新型車載診斷系統(tǒng)顆粒物傳感器智能接口設(shè)計(jì)

徐亞超，湯 東，鄭榮良，陳 烈，李文華

(1．江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013；2．金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇金壇 213215)

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新型車載診斷系統(tǒng)顆粒物傳感器智能接口設(shè)計(jì)

徐亞超1，湯 東1，鄭榮良1，陳 烈2，李文華1

(1．江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013；2．金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇金壇 213215)

漏電流式顆粒物傳感器，是一種新型的用來直接測(cè)量廢氣中顆粒物含量的車載裝置。傳感器首先將顆粒物的濃度轉(zhuǎn)化為nA級(jí)的電流信號(hào)，再通過電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過S9S08DZ60單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；由于同樣濃度的PM2．5顆粒物，其輸出電流受工作溫度的影響，傳感器中設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)電路，用溫度對(duì)PM2．5的濃度值進(jìn)行修正，修正后的值由單片機(jī)CAN接口通過收發(fā)器發(fā)送到CAN總線，共享到其他的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。傳感器使用一段時(shí)間后，沉積在傳感器內(nèi)部的顆粒物會(huì)影響傳感器正常工作，因此，傳感器中設(shè)計(jì)了加熱電路，燒掉沉積的顆粒物，從而恢復(fù)正常工作。

顆粒物傳感器；車載診斷系統(tǒng)；CAN總線；智能接口

0 引言

柴油機(jī)排出的廢氣中含有大量的顆粒物，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成很大的危害。隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，顆粒物捕集器(DPF)被廣泛應(yīng)用于柴油車上，這是目前實(shí)現(xiàn)柴油車顆粒物排放控制的最有效和簡(jiǎn)單的方法。為了能夠監(jiān)測(cè)DPF的故障和再生時(shí)機(jī)就需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)尾氣中的顆粒物的含量。CAN總線目前在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在該傳感器控制系統(tǒng)中采用CAN總線通訊，能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)其他控制單元進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[2-3]，并以SAE J1939協(xié)議為基礎(chǔ)為顆粒物傳感器智能節(jié)點(diǎn)制定通訊協(xié)議。

1 傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

新型漏電流顆粒物傳感器的基本原理是：當(dāng)電壓加在有一定間隙的兩個(gè)電極間，就會(huì)有漏電流產(chǎn)生，且在電壓一定的情況下，漏電流的大小會(huì)隨著兩個(gè)電極間流過的介質(zhì)不同而發(fā)生變化，而漏電流的大小與尾氣中顆粒物的含量存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括高壓電極、金屬外殼、絕緣體、擋流板、加熱測(cè)溫電阻等部件，傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器控制系統(tǒng)的組成

整個(gè)傳感器系統(tǒng)主要包括機(jī)械傳感器模塊和控制系統(tǒng)，如圖2所示。機(jī)械部分主要有高壓電極、傳感器殼體、絕緣體以及傳感器內(nèi)部的部件等。在高壓電極和傳感器技術(shù)外殼之間形成1 kV的高壓。當(dāng)廢氣流流經(jīng)電極時(shí)，電極輸出隨廢氣流中顆粒物濃度變化而變化的電流信號(hào)。將傳感器輸出的微弱的電流信號(hào)接入控制系統(tǒng)的信號(hào)放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)V1，單片機(jī)S9S08DZ60把模擬電壓V1信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)電阻絲不加熱時(shí)，電阻絲的電阻值對(duì)應(yīng)著傳感器的工作溫度，因此單片機(jī)采集電阻絲兩端的電壓差值，經(jīng)處理得出傳感器的工作溫度，溫度值用來修正PM2．5的濃度，最終經(jīng)收發(fā)器共享到CAN總線上。傳感器工作一段時(shí)間以后，沉積在電極和金屬外殼之間的顆粒物會(huì)影響傳感器的工作，微處理器檢測(cè)傳感器輸出的電流信號(hào)過大時(shí)會(huì)啟動(dòng)加熱模塊，加熱沉積顆粒物，使傳感器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖2 漏電流傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 智能接口硬件電路設(shè)計(jì)

