一种基于氮氧传感器的便携式尾气测试装置

张 愉， 钱 璐， 张龙飞， 陈 昱

（西安创研电子科技有限公司， 陕西 西安 710000）

0 引言

汽车工业的发展使人们的生活踏上了一个前所未有的台阶。 短短数十年间，汽车的产量和保有量直线上升，截至2022 年底，全国汽车保有量已达3.19 亿辆，比2021年增加1752 万辆， 增长5.81%， 其中柴油车保有量超2100 万辆。 在车辆的总数上，柴油车所占比例并不高，但是产生的污染物却不可忽略， 已经成为机动车污染防治的首要核心目标。 目前在柴油车尾气处理系统中多采用选择催化还原技术，也称之为SCR（Selective Catalytic Reduction）[1]，该技术能够使NOX在被还原的同时有效的抑制氧化反应，最终使NOX的转化率高达90%而不降低发动机的效率。 为了精确控制整个还原过程， 通常需要在SCR 处理单元的前后端分别安装一个NOX传感器， 以便检测选择催化还原前后的NOX的浓度。 但为防止车辆氮氧化物排放超标， 市面上出现了一些模拟器等设备来逃避氮氧化物检测。 因此，采用智能手段对柴油车氮氧化物排放及车用氮氧传感器检测有有着极其重要的必要性。文章设计与实现了一种基于电化学氮氧传感器的便携式汽车尾气氮氧化物检测系统， 实现对汽车尾气排放氮氧浓度值及车用氮氧传感器故障的检测。

1 CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧传感器

在汽车SCR 处理技术中， 通过对尾气中NOX含量的测量，进而控制氨气的注入量，实现对有害气体的转换。CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧传感器用于汽车尾气中（0～3000）×10-6体积分数范围内的NOX检测， 可以在0～800℃的温度下工作。

CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX传感器由陶瓷芯片、芯片封装后的探头和电控单元（SCU）等核心部件组成。 探头是由十几种金属、陶瓷固定件对陶瓷芯片进行封装而构成的传感器敏感元件；电控单元（SCU）是传感器的闭环控制核心部件，主要由单片机及其外围电路、电源模块、加热模块、数模转换模块、信号处理模块、采集模块和CAN 总线通信模块组成，采用IP1 控制策略，通过微电流检测、小信号抗干扰及模糊PID 温度控制等技术设计而成。

CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX传感器主要包括陶瓷芯片设计、探头封装技术、电控单元（SCU）开发和测试技术4 个方面，结构框图如图1 所示。

图1 CY-ECNOx-B390S-ⅢNOX 传感器结构框图

2 SAE—J—1939 协议

SAE—J—1939 是美国汽车工程协会（SAE） 的推荐标准， 用于为中重型道路车辆上电子零部件间的通信提供标准的 体系结构。SAE—J—1939 利用CAN 总线中扩展帧29 位标识 符实现了一个完整的网络定义[2-5]。 数据帧是以协议数据单元 （PDU） 形式进行传输的，PDU 将29 位标识符划分为6 个部分：分别是优先级（P）、保留位（R）、数据页（DP）、 PDU 格式（PF）、特定PDU 格式（PS）和源地址（SA）。 SAE—J—1939 的29 位标识符如表1 所示。

表1 SAE—J—1939 的29 位标识符

29 位标识符理论上可以表示成229 种消息类型，但SAE—J—1939 并没有这样对信息分类， 而是采用PGN（parameter group number） 的概念对整车信息进行分类管理。 PGN 是由24 位的二进制数构成， 其中6 位为0，1 位保留 位，1 位数据页位，8 位PDU 位，8 位 特 定PDU位。根据PGN 可以计算出各个电子零部件的标识符，位于汽车尾气处理上的CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧传感器：

PGN：61454（ 0x00F00E）

P：6 DP：0 SA：51

因此，CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧传感器标识符为18F00E51h。

3 系统总体设计

本系统采用CY-ECNOx-B390S-Ⅲ型氮氧传感器进行系统前端信号采集， 主要采集汽车尾气中包含的氮氧（NOX）浓度值，同时对标车辆原装氮氧传感器测试结果，将氮氧（NOX）物理信号转换为电信号传输给微处理器控制部分进行处理和运算，同时在中文液晶显示屏上实时显示标准氮氧传感器及待测氮氧传感器测试汽车尾气中氮氧（NOX）浓 度 的 当前值，系统将对测试结果做出判断，将测试结果显示在液晶屏上，并可根据需求对测试结果进行打印。系统的总体架构框图，如图2 所示。

图2 便携式汽车尾气氮氧化物检测系统总体设计

4 系统硬件设计

开发的硬件主要包括微控制器最小系统、 电源供电模块、触摸液晶显示模块、高精度氮氧（NOX）采集分析模块及打印模块等功能模块。 汽车尾气氮氧化物检测系统要求稳定性好，性价比高，实时性高，考虑到系统完成的功能较多，因此选用了S9KEAZ128A 微处理器，该芯片内部集成的是ARM 公司开发的Cortex M0+内核。 其部分电路原理图，如图3 所示。

