一種基于氮氧傳感器的便攜式尾氣測試裝置

張 愉， 錢 璐， 張龍飛， 陳 昱

（西安創(chuàng)研電子科技有限公司， 陜西 西安 710000）

0 引言

汽車工業(yè)的發(fā)展使人們的生活踏上了一個(gè)前所未有的臺(tái)階。 短短數(shù)十年間，汽車的產(chǎn)量和保有量直線上升，截至2022 年底，全國汽車保有量已達(dá)3.19 億輛，比2021年增加1752 萬輛， 增長5.81%， 其中柴油車保有量超2100 萬輛。 在車輛的總數(shù)上，柴油車所占比例并不高，但是產(chǎn)生的污染物卻不可忽略， 已經(jīng)成為機(jī)動(dòng)車污染防治的首要核心目標(biāo)。 目前在柴油車尾氣處理系統(tǒng)中多采用選擇催化還原技術(shù)，也稱之為SCR（Selective Catalytic Reduction）[1]，該技術(shù)能夠使NOX在被還原的同時(shí)有效的抑制氧化反應(yīng)，最終使NOX的轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%而不降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。 為了精確控制整個(gè)還原過程， 通常需要在SCR 處理單元的前后端分別安裝一個(gè)NOX傳感器， 以便檢測選擇催化還原前后的NOX的濃度。 但為防止車輛氮氧化物排放超標(biāo)， 市面上出現(xiàn)了一些模擬器等設(shè)備來逃避氮氧化物檢測。 因此，采用智能手段對(duì)柴油車氮氧化物排放及車用氮氧傳感器檢測有有著極其重要的必要性。文章設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于電化學(xué)氮氧傳感器的便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣排放氮氧濃度值及車用氮氧傳感器故障的檢測。

1 CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧傳感器

在汽車SCR 處理技術(shù)中， 通過對(duì)尾氣中NOX含量的測量，進(jìn)而控制氨氣的注入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的轉(zhuǎn)換。CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧傳感器用于汽車尾氣中（0～3000）×10-6體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的NOX檢測， 可以在0～800℃的溫度下工作。

CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX傳感器由陶瓷芯片、芯片封裝后的探頭和電控單元（SCU）等核心部件組成。 探頭是由十幾種金屬、陶瓷固定件對(duì)陶瓷芯片進(jìn)行封裝而構(gòu)成的傳感器敏感元件；電控單元（SCU）是傳感器的閉環(huán)控制核心部件，主要由單片機(jī)及其外圍電路、電源模塊、加熱模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、采集模塊和CAN 總線通信模塊組成，采用IP1 控制策略，通過微電流檢測、小信號(hào)抗干擾及模糊PID 溫度控制等技術(shù)設(shè)計(jì)而成。

CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX傳感器主要包括陶瓷芯片設(shè)計(jì)、探頭封裝技術(shù)、電控單元（SCU）開發(fā)和測試技術(shù)4 個(gè)方面，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX 傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2 SAE—J—1939 協(xié)議

SAE—J—1939 是美國汽車工程協(xié)會(huì)（SAE） 的推薦標(biāo)準(zhǔn)， 用于為中重型道路車輛上電子零部件間的通信提供標(biāo)準(zhǔn)的 體系結(jié)構(gòu)。SAE—J—1939 利用CAN 總線中擴(kuò)展幀29 位標(biāo)識(shí) 符實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)定義[2-5]。 數(shù)據(jù)幀是以協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （PDU） 形式進(jìn)行傳輸?shù)模琍DU 將29 位標(biāo)識(shí)符劃分為6 個(gè)部分：分別是優(yōu)先級(jí)（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁（DP）、 PDU 格式（PF）、特定PDU 格式（PS）和源地址（SA）。 SAE—J—1939 的29 位標(biāo)識(shí)符如表1 所示。

