繆曉峰，湯 東，李杰輝，周一聞，陳 烈

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇常州 213200)

0 引言

汽車排放問題一直是近年來發(fā)動機行業(yè)研究的熱點，汽車尾氣中排出的NOX氣體對于環(huán)境以及人的健康造成了一些威脅。SCR技術(shù)可以有效降低排氣中的NOX，但其需要穩(wěn)定可靠且精度較高的氮氧傳感器來對尾氣中的NOX濃度進行檢測。氣敏性氮氧傳感器能滿足使用要求，通過將測得的尾氣中的NOX濃度發(fā)送到發(fā)動機ECU，從而控制SCR系統(tǒng)中尿素噴射，達到降低排放的目的。本文設(shè)計了氮氧傳感器控制器硬件電路及軟件部分。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理分析

氮氧傳感器[1]由探頭、線纜及控制器組成。通過探頭采集汽車尾氣，并將處理后的電信號通過線纜傳遞給控制器進行計算，得到的NOX濃度再通過CAN通信的方式傳遞給發(fā)動機ECU，從而對SCR系統(tǒng)中尿素噴射進行精確控制。

如圖1所示，當汽車尾氣通入后，進入第一腔室，由電極P+和P-構(gòu)成的主氧泵將尾氣中的大部分氧氣泵出，直至尾氣變?yōu)閷?yīng)過量空氣系數(shù)等于1的狀態(tài)。繼而尾氣流入第二腔室，尾氣中的NO2在電極處分解為NO和O2，由電極P+和M1構(gòu)成的副氧泵將尾氣中的氧氣進一步泵出，剩下含有NO的尾氣在測量電極M2上分解為N2和O2，由測量電極將O2泵出，測量電極上泵氧的電流值即可反映出泵出O2的濃度，可以間接地反映NOX的濃度。

圖1 氮氧傳感器陶瓷芯片結(jié)構(gòu)圖

2 NOX傳感器硬件電路設(shè)計

2.1 MCU模塊電路

由于氮氧傳感器內(nèi)部工作過程比較復雜，其控制器需要對大量信號進行接收、發(fā)送及處理。因此需要較強的計算能力和計算精度。在滿足要求的情況下兼顧經(jīng)濟性，選用MC9S08DZ60單片機[2]作為主控芯片，在設(shè)計過程中用到的單片機外圍模塊包括： MSCAN模塊(CAN通信模塊)，SPI模塊(串行外設(shè)接口模塊)，PWM模塊(脈寬調(diào)制模塊)。如圖2所示， MCU模塊電路中，除了主芯片，根據(jù)需求添加了外圍電路，主要有： BDM接口電路、復位電路及時鐘電路等，用于實現(xiàn)單片機功能。

圖2 MCU模塊電路原理圖

2.2 電壓轉(zhuǎn)換模塊電路

柴油車上系統(tǒng)電源電壓為+24 V，而微控制器MC9S08DZ60所需電源電壓為+5 V，選用 LM2596穩(wěn)壓降壓芯片作為電源轉(zhuǎn)換器將+24 V電壓轉(zhuǎn)化為+5 V電壓供電。

LM2596芯片是降壓開關(guān)型穩(wěn)壓電路，其輸出電壓可調(diào)，僅需少量外部器件即可工作。其電路原理如圖3所示。該電路的輸出電壓VOUT通過改變電阻R1和R2的值來調(diào)節(jié)，輸出電壓與R1、R2的關(guān)系如下：

(1)

式中1.23 V為芯片內(nèi)置初始電壓。

若想得到傳感器控制器工作所需電壓+5 V，R1/R2取3即可。在誤差允許范圍取R1=900 Ω，R2=300 Ω。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

2.3 CAN通信模塊電路

CAN通信模塊電路負責將測得的NOX濃度發(fā)送給ECU。在 MCU模塊中已經(jīng)集成了CAN控制器 MSCAN模塊，還需要設(shè)計CAN收發(fā)器電路來將CAN控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送，同時在接收過程中將數(shù)據(jù)傳送給CAN控制器。

如圖4所示的 CAN通信模塊電路圖選用了 TJA1050[3]收發(fā)器。 TJA1050收發(fā)器速度可達1 Mbps，采用 SOI技術(shù)降低電磁輻射，抗干擾(EMI)能力極強。在本電路中，CAN高低電平接口間串聯(lián)兩個電阻R1、R2，增強了阻抗匹配性能，同時并聯(lián)電容C23進行濾波，增加了電路的穩(wěn)定性。