图3 部分电路原理图

在本电源供电电路设计中，采用了TPS5450芯片来稳压出系统所需5V 电压。TPS5450 芯片内含高电平有效启用、过流限制、过压保护和热关断。基于TPS5450 芯片设计的电源供电模块电路原理图，如图4 所示。

图4 便携式汽车尾气氮氧化物检测系统电源模块电路原理图

在系统研究中， 使用TJC1060X570_011CS_I 触摸屏的主要目的是实现人机交互并实时显示检测数据。 因此在实际设计时， 主要显示了标准氮氧传感器及当前车辆安装使用氮氧传感器在同一尾气环境中NOX 浓度值，若该浓度值误差大于国家规定的标准参考值， 则TJC1060X570_011CS_I 触摸屏立即显示报警信息， 使得使用者能及时看到当前汽车尾气排放中的氮氧化物污染信息及车辆使用氮氧传感器故障信息等。 其测量值显示界面，如图5 所示。

图5 TJC1060X570_011CS_I触摸屏测量值的实时显示

在实际的硬件设计实现中， TJC1060X570_011CS_I触摸屏会进行实时测试结果显示及打印， 因此这里设计和开发引脚连接的电路原理图（TXD1_T-R 同RXD1_T-R两种方案任选一种），如图6 所示。 TJC1060X570_011CS_I触摸屏采用串口传输的方式进行信息传递。

图6 TJC1060X570_011CS_I触摸屏引脚连接电路原理图

5 系统软件设计

本系统软件部分主要为运行于KEA128 微控制器硬件平台和TJC1060X570_011CS_I 触摸显示屏上的嵌入式程序。

嵌入式程序使用C 语言进行代码编写， 基于软件工程中模块化方式设计与开发，编写了KEA128 微控制器初始化模块、NOX传感器采集分析模块、TJC1060X570_011 CS_I 触摸显示模块及打印模块等的驱动程序，如图7 所示。

图7 便携式汽车尾气氮氧化物检测系统组成框架图

2.2.1 气体浓度检测模块

气体浓度检测模块主要实现氮氧化物、氧气和颗粒物浓度的检测功能， 由1 个标准氮氧化物传感器、1个标准颗粒物传感器和传感器感应单元工装组成，结合主控模块和测试结果显示和人机交互模块共同实现石油、化工、医药、环保、仓储、烟气分析、空气治理等各种场景环境气体浓度检测功能。 氮氧测试仪测试软件测试界面如图8 所示。

图8 氮氧测试仪测试软件—测试界面

在便携式汽车尾气氮氧化物检测系统中可实现一下功能：①一键检测模式：可同时判断待测传感器在氮氧环境中测试值及握手协议是否正常；②空气检测模式：可判断待测传感器在空气环境下氮氧测试值及氧测试值是否正常；③气氛检测模式：可判断待测传感器在氮氧环境中氮氧测试值是否正常；④协议检测模式：可判断待测传感器握手协议是否正常；⑤记录：进入数据记录页面，可查看所有历史数据；⑥打印：进入打印页面，对测试结果进行打印；⑦数据：可查看测试中氮氧传感器的氧测试值及氧测试值及工作状态；⑧设置：可对测试参数进行设置。

该系统样机软硬件已经设计制作完毕， 同时进行了联机调试和测试，试验结果表明，该系统能很好地完成车辆尾气NOX含量采集分析、显示及结果打印等功能，系统的样机实物图，如图9 所示。

图9 系统样机实物图

6 实验结果与分析

表2 为测量仪对不同NOX气体体积分数的测量值，NOX气体体积分数在（0～1000）×10-6范围内，计算可得测量仪的最大相对误差2.7%。 误差主要取决于传感器材料的响应能力，测试装置的密封性和多通道流量计的精度也会对测量结果造成影响。

表2 不同NOX 气体体积分数的测量值

7 结论

设计和开发了基于KEA128的便携式汽车尾气氮氧化物检测系统，通过CAN 总线通信方式获取带有氮氧化物、氧气浓度信息的CAN 总线数字信号， 通过相应的数据计算和处理分析，然后驱动LCD 触摸屏输出待测气体中氮氧化物、氧气浓度的显示，实现了实时、准确及便捷的检测到车辆尾气中的NOX 浓度及车辆氮氧传感器故障，并支持对测试结果打印输出，解决了传统车辆尾气NOX 监测存在的准确度低及操作繁杂， 车辆氮氧传感器故障排查难等问题， 为国家环保部门在尾气排放治理决策方面提供了有力的参考数据和方法。 同时该系统大气环境监测和执法机构检测柴油车后处理系统排放情况和氮氧化物传感器性能及石油、化工、医药、环保、仓储、烟气分析、空气治理等所有需要检测氮氧化物、 氧气和颗粒物气体浓度的场合，具有良好的应用前景。