基于OBD-Ⅱ系統(tǒng)的在線汽車尾氣排放監(jiān)測研究

羅 明

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018)

科技

基于OBD-Ⅱ系統(tǒng)的在線汽車尾氣排放監(jiān)測研究

羅 明

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018)

當(dāng)前汽車尾氣污染排放十分嚴(yán)重，基于OBD-Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在線汽車尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電源模塊，并對軟件部分的A/D轉(zhuǎn)換模塊程序、尾氣采集程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的運(yùn)行效果較好。

OBD-Ⅱ系統(tǒng)；汽車尾氣；在線監(jiān)測

在機(jī)動(dòng)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(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。實(shí)際上，較之其他單一的人類活動(dòng)來說，汽車所制造出的空氣污染量最多。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在全球范圍內(nèi)，由于礦物燃料的燃燒所生成的一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?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(jī)與柴油機(jī)。汽車工業(yè)的進(jìn)步與現(xiàn)代電子、通信以及網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的融入日益復(fù)雜化了汽車的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，并且提高了其自動(dòng)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(zhǔn)確地對汽車的整體運(yùn)行狀況進(jìn)行把握，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除各種故障隱患。通過汽車設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)會對車輛運(yùn)行的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行采集，然后在無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸功能下使車輛同遠(yuǎn)程監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的互通，以此為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的相關(guān)工作人員會對車輛運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，并將最終的分析結(jié)果反饋給車輛用戶。

OBD-Ⅱ即車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)，英文全稱為On-Board Diagnositics-Ⅱ，集成于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)之中，可以對廢氣排放影響部件的工作狀態(tài)進(jìn)行不間斷地監(jiān)測。作為一個(gè)結(jié)構(gòu)與工作原理均較為復(fù)雜的自診斷系統(tǒng)，OBD-Ⅱ[2-3]能夠在車輛尾氣超出標(biāo)準(zhǔn)排放量，或者發(fā)生故障之時(shí)，及時(shí)向駕駛員報(bào)警，并對故障代碼(DTC)進(jìn)行記錄。借助于相配套的診斷設(shè)備，維修人員可以對系統(tǒng)保存下來的故障代碼或相關(guān)的車輛信息進(jìn)行解讀，這有助于其快速地找到車輛發(fā)生故障的位置，以節(jié)約大量的人力與物力。現(xiàn)階段，OBD-Ⅱ已發(fā)展為車輛運(yùn)行的必備裝置之一。本文基于OBD-Ⅱ系統(tǒng)對汽車尾氣進(jìn)行實(shí)時(shí)且不間斷地監(jiān)測，準(zhǔn)確把握發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及其對空氣造成的污染狀況，并且在汽車出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)與維修，以實(shí)現(xiàn)對汽車行駛安全的保障及尾氣污染的預(yù)防。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)包括一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)以及氮氧化合物(NOx)、溫度、壓力等，其開發(fā)有利于在更少的人力與物力條件下車輛排放狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對OBD-Ⅱ系統(tǒng)進(jìn)行研究所具有的現(xiàn)實(shí)意義十分重大。

1 汽車尾氣遠(yuǎn)程監(jiān)測原理及整體架構(gòu)

本文的研究目的在于汽車尾氣在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)，所使用的OBD-Ⅱ系統(tǒng)的具體工作原理為：借助于電化學(xué)氣體濃度傳感器對汽車尾氣的具體濃度進(jìn)行采集，同時(shí)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(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，經(jīng)過精確計(jì)算與分析，明確汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放與處理設(shè)備是否存在故障，同時(shí)對其尾氣的超標(biāo)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要包括4個(gè)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(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電源模塊，硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1中央控制模塊

在對尾氣中央控制模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)之時(shí)需要嚴(yán)格考慮處理器的選取與使用。所選取的處理器應(yīng)有較高的性能與較小的體積，同時(shí)滿足功耗小、價(jià)格低、安裝便捷以及安全性高等要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tài)CMOS技術(shù)，3.3 V的I/O電壓，1.8 V的內(nèi)核電壓，同時(shí)對控制器的功耗予以降低；CPU時(shí)鐘頻率最高達(dá)到150 MHz，借助于動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)頻率而得到，對控制器的實(shí)時(shí)控制能力予以大幅度增強(qiáng)；片內(nèi)含128K×16位的FLASH存儲器以及兩塊4K×16位的單口隨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)UART以及改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)ECAN；多通道緩沖串行接口McBSP；16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，采樣保持器一共有兩個(gè)等。

考慮到車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有多樣性特征，且不同的汽車生產(chǎn)企業(yè)所使用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也存在一定的差異性，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之時(shí)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(tǒng)方案通過以專用協(xié)議芯片下TL718[5]及現(xiàn)有車輛自診斷系統(tǒng)接口為基礎(chǔ)的方式，對車輛內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)信息進(jìn)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(jìn)行電路連接之時(shí)利用74LVX4245電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。DSP的復(fù)用1/0口用于控制TL718，其實(shí)現(xiàn)以軟件編程為基礎(chǔ)。其中，電平高低的設(shè)置可以幫助74LVX4245的TIR引腳對信號的傳輸方向進(jìn)行控制。

