新型PM 傳感器通信協議設定與軟件設計*

王希凡，湯 東，徐亞超，陳 烈

(1.江蘇大學，江蘇 鎮江212013;2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇213200)

0 引 言

柴油機具有熱效率高、油耗低，動力性強及可靠性高的特點，越來越多的輕型車(如轎車、輕卡)開始使用柴油機。但是柴油機顆粒物(PM)排放高的缺點一直是制約柴油機應用的主要瓶頸，柴油機排放的PM 中PM 2.5 占80%，對人體健康和環境都造成很大的危害。隨著排放法規對車輛PM 排放的要求越來越高，能夠實時地監測廢氣中PM 的含量變得越來越重要。

CAN 總線目前在汽車行業已經得到了廣泛應用［1］。本文主要通過CAN 總線技術，將PM 傳感器設計成為發動機控制網絡中的一個智能節點，并依據SAE J1939 協議為PM傳感器制定通信協議，實現實時地監測柴油機廢氣中PM 的含量，為柴油PM 過濾器(DPF)的故障實時監測和柴油車PM 的排放控制提供新的途徑［2，3］，以滿足應用要求。

1 顆粒物傳感器的原理

漏電流式PM 傳感器的機械部分主要包括電極、引流板、金屬外殼和絕緣陶瓷等。在安裝的時候，PM 傳感器的末端要安裝在排氣管的中心處，因為排氣管的中心處氣流速度最高，壓強最小，利用文丘里管原理作用使得廢氣沿如圖1 中的箭頭流經傳感器內部。在金屬外殼和電極之間加載1 kV 的電壓，廢氣流經電極時，獲得電荷，在電場的作用下向接地的引流板方向運動，因此，在電極和外殼之間形成微弱的電流。測量得到回路中的電流與廢氣中PM 的濃度存在一定的關系，利用這種關系，可以將測量得到的電流信號轉換成柴油機尾氣中PM濃度的信號，從而實現尾氣中PM 濃度的測量。

圖1 傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of sensor

2 PM 傳感器系統方案設計

整個系統采用模塊化的設計理念，主要分為PM 傳感器機械部分和其控制系統。在實際應用中，需要在PM 傳感器的金屬外殼和高壓電極之間加1 kV 的高壓。PM 傳感器的控制系統主要由電源模塊、信號放大模塊、測溫、加熱、通訊和微處理器模塊等構成，控制系統示意圖如圖2 所示。

圖2 傳感器系統結構示意圖Fig 2 Structure diagram of sensor system

3 通信協議設定

J1939 是由美國汽車工程協會為車輛定義的工業標準。協議對報文的結構、傳輸的類型等作了明確的規定，同時也精確定義了報文的內容，用戶根據應用領域選擇不同的應用層協議［4］。J1939 協議將CAN 標識符劃分為如下幾個部分:優先級(P)、數據頁(PGN)、協議數據單元(PDU)格式、PDU 特定域(PS)和源地址(SA)。

3.1 應用層協議的制定

PM 傳感器的應用重點在兩個方面:一方面是實時監測DPF 工作狀態，為DPF 故障監測和再生時機選擇提供新的途徑;另一方面用于車載診斷(OBD)系統，實時監測發動機PM 排放的情況。

3.1.1 DPF 故障檢測系統

DPF 故障監測系統主要包括:PM 過濾器前端PM 傳感器(FPMS)，PM 過濾器后端PM 傳感器(APMS)，PM 過濾器控制單元(DCU)和指示系統(IS)。

FPMS 和APMS 將采集的PM 濃度的信息和傳感器工作溫度信息發送給DCU，接收來自DCU 的指令對傳感器的工作狀態進行控制;DCU 根據發動機工作的狀態和PM傳感器發送的信息對PM 傳感器工作狀態和指示系統進行控制。

3.1.2 再生系統應用層

定義PM 濃度和傳感器溫度報文，該報文發生在系統工作過程中，通信雙方為DCU/APMS。觸發方式為周期觸發，發起者為APMS。APMS 向DCU 發送PM 濃度信息和PM 傳感器工作溫度信息。

