李捷輝，段 暢，周大偉

1 引言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油車排放污染成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)，車用柴油機(jī)排放控制面臨前所未有的挑戰(zhàn)[1]。各柴油機(jī)廠及科研院校均開展了大量研究工作，眾多研究表明[2-4]，SCR（Selective Catalyst Reduction，選擇性催化還原）技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)國Ⅳ及以上排放法規(guī)的最有效途徑之一。在柴油機(jī)SCR系統(tǒng)中，尿素泵控制單元（Dosing Control Unit，以下簡稱DCU）作為系統(tǒng)的控制核心，通過采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度等工況運(yùn)行參數(shù)來計(jì)算尿素噴射量并控制尿素泵工作，降低排氣中的NOX含量。由于DCU的輸入輸出通道多、性能要求高，裝配時可能因焊接、振動、油污等原因引起虛焊、短路等故障，從而影響DCU性能及SCR減排效果。故在DCU出廠前對其進(jìn)行檢測尤為重要，而電路檢測涉及的元器件較多，手工檢測十分繁瑣且低效。

目前針對SCR系統(tǒng)的研究大多集中在控制算法及尿素泵的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上[5-6]，對DCU硬件檢測關(guān)注較少，而對DCU的檢測是產(chǎn)品投入市場前必不可少的一個環(huán)節(jié)。為此，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)理念開發(fā)出一套柴油機(jī)SCR控制單元檢測系統(tǒng)，能大幅減少工作量，并在加快檢測速度的同時保證檢測結(jié)果的可靠性。首先，在分析被測DCU硬件電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成檢測系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)DCU與檢測系統(tǒng)的一鍵式連接；然后，提出一種檢測思路與方法，并在CodeWarrior環(huán)境下完成測試程序的編寫，運(yùn)用LabVIEW的圖形化語言特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套上位機(jī)檢測軟件，用于實(shí)時顯示測試結(jié)果；最后，將軟硬件進(jìn)行整合，搭建柴油機(jī)SCR控制單元檢測系統(tǒng)，并完成測試系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 檢測系統(tǒng)架構(gòu)

搭建的檢測系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。主要包括：被測DCU、電阻與電壓信號發(fā)生器、USBCAN調(diào)試器、24V穩(wěn)壓電源、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)監(jiān)控界面（PC機(jī)）等。

DCU由本課題組自主設(shè)計(jì)完成，其硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括：電源管理模塊、主控單元、輸入采集模塊、輸出驅(qū)動模塊及CAN通信模塊等[7]，如圖1所示。電源管理模塊采用LM2596S-12和LM2594芯片，分別將24V蓄電池電壓轉(zhuǎn)換為12V和5V電壓；選用MC9S12XS128單片機(jī)作為DCU的主控單元；輸入采集模塊用于處理各傳感器的模擬量、脈沖量及數(shù)字量信號；輸出驅(qū)動模塊用于控制尿素泵、電磁閥、加熱器等的工作狀態(tài)；CAN通信模塊中采用TJA1050芯片作為CAN收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)DCU與CAN總線間的信號傳遞。

檢測系統(tǒng)中各部件的連接方式如下：24V穩(wěn)壓電源用于為DCU供電；電阻與電壓信號發(fā)生器用于模擬排氣溫度、尿素溫度、尿素罐內(nèi)液位、尿素壓力等傳感器的信號，分別與DCU輸入采集模塊相應(yīng)端口相連；步進(jìn)電機(jī)連接到DCU的電機(jī)輸出端，采用模擬負(fù)載代替壓縮空氣電磁閥、冷卻水電磁閥等；USBCAN調(diào)試器和數(shù)據(jù)采集卡的一端分別連接于CAN通信模塊和輸出驅(qū)動模塊，另一端經(jīng)USB導(dǎo)線與PC機(jī)主機(jī)相連，最終將采集的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)檢測界面顯示出來。將所有與DCU相連的線束端口固定在接插件上，實(shí)現(xiàn)DCU與檢測系統(tǒng)的一鍵式連接。

圖1 檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 The Structure of Detection System

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：制定檢測策略、編寫測試程序和設(shè)計(jì)上位機(jī)檢測界面。

