基于OBD-Ⅱ系統的在線汽車尾氣排放監測研究

羅 明

(陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018)

科技

基于OBD-Ⅱ系統的在線汽車尾氣排放監測研究

羅 明

(陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018)

當前汽車尾氣污染排放十分嚴重，基于OBD-Ⅱ系統設計了在線汽車尾氣排放監測系統，設計的系統包括硬件部分和軟件部分，其中硬件部分包括中央控制模塊、尾氣采集模塊、尾氣顯示模塊、氣體數據收發模塊、電源模塊，并對軟件部分的A/D轉換模塊程序、尾氣采集程序進行設計，系統的運行效果較好。

OBD-Ⅱ系統；汽車尾氣；在線監測

在機動車保有量不斷增長的背景下，汽車排放污染問題日益成為社會共同關注的焦點之一[1]。實際上，較之其他單一的人類活動來說，汽車所制造出的空氣污染量最多。統計資料顯示，在全球范圍內，由于礦物燃料的燃燒所生成的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)以及氮氧化合物(NOx)排放量大約有一半以上來源于汽油機與柴油機。汽車工業的進步與現代電子、通信以及網絡等多種技術的融入日益復雜化了汽車的內外部結構，并且提高了其自動化水平，加之用戶對汽車的安全性與舒適性提出了越來越高的要求，這就需要準確地對汽車的整體運行狀況進行把握，以及時發現并消除各種故障隱患。通過汽車設備，遠程監測系統會對車輛運行的關鍵性參數進行采集，然后在無線網絡的傳輸功能下使車輛同遠程監測中心進行數據的互通，以此為基礎，遠程監測中心的相關工作人員會對車輛運行的各項參數進行分析，并將最終的分析結果反饋給車輛用戶。

OBD-Ⅱ即車載尾氣監測系統，英文全稱為On-Board Diagnositics-Ⅱ，集成于發動機管理系統之中，可以對廢氣排放影響部件的工作狀態進行不間斷地監測。作為一個結構與工作原理均較為復雜的自診斷系統，OBD-Ⅱ[2-3]能夠在車輛尾氣超出標準排放量，或者發生故障之時，及時向駕駛員報警，并對故障代碼(DTC)進行記錄。借助于相配套的診斷設備，維修人員可以對系統保存下來的故障代碼或相關的車輛信息進行解讀，這有助于其快速地找到車輛發生故障的位置，以節約大量的人力與物力。現階段，OBD-Ⅱ已發展為車輛運行的必備裝置之一。本文基于OBD-Ⅱ系統對汽車尾氣進行實時且不間斷地監測，準確把握發動機燃燒及其對空氣造成的污染狀況，并且在汽車出現故障時及時發現與維修，以實現對汽車行駛安全的保障及尾氣污染的預防。設計的系統監測參數包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)以及氮氧化合物(NOx)、溫度、壓力等，其開發有利于在更少的人力與物力條件下車輛排放狀況實時監測目標的實現，對OBD-Ⅱ系統進行研究所具有的現實意義十分重大。

1 汽車尾氣遠程監測原理及整體架構

本文的研究目的在于汽車尾氣在線實時遠程監測的實現，所使用的OBD-Ⅱ系統的具體工作原理為：借助于電化學氣體濃度傳感器對汽車尾氣的具體濃度進行采集，同時放大且濾波處理傳感器所采集到的信號，將接受過濾波處理的信號傳送至DSP處理器中，借助OBD車載自診斷以及無線網絡等技術，傳輸到上位機，經過精確計算與分析，明確汽車發動機尾氣排放與處理設備是否存在故障，同時對其尾氣的超標情況、尾氣排放不合格原因等予以把握，以幫助駕駛員做出更換油品或維修等的決定。系統整體結構見圖1。

圖1 系統總體結構

2 系統的硬件設計

該系統的硬件主要包括4個子模塊組成，分別為中央控制模塊、尾氣采集模塊、尾氣顯示模塊、氣體數據收發模塊、電源模塊，硬件系統的整體結構見圖2。

圖2 硬件系統整體結構

2.1中央控制模塊

在對尾氣中央控制模塊進行硬件設計之時需要嚴格考慮處理器的選取與使用。所選取的處理器應有較高的性能與較小的體積，同時滿足功耗小、價格低、安裝便捷以及安全性高等要求。本系統設計選用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片[4]作為主控芯片，其性能主要有：靜態CMOS技術，3.3 V的I/O電壓，1.8 V的內核電壓，同時對控制器的功耗予以降低；CPU時鐘頻率最高達到150 MHz，借助于動態改變鎖相環頻率而得到，對控制器的實時控制能力予以大幅度增強；片內含128K×16位的FLASH存儲器以及兩塊4K×16位的單口隨機存儲器SARAM；事件管理器分別為EVA與EVB；串行外圍接口SPI，串行通信接口SCIA，SCIB，標準UART以及改進的局域網絡ECAN；多通道緩沖串行接口McBSP；16通道12位的A/D轉換模塊，采樣保持器一共有兩個等。

