葉翠安

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實船柴油機氮氧化合物監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究*

葉翠安

（廣東交通職業(yè)技術學院廣東高校船舶自動化集成技術開發(fā)中心，廣州 510800）

開發(fā)了一種基于STM32的CAN總線通信實船柴油機氮氧化合物監(jiān)測系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)硬件組成、軟件設計和測試方法，系統(tǒng)包括STM32微控制器及其片內(nèi)集成的 CAN 控制器、CAN 收發(fā)器、智能NOx傳感器，通過CAN總線通信，實現(xiàn)了柴油機NOx化合物參數(shù)的實時監(jiān)測。

船舶 柴油機 STM32 SAE J1939協(xié)議 NOx化合物檢測

0 引言

《MEPC(國際海洋保護委員會).176(58)》附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》規(guī)定了船舶柴油機NOx排放限制標準，分三個階段實施, 并于2005年5月生效。規(guī)則對NOx排放值非?？量虈绤?。新規(guī)則、新標準的出臺與深入實施，一些排放不達標船舶將不能進入IMO申請設立的排放控制區(qū)（ECA），否則可能受到罰款及其它不良后果。

目前，國際上對船舶大氣污染物的排放控制，均是以船用發(fā)動機為主體進行控制，通過型式核準、生產(chǎn)一致性檢查、在用符合性檢查等環(huán)境管理方式實現(xiàn)對船舶大氣排放污染控制。對船用柴油機氮氧化合物排放檢驗的方式手段，一般是通過前期發(fā)證、初次發(fā)證檢驗，在柴油機廠臺架實驗檢測完成。營運實船上主要是通過的年度換證、中間檢驗來完成。主要的測試方法有3種：1）發(fā)動機參數(shù)檢查法；2）簡化測量化；3）直接測量和監(jiān)測法[1]。根據(jù)附則VI的要求和“船用柴油機氮氧化合物排放試驗與檢驗指南”中的直接測量和監(jiān)測法，很難在實船上進行，主要原因是規(guī)則中測試的排氣組分濃度參數(shù)多，采用的氣體分析儀相對來說比較龐大、操作復雜，不便在船上安裝使用，不適合NOx排放實船在線測試[2]。本文結合實際，開發(fā)一種嵌入式的CAN總線實船柴油機NOx化合物監(jiān)測系統(tǒng)，從硬件組成、軟件設計和測試等方面進行闡述。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)設計由數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端＋NOx傳感器＋上位機監(jiān)控管理平臺集成。包括Cortex-M3微控制器采集監(jiān)測終端，智能NOx傳感器，通信單元模塊，電源系統(tǒng)，人機界面觸摸屏等。圖１所示ARM Cortex-M3嵌入式硬件框架圖。

圖1　基于ARM Cortex-M3嵌入式系統(tǒng)硬件框架圖

1.1數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端設計

1）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端應用互聯(lián)型系列STM32F107作為核心控制器，擁有標準AI與DI，便于和底層設備聯(lián)接，擁有4路串口。4路串口主要用于通信單元模塊聯(lián)接，現(xiàn)場上位PC機聯(lián)接，觸摸屏聯(lián)接和采用modbus協(xié)議與通信模塊RTU聯(lián)接。

2）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端應用互聯(lián)型系列STM32F107作為核心控制器，該MCU帶有CAN總線控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，實現(xiàn)CAN通信僅需進行外圍的接收電路的設計即可。它的作用是分析和處理傳感器傳輸過來的信號，并向傳感器發(fā)送電壓控制指令，控制傳感器的工作狀態(tài)。

3）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端與智能NOx傳感器采用CAN總線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，CAN-Bus接口與智能NOx傳感器組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。

1.2 NOx傳感器。

很多護生在進入婦科實習之后，特別是男護生，在面對操作時能夠見到婦科病人的隱私部位而出現(xiàn)緊張、恐懼、害羞，從而回避婦科護理操作，之后甚至更加會逃避一些護理教學。這類的護生并不能很快的進行自我角色轉換，這種沉重的心理壓力使其對于婦科實習失去興趣，并且懷疑自我價值。

