基于飛思卡爾單片機(jī)的SCR控制器開(kāi)發(fā)

卞啟杰，安偉

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

基于飛思卡爾單片機(jī)的SCR控制器開(kāi)發(fā)

卞啟杰，安偉

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

為了實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)對(duì)尿素噴射控制的需求，提出了一種基于MC9S12XE系列單片機(jī)的控制器的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件部分主要對(duì)控制算法所需要檢測(cè)的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行采集，以及尿素噴嘴驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)；軟件部分采用CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)編程，能夠完成對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)控制算法數(shù)據(jù)處理后得到尿素噴嘴的控制輸出。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量各類(lèi)信號(hào)，對(duì)尿素噴嘴進(jìn)行控制，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

尿素噴射；MC9S12XE；CodeWarrior；模塊化設(shè)計(jì)

自柴油機(jī)問(wèn)世以來(lái)，以其良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、耐久性等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用[1]。隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)以及低碳減排、新能源的國(guó)家政策的鼓勵(lì)，柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)正處于大力發(fā)展的時(shí)期，但隨之柴油機(jī)的排放問(wèn)題也越來(lái)越受到人們關(guān)注[2]。目前，世界各國(guó)對(duì)NOx和PM的排放要求日趨嚴(yán)格，而我國(guó)目前采用的排放標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。面對(duì)日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)各種后處理技術(shù)，而SCR技術(shù)則是其中較為成熟的一種。SCR技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)性能好，具有較好的耐硫性以及不需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)做出改變等特點(diǎn)，被視為最具有前景的柴油機(jī)后處理方式[3]。SCR控制器作為SCR系統(tǒng)的重要組成部分，其控制性能的高低直接影響了SCR系統(tǒng)性能[4]。

針對(duì)SCR系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象，采用飛思卡爾車(chē)用單片機(jī)作為控制器的微處理器；汽車(chē)電子上數(shù)據(jù)通訊以CAN總線為基礎(chǔ)，利用飛思卡爾單片機(jī)自帶的MSCAN模塊，采用82C250CAN收發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)CAN通訊模塊設(shè)計(jì)；SCR控制器控制尿素噴嘴噴射，而尿素噴嘴的驅(qū)動(dòng)電流較大，單片機(jī)I/O口不能直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，文中以MOSFET為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)噴嘴驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)尿素噴嘴的驅(qū)動(dòng)控制。

1　SCR控制器總體設(shè)計(jì)

完整的SCR控制器應(yīng)包含電源模塊、微處理器模塊、信號(hào)采集模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通信等功能模塊[5]，其具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。電源模塊用于各模塊的供電，應(yīng)保證各模塊都能平穩(wěn)運(yùn)行在其額定電壓下；微處理器模塊是指所選用處理器工作的基本電路，包括晶振電路、復(fù)位電路等；信息采集模塊負(fù)責(zé)外圍傳感器信號(hào)的采集，在SCR系統(tǒng)中主要有排氣溫度采集與NOx濃度采集；驅(qū)動(dòng)輸出模塊是控制器最終輸出，這里是指尿素噴嘴的驅(qū)動(dòng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，SCR控制器軟件設(shè)計(jì)中需要預(yù)先存儲(chǔ)大量標(biāo)定數(shù)據(jù)，運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以方便系統(tǒng)自檢測(cè)[6]，所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的可靠非常重要；通信模塊主要用于各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換。

圖1　SCR控制器基本硬件構(gòu)成

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1微處理器選擇

16位MC9S12XE系列單片機(jī)為飛思卡爾單片機(jī)的一種，可以適用于特別復(fù)雜的汽車(chē)環(huán)境，其所具備的合格性包括適應(yīng)一個(gè)廣泛的溫度范圍和汽車(chē)測(cè)試流程，因此它具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性，完全能滿足汽車(chē)電子領(lǐng)域運(yùn)行環(huán)境惡劣的苛刻要求[7]。

MC9S12XE系列單片機(jī)自帶MSCAN模塊、脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）以及AD轉(zhuǎn)換模塊，完全滿足功能設(shè)計(jì)要求[8]。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

SCR系統(tǒng)需要對(duì)環(huán)境溫度、尿素溫度、尿素液位以及排氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。微處理器對(duì)這四類(lèi)傳感器的處理方式相同，在此以排溫傳感器為例。

