基于J1939的電控柴油機及SCR系統CAN通訊研究

樊永勝 倪驍驊 蔣家鑫 施輝武 張淼

摘 要：隨著排放法規的越來越嚴格，SCR系統在電控柴油機排放后處理中的應用越來越廣泛。同時，CAN總線作為目前唯一有國際標準的現場總線，與其它通信總線相比，其數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，在機械自動化控制等領域中得到了廣泛應用。本文以SAE J1939協議為基礎，結合SCR系統的閉環控制策略，通過具體的電控柴油機臺架試驗，研究柴油機電控單元與后處理SCR系統之間的CAN總線通訊機制。

關鍵詞：電控柴油機;SCR系統;J1939協議;CAN總線

SCR技術作為一種高效的柴油機尾氣后處理技術，可高效降低因燃燒優化而升高的NOx排放[1]。SCR系統要和柴油機電控系統進行通訊匹配需要總線的支持。CAN總線是由BOSCH公司推出一種現場總線，主要應用于汽車內部檢測以及控制系統間的數據通信[2]。SAE J1939協議由美國SAE制定，并將CAN2.0B標準作為網絡核心協議，將CAN總線數據幀進行封裝的同時，明確規定了汽車內部各ECU的名稱、地址、通訊協議、優先級等，還使用多路復用技術為車輛各傳感器、執行器和控制器提供建立在CAN總線基礎上的標準化高速網絡連接，能在不同的ECU間實現高速數據共享，提高車輛電控系統的靈活性、可靠性、可維護性[3]。

本文試驗系統將CAN總線作為系統的數據通訊媒介以及J1939協議作為系統的通訊協議;對已經完善匹配的電控柴油機及SCR系統的CAN總線通訊數據進行采集，分析系統中各節點的數據傳遞和響應規律，為進一步研發具有自主知識產權的SCR控制系統提供可靠的數據參考依據。

1 試驗

1.1 試驗設備

本文采用的試驗系統結構如圖1所示，包括電控柴油機（滿足SAE J1939協議）、催化器（包含催化器入口溫度傳感器、催化器出口溫度傳感器）、定量給料單元、噴嘴、添藍罐（包含添藍溫度傳感器、添藍液位傳感器、添藍過濾器）、壓縮空氣調節閥、壓縮空氣濾清器、冷卻液電磁閥、線束、管路以及用于CAN總線數據采集的USBCAN II調試器和PC機。

1.2 試驗過程

正常工作狀態：將系統接通電源，打開OBD故障診斷開關，通過故障指示燈讀取系統故障。排除所有影響系統正常運行的故障后關閉電源和OBD故障診斷開關重新接通系統電源。同時，PC機通過USBCAN II調試器開始實時采集CAN通訊數據。通過測功機啟動柴油機，經怠速穩定5分鐘后開始逐步升高轉速和扭矩至標定轉速和扭矩（2500rpm和470Nm）。柴油機保持標定轉速和扭矩運行直至SCR系統開始向尾氣中噴射添藍，保持整個系統正常運行30分鐘后停止實驗。

系統發生故障狀態：通過人為制造某一特定的影響SCR系統正常工作的故障，本實驗中將催化器進出口溫度傳感器從催化器上拔出置于空氣中。關閉OBD故障診斷開關將系統上電后，啟動柴油機，同樣經怠速穩定5分鐘后開始嘗試升高轉速和扭矩至實驗工況，但轉速和扭矩的上升得到限制，無法上升至標定工況，柴油機保持低速低扭矩運行。試驗中定量給料單元一直沒有正常工作。PC機記錄從系統上電至實驗結束時的CAN總線通訊數據。

2 結果與分析

2.1 地址信息

在報文路由中，CAN2.0B沒有使用節點地址，而是對通信數據塊進行編碼。J1939網絡的定義中使用了節點地址，以防止多個節點使用同一個CAN標識符。本實驗中的SCR系統的中央控制模塊DCU已經與柴油機ECU整合在一起，在CAN總線上的節點地址為0x0。SCR系統的定量給料單元和氮氧化物傳感器為CAN總線上的兩個節點：定量給料單元的節點地址為0x3D，氮氧化物傳感器的節點地址為0x52。

2.2 報文格式

實驗中各節點用J1939報文數據域收發的原始數據并不是直觀的物理數據，而是需要先將十六進制數轉換為十進制，然后按照“實際物理數值=原始總線傳輸數值×比例系數+偏移量”的公式將其換算成直觀的物理數據。表1是實驗中實時采集的發動機溫度信息，PDU格式（PF）和特定PDU（PS）組成一個參數組編號（PGN），用來指示一組發動機運行或控制參數，便于節點進行識別管理和程序控制。表2所示數據幀的數據域，按照J1939協議應用層標準的報文解釋規則，第1字節表示發動機冷卻液溫度，比例系數為1℃/bit，偏移量為-40℃。因此，冷卻液溫度為：（72）16→（114）10→114×1-40=74℃。

2.3 系統閉環通訊

整個系統正常工作時，SCR控制單元的輸入量包括柴油機機轉速、油門位置信號，添藍罐溫度、液位，催化器進出口溫度，氮氧化物傳感器采集的NOx濃度信號[4]。SCR控制單元的輸出量包括：催化劑供給量，冷啟動尿素溫度加熱電磁閥。其中催化器進出口溫度信號的采集以及冷啟動尿素溫度加熱電磁閥的控制并不在CAN總線上進行通訊。系統上電以后，定量給料單元和氮氧化物傳感器兩個節點將向總線上發送PGN為65242（0x00FEDA）的軟件應答請求幀，請求SCR控制單元識別，SCR控制單元識別成功將通過CAN總線的應答機制，向總線上目標節點發送1個顯性位作為應答，來完成通訊準備。按SCR系統輸入和輸出信息分類，SCR控制單元的輸入幀消息由表2所示。