3.1.3 協議數據單元設計

根據PM 傳感器測量的精度和范圍計算出PM 濃度信息需要占用3 個字節，傳感器工作溫度信息占用2 個字節。數據域長度為8 個字節。

確定報文的優先級、數據頁(DP)、PDU 格式(PF)、特定PDU(PS)和源地址(SA)。優先級設定為1。PF 選定為255。根據SAE 規定，DP 取0。PS 取4。取APMS 的地址為128。

根據每位的值求取參數群編號(PGN)和標識符(ID)。由上面所定義的參數可以算出參數群編號(PGN)的值如表1所示。

表1 PGN 的構成與計算Tab 1 Constitution of PGN and calculation

SRR 為替代遠程請求，用戶在使用過程中為傳輸緩沖器置位為1。IDE 標志顯示擴展或標準標識符是否用于該緩沖器，IDE 位在此為1 表示擴展模式。RTR 位表示反映CAN 幀中遠程發送請求的狀態，在此，RTR 位為0 表示數據幀。可得出32 位仲裁場(表2)。最后將標識符與數據域進行結合，組成整個數據幀，如表3 所示。

表2 仲裁場的構成與計算Tab 2 Constitution of arbitration field and calculation

表3 數據幀Tab 3 Data frame

系統中仲裁場的32 位所對應的是MC9S08DZ60 芯片中的4 個標識符寄存器(IDR0 ～IDR3)。在軟件中PM 傳感器所發送的PM 濃度數據幀所對應的標識符寄存器的賦值如表4 所示。

表4 標識符寄存器每一位的值Tab 4 Value of each bit of identifier registers

4 系統軟件設計

控制系統軟件采用模塊化的理念，利用C 語言進行編寫，并借助CW for Microcontrollers V6.3 集成開發環境進行調試和燒錄。

PM 傳感器控制系統軟件的設計主要包括初始化模塊、CAN 接收和發送模塊、信號采集模塊、CAN 總線通信中斷處理模塊和主程序模塊。

4.1 初始化模塊

控制系統初始化程序模塊包括:微處理器初始化、CAN模塊初始化、A/D 初始化、RTI 初始化。

4.1.1 波特率參數設置

對于MC9S08DZ60 芯片，波特率的計算公式如下

其中，fbit為總線波特率;Tbit為標稱位時間;fCANCLK為CAN 主時鐘頻率;Pr escalar value 為預分頻值;timesegment1為相位緩沖段1;timesegment2為相位緩沖段2［5］。

根據SAE J1939 協議，采用的總線波特率為250 kbps。通過計算得出CAN 總線波特率fCANCLK為4 MHz 時，將寄存器CANBTR0 設置為0x40，將寄存器CANBTR1 設置為0x23。

4.1.2 標識符接收濾波器設置

在本系統CAN 初始化的過程中，CAN 控制寄存0(CANCTL0)設置為 0xCC，CAN 控制器寄存器1(CANCTL1)設置為0x67。2 個控制器寄存器設置的主要功能是使能CAN 模塊、選用振蕩器時鐘源、環回自測禁止、正常運行。

4.1.3 A/D 轉換初始化

在本系統軟件設置中，配置寄存器(ADCCFG)設置為0x04，選擇高速配置、將ADCK 設置為輸入時鐘除以1、短采樣時間、12 位轉換精度、選擇總線時鐘為輸入時鐘源;狀態和控制寄存器2(ADCSC2)設置為0x00，選擇軟件觸發、比價功能禁止;更新狀態和控制寄存器1(ADCSC1)設置為0x01，轉換完成中斷功能禁止、進行一次轉換，根據需要選擇輸入通道。

4.2 CAN 總線通信模塊

系統中，PM 傳感器控制系統向總線上發送數據采用中斷的方式來實現;而接收總線上的報文則通過查詢的方式來實現。

PM 傳感器控制系統向總線上發送報文采用周期發送的方式，進入定時器中斷服務程序后，開始調CAN 發送函數向總線發送數據，發送完成后退出中斷服務程序。流程圖如圖3(a)所示。