圖3 DSP與TL718連接原理

2.2尾氣采集模塊

在設(shè)計(jì)尾氣的采集模塊之時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)包含在內(nèi)。此處的傳感器屬于一種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)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(shí)靈敏度很高，選擇性良好，兼具使用壽命長與穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，多用于家庭、環(huán)境的CO探測中。MQ-7CO氣體傳感器模擬量輸出0～5 V電壓，當(dāng)濃度上升之時(shí)，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(chǎn)的，NOX傳感器為NX1，HC傳感器為300 P，本系統(tǒng)所要測量的HC以及NOX應(yīng)分別在0～5 000×10-6。

DS18B20溫度傳感器：這是一種單線式的數(shù)字溫度傳感器，借助于一般I/O端口的“時(shí)序化”編程，該傳感器可以采集到9～12位分辨率的溫度數(shù)據(jù)，主要用于對環(huán)境溫度的監(jiān)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(nèi)的溫度，在-10～85℃的范圍內(nèi)，其測量精度可達(dá)到±0.5℃。

CEMPX系列壓力傳感器：該類傳感器基于壓阻效應(yīng)而制成，可以將壓力轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化之時(shí)，測量的電阻阻值也會有相應(yīng)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(shí)，可以在電橋的輸出端得到相應(yīng)的電壓或電流輸出變化值。

值得一提的是，傳感器感應(yīng)所生成的信號是比較弱的，因此需要對其進(jìn)行擴(kuò)大或?yàn)V波等處理，以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行。在本系統(tǒng)內(nèi)，包括多種信號的采集，其中就有模擬信號在內(nèi)。傳感器會對不同的物理量進(jìn)行測量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號；DSP只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理?；诖?，各項(xiàng)模擬數(shù)據(jù)信號在接受處理之前需要先轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。所以，整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換極為重要，A/D轉(zhuǎn)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(guān)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行顯示，本系統(tǒng)將深圳市TOPWAY公司的LM3033CFW-0B-1作為系統(tǒng)的該項(xiàng)子模塊。

2.4氣體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

氣體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊多是借助于GPRS技術(shù)[7]與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車載模塊與檢測中心之間進(jìn)行無線通訊，它有助于一輛或多輛汽車狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)，可用于汽車故障的提前探測與預(yù)報(bào)，既能夠?qū)τ泻怏w的排放進(jìn)行及時(shí)且有效的控制，又可以使汽車故障發(fā)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(nèi)，其正常工作以電源的穩(wěn)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(dá)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(xié)議。在連接完各個(gè)硬件之后，還要對SIM300進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，其中，應(yīng)設(shè)置AT指令為AT+IPR=38 400，波特率為38 400 b/s，接入網(wǎng)關(guān)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(shí)向SIM300提供穩(wěn)定的電源。

3 軟件構(gòu)成

本文所進(jìn)行的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主程序、A/D轉(zhuǎn)換模塊程序、尾氣采集程序、液晶顯示模塊程序、遠(yuǎn)程通訊程序等內(nèi)容包括在內(nèi)。通過匹配各項(xiàng)軟硬件，氣體濃度參數(shù)才可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的采集、處理與顯示，完成在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)。考慮到篇幅問題，此處只針對A/D轉(zhuǎn)換模塊及尾氣采集程序兩部分內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

3.1 A/D模塊程序設(shè)計(jì)

在采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)之時(shí)，以TMS320F2812片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器為工具來進(jìn)行。開始工作之前，本程序需初始化A/D轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)功能，當(dāng)轉(zhuǎn)換器繁忙之時(shí)，通過A/D通道實(shí)施轉(zhuǎn)換，這時(shí)主程序會進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)之中；當(dāng)A/D完成正常的轉(zhuǎn)換之后，會進(jìn)入中斷服務(wù)子程序中。該程序會將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入數(shù)組內(nèi)部，同時(shí)對A/D進(jìn)行再一次地啟動(dòng)，使其履行轉(zhuǎn)換功能，并由此循環(huán)往復(fù)。圖4所示為A/D轉(zhuǎn)換主程序的流程圖。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換主程序流程

3.2尾氣采集主程序

汽車的運(yùn)行工況是本系統(tǒng)采樣的關(guān)鍵所在，對應(yīng)工礦數(shù)據(jù)的采集應(yīng)以汽車運(yùn)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(yùn)行結(jié)果

在完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之后，需要對新舊汽車尾氣進(jìn)行實(shí)際地測量，對連接串口及尾氣含量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，以此對監(jiān)控予以啟動(dòng)，通過系統(tǒng)的運(yùn)行，監(jiān)測汽車尾氣排放，顯示屏上顯示監(jiān)測值。借助于顯示界面，監(jiān)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(xì)信息區(qū)域還會顯示車輛所排放各種尾氣的具體含量，以方便現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)

據(jù)的打印與存儲。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)可以對不同車型、路段以及時(shí)段的汽車排放狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映。系統(tǒng)所保存的車輛尾氣排放濃度/質(zhì)量等各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可用于多項(xiàng)研究與建設(shè)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(guī)律、建設(shè)交通尾氣排放數(shù)據(jù)庫、建設(shè)城市路網(wǎng)排放清單等。同時(shí)根據(jù)汽車尾氣排放的濃度也可以進(jìn)一步制定機(jī)動(dòng)車輛限行措施，從而提高環(huán)境質(zhì)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(tǒng)的OBD-Ⅱ新構(gòu)型的設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)[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(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2009(1): 83-85.

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

[6] 晏雙鶴. 汽乍運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障預(yù)測系統(tǒng)[D]. 重慶: 重慶交通大學(xué), 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(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)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(shù)，手機(jī)：13488265464，E-mail：313492795@qq.com.

TP274+.2

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.040