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NOX排放量超過5.0 g/kwh時,，激活MIL,；當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（當前故障診斷代碼）中^[5],。DM1包含的故障診斷信息僅僅是當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)當中,。當最后一個數(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,。

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