考慮到車載網絡協議具有多樣性特征，且不同的汽車生產企業所使用的協議標準也存在一定的差異性，本系統在設計之時遵循靈活性與通用性原則，以對不同車輛的信息提取要求予以滿足。故而，系統方案通過以專用協議芯片下TL718[5]及現有車輛自診斷系統接口為基礎的方式，對車輛內部的各項參數信息進行采集。圖2所示為TL718級DSP的硬件原理圖。由于兩者沒有相互匹配的電平，因此在進行電路連接之時利用74LVX4245電平轉換芯片來實現。DSP的復用1/0口用于控制TL718，其實現以軟件編程為基礎。其中，電平高低的設置可以幫助74LVX4245的TIR引腳對信號的傳輸方向進行控制。

圖3 DSP與TL718連接原理

2.2尾氣采集模塊

在設計尾氣的采集模塊之時，應將氣體濃度傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器3部分的設計包含在內。此處的傳感器屬于一種轉換信號的元器件或裝置，其功能主要為對外界輸入的被測量信號向電信號的轉換。作為一種信息獲取的工具，傳感器在測量與控制型的智能儀器中有著極為重要的作用[6]。在汽車尾氣監測系統中，CO傳感器、HC傳感器、NOx傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器。

MQ-7CO氣體傳感器：此傳感器在檢測CO之時靈敏度很高，選擇性良好，兼具使用壽命長與穩定可靠等優點，多用于家庭、環境的CO探測中。MQ-7CO氣體傳感器模擬量輸出0～5 V電壓，當濃度上升之時，其電壓亦會上升。另外兩種氣體傳感器都是由英國的CITY TECHNOLOGY 公司生產的，NOX傳感器為NX1，HC傳感器為300 P，本系統所要測量的HC以及NOX應分別在0～5 000×10-6。

DS18B20溫度傳感器：這是一種單線式的數字溫度傳感器，借助于一般I/O端口的“時序化”編程，該傳感器可以采集到9～12位分辨率的溫度數據，主要用于對環境溫度的監測。DS18B20溫度傳感器中有“一線總線”接口功能，可以測量-55～125℃范圍內的溫度，在-10～85℃的范圍內，其測量精度可達到±0.5℃。

CEMPX系列壓力傳感器：該類傳感器基于壓阻效應而制成，可以將壓力轉換為電信號。在具體的工作過程中，該傳感器會將壓力加于膜片之上，膜片會因此產生一定的應力，當應力發生變化之時，測量的電阻阻值也會有相應改變，若在惠斯頓電橋的輸入端輸入一定的電壓或電流，會打破原有的電阻值平衡，這時，可以在電橋的輸出端得到相應的電壓或電流輸出變化值。

值得一提的是，傳感器感應所生成的信號是比較弱的，因此需要對其進行擴大或濾波等處理，以保證模數轉換的順利進行。在本系統內，包括多種信號的采集，其中就有模擬信號在內。傳感器會對不同的物理量進行測量，并將其轉換為電信號；DSP只能對數字信號進行處理。基于此，各項模擬數據信號在接受處理之前需要先轉換為相應的數字信號。所以，整個硬件電路設計中的A/D轉換極為重要，A/D轉換模塊采用 TMS320F2812。

2.3尾氣顯示模塊

尾氣顯示模塊主要是利用LCD對與尾氣濃度相關的各項參數進行顯示，本系統將深圳市TOPWAY公司的LM3033CFW-0B-1作為系統的該項子模塊。

2.4氣體數據收發模塊

氣體數據收發模塊多是借助于GPRS技術[7]與互聯網技術在車載模塊與檢測中心之間進行無線通訊，它有助于一輛或多輛汽車狀態實時監測的實現，可用于汽車故障的提前探測與預報，既能夠對有害氣體的排放進行及時且有效的控制，又可以使汽車故障發生率得到降低，減少維修支出。GPRS采用SIM300模塊，并將電壓維持于3.4～4.5 V的范圍內，其正常工作以電源的穩定性為前提，SIM300與DSP的通信以串行口為橋梁，其通信速率可以達到115 200 b/s。AT指令集是模塊與控制器之間所共同遵循的通信協議。在連接完各個硬件之后，還要對SIM300進行相應設置，其中，應設置AT指令為AT+IPR=38 400，波特率為38 400 b/s，接入網關為AT+CIPSTART=“UDP”，“IP”，“PORT”。