3．1 信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路主要由兩級(jí)運(yùn)算放大器、電阻、濾波電容C1和保護(hù)二極管組成，如圖3所示。傳感器輸出的電流信號(hào)較弱(0～120 nA)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)，所需的放大倍數(shù)較高，因此，在電路設(shè)計(jì)中采用二級(jí)放大電路[4-5]。一級(jí)運(yùn)算放大器A1采用LF356AH通用放大器，120 nA的電流經(jīng)一級(jí)放大后VO可達(dá)到-600 mV左右。二級(jí)運(yùn)算放大器A2選用LM741CH通用放大器來實(shí)現(xiàn)，120 nA的電流對(duì)應(yīng)電壓最終可達(dá)3．3 V左右。

圖3 信號(hào)放大電路

3．2 測(cè)溫模塊

測(cè)溫模塊組要由TLE4274和外圍電阻、電容組成的恒流源以及電阻絲R組成，如圖4所示。恒流源輸出0．1 A恒定的電流，電阻絲R隨環(huán)境溫度的變化阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。單片機(jī)采集圖中WDT點(diǎn)的電壓值，得到溫度的數(shù)字量，對(duì)傳感器輸出的PM2．5的值進(jìn)行修正[6]。

圖4 測(cè)量溫度電路

3．3 加熱模塊

加熱模塊如圖5所示。主要由NPN型三極管、P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRQ9540、二極管和加熱電阻絲R組成。在加熱模塊中JR端連接單片機(jī)端口，單片機(jī)端口為高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRQ9540的柵極電壓降低，IRQ9540導(dǎo)通，加熱電阻R開始加熱。單片機(jī)端口為低電平時(shí)，P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRQ9540的柵極電壓為24 V，IRQ9540關(guān)閉，加熱電阻不工作。

圖5 加熱電路

3．4 單片機(jī)模塊

該電路采用內(nèi)嵌CAN控制器的S9S08DZ60微處理器，微處理器外圍電路如圖6所示。單片機(jī)的TXCAN、RXCAN引腳分別接收發(fā)器的TXD和RXD引腳；ADP1引腳用于采集由傳感器輸出、經(jīng)電路放大后的電壓信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換可得出顆粒濃度的數(shù)字量；PTD2引腳用來控制加熱電路的開關(guān)；ADP2引腳用來采集電阻絲R上的電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換可得出對(duì)應(yīng)傳感器工作溫度的數(shù)字量。

圖6 微處理器模塊

3．5 CAN收發(fā)器模塊

CAN收發(fā)器模塊主要由TJA1040高速CAN收發(fā)器、濾波電容、保護(hù)二極管和終端電阻組成[7-8]，如圖7所示。單片機(jī)內(nèi)嵌CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與收發(fā)器的TXD和RXD連接。收發(fā)器的CNH和CNL連接至總線，為了保證阻抗匹配，還需添加匹配電阻。此外，在總線上還加入了濾波和保護(hù)電路。

圖7 CAN收發(fā)器模塊

4 智能接口軟件設(shè)計(jì)

智能接口軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將軟件分成若干相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，為各個(gè)模塊安排合適的入口和出口參數(shù)，使得模塊之間相互連接。智能接口軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、顆粒物傳感器數(shù)據(jù)MAP模塊、輸出控制模塊、加熱和測(cè)溫模塊、CAN總線通訊模塊等組成，各模塊在監(jiān)控系統(tǒng)程序的調(diào)度下協(xié)調(diào)工作。CAN總線通訊模塊由3部分組成：初始化程序、發(fā)送程序和接收程序?；赟9S08DZ60和TJA1040的CAN接口模塊通過CAN總線與其他節(jié)點(diǎn)建立通訊。CAN總線的發(fā)送和接收流程圖如圖8所示。

(a)CAN接收程序流程圖

(b)CAN發(fā)送程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)