2.4 氮氧信號處理及加熱電路

設(shè)計中主控模塊采用的是針對氮氧傳感器開發(fā)的一款專用芯片 ATIC43。從圖5中可以看出，該芯片與 MCU之間通過 SPI通信，芯片上各管腳P+、P-、H+、H-、REF、TMP、M1、M2分別與氮氧傳感器陶瓷芯片上對應(yīng)管腳相連接，可以通過采集陶瓷芯片各電極間電壓Vbin、V0、V1、V2，通過SDO端口傳遞給MCU，再經(jīng)由MCU通過SPI[4]通信控制ATIC43芯片生成泵電流IP0、IP1、IP2。分別控制各腔室內(nèi)氧濃度，是陶瓷芯片內(nèi)部達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)(能斯特電壓V0、V1、V2電壓值所對應(yīng)的各部位氧濃度為目標氧濃度)。此外，在該芯片外圍構(gòu)建以IREF540[5]型MOS管控制加熱電壓的溫度控制電路。芯片通過PWM端口接收MCU傳遞的PWM信號，由端口Hbat傳遞至MOS管控制加熱電壓。并通過TMP端口采集溫度信號，判斷陶瓷芯片是否達到工作溫度。若未達到傳感器正常工作所需溫度，則持續(xù)以最高電壓加熱；若達到工作溫度，則調(diào)節(jié) PWM[6]信號，控制加熱電壓，陶瓷芯片溫度穩(wěn)定。 PWM是一種脈沖寬度調(diào)制方法，在加熱電路中通過其控制開關(guān)器件(MOS管)在一個周期內(nèi)的通斷時間，實現(xiàn)加熱電壓的控制。輸出平均電壓值為

圖4 CAN通信模塊電路圖

圖5 氮氧信號處理電路

(2)

式中：T為周期；T1為單片機控制下在一個周期內(nèi)開關(guān)導通時間；U1為轉(zhuǎn)換后電壓，V；U0為初始電壓，V。

3 NOX傳感器軟件設(shè)計

硬件電路設(shè)計中選用MC9S08DZ60型單片機，軟件部分采用CodeWarrior軟件作為開發(fā)平臺，利用 C語言編程設(shè)計軟件部分。實現(xiàn)的主要功能如下：

(1)使傳感器穩(wěn)定在700 ℃的工作溫度。

(2)控制泵氧電流值IP0、IP1、IP2，使能斯特電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，計算出NOX濃度。

(3)將計算得到的NOX濃度通過CAN總線發(fā)送到ECU。

3.1 主程序

首先設(shè)計氮氧傳感器軟件控制部分主程序，主要用于完成控制系統(tǒng)各部件初始化以及實現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，從而控制氮氧傳感器正常工作。主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 初始化設(shè)置

在氮氧傳感器控制器工作前，需要初始化各模塊，使其可以正常使用。設(shè)計中需要初始化的模塊有：看門狗模塊、定時器模塊、中斷模塊、RAM模塊、SPI模塊、PWM模塊、CAN控制器等模塊。

3.3 溫度控制模塊

溫度控制單元通過采集氮氧陶瓷芯片TMP電極的溫度信號，得出氮氧傳感器陶瓷芯片內(nèi)部溫度情況，進行加熱控制，使其溫度穩(wěn)定在700 ℃。采用 PID加熱控制策略[7]，溫度控制模塊程序的流程如圖7所示。

圖7 溫度控制模塊流程圖

3.4 氮氧信號處理模塊

氮氧信號處理模塊用于處理采集到的能斯特電壓，得到NOX濃度，是氮氧傳感器控制器中核心部分。從圖8的程序流程圖可以看出，在氮氧傳感器內(nèi)部達到工作溫度后，主控芯片ATIC43，通過各端口提供給陶瓷芯片泵電流IP0、IP1、IP2，泵電流初始值都設(shè)為 0，繼而采集反映氮氧傳感器陶瓷芯片各部位氧濃度的能斯特電壓V0、V1、V2、VREF，Vbin，由MCU控制ATIC43芯片生成泵電流使能斯特電壓達到預期設(shè)定值并穩(wěn)定后，電流IP2即可反映NOX濃度。

圖8 氮氧信號處理模塊

3.5 CAN通信模塊

在氮氧傳感器控制器中使用CAN通信模塊[8]將NOX濃度發(fā)送到ECU。CAN通信模塊的初始化包括在主程序的初始化之中，主要包括控制寄存器、總線定時器和波特率定時器的設(shè)置。

4 氮氧傳感器控制器標定試驗

氮氧傳感器中反映NOX濃度的是電流信號IP2，為了得到IP2與NOX濃度的對應(yīng)關(guān)系，對不同濃度下的NOX氣體進行了標定試驗。利用氮氣和氮氧化物混合來產(chǎn)生不同的濃度NOX氣體，分別通入測試管路和HORIBA氣體分析儀，測試管路上方信號采集器可以采集泵電流IP2，HORIBA氣體分析儀顯示氣體實際濃度。所得試驗結(jié)果見圖9，可以看出氮氧濃度與泵電流呈良好的線性關(guān)系。

圖9 泵電流值與NOX濃度關(guān)系

5 結(jié)論

氮氧傳感器控制器設(shè)計完成后，對樣板進行測試，控制器溫度控制效果良好，控制在目標溫度在±20 ℃的誤差范圍內(nèi)；以 ATIC43專用芯片進行設(shè)計，簡化了電路，信號處理性能良好，輸出泵電流穩(wěn)定；CAN通信模塊能實現(xiàn)控制器與ECU間的穩(wěn)定通信。在對氮氧傳感器控制器標定試驗中，確立了 NOX濃度與泵電流的對應(yīng)關(guān)系，試驗結(jié)果表明NOX濃度在0～3 000 ppm內(nèi)與泵電流值呈良好的線性關(guān)系。