目前，針對中重型車用柴油機尾氣的排放，主要有兩種技術(shù)路線，一是EGR（廢氣再循環(huán)）+DPF（柴油顆粒捕捉）或DOC（氧化催化轉(zhuǎn)化）；二是優(yōu)化燃燒+SCR（選擇催化還原）。SCR技術(shù)具有對硫不敏感、油耗低、技術(shù)可持續(xù)性好等優(yōu)點^[1]，我國普遍采用的是SCR技術(shù)。為了及時發(fā)現(xiàn)SCR系統(tǒng)存在的故障并提醒駕駛員，根據(jù)國家法規(guī)HJ437中規(guī)定，滿足國IV階段排放要求的車輛必須配備OBD（車載診斷）系統(tǒng)，所以對OBD系統(tǒng)的研究具有實際應(yīng)用價值。

1 OBD診斷策略制定

    汽車正常運行時，ECU的輸入、輸出信號的電壓值都有一定的變化范圍。當(dāng)某一信號超出了這一范圍，并且這一現(xiàn)象在一段時間內(nèi)不會消失時，ECU便判斷為這一部分出現(xiàn)故障^[2]。本文設(shè)計的OBD模塊主要監(jiān)測對象有傳感器、執(zhí)行器、CAN通訊及NOX排放監(jiān)測等。

1.1 傳感器的診斷策略

    傳感器包括尿素箱溫度及液位傳感器、添藍計量泵蓄壓腔和混合腔壓力傳感器、催化器前后溫度傳感器、NOX傳感器。

    當(dāng)尿素箱內(nèi)的溫度低于-11 ℃，需對尿素進行加熱化冰處理。在OBD診斷過程中，若循環(huán)監(jiān)測傳感器輸出的電壓信號超出標定的上限值，報告溫度傳感器對電源短路故障；反之，報告對地短路故障。若兩次輸出的電壓信號差值大于標定值時，認為溫度傳感器存在信號不可信故障。

    液位傳感器與溫度傳感器的診斷策略相似，不同之處在于若液位傳感器兩次輸出的電壓信號相等時，報告液位傳感器存在停滯故障。同時液位傳感器在OBD診斷過程中還要監(jiān)測尿素存量，當(dāng)液位低于10%時，點亮MIL（故障指示燈），發(fā)出尿素存量不足警告。

    壓力傳感器用于監(jiān)測蓄壓腔和混合腔內(nèi)的壓力變化。催化器前后溫度傳感器用來測定催化器前后兩端溫度，確保催化器的反應(yīng)始終保持在合適的溫度范圍內(nèi)。其診斷策略跟尿素溫度傳感器類似，不再贅述。

    NO_X傳感器同樣安裝在催化器前后，主要用來測定排放的NO_X濃度是否超過排放限值，也可以作為催化器是否老化，是否需要拆除的依據(jù)。本文所使用的NOX傳感器帶有自診斷的功能, NO_X傳感器的故障都是通過CAN總線傳來的報文信息來辨別的。OBD系統(tǒng)對NOX傳感器的信號不合理故障的檢測貫穿于整個加熱過程中。在NO_X傳感器自檢并確定無故障后,DCU便發(fā)送對NOX傳感器加熱的指令。在加熱的過程中，若沒有收到溫度信號但是已經(jīng)超過了加熱的最大時間限值，則報告NOX傳感器加熱信號不合理故障。

1.2 執(zhí)行器的診斷策略

    執(zhí)行器包括尿素噴射閥和冷卻液加熱控制閥。

    SCR系統(tǒng)在進行初始化后，計量泵進行建壓，若一段時間后檢測的壓力仍達不到標定值，需重復(fù)建壓，當(dāng)重建次數(shù)超過最大標定值，壓力仍達不到，則報告尿素噴射閥有常開故障。若壓力正常建立后，則噴射閥的占空比為標定值，若一段時間后監(jiān)測到壓力值高于標定值，則報告噴射閥有常閉故障。

    化冰處理加熱至7℃停止，加熱過程中，若在標定時間內(nèi)檢測溫度仍低于下限溫度，則報告冷卻水加熱控制閥有常開故障；若加熱一段時間后溫度持續(xù)高于上限溫度，則報告冷卻水加熱控制閥有常閉故障。

1.3 CAN通訊診斷及NOX排放監(jiān)測診斷策略

    OBD模塊實時檢測CAN總線通訊故障，若發(fā)生故障，則由CAN總線的硬件報出。OBD模塊還會周期性地檢測EEC1（發(fā)動機電控信息1）和AMB（環(huán)境狀態(tài)）等相關(guān)的CAN總線信息，一旦檢測到錯誤，系統(tǒng)就會自動報錯。

    OBD法規(guī)要求，與排放控制有關(guān)的發(fā)動機系統(tǒng)異常運轉(zhuǎn)應(yīng)通過對NOX排放水平進行監(jiān)測來確定。根據(jù)要求，NOX排放控制的限值分別為5.0 g/kwh和7.0 g/kwh。當(dāng)NOX排放量超過5.0 g/kwh時，激活MIL；當(dāng)NOX排放量超過7.0 g/kwh時，扭矩限制器起作用。