5．1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，主要包括兩大部分：傳感器電路板和開發(fā)板。傳感器電路模塊是開發(fā)的，也是被測(cè)試的對(duì)象。開發(fā)板是外購(gòu)的，它有CAN收發(fā)器、LED數(shù)碼管以及鍵盤。傳感器電路板與電源、高阻值可調(diào)電阻R、6000-02-100 μA型精密電流表A和加熱電阻絲R構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置，兩板的收發(fā)器通過CAN總線連接。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

5．2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)電阻R的大小來獲得不同的電流值，電流大小由6000-02-100 μA型精密電流表A讀取，在0～120 nA之間變化，并通過放大器放大和轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電壓信號(hào)，由單片機(jī)采集處理后通過CAN總線發(fā)送到開發(fā)板上，并由數(shù)碼管把結(jié)果顯示出來。記錄6000-02-100 μA型精密電流表A上的數(shù)值和開發(fā)板數(shù)碼管上顯示的結(jié)果。試驗(yàn)中對(duì)3塊不同的傳感器電路板進(jìn)行測(cè)試和記錄，得出的數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)Excel處理得出平面圖如圖10所示，圖中顯示電流和轉(zhuǎn)化后電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系和公式。開發(fā)板上的按鍵8和按鍵10 用來控制傳感器電路板功能的選擇，按鍵8按下開始采集微電流信號(hào)，按鍵10按下采集溫度值，按鍵8和按鍵10同時(shí)按下，加熱電阻開始工作。

表1 微電流放大數(shù)據(jù)

圖10 電流放大結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)放大電路能夠完成微電流信號(hào)的放大功能，并且具有很好的線性度；兩板之間的CAN通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性在實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證；按下按鍵10，開發(fā)板顯示溫度的數(shù)字量，按鍵8和按鍵10同時(shí)按下，電阻絲R開始加熱。因此，傳感器電路板能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

基于CAN總線的顆粒傳感器智能接口，實(shí)現(xiàn)了顆粒傳感器輸出的微電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，且與轉(zhuǎn)換后電壓信號(hào)具有很好的線性關(guān)系；實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器工作溫度的測(cè)量，用溫度值對(duì)PM2．5的濃度進(jìn)行修正；加熱模塊可以根據(jù)需要對(duì)堵塞的傳感器進(jìn)行加熱凈化，使其恢復(fù)到工作狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)了CAN通訊模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)其他控制單元數(shù)據(jù)的共享。

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Research on Intelligent Interface of New Particulate Matter Sensorfor Diesel On-Board Diagnostic System

XU Ya-chao1，TANG Dong1，ZHENG Rong-liang1，CHEN Lie2，LI Wen-hua1

(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2．Jintan Jonssen Electric Tech Corp,Jintan 213215,China)

Electronic particulate matter sensor is a new type sensor used on vehicles for measuring PM in exhaust gas．The sensor first converts concentration of particulate matter to micro-current,and then converts electric current into voltage through circuits,finally converts to digital quantity through S9S08DZ60 microcontroller．Because the output current was affected by operating temperature when at the same concentration of PM(particulate matter),we designed temperature detection circuit in the sensor,corrected concentration of PM with the temperature,and sent the revised result to CAN bus though CAN transceiver,which used for other devices．After using a period of time,the sensor will be polluted by PM and its accuracy will be affected．So we design a heating circuit in the sensor which can heat the sediment PM and burn them off,and then ensure the accuracy of the sensor．

PM Sensor;OBD;CAN Bus;Intelligent Interface

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51176068)；2012年江蘇省國(guó)際科技合作項(xiàng)目(BZ2012025)；內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(K2014-9)

2014-03-18 收修改稿日期：2014-10-28

TK411

B

1002-1841(2015)03-0016-03

徐亞超(1987—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)和控制。E-mail:xuyachao666@163．com 湯東(1969—)，教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)測(cè)試方面的研究。 E-mail: dtang@ujs．edu．cn