PM 傳感器控制系統需要接收的信息主要是來自發動機控制單元對PM 傳感器工作狀態控制的信息，當查詢到總線上有來自其他節點的報文時，便對報文的標識符進行比較，若是本系統需要的信息便接收;反之，則不接收。流程圖如圖3(b)所示。

圖3 CAN 點線發送與接收程序流程圖Fig 3 Flow chart of CAN bus sending and receiving programs

4.3 信號處理模塊

信號處理模塊主要包括溫度和電流信號的采集和數字濾波。由于PM 傳感器輸出的電流信號非常微弱，即使很小的干擾也會對測量結果帶來很大的影響，因此，采用濾波的方式濾除干擾噪聲。本系統數字濾波采用了一種一階滯后濾波算法［6，7］，取a=0 ～1:本次濾波結果=(1－a)×本次的采樣值+a×上次濾波的結果，在實驗中a 取0.9。流程圖如圖4 所示。

圖4 信號處理流程圖Fig 4 Flow chart of signal processing

4.4 通信中斷服務程序

通信中斷服務程序流程圖如圖5 所示。中斷程序是通過設置核心芯片中的實時計數器(RTC)模塊來實現的。在軟件設置中，寄存器RTCSC 設置為0x9C，選用1 kHz 振蕩器，進行10 分頻，并中斷使能;寄存器RTCMOD 設置為0x64 設置中斷間隔為1 s。

圖5 通信中斷服務程序流程圖Fig 5 Flow chart of communication interrupt service program

4.5 開發板軟件設計

開發板具有完整的CAN 通信硬件，本課題利用雙絞線連接開發板和控制系統電路板的CAN_L 和CAN_H 引腳，并用開發板上的兩個按鍵通過CAN 總線對傳感器的工作狀態進行控制。用開發板上的4 位數碼管顯示通過CAN總線發送過來的溫度和顆粒物濃度信號，進而驗證控制電路的性能。開發板的主程序流程圖和控制系統主程序流程圖如圖6(a)，(b)。

圖6 開發板與控制系統主程序流程圖Fig Flow chart of main programs of development board and control system

5 實 驗

5.1 實驗裝置

實驗裝置如圖7 所示，主要包括兩大部分:傳感器電路板和開發板。

5.2 實驗結果

在實驗中通過調節電阻器阻值的大小來獲得不同的電流值，電流大小由6000—02—100 μA 型精密電流表A 讀取，在0 ～120 nA 之間變化，并通過放大器放大和轉換成為相應的電壓信號，由單片機采集處理后通過CAN 總線發送到開發板上，并由數碼管把結果顯示出來，如圖8 所示。

圖7 實驗裝置Fig 7 Experimental device

圖8 電流放大結果Fig 8 Current amplification results

實驗表明:硬件電路和軟件的信號處理模塊能夠很好地完成微電流信號的放大和轉換功能，并且具有很好的線性度，通過修正處理可以實現三塊電路板的轉換放大效果保持一致。

6 結 論

以SAE J1939 協議為基礎為顆粒物傳感器制定的應用層協議，在實際硬件平臺中可以實現，且運行穩定，為將來PM 傳感器在實際應用中通信協議的制定提供參考。

［1］ 農 毅.基于CAN 總線的網絡化汽車傳感器的研究與設計［J］.傳感器與微系統，2007，26(8):90.

［2］ 艾華興.鐵基燃油添加劑在柴油機顆粒物過濾器再生中的應用研究［D］.天津:軍事交通學院，2010.

［3］ 羅 濤.柴油車微粒捕集器噴油助燃催化再生控制策略研究［D］.天津:軍事交通學院，2009.

［4］ 高 松，高 燕，王吉華.SAEJ1939 協議在車輛上的應用［J］.拖拉機與農用運輸車，2006，33(6):1－2.

［5］ 李 芳，張俊智，王麗芳，等.電動汽車動力總成系統控制器局域網(CAN)總線通訊協議［J］.機械工程學報，2008，44(5):102－107.

［6］ 向紅軍，雷 彬.基于單片機系統的數字濾波方法的研究［J］.電測與儀表，2005，42(9):53－55.

［7］ 楊 劍，劉光斌.單片機系統中應用的技術數字濾波方式［J］.微計算機應用，2006，27(1):115－116.