实船柴油机氮氧化合物监测系统的设计与研究*

叶翠安



实船柴油机氮氧化合物监测系统的设计与研究*

叶翠安

（广东交通职业技术学院广东高校船舶自动化集成技术开发中心，广州 510800）

开发了一种基于STM32的CAN总线通信实船柴油机氮氧化合物监测系统，阐述系统硬件组成、软件设计和测试方法，系统包括STM32微控制器及其片内集成的 CAN 控制器、CAN 收发器、智能NOx传感器，通过CAN总线通信，实现了柴油机NOx化合物参数的实时监测。

船舶 柴油机 STM32 SAE J1939协议 NOx化合物检测

0 引言

《MEPC(国际海洋保护委员会).176(58)》附则VI《防止船舶造成空气污染规则》规定了船舶柴油机NOx排放限制标准，分三个阶段实施, 并于2005年5月生效。规则对NOx排放值非常苛刻严厉。新规则、新标准的出台与深入实施，一些排放不达标船舶将不能进入IMO申请设立的排放控制区（ECA），否则可能受到罚款及其它不良后果。

目前，国际上对船舶大气污染物的排放控制，均是以船用发动机为主体进行控制，通过型式核准、生产一致性检查、在用符合性检查等环境管理方式实现对船舶大气排放污染控制。对船用柴油机氮氧化合物排放检验的方式手段，一般是通过前期发证、初次发证检验，在柴油机厂台架实验检测完成。营运实船上主要是通过的年度换证、中间检验来完成。主要的测试方法有3种：1）发动机参数检查法；2）简化测量化；3）直接测量和监测法[1]。根据附则VI的要求和“船用柴油机氮氧化合物排放试验与检验指南”中的直接测量和监测法，很难在实船上进行，主要原因是规则中测试的排气组分浓度参数多，采用的气体分析仪相对来说比较庞大、操作复杂，不便在船上安装使用，不适合NOx排放实船在线测试[2]。本文结合实际，开发一种嵌入式的CAN总线实船柴油机NOx化合物监测系统，从硬件组成、软件设计和测试等方面进行阐述。

1 系统总体设计

系统设计由数据采集监测终端＋NOx传感器＋上位机监控管理平台集成。包括Cortex-M3微控制器采集监测终端，智能NOx传感器，通信单元模块，电源系统，人机界面触摸屏等。图１所示ARM Cortex-M3嵌入式硬件框架图。

图1　基于ARM Cortex-M3嵌入式系统硬件框架图

1.1数据采集监测终端设计

1）数据采集监测终端应用互联型系列STM32F107作为核心控制器，拥有标准AI与DI，便于和底层设备联接，拥有4路串口。4路串口主要用于通信单元模块联接，现场上位PC机联接，触摸屏联接和采用modbus协议与通信模块RTU联接。

2）数据采集监测终端应用互联型系列STM32F107作为核心控制器，该MCU带有CAN总线控制器，支持CAN协议2.0A和2.0B，实现CAN通信仅需进行外围的接收电路的设计即可。它的作用是分析和处理传感器传输过来的信号，并向传感器发送电压控制指令，控制传感器的工作状态。

3）数据采集监测终端与智能NOx传感器采用CAN总线网络进行数据传输，CAN-Bus接口与智能NOx传感器组成现场总线网络。

1.2 NOx传感器。

很多护生在进入妇科实习之后，特别是男护生，在面对操作时能够见到妇科病人的隐私部位而出现紧张、恐惧、害羞，从而回避妇科护理操作，之后甚至更加会逃避一些护理教学。这类的护生并不能很快的进行自我角色转换，这种沉重的心理压力使其对于妇科实习失去兴趣，并且怀疑自我价值。

采用基于氧化锆基的电化学电流测试方法，由多层氧化锆基片叠层共烧而成，中间加入了加热体，测试电极、氧泵电极等组成[3]。基于氧化锆的多层传感器的智能检测，是由氧化锆NOx传感器和一个电控单元(ECU)组成，电控单元是由监测终端提供电压信号控制加热体温度，改变传感器的加热策略，通过 CAN 总线SAE J-1939协议来传输测量到的柴油机NOx化合物浓度。

1.3上位机监控管理平台集成

通信单元模块采用技术集成方法，以GPRS、WCDMA通信以及3G/4G数据通信为基础，集成有GPRS/CDMA模块和以太网模块。将北斗卫星、海事卫星数据终端与GPRS、WCDMA通信相结合，实现船岸数据同步传输。

2 基于J1939协议的智能NOx传感器

2.1 J1939协议简介

J1939协议是由卡车与公共汽车控制和通信分委会制订开发，美国汽车工程师协会（SAE）推荐的汽车控制网络标准，支持闭环控制的在多个电子控制单元（ECU）间高速通信的网络协议；以CAN2.0B为基础，是CAN应用层协议，通过CAN总线进行数据通信，是一种传输速率较高的 C 类通信网络协议，波特率可达到250Kbps，主要应用于商用车辆、舰艇上。