表1 SAE—J—1939 的29 位標(biāo)識(shí)符

29 位標(biāo)識(shí)符理論上可以表示成229 種消息類型，但SAE—J—1939 并沒有這樣對(duì)信息分類， 而是采用PGN（parameter group number） 的概念對(duì)整車信息進(jìn)行分類管理。 PGN 是由24 位的二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成， 其中6 位為0，1 位保留 位，1 位數(shù)據(jù)頁位，8 位PDU 位，8 位 特 定PDU位。根據(jù)PGN 可以計(jì)算出各個(gè)電子零部件的標(biāo)識(shí)符，位于汽車尾氣處理上的CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧傳感器：

PGN：61454（ 0x00F00E）

P：6 DP：0 SA：51

因此，CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧傳感器標(biāo)識(shí)符為18F00E51h。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧傳感器進(jìn)行系統(tǒng)前端信號(hào)采集， 主要采集汽車尾氣中包含的氮氧（NOX）濃度值，同時(shí)對(duì)標(biāo)車輛原裝氮氧傳感器測試結(jié)果，將氮氧（NOX）物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給微處理器控制部分進(jìn)行處理和運(yùn)算，同時(shí)在中文液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示標(biāo)準(zhǔn)氮氧傳感器及待測氮氧傳感器測試汽車尾氣中氮氧（NOX）濃 度 的 當(dāng)前值，系統(tǒng)將對(duì)測試結(jié)果做出判斷，將測試結(jié)果顯示在液晶屏上，并可根據(jù)需求對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行打印。系統(tǒng)的總體架構(gòu)框圖，如圖2 所示。

圖2 便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

開發(fā)的硬件主要包括微控制器最小系統(tǒng)、 電源供電模塊、觸摸液晶顯示模塊、高精度氮氧（NOX）采集分析模塊及打印模塊等功能模塊。 汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)要求穩(wěn)定性好，性價(jià)比高，實(shí)時(shí)性高，考慮到系統(tǒng)完成的功能較多，因此選用了S9KEAZ128A 微處理器，該芯片內(nèi)部集成的是ARM 公司開發(fā)的Cortex M0+內(nèi)核。 其部分電路原理圖，如圖3 所示。

圖3 部分電路原理圖

在本電源供電電路設(shè)計(jì)中，采用了TPS5450芯片來穩(wěn)壓出系統(tǒng)所需5V 電壓。TPS5450 芯片內(nèi)含高電平有效啟用、過流限制、過壓保護(hù)和熱關(guān)斷。基于TPS5450 芯片設(shè)計(jì)的電源供電模塊電路原理圖，如圖4 所示。

圖4 便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)電源模塊電路原理圖

在系統(tǒng)研究中， 使用TJC1060X570_011CS_I 觸摸屏的主要目的是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互并實(shí)時(shí)顯示檢測數(shù)據(jù)。 因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)， 主要顯示了標(biāo)準(zhǔn)氮氧傳感器及當(dāng)前車輛安裝使用氮氧傳感器在同一尾氣環(huán)境中NOX 濃度值，若該濃度值誤差大于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參考值， 則TJC1060X570_011CS_I 觸摸屏立即顯示報(bào)警信息， 使得使用者能及時(shí)看到當(dāng)前汽車尾氣排放中的氮氧化物污染信息及車輛使用氮氧傳感器故障信息等。 其測量值顯示界面，如圖5 所示。

圖5 TJC1060X570_011CS_I觸摸屏測量值的實(shí)時(shí)顯示

在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中， TJC1060X570_011CS_I觸摸屏?xí)M(jìn)行實(shí)時(shí)測試結(jié)果顯示及打印， 因此這里設(shè)計(jì)和開發(fā)引腳連接的電路原理圖（TXD1_T-R 同RXD1_T-R兩種方案任選一種），如圖6 所示。 TJC1060X570_011CS_I觸摸屏采用串口傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信息傳遞。

圖6 TJC1060X570_011CS_I觸摸屏引腳連接電路原理圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要為運(yùn)行于KEA128 微控制器硬件平臺(tái)和TJC1060X570_011CS_I 觸摸顯示屏上的嵌入式程序。