2 OBD模塊的整體設(shè)計

    本文開發(fā)的OBD模塊是基于飛思卡爾MC9S12XET256單片機開發(fā)平臺^[3]，編程軟件采用的是Code Warrior IDE軟件。所設(shè)計的OBD模塊是嵌入到SCR電控單元（DCU）中的，其與發(fā)動機控制單元（ECU）上的OBD模塊分別控制各自的故障診斷。DCU將診斷的結(jié)果通過CAN總線廣播到網(wǎng)絡(luò)里，ECU根據(jù)接收到的故障情況和發(fā)動機實際運行狀況綜合判斷，來控制MIL或者扭矩限制器的激活與否[4]。OBD總體方案設(shè)計如圖1所示。

    OBD模塊在SCR系統(tǒng)中完成的主要功能有信息采集、信息轉(zhuǎn)換、故障診斷、故障碼存儲及故障碼傳送。OBD模塊的基本框架如圖2所示。

圖2  OBD模塊的基本框架圖

3 基于CAN總線OBD模塊程序設(shè)計

    根據(jù)J1939協(xié)議的規(guī)定，CAN報文信息主要在數(shù)據(jù)幀中，OBD監(jiān)測到系統(tǒng)出現(xiàn)故障要及時向CAN總線發(fā)送當(dāng)前故障信息，以通知總線上其他節(jié)點，故障信息都包含在DM1（當(dāng)前故障診斷代碼）中^[5]。DM1包含的故障診斷信息僅僅是當(dāng)前情況下處于激活狀態(tài)并且可以改變故障指示燈狀態(tài)的故障代碼，所以DM1被傳輸?shù)那疤峋褪且蠨TC（故障診斷碼）成為激活的故障碼。每個DM1的更新周期為1 s，如果故障激活的時間大于1 s，然后又變?yōu)椴患せ顮顟B(tài)，則應(yīng)傳輸DM1消息來反應(yīng)這種狀態(tài)的改變，DM1的SPN為0xFECA。

    DTC由四部分組成：SPN，可疑參數(shù)編號，是用以識別特定的元素組件或與ECU相關(guān)的參數(shù)；FMI，故障模式標志，定義了為SPN所識別的子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的故障類型；OC，發(fā)生次數(shù)，包括了一個故障從先前激活狀態(tài)到激活狀態(tài)的變化次數(shù)，最大值為126；CM，SPN的轉(zhuǎn)化方式，一般來說，CM=0。

    本文針對監(jiān)測對象定義了以下故障信息，如表1所示，現(xiàn)舉例說明DM1的組成。假設(shè)一個尿素箱溫度傳感器發(fā)生對地短路故障，在表1中可以看出SPN=3031，F(xiàn)MI=4；此時假設(shè)故障發(fā)生了一次，則OC=1，CM=0，點亮故障指示燈為0x40，則根據(jù)表2可得DTC=0xD70B0401，DM1報文內(nèi)容則為0x4000D70B0401FFFF。

    若需發(fā)送的故障信息小于8 B，則DM1在一幀CAN數(shù)據(jù)中傳送時采用單包模式，更新周期為1 s，若需要發(fā)送包含兩個以上故障的當(dāng)前故障信息時，單幀CAN報文就不足以容納全部的信息了，此時需要采用多包發(fā)送模式。

    當(dāng)使用多包模式發(fā)送DM1時，就不能像單幀DM1那樣發(fā)送，而需要遵循J1939協(xié)議^[6]。按照規(guī)定的傳輸協(xié)議進行發(fā)送，發(fā)送分為兩個步驟：

    (1)發(fā)送一條連接管理消息（PGN=0xEC00），公告要發(fā)送一條廣播消息（BAM），目標地址為全局目標地址，作為一個長消息預(yù)告發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點。BAM消息包含了即將廣播的長消息的參數(shù)組編號、消息大小和它被拆裝的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，具體格式如表2所示。

    (2)將數(shù)據(jù)拆分打包，并通過數(shù)條數(shù)據(jù)傳送消息(PGN=0xEB00)發(fā)送，發(fā)送周期為50 ms。每一數(shù)據(jù)包的第一字節(jié)內(nèi)容為數(shù)據(jù)包序列號和燈的狀態(tài)信息，所有的DTC依次排列在后續(xù)的字節(jié)當(dāng)中。當(dāng)最后一個數(shù)據(jù)包不足8 B數(shù)據(jù)時，沒使用的字節(jié)均以0xFF填充，多包DM1中DTC解析方法與單包DM1一致。

4 CANoe-MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真驗證

    為了驗證所開發(fā)的OBD模塊是否滿足要求并完善OBD模塊的程序設(shè)計，必須進行試驗驗證。而一般的試驗驗證不可能人為地制造出所有的故障，因為有些傳感器是集成在計量泵內(nèi)部的，如果加以破壞，勢必影響計量泵本身的性能，而且增加了試驗成本。針對這種情況，本文設(shè)計了基于CANoe-MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真驗證^[7]，充分結(jié)合了CANoe中的總線仿真優(yōu)勢和MATLAB/Simulink構(gòu)建復(fù)雜功能模型的優(yōu)勢。