排氣溫度檢測(cè)采用PT200鉑熱型電阻傳感器，微處理器需要對(duì)其進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換[9]，因MC9S12XE系列單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計(jì)中僅需將傳感器信號(hào)線轉(zhuǎn)接至對(duì)應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳即可。硬件設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2　排氣溫度檢測(cè)電路

2.3NOx濃度采集

SCR系統(tǒng)需要對(duì)催化器出入口的氮氧化物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以滿足系統(tǒng)控制需求，控制器所需要的NOx傳感器普遍采用5WK9系列傳感器。這類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸以CAN總線為基礎(chǔ)[10]，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)以一定的時(shí)間間隔發(fā)送到CAN總線上，微處理器通過(guò)CAN總線即可獲取到采集的數(shù)據(jù)或其他信息（錯(cuò)誤代碼等）。飛思卡爾MC9S12XE系列處理器自帶MSCAN模塊，支持CAN2.0A/B協(xié)議，外加一個(gè)CAN收發(fā)器即可獲取CAN總線上的信息和向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)采用的CAN收發(fā)器為82C250。82C250收發(fā)器電路圖如圖3所示。

圖3　CAN總線收發(fā)器電路

2.4驅(qū)動(dòng)輸出模塊

尿素噴嘴采用PWM波驅(qū)動(dòng)，噴嘴噴射量的多少與PWM波成正比。由于控制芯片驅(qū)動(dòng)電流較小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)尿素噴嘴。設(shè)計(jì)利用MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）集成驅(qū)動(dòng)IC（如IR2110等）可以構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中PWMcontrol為微處理器控制信號(hào)。

圖4　噴嘴驅(qū)動(dòng)電路

3　SCR軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SCR軟件系統(tǒng)采用 CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)[11]，并采用模塊化設(shè)計(jì)思想，即將主程序分成若干功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，先編寫(xiě)各個(gè)功能模塊的程序，最后主程序通過(guò)調(diào)用子程序的方法將所有模塊連在一起，構(gòu)成整個(gè)SCR系統(tǒng)控制程序。

3.1主程序流程圖

控制程序大體上由兩部分組成，初始化部分與控制主體部分。程序由初始化開(kāi)始，對(duì)控制算法各類(lèi)數(shù)據(jù)和微處理器各類(lèi)功能進(jìn)行初始化，初始化部分只在上電的時(shí)候運(yùn)行一次，然后程序進(jìn)入控制主體部分，進(jìn)行各類(lèi)數(shù)據(jù)采集處理，驅(qū)動(dòng)輸出，故障診斷等?？刂浦黧w部分不斷進(jìn)行循環(huán)，直到掉電或出現(xiàn)意外中止。整個(gè)控制流程圖如圖5所示。

3.2信號(hào)濾波子程序

微處理器利用傳感器采集SCR系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)，其間存在各類(lèi)誤差，為了減少信號(hào)誤差，軟件設(shè)計(jì)中加入了對(duì)應(yīng)的濾波處理，濾波處理方式為滑動(dòng)平均濾波[12]，這種濾波方式對(duì)周期性干擾信號(hào)有良好的抑制作用，平滑度高[13]。濾波子程序流程圖如圖6所示。

3.3噴嘴驅(qū)動(dòng)子程序

SCR系統(tǒng)所采用的尿素噴嘴驅(qū)動(dòng)電流分為兩個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)電流階段，驅(qū)動(dòng)噴嘴快速打開(kāi)，此階段所需電流較大，持續(xù)時(shí)間較短；維持電流，維持噴嘴張開(kāi)狀態(tài)，此階段所需電流相對(duì)較小，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。驅(qū)動(dòng)噴嘴周期性信號(hào)可如圖7所示。軟件系統(tǒng)利用兩列PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴的變電流驅(qū)動(dòng)，以t1表示噴嘴打開(kāi)是時(shí)間，T表示噴射周期，則此時(shí)系統(tǒng)輸出占空比可如式（1）表示：

圖5　控制流程圖

圖6　信號(hào)濾波流程圖

圖7　噴嘴驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)

