柴油機SCR控制單元檢測系統模塊化設計

李捷輝，段 暢，周大偉

1 引言

隨著排放法規的日益嚴格，柴油車排放污染成為社會關注的熱點，車用柴油機排放控制面臨前所未有的挑戰[1]。各柴油機廠及科研院校均開展了大量研究工作，眾多研究表明[2-4]，SCR（Selective Catalyst Reduction，選擇性催化還原）技術是目前實現國Ⅳ及以上排放法規的最有效途徑之一。在柴油機SCR系統中，尿素泵控制單元（Dosing Control Unit，以下簡稱DCU）作為系統的控制核心，通過采集發動機轉速、負荷、排氣溫度等工況運行參數來計算尿素噴射量并控制尿素泵工作，降低排氣中的NOX含量。由于DCU的輸入輸出通道多、性能要求高，裝配時可能因焊接、振動、油污等原因引起虛焊、短路等故障，從而影響DCU性能及SCR減排效果。故在DCU出廠前對其進行檢測尤為重要，而電路檢測涉及的元器件較多，手工檢測十分繁瑣且低效。

目前針對SCR系統的研究大多集中在控制算法及尿素泵的硬件結構設計上[5-6]，對DCU硬件檢測關注較少，而對DCU的檢測是產品投入市場前必不可少的一個環節。為此，結合模塊化設計理念開發出一套柴油機SCR控制單元檢測系統，能大幅減少工作量，并在加快檢測速度的同時保證檢測結果的可靠性。首先，在分析被測DCU硬件電路結構的基礎上，完成檢測系統的架構設計，實現DCU與檢測系統的一鍵式連接；然后，提出一種檢測思路與方法，并在CodeWarrior環境下完成測試程序的編寫，運用LabVIEW的圖形化語言特點，設計出一套上位機檢測軟件，用于實時顯示測試結果；最后，將軟硬件進行整合，搭建柴油機SCR控制單元檢測系統，并完成測試系統試驗驗證。

2 檢測系統架構

搭建的檢測系統架構，如圖1所示。主要包括：被測DCU、電阻與電壓信號發生器、USBCAN調試器、24V穩壓電源、步進電機、數據采集卡及上位機監控界面（PC機）等。

DCU由本課題組自主設計完成，其硬件電路結構主要包括：電源管理模塊、主控單元、輸入采集模塊、輸出驅動模塊及CAN通信模塊等[7]，如圖1所示。電源管理模塊采用LM2596S-12和LM2594芯片，分別將24V蓄電池電壓轉換為12V和5V電壓；選用MC9S12XS128單片機作為DCU的主控單元；輸入采集模塊用于處理各傳感器的模擬量、脈沖量及數字量信號；輸出驅動模塊用于控制尿素泵、電磁閥、加熱器等的工作狀態；CAN通信模塊中采用TJA1050芯片作為CAN收發器，實現DCU與CAN總線間的信號傳遞。

檢測系統中各部件的連接方式如下：24V穩壓電源用于為DCU供電；電阻與電壓信號發生器用于模擬排氣溫度、尿素溫度、尿素罐內液位、尿素壓力等傳感器的信號，分別與DCU輸入采集模塊相應端口相連；步進電機連接到DCU的電機輸出端，采用模擬負載代替壓縮空氣電磁閥、冷卻水電磁閥等；USBCAN調試器和數據采集卡的一端分別連接于CAN通信模塊和輸出驅動模塊，另一端經USB導線與PC機主機相連，最終將采集的數據通過上位機檢測界面顯示出來。將所有與DCU相連的線束端口固定在接插件上，實現DCU與檢測系統的一鍵式連接。

圖1 檢測系統架構圖Fig.1 The Structure of Detection System

3 檢測系統軟件設計

檢測系統的軟件設計主要包括：制定檢測策略、編寫測試程序和設計上位機檢測界面。

3.1 檢測策略

表1 輸入信號端口Tab.1 The Port of Signal

檢測策略的制定直接決定了檢測的程序與效率，各模塊的檢測策略如下：（1）對電源模塊的檢測：通過電壓顯示儀表觀測經電源模塊轉換后的電壓值，若數值超出誤差范圍，則認為電源模塊電路故障；（2）對輸入采集模塊的檢測：根據DCU硬件電路的設計，單片機采集到的傳感器信號應該位于一個區間內，如排氣溫度傳感器信號輸入的理論范圍是（3500～4000），若采集的信號不在這一范圍內，則認為輸入采集模塊電路故障，各輸入端口的對應理論范圍，如表1所示；（3）對輸出驅動模塊的檢測：通過主控單元設計并控制相應輸出端口的輸出波形，若檢測波形與預期不相符，則認為輸出驅動模塊電路故障；（4）對CAN通信模塊的檢測：通過上位機發送一條報文，若CAN通信模塊正確接收該報文，將返回一條指定報文信息給上位機，若上位機沒有顯示指定報文，則認為CAN通信模塊電路故障。

為簡化操作，可同時檢測輸入采集模塊和輸出驅動模塊的好壞。當某一輸入端口（如AD_3）采集到的信號在規定范圍內時，則輸出特定波形（如占空比為10%的PWM波）。若輸出波形與預定的一致，則認為對應的輸入和輸出端口正常；若波形異常，則查看輸入端口的采樣值，以判斷故障源。

