柴油机SCR控制单元检测系统模块化设计

李捷辉，段 畅，周大伟

1 引言

随着排放法规的日益严格，柴油车排放污染成为社会关注的热点，车用柴油机排放控制面临前所未有的挑战[1]。各柴油机厂及科研院校均开展了大量研究工作，众多研究表明[2-4]，SCR（Selective Catalyst Reduction，选择性催化还原）技术是目前实现国Ⅳ及以上排放法规的最有效途径之一。在柴油机SCR系统中，尿素泵控制单元（Dosing Control Unit，以下简称DCU）作为系统的控制核心，通过采集发动机转速、负荷、排气温度等工况运行参数来计算尿素喷射量并控制尿素泵工作，降低排气中的NOX含量。由于DCU的输入输出通道多、性能要求高，装配时可能因焊接、振动、油污等原因引起虚焊、短路等故障，从而影响DCU性能及SCR减排效果。故在DCU出厂前对其进行检测尤为重要，而电路检测涉及的元器件较多，手工检测十分繁琐且低效。

目前针对SCR系统的研究大多集中在控制算法及尿素泵的硬件结构设计上[5-6]，对DCU硬件检测关注较少，而对DCU的检测是产品投入市场前必不可少的一个环节。为此，结合模块化设计理念开发出一套柴油机SCR控制单元检测系统，能大幅减少工作量，并在加快检测速度的同时保证检测结果的可靠性。首先，在分析被测DCU硬件电路结构的基础上，完成检测系统的架构设计，实现DCU与检测系统的一键式连接；然后，提出一种检测思路与方法，并在CodeWarrior环境下完成测试程序的编写，运用LabVIEW的图形化语言特点，设计出一套上位机检测软件，用于实时显示测试结果；最后，将软硬件进行整合，搭建柴油机SCR控制单元检测系统，并完成测试系统试验验证。

2 检测系统架构

搭建的检测系统架构，如图1所示。主要包括：被测DCU、电阻与电压信号发生器、USBCAN调试器、24V稳压电源、步进电机、数据采集卡及上位机监控界面（PC机）等。

DCU由本课题组自主设计完成，其硬件电路结构主要包括：电源管理模块、主控单元、输入采集模块、输出驱动模块及CAN通信模块等[7]，如图1所示。电源管理模块采用LM2596S-12和LM2594芯片，分别将24V蓄电池电压转换为12V和5V电压；选用MC9S12XS128单片机作为DCU的主控单元；输入采集模块用于处理各传感器的模拟量、脉冲量及数字量信号；输出驱动模块用于控制尿素泵、电磁阀、加热器等的工作状态；CAN通信模块中采用TJA1050芯片作为CAN收发器，实现DCU与CAN总线间的信号传递。

检测系统中各部件的连接方式如下：24V稳压电源用于为DCU供电；电阻与电压信号发生器用于模拟排气温度、尿素温度、尿素罐内液位、尿素压力等传感器的信号，分别与DCU输入采集模块相应端口相连；步进电机连接到DCU的电机输出端，采用模拟负载代替压缩空气电磁阀、冷却水电磁阀等；USBCAN调试器和数据采集卡的一端分别连接于CAN通信模块和输出驱动模块，另一端经USB导线与PC机主机相连，最终将采集的数据通过上位机检测界面显示出来。将所有与DCU相连的线束端口固定在接插件上，实现DCU与检测系统的一键式连接。

图1 检测系统架构图Fig.1 The Structure of Detection System

3 检测系统软件设计

检测系统的软件设计主要包括：制定检测策略、编写测试程序和设计上位机检测界面。

3.1 检测策略

表1 输入信号端口Tab.1 The Port of Signal

检测策略的制定直接决定了检测的程序与效率，各模块的检测策略如下：（1）对电源模块的检测：通过电压显示仪表观测经电源模块转换后的电压值，若数值超出误差范围，则认为电源模块电路故障；（2）对输入采集模块的检测：根据DCU硬件电路的设计，单片机采集到的传感器信号应该位于一个区间内，如排气温度传感器信号输入的理论范围是（3500～4000），若采集的信号不在这一范围内，则认为输入采集模块电路故障，各输入端口的对应理论范围，如表1所示；（3）对输出驱动模块的检测：通过主控单元设计并控制相应输出端口的输出波形，若检测波形与预期不相符，则认为输出驱动模块电路故障；（4）对CAN通信模块的检测：通过上位机发送一条报文，若CAN通信模块正确接收该报文，将返回一条指定报文信息给上位机，若上位机没有显示指定报文，则认为CAN通信模块电路故障。

为简化操作，可同时检测输入采集模块和输出驱动模块的好坏。当某一输入端口（如AD_3）采集到的信号在规定范围内时，则输出特定波形（如占空比为10%的PWM波）。若输出波形与预定的一致，则认为对应的输入和输出端口正常；若波形异常，则查看输入端口的采样值，以判断故障源。