嵌入式程序使用C 語言進(jìn)行代碼編寫， 基于軟件工程中模塊化方式設(shè)計(jì)與開發(fā)，編寫了KEA128 微控制器初始化模塊、NOX傳感器采集分析模塊、TJC1060X570_011 CS_I 觸摸顯示模塊及打印模塊等的驅(qū)動(dòng)程序，如圖7 所示。

圖7 便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)組成框架圖

2.2.1 氣體濃度檢測模塊

氣體濃度檢測模塊主要實(shí)現(xiàn)氮氧化物、氧氣和顆粒物濃度的檢測功能， 由1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氮氧化物傳感器、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物傳感器和傳感器感應(yīng)單元工裝組成，結(jié)合主控模塊和測試結(jié)果顯示和人機(jī)交互模塊共同實(shí)現(xiàn)石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、倉儲(chǔ)、煙氣分析、空氣治理等各種場景環(huán)境氣體濃度檢測功能。 氮氧測試儀測試軟件測試界面如圖8 所示。

圖8 氮氧測試儀測試軟件—測試界面

在便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)一下功能：①一鍵檢測模式：可同時(shí)判斷待測傳感器在氮氧環(huán)境中測試值及握手協(xié)議是否正常；②空氣檢測模式：可判斷待測傳感器在空氣環(huán)境下氮氧測試值及氧測試值是否正常；③氣氛檢測模式：可判斷待測傳感器在氮氧環(huán)境中氮氧測試值是否正常；④協(xié)議檢測模式：可判斷待測傳感器握手協(xié)議是否正常；⑤記錄：進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄頁面，可查看所有歷史數(shù)據(jù)；⑥打印：進(jìn)入打印頁面，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行打印；⑦數(shù)據(jù)：可查看測試中氮氧傳感器的氧測試值及氧測試值及工作狀態(tài)；⑧設(shè)置：可對(duì)測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

該系統(tǒng)樣機(jī)軟硬件已經(jīng)設(shè)計(jì)制作完畢， 同時(shí)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試和測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地完成車輛尾氣NOX含量采集分析、顯示及結(jié)果打印等功能，系統(tǒng)的樣機(jī)實(shí)物圖，如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 為測量儀對(duì)不同NOX氣體體積分?jǐn)?shù)的測量值，NOX氣體體積分?jǐn)?shù)在（0～1000）×10-6范圍內(nèi)，計(jì)算可得測量儀的最大相對(duì)誤差2.7%。 誤差主要取決于傳感器材料的響應(yīng)能力，測試裝置的密封性和多通道流量計(jì)的精度也會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成影響。

表2 不同NOX 氣體體積分?jǐn)?shù)的測量值

7 結(jié)論

設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于KEA128的便攜式汽車尾氣氮氧化物檢測系統(tǒng)，通過CAN 總線通信方式獲取帶有氮氧化物、氧氣濃度信息的CAN 總線數(shù)字信號(hào)， 通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理分析，然后驅(qū)動(dòng)LCD 觸摸屏輸出待測氣體中氮氧化物、氧氣濃度的顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確及便捷的檢測到車輛尾氣中的NOX 濃度及車輛氮氧傳感器故障，并支持對(duì)測試結(jié)果打印輸出，解決了傳統(tǒng)車輛尾氣NOX 監(jiān)測存在的準(zhǔn)確度低及操作繁雜， 車輛氮氧傳感器故障排查難等問題， 為國家環(huán)保部門在尾氣排放治理決策方面提供了有力的參考數(shù)據(jù)和方法。 同時(shí)該系統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測和執(zhí)法機(jī)構(gòu)檢測柴油車后處理系統(tǒng)排放情況和氮氧化物傳感器性能及石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、倉儲(chǔ)、煙氣分析、空氣治理等所有需要檢測氮氧化物、 氧氣和顆粒物氣體濃度的場合，具有良好的應(yīng)用前景。