噴嘴開(kāi)啟通過(guò)PWM1實(shí)現(xiàn)，噴嘴開(kāi)啟通過(guò)PWM2實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電流的大小與PWM波占空比成正比，故可通過(guò)控制PWM1和PWM2的占空比得到合適的控制電流。以t2和t3分別表示PWM1和PWM2的控制時(shí)間。噴嘴驅(qū)動(dòng)子程序流程圖如圖8所示。

4　系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個(gè)部分內(nèi)容。

硬件調(diào)試：主要是對(duì)所設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)方面的檢測(cè)，對(duì)各個(gè)模塊以及各個(gè)元器件的好壞進(jìn)行測(cè)量；檢查各個(gè)元器件之間是否短路；檢查各個(gè)元器件是否焊接牢靠。

軟件調(diào)試：SCR軟件利用CodeWarrior軟件開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)，SCR系統(tǒng)較為復(fù)雜，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是軟件模塊化設(shè)計(jì)，軟件調(diào)試伴隨著軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行，即對(duì)系統(tǒng)各個(gè)子程序進(jìn)行編寫(xiě)，進(jìn)行調(diào)試，修改語(yǔ)法錯(cuò)誤。

圖8　噴嘴驅(qū)動(dòng)子程序流程圖

5　結(jié)　論

經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試與設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)控制器，能夠較好的滿足設(shè)計(jì)要求?？刂破髂軌蚋鶕?jù)能夠根據(jù)所檢測(cè)到工況的變化，調(diào)節(jié)尿素噴嘴控制信號(hào)以滿足SCR系統(tǒng)的控制要求。由于汽車(chē)工況范圍較大，軟件設(shè)計(jì)中并沒(méi)有考慮一些極限工況的情況，比如工況溫度較高，或者各類(lèi)信號(hào)發(fā)生突變的情況，故軟件系統(tǒng)有待完善，以進(jìn)一步提高控制精度。

[1]張世藝，李軍.柴油車(chē)的節(jié)能與環(huán)保[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（2）:22-24.

[2]吳勇.柴油車(chē)應(yīng)該引起廣泛的關(guān)注[J].汽車(chē)情報(bào)，2004（24）: 33-35.

[3]張少明，陳文彬.降低車(chē)用柴油機(jī)排放技術(shù)的措施及實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)，2006（12）:39-42.

[4]錢(qián) 楓.歐Ⅳ柴油機(jī)SCR系統(tǒng)電子控制單元的研發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

[5]李紅，鄭榮良.柴油-液化氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的開(kāi)發(fā)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，24（5）:40-42.

[6]王洪榮.SCR控制策略研究[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2011，1（3）: 204-209.

[7]嚴(yán)大考.基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34（1）:82-84.

[8]苑廣軍，孫繼元.飛思卡爾單片機(jī)在自動(dòng)排爆車(chē)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2012，38（5）:43-45.

[9]鄒仲宜，張赟，羅瑩.一種鉑熱電阻溫度傳感器[P].43: CN202547821U，2012.11.21.

[10]張含，歷建國(guó).超靈敏氮氧化物傳感器的研究[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，1（1）:122-124.

[11]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2011.

[12]高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[13]胡 松.滑動(dòng)平均濾波在微弱脈沖信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2007，35（10）:169-171.

[14]宗小翀.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)案例教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

[15]劉軍，李敏，秦國(guó)振.柴油機(jī)選擇催化還原系統(tǒng)的DCU控制研究[J].汽車(chē)技術(shù)，2013（1）:177-181.

Development of SCR controller based on the freescale single chip microcomputer

BIAN Qi-jie，AN Wei
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to realize the requirement of urea injection control in SCR system，a design scheme of the test system based on MC9S12XE microcontroller is presented，and the hardware and software design of the system is completed.The hardware part of the system is mainly for the control algorithm，and the design of the control system of the urea nozzle driver.The software part uses the CodeWarrior integrated development tool to design the module.The practical application shows that the system can accurately measure all kinds of signals and control the urea spray nozzle，which can meet the design requirements.

urea injection；MC9S12XE；CodeWarrior；modular design

TN6

A

1674－6236（2016）22-0172-03

2015-11-03稿件編號(hào)：201511125

卞啟杰（1989—），男，江蘇寶應(yīng)人，碩士研究生。研究方向：機(jī)械電子工程，尾氣后處理。