主动再生式DPF数据采集和远程传输装置的设计与应用

周容，马志振，尉迟胜军，谢振凯，马鹏飞

(1.天津市河西区机动车排污检控站，天津 300201；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；3.天津市东丽区机动车排污检控站，天津 300300)

0 引言

相比汽油机，柴油发动机在油耗、动力性、可靠性、低速转矩及功率覆盖面等方面均有明显的优势，不仅一直是中重型车用动力装置的主流，大量的非道路工程机械也普遍将柴油发动机作为主要的动力装置。而同时，柴油发动机颗粒物排放量远超汽油机，造成了严重的大气污染[1]，其颗粒物排放已成为大气污染非常突出、紧迫的问题之一。随着我国机动车排放法规对机动车排放限值要求逐渐严格，柴油机颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)作为控制柴油机颗粒物排放最为行之有效的技术手段，已成为柴油机颗粒物排放治理应用广泛的后处理产品[2-3]。

而DPF捕集颗粒物过程中会随着颗粒物的积累，油耗增加，发动机动力性能下降[4]，不仅引起车辆排放更多的污染物，而且直接影响车辆的动力性和经济性，严重将导致用户私自拆卸颗粒物捕集器，大大降低了颗粒物削减效果。实时采集和分析颗粒物捕集器工作参数信息，掌握颗粒捕集器再生情况、运行状况，有利于对车辆和颗粒捕集器进行实时监管[5-6]。本文作者旨在对柴油机颗粒捕集器工作状态进行在线监测，设计DPF数据采集远程传输装置，将温度、压力传感器及车辆位置信息、时间数据等发送至监控平台，实现DPF工作状态的远程监测。

1 硬件需求分析及设计

1.1 功能需求分析

主动再生式DPF主要根据排气背压、温度等信号判断其工作状态是否正常[7-8]，故DPF数据采集远程传输装置，应主要包括对排气管温度、排气背压和再生信号等进行采集。文中所设计数据远程传输装置基于汽车网络中应用最为广泛的控制器局域网(Controller Area Network,CAN)，通过CAN总线实现对排气温度、排气背压的数据采集。

另外，考虑到远程监测对车辆位置的需求，远程监控装置应具备定位功能，通过全球定位系统(Global Positioning System, GPS)获取车辆位置数据，对车辆定位并计算车辆行驶速度、车辆运行轨迹等。远程监控装置将采集到的数据进行解析、存储和加密，通过无线传输技术(General Packet Radio Service, GPRS)将数据传输到远程在线监控平台。故所设计的远程监控装置应具备满足的功能需求如下：

(1) 通过CAN协议读取温度、压力等数据；

(2) 通过GPS获取车辆运行位置、运行速度等信息；

(3) 具有时钟模块，能够计算车辆运行时间及时长；

(4) 通过GPRS完成DPF运行状态数据与GPS和时间数据的上传。

1.2 硬件结构设计

图1 硬件结构框图

考虑到DPF数据采集远程传输装置一般安装在汽车驾驶室内，可能暴露在高温或低温环境下，所以装置需在较大温度范围内保证稳定运行。设计时采用32位汽车级发动机控制专用高速微控制器SPC563M64，可在零下30 ℃低温至85 ℃高温环境下正常工作。

车载蓄电池电压存在不稳定性，电池输出电压会在一定范围内变化，电源模块可以在9～36 V输入电压下稳定输出5 V电压为数据采集远程传输装信号处理电路与数字信号处理电路用来对传感器信号进行采集；数据远程传输采用GPRS网络接入，是目前广泛应用且稳定性较好的网络模式，采用ATK-SIM900A模块，可兼容GSM与GPRS网络模式；采用GPS获取车辆位置信息，包括时间、车速、经纬度、运行方向等数据；采用1路CAN通信，与DPF控制器通过CAN总线协议进行数据传输；采用RS232进行串口通信，实现数据采集远程终端与PC端的连接通信，完成软件程序下载和终端调试。

除上述必备模块外，硬件框架还应包括数据的存储模块、独立硬件看门狗和时钟模块。存储模块进行车辆基本信息和运行数据进行本地存储备份，此外还可在GPRS信号弱或无信号，无法及时上传数据时可实现车辆及DPF后处理设备运行情况的全程监控，并在回复网络后将数据上传。独立硬件看门狗电路目的为防止软件程序紊乱陷入死循环。时钟模块具备实时时钟，并能够通过卫星授时方式同步时钟；车载数据采集远程传输装置实时时钟采用北京时间，能够连续24 h记录DPF后处理设备运行数据。

