基于J1939的电控柴油机及SCR系统CAN通讯研究

樊永胜 倪骁骅 蒋家鑫 施辉武 张淼

摘 要：随着排放法规的越来越严格，SCR系统在电控柴油機排放后处理中的应用越来越广泛。同时，CAN总线作为目前唯一有国际标准的现场总线，与其它通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，在机械自动化控制等领域中得到了广泛应用。本文以SAE J1939协议为基础，结合SCR系统的闭环控制策略，通过具体的电控柴油机台架试验，研究柴油机电控单元与后处理SCR系统之间的CAN总线通讯机制。

关键词：电控柴油机;SCR系统;J1939协议;CAN总线

SCR技术作为一种高效的柴油机尾气后处理技术，可高效降低因燃烧优化而升高的NOx排放[1]。SCR系统要和柴油机电控系统进行通讯匹配需要总线的支持。CAN总线是由BOSCH公司推出一种现场总线，主要应用于汽车内部检测以及控制系统间的数据通信[2]。SAE J1939协议由美国SAE制定，并将CAN2.0B标准作为网络核心协议，将CAN总线数据帧进行封装的同时，明确规定了汽车内部各ECU的名称、地址、通讯协议、优先级等，还使用多路复用技术为车辆各传感器、执行器和控制器提供建立在CAN总线基础上的标准化高速网络连接，能在不同的ECU间实现高速数据共享，提高车辆电控系统的灵活性、可靠性、可维护性[3]。

本文试验系统将CAN总线作为系统的数据通讯媒介以及J1939协议作为系统的通讯协议;对已经完善匹配的电控柴油机及SCR系统的CAN总线通讯数据进行采集，分析系统中各节点的数据传递和响应规律，为进一步研发具有自主知识产权的SCR控制系统提供可靠的数据参考依据。

1 试验

1.1 试验设备

本文采用的试验系统结构如图1所示，包括电控柴油机（满足SAE J1939协议）、催化器（包含催化器入口温度传感器、催化器出口温度传感器）、定量给料单元、喷嘴、添蓝罐（包含添蓝温度传感器、添蓝液位传感器、添蓝过滤器）、压缩空气调节阀、压缩空气滤清器、冷却液电磁阀、线束、管路以及用于CAN总线数据采集的USBCAN II调试器和PC机。

1.2 试验过程

正常工作状态：将系统接通电源，打开OBD故障诊断开关，通过故障指示灯读取系统故障。排除所有影响系统正常运行的故障后关闭电源和OBD故障诊断开关重新接通系统电源。同时，PC机通过USBCAN II调试器开始实时采集CAN通讯数据。通过测功机启动柴油机，经怠速稳定5分钟后开始逐步升高转速和扭矩至标定转速和扭矩（2500rpm和470Nm）。柴油机保持标定转速和扭矩运行直至SCR系统开始向尾气中喷射添蓝，保持整个系统正常运行30分钟后停止实验。

系统发生故障状态：通过人为制造某一特定的影响SCR系统正常工作的故障，本实验中将催化器进出口温度传感器从催化器上拔出置于空气中。关闭OBD故障诊断开关将系统上电后，启动柴油机，同样经怠速稳定5分钟后开始尝试升高转速和扭矩至实验工况，但转速和扭矩的上升得到限制，无法上升至标定工况，柴油机保持低速低扭矩运行。试验中定量给料单元一直没有正常工作。PC机记录从系统上电至实验结束时的CAN总线通讯数据。

2 结果与分析

2.1 地址信息

在报文路由中，CAN2.0B没有使用节点地址，而是对通信数据块进行编码。J1939网络的定义中使用了节点地址，以防止多个节点使用同一个CAN标识符。本实验中的SCR系统的中央控制模块DCU已经与柴油机ECU整合在一起，在CAN总线上的节点地址为0x0。SCR系统的定量给料单元和氮氧化物传感器为CAN总线上的两个节点：定量给料单元的节点地址为0x3D，氮氧化物传感器的节点地址为0x52。

2.2 报文格式

实验中各节点用J1939报文数据域收发的原始数据并不是直观的物理数据，而是需要先将十六进制数转换为十进制，然后按照“实际物理数值=原始总线传输数值×比例系数+偏移量”的公式将其换算成直观的物理数据。表1是实验中实时采集的发动机温度信息，PDU格式（PF）和特定PDU（PS）组成一个参数组编号（PGN），用来指示一组发动机运行或控制参数，便于节点进行识别管理和程序控制。表2所示数据帧的数据域，按照J1939协议应用层标准的报文解释规则，第1字节表示发动机冷却液温度，比例系数为1℃/bit，偏移量为-40℃。因此，冷却液温度为：（72）16→（114）10→114×1-40=74℃。

2.3 系统闭环通讯

整个系统正常工作时，SCR控制单元的输入量包括柴油机机转速、油门位置信号，添蓝罐温度、液位，催化器进出口温度，氮氧化物传感器采集的NOx浓度信号[4]。SCR控制单元的输出量包括：催化剂供给量，冷启动尿素温度加热电磁阀。其中催化器进出口温度信号的采集以及冷启动尿素温度加热电磁阀的控制并不在CAN总线上进行通讯。系统上电以后，定量给料单元和氮氧化物传感器两个节点将向总线上发送PGN为65242（0x00FEDA）的软件应答请求帧，请求SCR控制单元识别，SCR控制单元识别成功将通过CAN总线的应答机制，向总线上目标节点发送1个显性位作为应答，来完成通讯准备。按SCR系统输入和输出信息分类，SCR控制单元的输入帧消息由表2所示。

