主動再生式DPF數據采集和遠程傳輸裝置的設計與應用

周容，馬志振，尉遲勝軍，謝振凱，馬鵬飛

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

0 引言

相比汽油機，柴油發動機在油耗、動力性、可靠性、低速轉矩及功率覆蓋面等方面均有明顯的優勢，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械也普遍將柴油發動機作為主要的動力裝置。而同時，柴油發動機顆粒物排放量遠超汽油機，造成了嚴重的大氣污染[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。隨著我國機動車排放法規對機動車排放限值要求逐漸嚴格，柴油機顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)作為控制柴油機顆粒物排放最為行之有效的技術手段，已成為柴油機顆粒物排放治理應用廣泛的后處理產品[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，發動機動力性能下降[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濟性，嚴重將導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行實時監管[5-6]。本文作者旨在對柴油機顆粒捕集器工作狀態進行在線監測，設計DPF數據采集遠程傳輸裝置，將溫度、壓力傳感器及車輛位置信息、時間數據等發送至監控平臺，實現DPF工作狀態的遠程監測。

1 硬件需求分析及設計

1.1 功能需求分析

主動再生式DPF主要根據排氣背壓、溫度等信號判斷其工作狀態是否正常[7-8]，故DPF數據采集遠程傳輸裝置，應主要包括對排氣管溫度、排氣背壓和再生信號等進行采集。文中所設計數據遠程傳輸裝置基于汽車網絡中應用最為廣泛的控制器局域網(Controller Area Network,CAN)，通過CAN總線實現對排氣溫度、排氣背壓的數據采集。

另外，考慮到遠程監測對車輛位置的需求，遠程監控裝置應具備定位功能，通過全球定位系統(Global Positioning System, GPS)獲取車輛位置數據，對車輛定位并計算車輛行駛速度、車輛運行軌跡等。遠程監控裝置將采集到的數據進行解析、存儲和加密，通過無線傳輸技術(General Packet Radio Service, GPRS)將數據傳輸到遠程在線監控平臺。故所設計的遠程監控裝置應具備滿足的功能需求如下：

(1) 通過CAN協議讀取溫度、壓力等數據；

(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運行狀態數據與GPS和時間數據的上傳。

1.2 硬件結構設計

圖1 硬件結構框圖

考慮到DPF數據采集遠程傳輸裝置一般安裝在汽車駕駛室內，可能暴露在高溫或低溫環境下，所以裝置需在較大溫度范圍內保證穩定運行。設計時采用32位汽車級發動機控制專用高速微控制器SPC563M64，可在零下30 ℃低溫至85 ℃高溫環境下正常工作。

車載蓄電池電壓存在不穩定性，電池輸出電壓會在一定范圍內變化，電源模塊可以在9～36 V輸入電壓下穩定輸出5 V電壓為數據采集遠程傳輸裝信號處理電路與數字信號處理電路用來對傳感器信號進行采集；數據遠程傳輸采用GPRS網絡接入，是目前廣泛應用且穩定性較好的網絡模式，采用ATK-SIM900A模塊，可兼容GSM與GPRS網絡模式；采用GPS獲取車輛位置信息，包括時間、車速、經緯度、運行方向等數據；采用1路CAN通信，與DPF控制器通過CAN總線協議進行數據傳輸；采用RS232進行串口通信，實現數據采集遠程終端與PC端的連接通信，完成軟件程序下載和終端調試。

除上述必備模塊外，硬件框架還應包括數據的存儲模塊、獨立硬件看門狗和時鐘模塊。存儲模塊進行車輛基本信息和運行數據進行本地存儲備份，此外還可在GPRS信號弱或無信號，無法及時上傳數據時可實現車輛及DPF后處理設備運行情況的全程監控，并在回復網絡后將數據上傳。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。時鐘模塊具備實時時鐘，并能夠通過衛星授時方式同步時鐘；車載數據采集遠程傳輸裝置實時時鐘采用北京時間，能夠連續24 h記錄DPF后處理設備運行數據。