3.2 測試程序

將制定的檢測策略轉化為測試程序，其控制流程，如圖2所示。首先，初始化AD、PWM、CAN、電機驅動等模塊；然后，判斷每個AD端口采集的數值是否在理論范圍內，若在理論范圍內，則控制PWM模塊的指定端口產生特定占空比的波形，反之持續輸出高電平，觀測上位機監控界面，若檢測到的波形與設計的一致，則表明該端口正確，否則故障；最后，設定CAN通信模塊應接收的報文，若CAN通信模塊能正確接收，并返回一條指定報文，表明CAN通信模塊收發正常，否則故障。

圖2 測試程序流程圖Fig.2 The Flow Chat of Test Program

3.3 上位機檢測界面

圖3 檢測界面前面板Fig.3 The Front Panel of Monitoring

LabVIEW是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司所推出的一種圖形化的編程語言（G語言）[8]。運用LabVIEW軟件開發上位機，設計多通道虛擬示波器，顯示DCU輸出端產生的波形。檢測界面前面板設計，如圖3所示。通道選擇旋鈕用于設置采樣的首尾通道，將采集儀器的物理通道與檢測單元輸入端口進行匹配，保證采集信號的一一對應；采樣模式選擇框用于設定AD信號的采集方式，包括連續采樣和分組采樣兩類；增益控制表盤用于對輸出的波形進行信號放大；波形顯示區用于顯示不同通道采集的波形，通過瞬態電壓檢測框可實時檢測采集到的電壓。

4 檢測試驗

軟件設計完成后將軟硬件進行整合，搭建檢測系統臺架，如圖4所示。從外部可分為五個不同的工作區，分別為待測DCU安裝區、開關與指示燈控制區、信號輸入區、電機與電壓顯示區及檢測界面區等。通過該檢測系統分別進行模擬量模塊檢測、數字量模塊檢測、電機測試和CAN通信模塊檢測，檢測界面能夠直觀的反映出待測DCU的硬件電路是否存在故障。

圖4 檢測系統平臺Fig.4 The Test-Bed of Detection System

4.1 模擬量模塊檢測

模擬量檢測主要針對傳感器輸入信號電路，通過觀察輸出端的波形，同時檢測對應輸入與輸出端口電路的正確性。以AD_in1和Driver_L1的檢測為例，圖5（a）為故障波形，持續輸出高電平；圖5（b）為樣板輸出波形，預設為占空比為20%的PWM波；圖5（c）為模擬信號轉換值，可通過CodeWarrior軟件的Data1窗口觀測。若出現故障波形（a），而AD_in1在規定的范圍內，則可判斷Drive_L1輸出端電路故障；反之，故障來自模擬量輸入電路。

圖5 檢測分析Fig.5 Analysis of the Detection

4.2 數字量模塊檢測

數字量模塊檢測主要針對開關類信號，檢測系統提供一個脈沖信號來模擬電子器件的“開”與“關”，當DCU采集到的信號呈現不斷交替的狀態時，控制PWM模塊輸出一定占空比的波形。檢測時，采用數字量模塊檢測與Drive_H輸出電路共同檢測的方法，若監控界面區的DRV_H窗口出現所設定的占空比波形，表明數字量輸入模塊與高端驅動電路功能性正常，否則電路故障。

針對故障電路，同樣采用CodeWarrior軟件，通過檢測Data1窗口中的數據可進一步分析故障的出處。觀察此時AD數據，若出現“0，1”交替閃爍，則表明數字量模塊電路功能正常，故障出自高端驅動電路；反之，故障來自數字量輸入電路。

4.3 電機測試

SCR系統中，步進電機使用專用芯片L6208[9]進行控制，因此測試時只需對其輸入端口設置相應的使能操作即可。在電機驅動程序初始化程序中，已進行了如下設置：電機使能控制位“Enable”置為1，旋轉方向選擇位“CW/CCW”置為0（逆時針旋轉），步長模式選擇位“Half/Full”設置為1（即半步長模式），延時控制選擇位“Fast/Slow”設置為1。測試系統上電時，觀測系統檢測平臺上步進電機的工作情況，若按逆時針旋轉，則表明電機控制電路功能性正常，否則電機驅動電路故障。

4.4 CAN模塊檢測

通過USBCAN調試器及其配套軟件CANMonitor[10]采集CAN總線上報文，實現CAN模塊的測試。模塊檢測時，首先“啟動CAN1”，然后將幀類型改為擴展幀，幀格式設為數據幀，幀ID設置為 0x0000000，發送周期設為 0ms，幀數據改為“01”（Hex），最后點擊“發送”指令，觀測是否有能接受到數據“20 00 00 00 00 00 00 00”。若出現此數據，如圖6所示。則表明CAN模塊硬件電路功能完好；否則CAN模塊電路存在故障。

圖6 CAN模塊報文采集Fig.6 CAN Monitor Message Collection

試驗中，共對50塊DCU進行了檢測：對于硬件電路正常的DCU，1分鐘內即可完成檢測；對于硬件電路存在故障的DCU，從發現錯誤到定位故障源，可在3分鐘內完成。

5 結論

（1）提出了一種針對柴油機SCR系統中DCU硬件電路的檢測思路與方法，并在CodeWarrior中完成了相應的程序編寫，通過該方法能大幅提高檢測效率；（2）在LabVIEW的圖形化開發環境中設計了一套上位機檢測軟件，實現了檢測過程的實時顯示；（3）自主搭建了一套檢測系統并完成試驗驗證，結果表明該系統檢測效率高，測試結果準確可靠，能準確排查故障，為產品質量控制提供保障，具有一定的實際意義和推廣價值。