4.1 仿真模型建立

    利用CANoe建立總線網(wǎng)絡(luò)，并在總線網(wǎng)絡(luò)上建立相關(guān)的節(jié)點。為了配合所設(shè)計的OBD模塊仿真，本文建立了EMS(發(fā)動機控制單元)、UDS(計量泵單元)、DCU(SCR電子控制單元)、Control Panel(監(jiān)控面板)4個節(jié)點，如圖3所示。

    建立完網(wǎng)絡(luò)節(jié)點后，利用CANdb++進行整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立，包括信號、環(huán)境變量、報文的建立等并關(guān)聯(lián)。然后利用PanelEditor對控制面板進行設(shè)計，并和剛剛創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)。創(chuàng)建的OBD控制面板如圖4所示。之后用CAPL語言對節(jié)點和測試環(huán)境進行編程設(shè)計，用來控制節(jié)點動作。最后根據(jù)仿真需要修改系統(tǒng)參數(shù)。

4.2 OBD仿真分析

    故障分單個故障和多個故障，基于CANoe的Diagnostic和DTC Monitor工具跟蹤和觀察了發(fā)生單個和多個故障時的情形。圖5為單個故障發(fā)生的仿真過程。單擊OBD控制面板上溫度傳感器短路后的OK鍵，單個故障發(fā)生，從DTC Monitor上可以看出UDS節(jié)點上出現(xiàn)了紅點閃爍，UDS節(jié)點向CAN總線發(fā)送單包故障信息DM1(PGN=0xFECA)，通知其他節(jié)點發(fā)生故障的節(jié)點及類型。下面列出出現(xiàn)錯誤的節(jié)點為UDS：SPN=0x7F5FD、OC=1、FMI為“Voltage below normal（電壓低于正常值）”故障。此時，車上的OBD系統(tǒng)監(jiān)測到有故障發(fā)生，點亮MIL。

    圖6為多個故障的仿真過程，依次點擊OBD控制面板上液位傳感器開路和催化器后溫度后的OK鍵，同時產(chǎn)生兩個故障，DCU和UDS節(jié)點同時出現(xiàn)紅點閃爍。兩個節(jié)點向CAN總線發(fā)送多包故障信息，首先發(fā)送一條連接管理消息(PGN=0xEC00)，公告要發(fā)送一條廣播消息(BAM)，預(yù)告其他的節(jié)點。然后將數(shù)據(jù)拆分打包，分多條消息進行傳送（PGN=0xEB00）。然后通知其他節(jié)點發(fā)生故障的節(jié)點及類型，車上的OBD系統(tǒng)監(jiān)測到故障，點亮MIL。

   由以上的仿真過程可以看出，該模型很好地模擬了OBD的診斷過程，從而說明了制定的OBD診斷策略及設(shè)計的程序的正確性，可以對SCR系統(tǒng)中所出現(xiàn)的故障進行診斷并能及時地把診斷的結(jié)果通過CAN總線發(fā)給DCU，控制點亮MIL。該仿真結(jié)果對程序設(shè)計的完善也具有指導(dǎo)意義。

    對OBD模塊制定了診斷策略并進行了總體的設(shè)計，基于飛思卡爾MC9S12XET256單片機對OBD進行了程序設(shè)計，為了驗證制定的診斷策略及程序設(shè)計的合理性，基于Simulink建立了OBD仿真模型，對SCR系統(tǒng)中OBD的工作過程進行了聯(lián)合仿真，結(jié)果表明建立的模型可以模擬OBD診斷過程，驗證了制定的OBD診斷策略及程序設(shè)計的正確性，并根據(jù)仿真結(jié)果完善了程序設(shè)計。

參考文獻

[1] SITSHEBO S，TSOLAKIS A，THEINNOI K.Promoting hydrocarbon-SCR of NOx in diesel engine exhaust by hydrogen and fuel reforming[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(18)：7842-7850.

[2] 戴耀輝，于建國．汽車檢測與故障診斷[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] MC9S12XET256開發(fā)平臺實驗指導(dǎo)手冊[EB/OL](2011-10)[2014-05].http：//fxfreefly.taobao.com.

[4] 張偉，徐正飛，鄧成林，等.柴油機SCR系統(tǒng)OBD功能的診斷策略研究[J].汽車工程，2011，33(1)：23-25.

[5] 代妮娜，蔡黎，邱剛，等.一種新型汽車OBD信息無線發(fā)射機設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(11)：97-99.

[6] SAE J1939/73，SAE J1939 protocol part 7-3：application layer-diagnostics[S].2006，9.

[7] 李頂根，曹晶，張杰.基于CANoe_Matlab的車輛CAN總線的聯(lián)合仿真[J].計算機原理，2009(11)：57-61.