3.1 檢測策略

表1 輸入信號端口Tab.1 The Port of Signal

檢測策略的制定直接決定了檢測的程序與效率，各模塊的檢測策略如下：（1）對電源模塊的檢測：通過電壓顯示儀表觀測經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換后的電壓值，若數(shù)值超出誤差范圍，則認(rèn)為電源模塊電路故障；（2）對輸入采集模塊的檢測：根據(jù)DCU硬件電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)采集到的傳感器信號應(yīng)該位于一個區(qū)間內(nèi)，如排氣溫度傳感器信號輸入的理論范圍是（3500～4000），若采集的信號不在這一范圍內(nèi)，則認(rèn)為輸入采集模塊電路故障，各輸入端口的對應(yīng)理論范圍，如表1所示；（3）對輸出驅(qū)動模塊的檢測：通過主控單元設(shè)計(jì)并控制相應(yīng)輸出端口的輸出波形，若檢測波形與預(yù)期不相符，則認(rèn)為輸出驅(qū)動模塊電路故障；（4）對CAN通信模塊的檢測：通過上位機(jī)發(fā)送一條報(bào)文，若CAN通信模塊正確接收該報(bào)文，將返回一條指定報(bào)文信息給上位機(jī)，若上位機(jī)沒有顯示指定報(bào)文，則認(rèn)為CAN通信模塊電路故障。

為簡化操作，可同時檢測輸入采集模塊和輸出驅(qū)動模塊的好壞。當(dāng)某一輸入端口（如AD_3）采集到的信號在規(guī)定范圍內(nèi)時，則輸出特定波形（如占空比為10%的PWM波）。若輸出波形與預(yù)定的一致，則認(rèn)為對應(yīng)的輸入和輸出端口正常；若波形異常，則查看輸入端口的采樣值，以判斷故障源。

3.2 測試程序

將制定的檢測策略轉(zhuǎn)化為測試程序，其控制流程，如圖2所示。首先，初始化AD、PWM、CAN、電機(jī)驅(qū)動等模塊；然后，判斷每個AD端口采集的數(shù)值是否在理論范圍內(nèi)，若在理論范圍內(nèi)，則控制PWM模塊的指定端口產(chǎn)生特定占空比的波形，反之持續(xù)輸出高電平，觀測上位機(jī)監(jiān)控界面，若檢測到的波形與設(shè)計(jì)的一致，則表明該端口正確，否則故障；最后，設(shè)定CAN通信模塊應(yīng)接收的報(bào)文，若CAN通信模塊能正確接收，并返回一條指定報(bào)文，表明CAN通信模塊收發(fā)正常，否則故障。

圖2 測試程序流程圖Fig.2 The Flow Chat of Test Program

3.3 上位機(jī)檢測界面

圖3 檢測界面前面板Fig.3 The Front Panel of Monitoring

LabVIEW是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司所推出的一種圖形化的編程語言（G語言）[8]。運(yùn)用LabVIEW軟件開發(fā)上位機(jī)，設(shè)計(jì)多通道虛擬示波器，顯示DCU輸出端產(chǎn)生的波形。檢測界面前面板設(shè)計(jì)，如圖3所示。通道選擇旋鈕用于設(shè)置采樣的首尾通道，將采集儀器的物理通道與檢測單元輸入端口進(jìn)行匹配，保證采集信號的一一對應(yīng)；采樣模式選擇框用于設(shè)定AD信號的采集方式，包括連續(xù)采樣和分組采樣兩類；增益控制表盤用于對輸出的波形進(jìn)行信號放大；波形顯示區(qū)用于顯示不同通道采集的波形，通過瞬態(tài)電壓檢測框可實(shí)時檢測采集到的電壓。

4 檢測試驗(yàn)

軟件設(shè)計(jì)完成后將軟硬件進(jìn)行整合，搭建檢測系統(tǒng)臺架，如圖4所示。從外部可分為五個不同的工作區(qū)，分別為待測DCU安裝區(qū)、開關(guān)與指示燈控制區(qū)、信號輸入?yún)^(qū)、電機(jī)與電壓顯示區(qū)及檢測界面區(qū)等。通過該檢測系統(tǒng)分別進(jìn)行模擬量模塊檢測、數(shù)字量模塊檢測、電機(jī)測試和CAN通信模塊檢測，檢測界面能夠直觀的反映出待測DCU的硬件電路是否存在故障。

