控制器層以及外圍設(shè)備的驅(qū)動；服務(wù)層由眾多基礎(chǔ)服務(wù)軟件組件構(gòu)成，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的功能和接口，為該系統(tǒng)提供各種服務(wù)性控制；運行環(huán)境(RTE)層用來負(fù)責(zé)應(yīng)用層軟件與基礎(chǔ)軟件之間的通信，應(yīng)用層通過RTE來調(diào)用底層的基礎(chǔ)軟件，RTE層將應(yīng)用層從對底層軟件和硬件平臺的依賴中獨立出來，實現(xiàn)了應(yīng)用程序與底層ECU平臺的隔離，實現(xiàn)了對應(yīng)用層軟件的重用；應(yīng)用層包含用戶所有應(yīng)用軟件，是系統(tǒng)功能的外在表現(xiàn)形式，該層的實現(xiàn)不依賴于微控制器、ECU和硬件。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框架

2.2 軟件功能設(shè)計

2.2.1 自檢

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置在通電開始工作時，進(jìn)行自檢，如有故障或異常時通過CAN通信輸出故障碼或當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時通過網(wǎng)絡(luò)上報至服務(wù)器提示其狀態(tài)。

預(yù)算會計支出類科目“投資支出”與增設(shè)的預(yù)算會計收入類科目“投資預(yù)算收入”在核算口徑上相互對稱，前者核算取得貨幣資金投資的實際支付成本，后者核算貨幣資金投資成本的收回，更貼切地體現(xiàn)預(yù)算會計收付實現(xiàn)制的核算基礎(chǔ)，更清晰地反映貨幣資金投資的資金運動軌跡。

2.2.2 信息獲取

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置實時獲取車輛位置信息參數(shù)、DPF前后端溫度參數(shù)、DPF前后排氣壓差參數(shù)。

2.2.3 信息存儲

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置應(yīng)以年、月、日、時、分、秒的形式，將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在車載終端內(nèi)部存儲介質(zhì)中。當(dāng)空間存儲滿時，車載終端應(yīng)具備本地存儲數(shù)據(jù)的自動覆蓋功能。

2.2.4 信息上報

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置按照設(shè)定的時間間隔記錄并上報信息，其注冊及信息上報符合遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺及服務(wù)器的要求。

數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置軟件程序如圖3所示，自檢完成后進(jìn)入正常工作，實時讀取DPF前后端排氣溫度、排氣壓差、GPS位置及時鐘數(shù)據(jù)，依據(jù)DPF前后排氣溫度與排氣壓差數(shù)據(jù)判斷DPF運行狀態(tài)，并根據(jù)溫度、壓差與預(yù)警溫度、壓差數(shù)據(jù)的對比，完成DPF運行信息的監(jiān)測與告警。遠(yuǎn)程傳輸裝置上傳數(shù)據(jù)頻率為1 Hz，實現(xiàn)對DPF運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。裝置上裝有指示燈，根據(jù)溫度、壓力傳感器輸出數(shù)值確定指示燈的狀態(tài)，直觀地提示駕駛員后處理設(shè)備是否出現(xiàn)故障。

圖3 數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置軟件程序

3 實車驗證

DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置放置在駕駛室內(nèi)，需要有一定的抗震防摔性能，故配備鋁制金屬外殼，同時達(dá)到抑制電磁干擾的效果。將遠(yuǎn)程傳輸裝置安裝到柴油車上，GPS天線與GPRS天線吸附在駕駛室金屬擋板上。

通過遠(yuǎn)程傳輸裝置將DPF運行數(shù)據(jù)實時發(fā)送到平臺服務(wù)器，可在PC端直接瀏覽并下載DPF運行歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以簡單處理后用于對DPF運行特征進(jìn)行分析，對車輛及后處理系統(tǒng)匹配適應(yīng)性進(jìn)行驗證與考核。

圖4與圖5分別為實車運行的數(shù)據(jù)，選取四天DPF運行過程中排氣溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析。由圖4可見DPF前后排氣溫度峰值為500 ℃以上，排氣溫度出現(xiàn)峰值為DPF再生過程，DPF再生過程與整個時段內(nèi)運行正常。

圖4 DPF前后排氣溫度曲線

圖5 DPF前后壓差

由圖5可知，DPF壓力數(shù)據(jù)處在持續(xù)變化中，導(dǎo)致排氣壓差發(fā)生變化的原因包括了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、DPF碳載量等，當(dāng)排氣壓差大于6 kPa時，壓差將急劇下降，此過程為DPF主動再生，顆粒物減少壓力下降的過程。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)對DPF運行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測需求，對硬件和軟件結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析與設(shè)計，設(shè)計了基于SPC563M64高速汽車級芯片為核心控制器的主動再生式DPF運行數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置；

(2) 將所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置安裝于實車上進(jìn)行驗證，結(jié)果表明該裝置能夠完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)車輛DPF運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與告警；

(3) 文中所涉及的DPF數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸裝置上傳的DPF運行數(shù)據(jù)可保存至遠(yuǎn)程服務(wù)器，可為進(jìn)一步進(jìn)行DPF運行特征等的分析提供數(shù)據(jù)樣本。