基于OBD-Ⅱ系统的在线汽车尾气排放监测研究

罗 明

(陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018)

科技

基于OBD-Ⅱ系统的在线汽车尾气排放监测研究

罗 明

(陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018)

当前汽车尾气污染排放十分严重，基于OBD-Ⅱ系统设计了在线汽车尾气排放监测系统，设计的系统包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括中央控制模块、尾气采集模块、尾气显示模块、气体数据收发模块、电源模块，并对软件部分的A/D转换模块程序、尾气采集程序进行设计，系统的运行效果较好。

OBD-Ⅱ系统；汽车尾气；在线监测

在机动车保有量不断增长的背景下，汽车排放污染问题日益成为社会共同关注的焦点之一[1]。实际上，较之其他单一的人类活动来说，汽车所制造出的空气污染量最多。统计资料显示，在全球范围内，由于矿物燃料的燃烧所生成的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)以及氮氧化合物(NOx)排放量大约有一半以上来源于汽油机与柴油机。汽车工业的进步与现代电子、通信以及网络等多种技术的融入日益复杂化了汽车的内外部结构，并且提高了其自动化水平，加之用户对汽车的安全性与舒适性提出了越来越高的要求，这就需要准确地对汽车的整体运行状况进行把握，以及时发现并消除各种故障隐患。通过汽车设备，远程监测系统会对车辆运行的关键性参数进行采集，然后在无线网络的传输功能下使车辆同远程监测中心进行数据的互通，以此为基础，远程监测中心的相关工作人员会对车辆运行的各项参数进行分析，并将最终的分析结果反馈给车辆用户。

OBD-Ⅱ即车载尾气监测系统，英文全称为On-Board Diagnositics-Ⅱ，集成于发动机管理系统之中，可以对废气排放影响部件的工作状态进行不间断地监测。作为一个结构与工作原理均较为复杂的自诊断系统，OBD-Ⅱ[2-3]能够在车辆尾气超出标准排放量，或者发生故障之时，及时向驾驶员报警，并对故障代码(DTC)进行记录。借助于相配套的诊断设备，维修人员可以对系统保存下来的故障代码或相关的车辆信息进行解读，这有助于其快速地找到车辆发生故障的位置，以节约大量的人力与物力。现阶段，OBD-Ⅱ已发展为车辆运行的必备装置之一。本文基于OBD-Ⅱ系统对汽车尾气进行实时且不间断地监测，准确把握发动机燃烧及其对空气造成的污染状况，并且在汽车出现故障时及时发现与维修，以实现对汽车行驶安全的保障及尾气污染的预防。设计的系统监测参数包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)以及氮氧化合物(NOx)、温度、压力等，其开发有利于在更少的人力与物力条件下车辆排放状况实时监测目标的实现，对OBD-Ⅱ系统进行研究所具有的现实意义十分重大。

1 汽车尾气远程监测原理及整体架构

本文的研究目的在于汽车尾气在线实时远程监测的实现，所使用的OBD-Ⅱ系统的具体工作原理为：借助于电化学气体浓度传感器对汽车尾气的具体浓度进行采集，同时放大且滤波处理传感器所采集到的信号，将接受过滤波处理的信号传送至DSP处理器中，借助OBD车载自诊断以及无线网络等技术，传输到上位机，经过精确计算与分析，明确汽车发动机尾气排放与处理设备是否存在故障，同时对其尾气的超标情况、尾气排放不合格原因等予以把握，以帮助驾驶员做出更换油品或维修等的决定。系统整体结构见图1。

图1 系统总体结构

2 系统的硬件设计

该系统的硬件主要包括4个子模块组成，分别为中央控制模块、尾气采集模块、尾气显示模块、气体数据收发模块、电源模块，硬件系统的整体结构见图2。

图2 硬件系统整体结构

2.1中央控制模块

在对尾气中央控制模块进行硬件设计之时需要严格考虑处理器的选取与使用。所选取的处理器应有较高的性能与较小的体积，同时满足功耗小、价格低、安装便捷以及安全性高等要求。本系统设计选用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片[4]作为主控芯片，其性能主要有：静态CMOS技术，3.3 V的I/O电压，1.8 V的内核电压，同时对控制器的功耗予以降低；CPU时钟频率最高达到150 MHz，借助于动态改变锁相环频率而得到，对控制器的实时控制能力予以大幅度增强；片内含128K×16位的FLASH存储器以及两块4K×16位的单口随机存储器SARAM；事件管理器分别为EVA与EVB；串行外围接口SPI，串行通信接口SCIA，SCIB，标准UART以及改进的局域网络ECAN；多通道缓冲串行接口McBSP；16通道12位的A/D转换模块，采样保持器一共有两个等。