2 软件结构及设计

2.1 软件结构设计

DPF数据采集远程传输装置软件部分设计思想是基于AUTOSAR软件规范。软件结构框架如图2所示。

微控制器抽象层是对底层物理设备的抽象，包含了ECU硬件的所有驱动，目的是实现系统的各种功能；ECU抽象层是将ECU外设等结构进行抽象，封装了微控制器层以及外围设备的驱动；服务层由众多基础服务软件组件构成，提供了标准化的功能和接口，为该系统提供各种服务性控制；运行环境(RTE)层用来负责应用层软件与基础软件之间的通信，应用层通过RTE来调用底层的基础软件，RTE层将应用层从对底层软件和硬件平台的依赖中独立出来，实现了应用程序与底层ECU平台的隔离，实现了对应用层软件的重用；应用层包含用户所有应用软件，是系统功能的外在表现形式，该层的实现不依赖于微控制器、ECU和硬件。

图2 软件结构框架

2.2 软件功能设计

2.2.1 自检

数据采集远程传输装置在通电开始工作时，进行自检，如有故障或异常时通过CAN通信输出故障码或当网络正常时通过网络上报至服务器提示其状态。

预算会计支出类科目“投资支出”与增设的预算会计收入类科目“投资预算收入”在核算口径上相互对称，前者核算取得货币资金投资的实际支付成本，后者核算货币资金投资成本的收回，更贴切地体现预算会计收付实现制的核算基础，更清晰地反映货币资金投资的资金运动轨迹。

2.2.2 信息获取

数据采集远程传输装置实时获取车辆位置信息参数、DPF前后端温度参数、DPF前后排气压差参数。

2.2.3 信息存储

数据采集远程传输装置应以年、月、日、时、分、秒的形式，将采集到的数据按照一定的数据结构保存在车载终端内部存储介质中。当空间存储满时，车载终端应具备本地存储数据的自动覆盖功能。

2.2.4 信息上报

数据采集远程传输装置按照设定的时间间隔记录并上报信息，其注册及信息上报符合远程监测平台及服务器的要求。

数据采集远程传输装置软件程序如图3所示，自检完成后进入正常工作，实时读取DPF前后端排气温度、排气压差、GPS位置及时钟数据，依据DPF前后排气温度与排气压差数据判断DPF运行状态，并根据温度、压差与预警温度、压差数据的对比，完成DPF运行信息的监测与告警。远程传输装置上传数据频率为1 Hz，实现对DPF运行状态的远程监测。装置上装有指示灯，根据温度、压力传感器输出数值确定指示灯的状态，直观地提示驾驶员后处理设备是否出现故障。

图3 数据采集远程传输装置软件程序

3 实车验证

DPF数据采集远程传输装置放置在驾驶室内，需要有一定的抗震防摔性能，故配备铝制金属外壳，同时达到抑制电磁干扰的效果。将远程传输装置安装到柴油车上，GPS天线与GPRS天线吸附在驾驶室金属挡板上。

通过远程传输装置将DPF运行数据实时发送到平台服务器，可在PC端直接浏览并下载DPF运行历史数据。数据可以简单处理后用于对DPF运行特征进行分析，对车辆及后处理系统匹配适应性进行验证与考核。

图4与图5分别为实车运行的数据，选取四天DPF运行过程中排气温度和压力数据进行的分析。由图4可见DPF前后排气温度峰值为500 ℃以上，排气温度出现峰值为DPF再生过程，DPF再生过程与整个时段内运行正常。

图4 DPF前后排气温度曲线

图5 DPF前后压差

由图5可知，DPF压力数据处在持续变化中，导致排气压差发生变化的原因包括了发动机转速、DPF碳载量等，当排气压差大于6 kPa时，压差将急剧下降，此过程为DPF主动再生，颗粒物减少压力下降的过程。

4 结论

(1) 根据对DPF运行数据远程监测需求，对硬件和软件结构及功能进行分析与设计，设计了基于SPC563M64高速汽车级芯片为核心控制器的主动再生式DPF运行数据采集远程传输装置；

(2) 将所设计的数据采集远程传输装置安装于实车上进行验证，结果表明该装置能够完成数据的远程传输，实现车辆DPF运行状态的远程监测与告警；

(3) 文中所涉及的DPF数据采集远程传输装置上传的DPF运行数据可保存至远程服务器，可为进一步进行DPF运行特征等的分析提供数据样本。