圖4 檢測系統(tǒng)平臺Fig.4 The Test-Bed of Detection System

4.1 模擬量模塊檢測

模擬量檢測主要針對傳感器輸入信號電路，通過觀察輸出端的波形，同時檢測對應(yīng)輸入與輸出端口電路的正確性。以AD_in1和Driver_L1的檢測為例，圖5（a）為故障波形，持續(xù)輸出高電平；圖5（b）為樣板輸出波形，預(yù)設(shè)為占空比為20%的PWM波；圖5（c）為模擬信號轉(zhuǎn)換值，可通過CodeWarrior軟件的Data1窗口觀測。若出現(xiàn)故障波形（a），而AD_in1在規(guī)定的范圍內(nèi)，則可判斷Drive_L1輸出端電路故障；反之，故障來自模擬量輸入電路。

圖5 檢測分析Fig.5 Analysis of the Detection

4.2 數(shù)字量模塊檢測

數(shù)字量模塊檢測主要針對開關(guān)類信號，檢測系統(tǒng)提供一個脈沖信號來模擬電子器件的“開”與“關(guān)”，當(dāng)DCU采集到的信號呈現(xiàn)不斷交替的狀態(tài)時，控制PWM模塊輸出一定占空比的波形。檢測時，采用數(shù)字量模塊檢測與Drive_H輸出電路共同檢測的方法，若監(jiān)控界面區(qū)的DRV_H窗口出現(xiàn)所設(shè)定的占空比波形，表明數(shù)字量輸入模塊與高端驅(qū)動電路功能性正常，否則電路故障。

針對故障電路，同樣采用CodeWarrior軟件，通過檢測Data1窗口中的數(shù)據(jù)可進(jìn)一步分析故障的出處。觀察此時AD數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)“0，1”交替閃爍，則表明數(shù)字量模塊電路功能正常，故障出自高端驅(qū)動電路；反之，故障來自數(shù)字量輸入電路。

4.3 電機(jī)測試

SCR系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)使用專用芯片L6208[9]進(jìn)行控制，因此測試時只需對其輸入端口設(shè)置相應(yīng)的使能操作即可。在電機(jī)驅(qū)動程序初始化程序中，已進(jìn)行了如下設(shè)置：電機(jī)使能控制位“Enable”置為1，旋轉(zhuǎn)方向選擇位“CW/CCW”置為0（逆時針旋轉(zhuǎn)），步長模式選擇位“Half/Full”設(shè)置為1（即半步長模式），延時控制選擇位“Fast/Slow”設(shè)置為1。測試系統(tǒng)上電時，觀測系統(tǒng)檢測平臺上步進(jìn)電機(jī)的工作情況，若按逆時針旋轉(zhuǎn)，則表明電機(jī)控制電路功能性正常，否則電機(jī)驅(qū)動電路故障。

4.4 CAN模塊檢測

通過USBCAN調(diào)試器及其配套軟件CANMonitor[10]采集CAN總線上報(bào)文，實(shí)現(xiàn)CAN模塊的測試。模塊檢測時，首先“啟動CAN1”，然后將幀類型改為擴(kuò)展幀，幀格式設(shè)為數(shù)據(jù)幀，幀ID設(shè)置為 0x0000000，發(fā)送周期設(shè)為 0ms，幀數(shù)據(jù)改為“01”（Hex），最后點(diǎn)擊“發(fā)送”指令，觀測是否有能接受到數(shù)據(jù)“20 00 00 00 00 00 00 00”。若出現(xiàn)此數(shù)據(jù)，如圖6所示。則表明CAN模塊硬件電路功能完好；否則CAN模塊電路存在故障。

圖6 CAN模塊報(bào)文采集Fig.6 CAN Monitor Message Collection

試驗(yàn)中，共對50塊DCU進(jìn)行了檢測：對于硬件電路正常的DCU，1分鐘內(nèi)即可完成檢測；對于硬件電路存在故障的DCU，從發(fā)現(xiàn)錯誤到定位故障源，可在3分鐘內(nèi)完成。

5 結(jié)論

（1）提出了一種針對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)中DCU硬件電路的檢測思路與方法，并在CodeWarrior中完成了相應(yīng)的程序編寫，通過該方法能大幅提高檢測效率；（2）在LabVIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)了一套上位機(jī)檢測軟件，實(shí)現(xiàn)了檢測過程的實(shí)時顯示；（3）自主搭建了一套檢測系統(tǒng)并完成試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)檢測效率高，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能準(zhǔn)確排查故障，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供保障，具有一定的實(shí)際意義和推廣價值。