3.2 测试程序

将制定的检测策略转化为测试程序，其控制流程，如图2所示。首先，初始化AD、PWM、CAN、电机驱动等模块；然后，判断每个AD端口采集的数值是否在理论范围内，若在理论范围内，则控制PWM模块的指定端口产生特定占空比的波形，反之持续输出高电平，观测上位机监控界面，若检测到的波形与设计的一致，则表明该端口正确，否则故障；最后，设定CAN通信模块应接收的报文，若CAN通信模块能正确接收，并返回一条指定报文，表明CAN通信模块收发正常，否则故障。

图2 测试程序流程图Fig.2 The Flow Chat of Test Program

3.3 上位机检测界面

图3 检测界面前面板Fig.3 The Front Panel of Monitoring

LabVIEW是美国国家仪器（National Instruments，NI）公司所推出的一种图形化的编程语言（G语言）[8]。运用LabVIEW软件开发上位机，设计多通道虚拟示波器，显示DCU输出端产生的波形。检测界面前面板设计，如图3所示。通道选择旋钮用于设置采样的首尾通道，将采集仪器的物理通道与检测单元输入端口进行匹配，保证采集信号的一一对应；采样模式选择框用于设定AD信号的采集方式，包括连续采样和分组采样两类；增益控制表盘用于对输出的波形进行信号放大；波形显示区用于显示不同通道采集的波形，通过瞬态电压检测框可实时检测采集到的电压。

4 检测试验

软件设计完成后将软硬件进行整合，搭建检测系统台架，如图4所示。从外部可分为五个不同的工作区，分别为待测DCU安装区、开关与指示灯控制区、信号输入区、电机与电压显示区及检测界面区等。通过该检测系统分别进行模拟量模块检测、数字量模块检测、电机测试和CAN通信模块检测，检测界面能够直观的反映出待测DCU的硬件电路是否存在故障。

图4 检测系统平台Fig.4 The Test-Bed of Detection System

4.1 模拟量模块检测

模拟量检测主要针对传感器输入信号电路，通过观察输出端的波形，同时检测对应输入与输出端口电路的正确性。以AD_in1和Driver_L1的检测为例，图5（a）为故障波形，持续输出高电平；图5（b）为样板输出波形，预设为占空比为20%的PWM波；图5（c）为模拟信号转换值，可通过CodeWarrior软件的Data1窗口观测。若出现故障波形（a），而AD_in1在规定的范围内，则可判断Drive_L1输出端电路故障；反之，故障来自模拟量输入电路。

图5 检测分析Fig.5 Analysis of the Detection

4.2 数字量模块检测

数字量模块检测主要针对开关类信号，检测系统提供一个脉冲信号来模拟电子器件的“开”与“关”，当DCU采集到的信号呈现不断交替的状态时，控制PWM模块输出一定占空比的波形。检测时，采用数字量模块检测与Drive_H输出电路共同检测的方法，若监控界面区的DRV_H窗口出现所设定的占空比波形，表明数字量输入模块与高端驱动电路功能性正常，否则电路故障。

针对故障电路，同样采用CodeWarrior软件，通过检测Data1窗口中的数据可进一步分析故障的出处。观察此时AD数据，若出现“0，1”交替闪烁，则表明数字量模块电路功能正常，故障出自高端驱动电路；反之，故障来自数字量输入电路。

4.3 电机测试

SCR系统中，步进电机使用专用芯片L6208[9]进行控制，因此测试时只需对其输入端口设置相应的使能操作即可。在电机驱动程序初始化程序中，已进行了如下设置：电机使能控制位“Enable”置为1，旋转方向选择位“CW/CCW”置为0（逆时针旋转），步长模式选择位“Half/Full”设置为1（即半步长模式），延时控制选择位“Fast/Slow”设置为1。测试系统上电时，观测系统检测平台上步进电机的工作情况，若按逆时针旋转，则表明电机控制电路功能性正常，否则电机驱动电路故障。

4.4 CAN模块检测

通过USBCAN调试器及其配套软件CANMonitor[10]采集CAN总线上报文，实现CAN模块的测试。模块检测时，首先“启动CAN1”，然后将帧类型改为扩展帧，帧格式设为数据帧，帧ID设置为 0x0000000，发送周期设为 0ms，帧数据改为“01”（Hex），最后点击“发送”指令，观测是否有能接受到数据“20 00 00 00 00 00 00 00”。若出现此数据，如图6所示。则表明CAN模块硬件电路功能完好；否则CAN模块电路存在故障。

图6 CAN模块报文采集Fig.6 CAN Monitor Message Collection

试验中，共对50块DCU进行了检测：对于硬件电路正常的DCU，1分钟内即可完成检测；对于硬件电路存在故障的DCU，从发现错误到定位故障源，可在3分钟内完成。

5 结论

（1）提出了一种针对柴油机SCR系统中DCU硬件电路的检测思路与方法，并在CodeWarrior中完成了相应的程序编写，通过该方法能大幅提高检测效率；（2）在LabVIEW的图形化开发环境中设计了一套上位机检测软件，实现了检测过程的实时显示；（3）自主搭建了一套检测系统并完成试验验证，结果表明该系统检测效率高，测试结果准确可靠，能准确排查故障，为产品质量控制提供保障，具有一定的实际意义和推广价值。