考虑到车载网络协议具有多样性特征，且不同的汽车生产企业所使用的协议标准也存在一定的差异性，本系统在设计之时遵循灵活性与通用性原则，以对不同车辆的信息提取要求予以满足。故而，系统方案通过以专用协议芯片下TL718[5]及现有车辆自诊断系统接口为基础的方式，对车辆内部的各项参数信息进行采集。图2所示为TL718级DSP的硬件原理图。由于两者没有相互匹配的电平，因此在进行电路连接之时利用74LVX4245电平转换芯片来实现。DSP的复用1/0口用于控制TL718，其实现以软件编程为基础。其中，电平高低的设置可以帮助74LVX4245的TIR引脚对信号的传输方向进行控制。

图3 DSP与TL718连接原理

2.2尾气采集模块

在设计尾气的采集模块之时，应将气体浓度传感器、温度传感器以及压力传感器3部分的设计包含在内。此处的传感器属于一种转换信号的元器件或装置，其功能主要为对外界输入的被测量信号向电信号的转换。作为一种信息获取的工具，传感器在测量与控制型的智能仪器中有着极为重要的作用[6]。在汽车尾气监测系统中，CO传感器、HC传感器、NOx传感器、温度传感器以及压力传感器。

MQ-7CO气体传感器：此传感器在检测CO之时灵敏度很高，选择性良好，兼具使用寿命长与稳定可靠等优点，多用于家庭、环境的CO探测中。MQ-7CO气体传感器模拟量输出0～5 V电压，当浓度上升之时，其电压亦会上升。另外两种气体传感器都是由英国的CITY TECHNOLOGY 公司生产的，NOX传感器为NX1，HC传感器为300 P，本系统所要测量的HC以及NOX应分别在0～5 000×10-6。

DS18B20温度传感器：这是一种单线式的数字温度传感器，借助于一般I/O端口的“时序化”编程，该传感器可以采集到9～12位分辨率的温度数据，主要用于对环境温度的监测。DS18B20温度传感器中有“一线总线”接口功能，可以测量-55～125℃范围内的温度，在-10～85℃的范围内，其测量精度可达到±0.5℃。

CEMPX系列压力传感器：该类传感器基于压阻效应而制成，可以将压力转换为电信号。在具体的工作过程中，该传感器会将压力加于膜片之上，膜片会因此产生一定的应力，当应力发生变化之时，测量的电阻阻值也会有相应改变，若在惠斯顿电桥的输入端输入一定的电压或电流，会打破原有的电阻值平衡，这时，可以在电桥的输出端得到相应的电压或电流输出变化值。

值得一提的是，传感器感应所生成的信号是比较弱的，因此需要对其进行扩大或滤波等处理，以保证模数转换的顺利进行。在本系统内，包括多种信号的采集，其中就有模拟信号在内。传感器会对不同的物理量进行测量，并将其转换为电信号；DSP只能对数字信号进行处理。基于此，各项模拟数据信号在接受处理之前需要先转换为相应的数字信号。所以，整个硬件电路设计中的A/D转换极为重要，A/D转换模块采用 TMS320F2812。

2.3尾气显示模块

尾气显示模块主要是利用LCD对与尾气浓度相关的各项参数进行显示，本系统将深圳市TOPWAY公司的LM3033CFW-0B-1作为系统的该项子模块。

2.4气体数据收发模块

气体数据收发模块多是借助于GPRS技术[7]与互联网技术在车载模块与检测中心之间进行无线通讯，它有助于一辆或多辆汽车状态实时监测的实现，可用于汽车故障的提前探测与预报，既能够对有害气体的排放进行及时且有效的控制，又可以使汽车故障发生率得到降低，减少维修支出。GPRS采用SIM300模块，并将电压维持于3.4～4.5 V的范围内，其正常工作以电源的稳定性为前提，SIM300与DSP的通信以串行口为桥梁，其通信速率可以达到115 200 b/s。AT指令集是模块与控制器之间所共同遵循的通信协议。在连接完各个硬件之后，还要对SIM300进行相应设置，其中，应设置AT指令为AT+IPR=38 400，波特率为38 400 b/s，接入网关为AT+CIPSTART=“UDP”，“IP”，“PORT”。