2.4 故障诊断代码与多帧传输

对于采用J1939协议的电控柴油机及SCR系统，对部件进行编码是按DTC编号的，DTC是标准化的诊断故障代码，同时含有部件号辨别号SPN、故障模式FMI、可疑参数编号的转化方式CM和故障发生次数OC。DTC具体由4个字节组成，故障代码DTC的传送采用激活的故障诊断代码DM1信息体，其PGN参数组编号为65226（0x00FECA）。当CAN总线上一个DM1参数组不能包含全部的DTC时，这个参数组将会要求使用多帧传输参数组。J1939的多帧传输是在连接管理报文的协调下进行多帧传输。由于长度大于8字节的报文无法用单个CAN数据帧来装载，因此必须被拆分为若干个小的数据包，然后使用单个的数据帧对其进行逐一传送。接收方必须能够接收这些单个的数据帧，然后解析各个数据包并重组成原始的信息。CAN数据帧包含一个8字节的数据域。由于组成长信息的单个数据包必须能被识别出来以便正确重组，因此把数据域的首字节定义为数据包的序列编号。每个数据包都会被分配一个从1到255的序列编号。因此，多帧传输最大的数据长度是255包×7字节/包=1785个字节。连接管理报文不同功能的实现依赖于其数据域中第1字节控制字的值，根据系统的控制策略，节点适时使用相应功能的连接管理报文来进行数据传输控制。当某节点向总线上发送连接管理报文帧时，总线上相应的支持识别该PGN号的节点就开始准备接受相应的多帧报文，从第一帧到最后一帧，直到所有这些信息包陆续到达它们的目的节点，它们才可以被重组并解译，用来装载多帧消息的报文是PGN为60160（0x00EB00）的数据传输报文。

系统非正常运行后打开故障诊断开关，通过闪码诊断共监测到三个闪码故障信号分别为3144、3147和3151，查阅相应的故障码表可知三个故障分别为SCR催化剂进出口温度传感器温差超过一个限定值，SCR催化剂出口温度传感器信号小于槛值和SCR催化剂出口温升时间小于槛值。同时，在SCR系统的故障诊断方面，目前已实现的故障诊断功能包括两部分，一是计量泵故障：由计量泵自行诊断，通过CAN总线上的状态信息帧发送出来;二是各传感器故障：由ECU进行检测诊断，将故障诊断信息通过CAN总线发送出来。通过采集实验中发动机CAN总线上的通讯数据可知：系统非正常运行时ECU采用多帧传输机制不断广播报告现行故障。表3为系统发生故障时所得到的故障诊断信息。

两个数据帧中的信息经整合后为50 FF 08 11 02 03 0B 11 04 03 BA 12 1F 05，其中第1字节值为5016→01010000，表示红停指示灯和故障指示灯亮，报警和保护灯灭。第2字节FF为保留位。之后12个字节组成三个故障代码，每4个字节组成一个故障代码：08 11 02 03→0000 1000 0001 0001 0000 0010 0000 0011。其中前19位为故障代码的SPN，根据相应的数据解释规则：0000 1000 0001 0001 000→000 0001 0001 0000 1000→436010;之后的5位表示故障代码的FMI：0 0010→210;之后1位为可疑参数编号的转化方式CM：0;最后7位为故障的发生次数OC：000 0011→310。即该故障的SPN为4360，FMI为2。据此查表即可知故障信息，为SCR催化剂进出口温度传感器温差超过一个限定值。经同样计算得两个故障的SPN和FMI分别为4363、4和4794、31。查表可知，与闪码报告的故障信息完全吻合。这三个故障均为立即限制扭矩的系统严重故障，进而出现试验中柴油机扭矩和转速的上升受到限制的情况。

3 结论

本文详细研究了柴油机后处理SCR系统的控制中应用的J1939通讯协议，对整个系统的CAN通讯技术进行了深入的探讨，通过对实验中CAN总线上报文的传输格式和方式的研究，并结合SCR系统的闭环控制策略，加深了对基于J1939协議的柴油机及SCR系统工作过程具体实现情况的理解。通过实验实现了对柴油机及其后处理SCR系统的CAN通讯机制的更加深入的解析。

参考文献

[1]蔡宇.柴油机SCR后处理系统原理及常见故障[J].自动化应用，2019，（5）：50-51.

[2]王鹤钦，申立中，王贵勇.基于TC1728的高压共轨柴油机故障诊断底层通讯研究[J].农业装备与车辆工程，2018，（4）：76-79.

[3]汪志斌，吴长水，黄敏涛，冯琛.基于J1939协议的车辆故障诊断与ECU报文解析[J].单片机与嵌入式系统应用，2017，（12）：7-11.

[4]李捷辉，胡立，段畅，刘婧，张隆基.柴油机SCR系统控制策略研究与软件设计[J].车用发动机，2018，（3）：72-76.