2.5電源模塊

AD1584BRT作為電源芯片，可以輸出4.096 V的電壓值，同時向SIM300提供穩定的電源。

3 軟件構成

本文所進行的軟件設計包括系統主程序、A/D轉換模塊程序、尾氣采集程序、液晶顯示模塊程序、遠程通訊程序等內容包括在內。通過匹配各項軟硬件，氣體濃度參數才可實現準確的采集、處理與顯示，完成在線實時遠程監測任務。考慮到篇幅問題，此處只針對A/D轉換模塊及尾氣采集程序兩部分內容進行相應的設計。

3.1 A/D模塊程序設計

在采集各項數據之時，以TMS320F2812片內集成的A/D轉換器為工具來進行。開始工作之前，本程序需初始化A/D轉換器的各項功能，當轉換器繁忙之時，通過A/D通道實施轉換，這時主程序會進入一個死循環之中；當A/D完成正常的轉換之后，會進入中斷服務子程序中。該程序會將轉換的結果讀入數組內部，同時對A/D進行再一次地啟動，使其履行轉換功能，并由此循環往復。圖4所示為A/D轉換主程序的流程圖。

圖4 A/D轉換主程序流程

3.2尾氣采集主程序

汽車的運行工況是本系統采樣的關鍵所在，對應工礦數據的采集應以汽車運行工況的明確為前提，具體流程如圖5所示。

圖5 尾氣采集主程序流程

3.3運行結果

在完成了系統設計工作之后，需要對新舊汽車尾氣進行實際地測量，對連接串口及尾氣含量標準進行系統設置，以此對監控予以啟動，通過系統的運行，監測汽車尾氣排放，顯示屏上顯示監測值。借助于顯示界面，監控中心可以簡便、快捷地掌握車輛尾氣排放狀況。此外，尾氣詳細信息區域還會顯示車輛所排放各種尾氣的具體含量，以方便現場實時數

據的打印與存儲。

4 結 語

本系統可以對不同車型、路段以及時段的汽車排放狀況進行實時反映。系統所保存的車輛尾氣排放濃度/質量等各項運行數據可用于多項研究與建設工作，例如研究與各地交通特征相符合的形式周期、研究汽車尾氣排放特征與規律、建設交通尾氣排放數據庫、建設城市路網排放清單等。同時根據汽車尾氣排放的濃度也可以進一步制定機動車輛限行措施，從而提高環境質量。

[1] 胡兵. 汽車尾氣排放與防治措施[J]. 科技信息, 2010(11): 383-384.

[2] 卜建國, 張偉, 李紅勛, 等. 用于柴油車SCR系統的OBD-Ⅱ新構型的設計[J]. 汽車工程, 2010(11): 1002-1005.

[3] 趙靜. 基于OBD-II的嵌入式汽車故障診斷儀設計[J]. 電子與封裝, 2013(6): 43-47.

[4] 高翠云, 江朝暉, 孫冰. 基于TMS320 F2812的DSP最小系統設計[J]. 電氣電子教學學報, 2009(1): 83-85.

[5] 李教文. 基于TL718的藍牙迷你型OBDⅡ汽車信息檢測儀[J]. 中小企業管理與科技(上旬刊), 2014(2): 277-279.

[6] 晏雙鶴. 汽乍運行狀態遠程監測與故障預測系統[D]. 重慶: 重慶交通大學, 2009.

AResearchonOn-lineMonitoringofVehicleExhaustEmissionsBasedonOBD-ⅡSystem

LUO Ming

(ShanxiCollegeofCommunicationTechnology,Xi'an,Shanxi,710018,China)

The exhaust emission of automobile exhaust gas is very serious at present. This paper designs an on-line vehicle exhaust emission monitoring system based on OBD-Ⅱ. The system includes hardware part and software part. The hardware part includes central control module, tail gas collection module and tail gas display module. There are gas data transceiver module, including the power supply module, the software part of A/D conversion module program and tail gas collection program design. All the systems work better.

OBD-Ⅱ system; Automobile exhaust; On-line monitoring

2017-06-27

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1068)。

羅明(1984-)，男，陜西西安人，講師，研究方向：汽車檢測與維修技術，手機：13488265464，E-mail：313492795@qq.com.

TP274+.2

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.040