J1939使用29位ID的扩展帧格式，格式包含一个单一的协议数据单元（PDU）。单元由七部分组成，包括优先级(P)、保留位（R）、数据页(DP)、协议数据单元格式(PF)、PDU 特定域 (PS)和源地址(SA)[4]。在协议中，报文不仅指定了传输类型、报文结构及其分段、流量检查等信息，而且报文内容本身也做了精确的定义，对每个ECU 的地址、命名、报文发送优先级、数据域等都做了明确规定。采用“地址声明”的方法进行地址分配。对通信参数中的连续型参数，使用SLOT（比例Scaling；界限Limit；偏移量Offset和传输Transfer功能）进行定义。每个SLOT提供适合给定类型中大部分参数的数值范围和分辩率。参数的实际值＝偏移量+分辩率×测量值，其应用层协议详细规定了车辆控制与通信所用到的各种参数，并为每个参数分配了一个可疑参数编号（SPN），协议中还定义了参数组，并为每个参数组分配一个编号（PGN）作为该参数组的唯一标签，J1939协议中是通过PGN编号来处理消息的，通过该编号可辨识数据帧的具体信息[5]。

2.2智能NOx传感器的通信协议与数据帧

NOx传感器是基于SAE J1939传输协议的智能传感器，其通信规则为：波特率250 Kbps、传输循环速度：50 ms、整数、扩展帧格式，标准传输地址18F00F52h（(PGN = 61455, in HEX: F00F），SAE J1939 标准下的NOx浓度数据帧具体定义如下[6,7]：

数据长度：1 字节

分辨率：0.05 ppm/bit

数据范围：-200ppm到+3012ppm

数据类型：测量值

可疑参数号（SPN）：3328

参数群编号（PGN）：65247

2.3智能NOx传感器通信控制流程

项目利用广州致远电子股份有限公司的CANPro协议分析平台，对监测终端与传感器间的报文进行采集分析，其接收与发送控制流程具体如图2所示。

图2 智能NOx传感器数据采集控制流程图

3 数据采集监测终端CAN总线通信设计

CAN数据总线通信网络一般是由一个CAN控制器、一个收发器及电阻终端、传输线组成。CAN控制器对数据进行处理并将其传送到CAN收发器。CAN 总线程序是使 MCU 处理器与CAN 设备相互通信的程序，通过总线程序才能和CAN 设备进行读写操作，CAN总线程序主要完成3个工作：初始化CAN 控制器，发送CAN 报文和接收CAN 报文。项目程序开发利用ARM MDK集成开发环境和STM32固件函数库，采用固件库提高了应用程序开发效率。如CAN通信配置、初始化CAN 控制器、发送CAN 报文和接收CAN 报文是由初始化函数（CAN-Init）、接收数据函数（CAN-Read）、发送数据函数（CAN-Write）等库函数分别实现。

3.1 CAN总线通信接口设计

CAN通信接口电路由集成了可编程的BXCAN控制器的STM32处理器连接光电隔离器件，然后连接PCA82C250CAN收发器组成。CAN收发器兼具接收与发送功能，将控制器的TTL电平转换到两个总线终端(CANH和CANL)之间的差分电平，然后数据在总线电缆上传输，如图3 所示，6N137 为光电耦合芯片，实现了电信号间的电气隔离，82C250 是CAN 控制器和物理层总线间的接口。

图3 CAN通信接口电路图

3.2 CAN总线通信配置与初始化

3.3 CAN 总线应用层程序设计

4 NOx传感器安装与测试

4.1 NOx传感器安装

为防止水份进入到传感器探头中，NOx传感器须竖直安装在柴油机排气管道上方方向，须按上下中轴线10度左右的倾斜角度安装。

4.2 NOx传感器测试

利用标准气源进行实验校准测试，NOx标准气体为纯正的一氧化氮和二氧化氮混合物，氧气含量为0.0%，NOx零点气体须为洁净干燥空气，不能含有NOx，但含有20.9%的氧气。测试主要内容是校零与量程校准，在完成安装后，正常使用前，系统必须校准调试。系统通常需要5分钟的预热时间，等读数稳定后才能校准；为得到准确数据，样本气体压力及流量须与排放废气压力和流量一致。

5 结束语

随着船用柴油机排放IMO TIER III排放标准和我国将出台的《船机标准》的深入实施，船舶柴油机NOx排放实船测试势在必行，本文立足于船舶实际情况，研究柴油机NOx化合物在线监测系统，对于解决目前船舶排放实船检测难于实现的问题具有重要意义，具有一定的价值。

参考文献：

[1] 中国船级社. 船用柴油机氮氧化合物排放试验与检验指南[S]. 北京: 2011.

[2] 尹自斌, 丁奉. 柴油机NOX 排放实船测试中的气体分析仪选型[J]. 船舶工程, 2010,(02):22

[3] 冯涛等. 氧化锆基片式NO_x气体传感器的研制[J]. 传感器世界, 2014, (06): 07.

[4] 罗峰, 孙泽昌. 汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M]. 电子工业出版社, 2010.

[5] 石中锁, 周卓. 基于STM32的SAEJ1939协议在压裂车中的应用[J]. 徐州工程学院学报, 2013，(09)：05.

[6] 李勇. 汽车单片机与车载网络技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.

[7] Specification Smart NOx Sensor "UniNOx24V" Manual[Z]. 2010.

[8] SAE J1939-81.Network Management Layer standard, SAE Group[S], 2003.

[9] 意法半导体(中国)投资有限公司. STM32中文参考手册_V10和固件库使用手册[Z]. 2010.

[10] 肖广兵. ARM嵌入式开发实例-基于STM32的系统设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.

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广东省交通运输厅科技项目：船用柴油机氮氧化合物排放在线监测装置开发与应用(编号：2013-04-012)；②广东高校船舶自动化集成技术开发中心（粤财教〔2013〕412号）

叶翠安（1969-），男，本科，高级实验师，大管轮。研究方向：轮机工程与自动控制技术。