實船柴油機氮氧化合物監測系統的設計與研究*

葉翠安

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實船柴油機氮氧化合物監測系統的設計與研究*

葉翠安

（廣東交通職業技術學院廣東高校船舶自動化集成技術開發中心，廣州 510800）

開發了一種基于STM32的CAN總線通信實船柴油機氮氧化合物監測系統，闡述系統硬件組成、軟件設計和測試方法，系統包括STM32微控制器及其片內集成的 CAN 控制器、CAN 收發器、智能NOx傳感器，通過CAN總線通信，實現了柴油機NOx化合物參數的實時監測。

船舶 柴油機 STM32 SAE J1939協議 NOx化合物檢測

0 引言

《MEPC(國際海洋保護委員會).176(58)》附則VI《防止船舶造成空氣污染規則》規定了船舶柴油機NOx排放限制標準，分三個階段實施, 并于2005年5月生效。規則對NOx排放值非?？量虈绤?。新規則、新標準的出臺與深入實施，一些排放不達標船舶將不能進入IMO申請設立的排放控制區（ECA），否則可能受到罰款及其它不良后果。

目前，國際上對船舶大氣污染物的排放控制，均是以船用發動機為主體進行控制，通過型式核準、生產一致性檢查、在用符合性檢查等環境管理方式實現對船舶大氣排放污染控制。對船用柴油機氮氧化合物排放檢驗的方式手段，一般是通過前期發證、初次發證檢驗，在柴油機廠臺架實驗檢測完成。營運實船上主要是通過的年度換證、中間檢驗來完成。主要的測試方法有3種：1）發動機參數檢查法；2）簡化測量化；3）直接測量和監測法[1]。根據附則VI的要求和“船用柴油機氮氧化合物排放試驗與檢驗指南”中的直接測量和監測法，很難在實船上進行，主要原因是規則中測試的排氣組分濃度參數多，采用的氣體分析儀相對來說比較龐大、操作復雜，不便在船上安裝使用，不適合NOx排放實船在線測試[2]。本文結合實際，開發一種嵌入式的CAN總線實船柴油機NOx化合物監測系統，從硬件組成、軟件設計和測試等方面進行闡述。

1 系統總體設計

系統設計由數據采集監測終端＋NOx傳感器＋上位機監控管理平臺集成。包括Cortex-M3微控制器采集監測終端，智能NOx傳感器，通信單元模塊，電源系統，人機界面觸摸屏等。圖１所示ARM Cortex-M3嵌入式硬件框架圖。

圖1　基于ARM Cortex-M3嵌入式系統硬件框架圖

1.1數據采集監測終端設計

1）數據采集監測終端應用互聯型系列STM32F107作為核心控制器，擁有標準AI與DI，便于和底層設備聯接，擁有4路串口。4路串口主要用于通信單元模塊聯接，現場上位PC機聯接，觸摸屏聯接和采用modbus協議與通信模塊RTU聯接。

2）數據采集監測終端應用互聯型系列STM32F107作為核心控制器，該MCU帶有CAN總線控制器，支持CAN協議2.0A和2.0B，實現CAN通信僅需進行外圍的接收電路的設計即可。它的作用是分析和處理傳感器傳輸過來的信號，并向傳感器發送電壓控制指令，控制傳感器的工作狀態。

3）數據采集監測終端與智能NOx傳感器采用CAN總線網絡進行數據傳輸，CAN-Bus接口與智能NOx傳感器組成現場總線網絡。

1.2 NOx傳感器。

很多護生在進入婦科實習之后，特別是男護生，在面對操作時能夠見到婦科病人的隱私部位而出現緊張、恐懼、害羞，從而回避婦科護理操作，之后甚至更加會逃避一些護理教學。這類的護生并不能很快的進行自我角色轉換，這種沉重的心理壓力使其對于婦科實習失去興趣，并且懷疑自我價值。

采用基于氧化鋯基的電化學電流測試方法，由多層氧化鋯基片疊層共燒而成，中間加入了加熱體，測試電極、氧泵電極等組成[3]?；谘趸喌亩鄬觽鞲衅鞯闹悄軝z測，是由氧化鋯NOx傳感器和一個電控單元(ECU)組成，電控單元是由監測終端提供電壓信號控制加熱體溫度，改變傳感器的加熱策略，通過 CAN 總線SAE J-1939協議來傳輸測量到的柴油機NOx化合物濃度。

1.3上位機監控管理平臺集成

通信單元模塊采用技術集成方法，以GPRS、WCDMA通信以及3G/4G數據通信為基礎，集成有GPRS/CDMA模塊和以太網模塊。將北斗衛星、海事衛星數據終端與GPRS、WCDMA通信相結合，實現船岸數據同步傳輸。

2 基于J1939協議的智能NOx傳感器

2.1 J1939協議簡介

J1939協議是由卡車與公共汽車控制和通信分委會制訂開發，美國汽車工程師協會（SAE）推薦的汽車控制網絡標準，支持閉環控制的在多個電子控制單元（ECU）間高速通信的網絡協議；以CAN2.0B為基礎，是CAN應用層協議，通過CAN總線進行數據通信，是一種傳輸速率較高的 C 類通信網絡協議，波特率可達到250Kbps，主要應用于商用車輛、艦艇上。