采用基于氧化鋯基的電化學電流測試方法，由多層氧化鋯基片疊層共燒而成，中間加入了加熱體，測試電極、氧泵電極等組成[3]?；谘趸喌亩鄬觽鞲衅鞯闹悄軝z測，是由氧化鋯NOx傳感器和一個電控單元(ECU)組成，電控單元是由監(jiān)測終端提供電壓信號控制加熱體溫度，改變傳感器的加熱策略，通過 CAN 總線SAE J-1939協(xié)議來傳輸測量到的柴油機NOx化合物濃度。

1.3上位機監(jiān)控管理平臺集成

通信單元模塊采用技術集成方法，以GPRS、WCDMA通信以及3G/4G數(shù)據(jù)通信為基礎，集成有GPRS/CDMA模塊和以太網(wǎng)模塊。將北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端與GPRS、WCDMA通信相結合，實現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)同步傳輸。

2 基于J1939協(xié)議的智能NOx傳感器

2.1 J1939協(xié)議簡介

J1939協(xié)議是由卡車與公共汽車控制和通信分委會制訂開發(fā)，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）推薦的汽車控制網(wǎng)絡標準，支持閉環(huán)控制的在多個電子控制單元（ECU）間高速通信的網(wǎng)絡協(xié)議；以CAN2.0B為基礎，是CAN應用層協(xié)議，通過CAN總線進行數(shù)據(jù)通信，是一種傳輸速率較高的 C 類通信網(wǎng)絡協(xié)議，波特率可達到250Kbps，主要應用于商用車輛、艦艇上。

J1939使用29位ID的擴展幀格式，格式包含一個單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。單元由七部分組成，包括優(yōu)先級(P)、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁(DP)、協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PF)、PDU 特定域 (PS)和源地址(SA)[4]。在協(xié)議中，報文不僅指定了傳輸類型、報文結構及其分段、流量檢查等信息，而且報文內(nèi)容本身也做了精確的定義，對每個ECU 的地址、命名、報文發(fā)送優(yōu)先級、數(shù)據(jù)域等都做了明確規(guī)定。采用“地址聲明”的方法進行地址分配。對通信參數(shù)中的連續(xù)型參數(shù)，使用SLOT（比例Scaling；界限Limit；偏移量Offset和傳輸Transfer功能）進行定義。每個SLOT提供適合給定類型中大部分參數(shù)的數(shù)值范圍和分辯率。參數(shù)的實際值＝偏移量+分辯率×測量值，其應用層協(xié)議詳細規(guī)定了車輛控制與通信所用到的各種參數(shù)，并為每個參數(shù)分配了一個可疑參數(shù)編號（SPN），協(xié)議中還定義了參數(shù)組，并為每個參數(shù)組分配一個編號（PGN）作為該參數(shù)組的唯一標簽，J1939協(xié)議中是通過PGN編號來處理消息的，通過該編號可辨識數(shù)據(jù)幀的具體信息[5]。

2.2智能NOx傳感器的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)幀

NOx傳感器是基于SAE J1939傳輸協(xié)議的智能傳感器，其通信規(guī)則為：波特率250 Kbps、傳輸循環(huán)速度：50 ms、整數(shù)、擴展幀格式，標準傳輸?shù)刂?8F00F52h（(PGN = 61455, in HEX: F00F），SAE J1939 標準下的NOx濃度數(shù)據(jù)幀具體定義如下[6,7]：

數(shù)據(jù)長度：1 字節(jié)

分辨率：0.05 ppm/bit

數(shù)據(jù)范圍：-200ppm到+3012ppm

數(shù)據(jù)類型：測量值

可疑參數(shù)號（SPN）：3328

參數(shù)群編號（PGN）：65247

2.3智能NOx傳感器通信控制流程

項目利用廣州致遠電子股份有限公司的CANPro協(xié)議分析平臺，對監(jiān)測終端與傳感器間的報文進行采集分析，其接收與發(fā)送控制流程具體如圖2所示。