2 軟件結構及設計

2.1 軟件結構設計

DPF數據采集遠程傳輸裝置軟件部分設計思想是基于AUTOSAR軟件規范。軟件結構框架如圖2所示。

微控制器抽象層是對底層物理設備的抽象，包含了ECU硬件的所有驅動，目的是實現系統的各種功能；ECU抽象層是將ECU外設等結構進行抽象，封裝了微控制器層以及外圍設備的驅動；服務層由眾多基礎服務軟件組件構成，提供了標準化的功能和接口，為該系統提供各種服務性控制；運行環境(RTE)層用來負責應用層軟件與基礎軟件之間的通信，應用層通過RTE來調用底層的基礎軟件，RTE層將應用層從對底層軟件和硬件平臺的依賴中獨立出來，實現了應用程序與底層ECU平臺的隔離，實現了對應用層軟件的重用；應用層包含用戶所有應用軟件，是系統功能的外在表現形式，該層的實現不依賴于微控制器、ECU和硬件。

圖2 軟件結構框架

2.2 軟件功能設計

2.2.1 自檢

數據采集遠程傳輸裝置在通電開始工作時，進行自檢，如有故障或異常時通過CAN通信輸出故障碼或當網絡正常時通過網絡上報至服務器提示其狀態。

預算會計支出類科目“投資支出”與增設的預算會計收入類科目“投資預算收入”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，更貼切地體現預算會計收付實現制的核算基礎，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

數據采集遠程傳輸裝置實時獲取車輛位置信息參數、DPF前后端溫度參數、DPF前后排氣壓差參數。

2.2.3 信息存儲

數據采集遠程傳輸裝置應以年、月、日、時、分、秒的形式，將采集到的數據按照一定的數據結構保存在車載終端內部存儲介質中。當空間存儲滿時，車載終端應具備本地存儲數據的自動覆蓋功能。

2.2.4 信息上報

數據采集遠程傳輸裝置按照設定的時間間隔記錄并上報信息，其注冊及信息上報符合遠程監測平臺及服務器的要求。

數據采集遠程傳輸裝置軟件程序如圖3所示，自檢完成后進入正常工作，實時讀取DPF前后端排氣溫度、排氣壓差、GPS位置及時鐘數據，依據DPF前后排氣溫度與排氣壓差數據判斷DPF運行狀態，并根據溫度、壓差與預警溫度、壓差數據的對比，完成DPF運行信息的監測與告警。遠程傳輸裝置上傳數據頻率為1 Hz，實現對DPF運行狀態的遠程監測。裝置上裝有指示燈，根據溫度、壓力傳感器輸出數值確定指示燈的狀態，直觀地提示駕駛員后處理設備是否出現故障。

圖3 數據采集遠程傳輸裝置軟件程序

3 實車驗證

DPF數據采集遠程傳輸裝置放置在駕駛室內，需要有一定的抗震防摔性能，故配備鋁制金屬外殼，同時達到抑制電磁干擾的效果。將遠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。

通過遠程傳輸裝置將DPF運行數據實時發送到平臺服務器，可在PC端直接瀏覽并下載DPF運行歷史數據。數據可以簡單處理后用于對DPF運行特征進行分析，對車輛及后處理系統匹配適應性進行驗證與考核。

圖4與圖5分別為實車運行的數據，選取四天DPF運行過程中排氣溫度和壓力數據進行的分析。由圖4可見DPF前后排氣溫度峰值為500 ℃以上，排氣溫度出現峰值為DPF再生過程，DPF再生過程與整個時段內運行正常。

圖4 DPF前后排氣溫度曲線

圖5 DPF前后壓差

由圖5可知，DPF壓力數據處在持續變化中，導致排氣壓差發生變化的原因包括了發動機轉速、DPF碳載量等，當排氣壓差大于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 結論

(1) 根據對DPF運行數據遠程監測需求，對硬件和軟件結構及功能進行分析與設計，設計了基于SPC563M64高速汽車級芯片為核心控制器的主動再生式DPF運行數據采集遠程傳輸裝置；

(2) 將所設計的數據采集遠程傳輸裝置安裝于實車上進行驗證，結果表明該裝置能夠完成數據的遠程傳輸，實現車輛DPF運行狀態的遠程監測與告警；

(3) 文中所涉及的DPF數據采集遠程傳輸裝置上傳的DPF運行數據可保存至遠程服務器，可為進一步進行DPF運行特征等的分析提供數據樣本。