J1939使用29位ID的擴展幀格式，格式包含一個單一的協議數據單元（PDU）。單元由七部分組成，包括優先級(P)、保留位（R）、數據頁(DP)、協議數據單元格式(PF)、PDU 特定域 (PS)和源地址(SA)[4]。在協議中，報文不僅指定了傳輸類型、報文結構及其分段、流量檢查等信息，而且報文內容本身也做了精確的定義，對每個ECU 的地址、命名、報文發送優先級、數據域等都做了明確規定。采用“地址聲明”的方法進行地址分配。對通信參數中的連續型參數，使用SLOT（比例Scaling；界限Limit；偏移量Offset和傳輸Transfer功能）進行定義。每個SLOT提供適合給定類型中大部分參數的數值范圍和分辯率。參數的實際值＝偏移量+分辯率×測量值，其應用層協議詳細規定了車輛控制與通信所用到的各種參數，并為每個參數分配了一個可疑參數編號（SPN），協議中還定義了參數組，并為每個參數組分配一個編號（PGN）作為該參數組的唯一標簽，J1939協議中是通過PGN編號來處理消息的，通過該編號可辨識數據幀的具體信息[5]。

2.2智能NOx傳感器的通信協議與數據幀

NOx傳感器是基于SAE J1939傳輸協議的智能傳感器，其通信規則為：波特率250 Kbps、傳輸循環速度：50 ms、整數、擴展幀格式，標準傳輸地址18F00F52h（(PGN = 61455, in HEX: F00F），SAE J1939 標準下的NOx濃度數據幀具體定義如下[6,7]：

數據長度：1 字節

分辨率：0.05 ppm/bit

數據范圍：-200ppm到+3012ppm

數據類型：測量值

可疑參數號（SPN）：3328

參數群編號（PGN）：65247

2.3智能NOx傳感器通信控制流程

項目利用廣州致遠電子股份有限公司的CANPro協議分析平臺，對監測終端與傳感器間的報文進行采集分析，其接收與發送控制流程具體如圖2所示。

圖2 智能NOx傳感器數據采集控制流程圖

3 數據采集監測終端CAN總線通信設計

CAN數據總線通信網絡一般是由一個CAN控制器、一個收發器及電阻終端、傳輸線組成。CAN控制器對數據進行處理并將其傳送到CAN收發器。CAN 總線程序是使 MCU 處理器與CAN 設備相互通信的程序，通過總線程序才能和CAN 設備進行讀寫操作，CAN總線程序主要完成3個工作：初始化CAN 控制器，發送CAN 報文和接收CAN 報文。項目程序開發利用ARM MDK集成開發環境和STM32固件函數庫，采用固件庫提高了應用程序開發效率。如CAN通信配置、初始化CAN 控制器、發送CAN 報文和接收CAN 報文是由初始化函數（CAN-Init）、接收數據函數（CAN-Read）、發送數據函數（CAN-Write）等庫函數分別實現。

3.1 CAN總線通信接口設計

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收發器組成。CAN收發器兼具接收與發送功能，將控制器的TTL電平轉換到兩個總線終端(CANH和CANL)之間的差分電平，然后數據在總線電纜上傳輸，如圖3 所示，6N137 為光電耦合芯片，實現了電信號間的電氣隔離，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 總線應用層程序設計

4 NOx傳感器安裝與測試

4.1 NOx傳感器安裝

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

4.2 NOx傳感器測試

利用標準氣源進行實驗校準測試，NOx標準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零點氣體須為潔凈干燥空氣，不能含有NOx，但含有20.9%的氧氣。測試主要內容是校零與量程校準，在完成安裝后，正常使用前，系統必須校準調試。系統通常需要5分鐘的預熱時間，等讀數穩定后才能校準；為得到準確數據，樣本氣體壓力及流量須與排放廢氣壓力和流量一致。

5 結束語

隨著船用柴油機排放IMO TIER III排放標準和我國將出臺的《船機標準》的深入實施，船舶柴油機NOx排放實船測試勢在必行，本文立足于船舶實際情況，研究柴油機NOx化合物在線監測系統，對于解決目前船舶排放實船檢測難于實現的問題具有重要意義，具有一定的價值。

參考文獻：

[1] 中國船級社. 船用柴油機氮氧化合物排放試驗與檢驗指南[S]. 北京: 2011.

[2] 尹自斌, 丁奉. 柴油機NOX 排放實船測試中的氣體分析儀選型[J]. 船舶工程, 2010,(02):22

[3] 馮濤等. 氧化鋯基片式NO_x氣體傳感器的研制[J]. 傳感器世界, 2014, (06): 07.

[4] 羅峰, 孫澤昌. 汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M]. 電子工業出版社, 2010.

[5] 石中鎖, 周卓. 基于STM32的SAEJ1939協議在壓裂車中的應用[J]. 徐州工程學院學報, 2013，(09)：05.

[6] 李勇. 汽車單片機與車載網絡技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2014.

[7] Specification Smart NOx Sensor "UniNOx24V" Manual[Z]. 2010.

[8] SAE J1939-81.Network Management Layer standard, SAE Group[S], 2003.

[9] 意法半導體(中國)投資有限公司. STM32中文參考手冊_V10和固件庫使用手冊[Z]. 2010.

[10] 肖廣兵. ARM嵌入式開發實例-基于STM32的系統設計[M]. 北京: 電子工業出版社, 2014.

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廣東省交通運輸廳科技項目：船用柴油機氮氧化合物排放在線監測裝置開發與應用(編號：2013-04-012)；②廣東高校船舶自動化集成技術開發中心（粵財教〔2013〕412號）

葉翠安（1969-），男，本科，高級實驗師，大管輪。研究方向：輪機工程與自動控制技術。