圖2 智能NOx傳感器數(shù)據(jù)采集控制流程圖

3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端CAN總線通信設計

CAN數(shù)據(jù)總線通信網(wǎng)絡一般是由一個CAN控制器、一個收發(fā)器及電阻終端、傳輸線組成。CAN控制器對數(shù)據(jù)進行處理并將其傳送到CAN收發(fā)器。CAN 總線程序是使 MCU 處理器與CAN 設備相互通信的程序，通過總線程序才能和CAN 設備進行讀寫操作，CAN總線程序主要完成3個工作：初始化CAN 控制器，發(fā)送CAN 報文和接收CAN 報文。項目程序開發(fā)利用ARM MDK集成開發(fā)環(huán)境和STM32固件函數(shù)庫，采用固件庫提高了應用程序開發(fā)效率。如CAN通信配置、初始化CAN 控制器、發(fā)送CAN 報文和接收CAN 報文是由初始化函數(shù)（CAN-Init）、接收數(shù)據(jù)函數(shù)（CAN-Read）、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)（CAN-Write）等庫函數(shù)分別實現(xiàn)。

3.1 CAN總線通信接口設計

CAN通信接口電路由集成了可編程的BXCAN控制器的STM32處理器連接光電隔離器件，然后連接PCA82C250CAN收發(fā)器組成。CAN收發(fā)器兼具接收與發(fā)送功能，將控制器的TTL電平轉換到兩個總線終端(CANH和CANL)之間的差分電平，然后數(shù)據(jù)在總線電纜上傳輸，如圖3 所示，6N137 為光電耦合芯片，實現(xiàn)了電信號間的電氣隔離，82C250 是CAN 控制器和物理層總線間的接口。

圖3 CAN通信接口電路圖

3.2 CAN總線通信配置與初始化

3.3 CAN 總線應用層程序設計

4 NOx傳感器安裝與測試

4.1 NOx傳感器安裝

為防止水份進入到傳感器探頭中，NOx傳感器須豎直安裝在柴油機排氣管道上方方向，須按上下中軸線10度左右的傾斜角度安裝。

4.2 NOx傳感器測試

利用標準氣源進行實驗校準測試，NOx標準氣體為純正的一氧化氮和二氧化氮混合物，氧氣含量為0.0%，NOx零點氣體須為潔凈干燥空氣，不能含有NOx，但含有20.9%的氧氣。測試主要內(nèi)容是校零與量程校準，在完成安裝后，正常使用前，系統(tǒng)必須校準調(diào)試。系統(tǒng)通常需要5分鐘的預熱時間，等讀數(shù)穩(wěn)定后才能校準；為得到準確數(shù)據(jù)，樣本氣體壓力及流量須與排放廢氣壓力和流量一致。

5 結束語

隨著船用柴油機排放IMO TIER III排放標準和我國將出臺的《船機標準》的深入實施，船舶柴油機NOx排放實船測試勢在必行，本文立足于船舶實際情況，研究柴油機NOx化合物在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于解決目前船舶排放實船檢測難于實現(xiàn)的問題具有重要意義，具有一定的價值。

參考文獻：

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Design of Nitrogen Oxides Monitoring System for A Ship’s Diesel Engine

Ye Cui’an

(Guangdong Communication Polytechnic Guangdong University Ship Automation Integration Technology Development Center, Guangzhou 510800, China)

This paper develops a kind of CAN bus communication real ship diesel engine nitrogen oxides (NO) monitoring system based on STM32, and describes the system hardware composition, software design and the test method. The system includes STM32 micro controller and integrated CAN controller within system, CAN transceiver, intelligent NO sensor. Through CAN bus communication, the real-time monitoring of NO compound parameters of the diesel engine is realized.

ship; diesel engine; STM32; SAEJ1939 protocol; NO compound detection

TP393

A

1003-4862（2016）08-0017-03

2016-06-09

①廣東省交通運輸廳科技項目：船用柴油機氮氧化合物排放在線監(jiān)測裝置開發(fā)與應用(編號：2013-04-012)；②廣東高校船舶自動化集成技術開發(fā)中心（粵財教〔2013〕412號）

葉翠安（1969-），男，本科，高級實驗師，大管輪。研究方向：輪機工程與自動控制技術。