2.5电源模块

AD1584BRT作为电源芯片，可以输出4.096 V的电压值，同时向SIM300提供稳定的电源。

3 软件构成

本文所进行的软件设计包括系统主程序、A/D转换模块程序、尾气采集程序、液晶显示模块程序、远程通讯程序等内容包括在内。通过匹配各项软硬件，气体浓度参数才可实现准确的采集、处理与显示，完成在线实时远程监测任务。考虑到篇幅问题，此处只针对A/D转换模块及尾气采集程序两部分内容进行相应的设计。

3.1 A/D模块程序设计

在采集各项数据之时，以TMS320F2812片内集成的A/D转换器为工具来进行。开始工作之前，本程序需初始化A/D转换器的各项功能，当转换器繁忙之时，通过A/D通道实施转换，这时主程序会进入一个死循环之中；当A/D完成正常的转换之后，会进入中断服务子程序中。该程序会将转换的结果读入数组内部，同时对A/D进行再一次地启动，使其履行转换功能，并由此循环往复。图4所示为A/D转换主程序的流程图。

图4 A/D转换主程序流程

3.2尾气采集主程序

汽车的运行工况是本系统采样的关键所在，对应工矿数据的采集应以汽车运行工况的明确为前提，具体流程如图5所示。

图5 尾气采集主程序流程

3.3运行结果

在完成了系统设计工作之后，需要对新旧汽车尾气进行实际地测量，对连接串口及尾气含量标准进行系统设置，以此对监控予以启动，通过系统的运行，监测汽车尾气排放，显示屏上显示监测值。借助于显示界面，监控中心可以简便、快捷地掌握车辆尾气排放状况。此外，尾气详细信息区域还会显示车辆所排放各种尾气的具体含量，以方便现场实时数

据的打印与存储。

4 结 语

本系统可以对不同车型、路段以及时段的汽车排放状况进行实时反映。系统所保存的车辆尾气排放浓度/质量等各项运行数据可用于多项研究与建设工作，例如研究与各地交通特征相符合的形式周期、研究汽车尾气排放特征与规律、建设交通尾气排放数据库、建设城市路网排放清单等。同时根据汽车尾气排放的浓度也可以进一步制定机动车辆限行措施，从而提高环境质量。

[1] 胡兵. 汽车尾气排放与防治措施[J]. 科技信息, 2010(11): 383-384.

[2] 卜建国, 张伟, 李红勋, 等. 用于柴油车SCR系统的OBD-Ⅱ新构型的设计[J]. 汽车工程, 2010(11): 1002-1005.

[3] 赵静. 基于OBD-II的嵌入式汽车故障诊断仪设计[J]. 电子与封装, 2013(6): 43-47.

[4] 高翠云, 江朝晖, 孙冰. 基于TMS320 F2812的DSP最小系统设计[J]. 电气电子教学学报, 2009(1): 83-85.

[5] 李教文. 基于TL718的蓝牙迷你型OBDⅡ汽车信息检测仪[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊), 2014(2): 277-279.

[6] 晏双鹤. 汽乍运行状态远程监测与故障预测系统[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2009.

AResearchonOn-lineMonitoringofVehicleExhaustEmissionsBasedonOBD-ⅡSystem

LUO Ming

(ShanxiCollegeofCommunicationTechnology,Xi'an,Shanxi,710018,China)

The exhaust emission of automobile exhaust gas is very serious at present. This paper designs an on-line vehicle exhaust emission monitoring system based on OBD-Ⅱ. The system includes hardware part and software part. The hardware part includes central control module, tail gas collection module and tail gas display module. There are gas data transceiver module, including the power supply module, the software part of A/D conversion module program and tail gas collection program design. All the systems work better.

OBD-Ⅱ system; Automobile exhaust; On-line monitoring

2017-06-27

陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1068)。

罗明(1984-)，男，陕西西安人，讲师，研究方向：汽车检测与维修技术，手机：13488265464，E-mail：313492795@qq.com.

TP274+.2

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.040