2.4 故障診斷代碼與多幀傳輸

對于采用J1939協議的電控柴油機及SCR系統，對部件進行編碼是按DTC編號的，DTC是標準化的診斷故障代碼，同時含有部件號辨別號SPN、故障模式FMI、可疑參數編號的轉化方式CM和故障發生次數OC。DTC具體由4個字節組成，故障代碼DTC的傳送采用激活的故障診斷代碼DM1信息體，其PGN參數組編號為65226（0x00FECA）。當CAN總線上一個DM1參數組不能包含全部的DTC時，這個參數組將會要求使用多幀傳輸參數組。J1939的多幀傳輸是在連接管理報文的協調下進行多幀傳輸。由于長度大于8字節的報文無法用單個CAN數據幀來裝載，因此必須被拆分為若干個小的數據包，然后使用單個的數據幀對其進行逐一傳送。接收方必須能夠接收這些單個的數據幀，然后解析各個數據包并重組成原始的信息。CAN數據幀包含一個8字節的數據域。由于組成長信息的單個數據包必須能被識別出來以便正確重組，因此把數據域的首字節定義為數據包的序列編號。每個數據包都會被分配一個從1到255的序列編號。因此，多幀傳輸最大的數據長度是255包×7字節/包=1785個字節。連接管理報文不同功能的實現依賴于其數據域中第1字節控制字的值，根據系統的控制策略，節點適時使用相應功能的連接管理報文來進行數據傳輸控制。當某節點向總線上發送連接管理報文幀時，總線上相應的支持識別該PGN號的節點就開始準備接受相應的多幀報文，從第一幀到最后一幀，直到所有這些信息包陸續到達它們的目的節點，它們才可以被重組并解譯，用來裝載多幀消息的報文是PGN為60160（0x00EB00）的數據傳輸報文。

系統非正常運行后打開故障診斷開關，通過閃碼診斷共監測到三個閃碼故障信號分別為3144、3147和3151，查閱相應的故障碼表可知三個故障分別為SCR催化劑進出口溫度傳感器溫差超過一個限定值，SCR催化劑出口溫度傳感器信號小于檻值和SCR催化劑出口溫升時間小于檻值。同時，在SCR系統的故障診斷方面，目前已實現的故障診斷功能包括兩部分，一是計量泵故障：由計量泵自行診斷，通過CAN總線上的狀態信息幀發送出來;二是各傳感器故障：由ECU進行檢測診斷，將故障診斷信息通過CAN總線發送出來。通過采集實驗中發動機CAN總線上的通訊數據可知：系統非正常運行時ECU采用多幀傳輸機制不斷廣播報告現行故障。表3為系統發生故障時所得到的故障診斷信息。

兩個數據幀中的信息經整合后為50 FF 08 11 02 03 0B 11 04 03 BA 12 1F 05，其中第1字節值為5016→01010000，表示紅停指示燈和故障指示燈亮，報警和保護燈滅。第2字節FF為保留位。之后12個字節組成三個故障代碼，每4個字節組成一個故障代碼：08 11 02 03→0000 1000 0001 0001 0000 0010 0000 0011。其中前19位為故障代碼的SPN，根據相應的數據解釋規則：0000 1000 0001 0001 000→000 0001 0001 0000 1000→436010;之后的5位表示故障代碼的FMI：0 0010→210;之后1位為可疑參數編號的轉化方式CM：0;最后7位為故障的發生次數OC：000 0011→310。即該故障的SPN為4360，FMI為2。據此查表即可知故障信息，為SCR催化劑進出口溫度傳感器溫差超過一個限定值。經同樣計算得兩個故障的SPN和FMI分別為4363、4和4794、31。查表可知，與閃碼報告的故障信息完全吻合。這三個故障均為立即限制扭矩的系統嚴重故障，進而出現試驗中柴油機扭矩和轉速的上升受到限制的情況。

3 結論

本文詳細研究了柴油機后處理SCR系統的控制中應用的J1939通訊協議，對整個系統的CAN通訊技術進行了深入的探討，通過對實驗中CAN總線上報文的傳輸格式和方式的研究，并結合SCR系統的閉環控制策略，加深了對基于J1939協議的柴油機及SCR系統工作過程具體實現情況的理解。通過實驗實現了對柴油機及其后處理SCR系統的CAN通訊機制的更加深入的解析。

參考文獻

[1]蔡宇.柴油機SCR后處理系統原理及常見故障[J].自動化應用，2019，（5）：50-51.

[2]王鶴欽，申立中，王貴勇.基于TC1728的高壓共軌柴油機故障診斷底層通訊研究[J].農業裝備與車輛工程，2018，（4）：76-79.

[3]汪志斌，吳長水，黃敏濤，馮琛.基于J1939協議的車輛故障診斷與ECU報文解析[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，（12）：7-11.

[4]李捷輝，胡立，段暢，劉婧，張隆基.柴油機SCR系統控制策略研究與軟件設計[J].車用發動機，2018，（3）：72-76.