多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)

王 乾，葉雨欣，王 淵，，焦斌斌

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所,北京 100029；2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心,江蘇無(wú)錫 214135；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

目前，能源供應(yīng)緊張，燃油價(jià)格上漲，為保證燃油充分燃燒，減少尾氣排放量，降低汽車(chē)能耗，保護(hù)環(huán)境，需要提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的控制精度?？諝赓|(zhì)量流量計(jì)作為信息源，提供進(jìn)入汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量信號(hào)[1]，結(jié)合電子燃油噴射系統(tǒng)對(duì)噴油量進(jìn)行控制[2]，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)[3]。

空氣質(zhì)量流量的測(cè)量與空氣密度密切相關(guān)[4]。傳統(tǒng)的空氣流量計(jì)不檢測(cè)環(huán)境濕度，然而濕度對(duì)于空氣密度的影響不可忽略[5]。為了進(jìn)一步提高空氣質(zhì)量流量的測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)流量計(jì)的基礎(chǔ)上融合溫濕度傳感模塊，全面綜合考量發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，優(yōu)化流量數(shù)據(jù)的測(cè)量精準(zhǔn)度。國(guó)外BOSCH公司和HITACHI公司已有相關(guān)產(chǎn)品[7]，可以同時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)溫濕度和進(jìn)氣壓力，而國(guó)內(nèi)則暫時(shí)沒(méi)有多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)。

Single edge nibble transmission(SENT)即單邊半字節(jié)傳輸協(xié)議[9]，是美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程師學(xué)會(huì)(SAE)推出的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的、單向傳輸?shù)姆桨福挥脕?lái)在汽車(chē)傳感器和汽車(chē)電子控制單元之間快速傳輸高清數(shù)據(jù)。作為汽車(chē)傳感器新型接口標(biāo)準(zhǔn)，SENT輸出與模擬輸出和PWM 輸出相比，具有很好的電磁兼容特性；節(jié)省線束和插針結(jié)頭，低成本；抗干擾能力強(qiáng)，讀數(shù)準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的流量計(jì)，每個(gè)物理量都需要至少一根線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，融合多傳感模塊的空氣流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)送溫度、濕度、海拔高度、進(jìn)氣壓力等多信號(hào)到汽車(chē)電子控制單元electronic control unit(ECU)[8]，SENT協(xié)議只需要一根線即可完成傳輸，節(jié)約成本。已有BOSCH的HFM-8系列流量計(jì)和Continental的流量計(jì)采用SENT輸出接口[7]。

所以，本文設(shè)計(jì)多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的溫度、濕度,更精準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)氣質(zhì)量，并應(yīng)用SENT協(xié)議輸出給ECU，以此提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制精度，獲得最佳空燃比，使汽車(chē)能耗減少，保護(hù)環(huán)境。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)是在HFM-7系列某款流量計(jì)流道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合溫濕度測(cè)量傳感模塊，并采用汽車(chē)級(jí)嵌入式芯片作為控制核心對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終輸出，如圖1所示，流量計(jì)安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門(mén)之間，它包括主流道、空氣流量敏感元件、信號(hào)處理電路、副流道和溫濕度檢測(cè)模塊。

1—主流道；2—空氣流量敏感元件；3—信號(hào)處理電路；4—副流道；5—溫濕度檢測(cè)模塊圖1 融合多傳感模塊的空氣流量計(jì)示意圖

空氣通過(guò)主流道流經(jīng)流量敏感元件。因?yàn)闊崮な娇諝饬髁坑?jì)是基于熱傳導(dǎo)原理，通過(guò)平衡狀態(tài)下的溫度分布來(lái)反映流速的，但是在湍流狀態(tài)下熱量分布穩(wěn)定性很差，平衡溫度分布具有跳躍性，對(duì)流量的測(cè)量結(jié)果造成很大的誤差[10]，因?yàn)槲覀兘梃bHFM-7系列某款流量計(jì)的流道結(jié)構(gòu)，空氣流經(jīng)主流道成為穩(wěn)定層流。

空氣通過(guò)副流道流經(jīng)溫濕度檢測(cè)模塊。本設(shè)計(jì)選用的溫濕度檢測(cè)模塊具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以在高溫高濕的環(huán)境下準(zhǔn)確輸出，測(cè)量溫度范圍為 -40～125 ℃，精度誤差最大為 ±1.5 ℃，測(cè)量相對(duì)濕度范圍為5%～95%，精度誤差最大為±5%。

流量敏感元件輸出的模擬電壓信號(hào)和溫濕度檢測(cè)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)傳入處理電路中進(jìn)行調(diào)理整合，并最終以SENT協(xié)議形式輸出。處理電路中的控制核心選用Cypress公司嵌入式芯片，此款可編程嵌入式芯片，集成了ARM微控制器、存儲(chǔ)器以及自定義的模擬和數(shù)字外設(shè)功能，如運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART(universal asynchronous receiver transmitter)串行接口等，代替一般MCU(micro control unit)和外部集成電路(ASIC)組合方案，降低成本；更靈活多變的可配置性，功能全面且研發(fā)周期縮短；一流的功耗性能以及簡(jiǎn)潔的可編程界面，這款芯片可以優(yōu)異地完成多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)的所有功能需求。

2 信號(hào)處理

圖2為多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)信號(hào)處理原理圖。流量敏感元件感知空氣流量，輸出一個(gè)與流量成正比的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制核心差分放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化和噪聲濾波，完成數(shù)字化處理；溫濕度檢測(cè)模塊感知汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，通過(guò)I2C通信協(xié)議將數(shù)字信號(hào)傳輸給控制核心，控制核心對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析；最后，控制核心參照標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和SENT通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將準(zhǔn)確的環(huán)境溫濕度、空氣流量信息高效低成本地傳輸給ECU。

圖2 多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)信號(hào)處理原理圖

2.1 流量信號(hào)的采集和處理

流量敏感元件采用平面形鉑金屬膜電阻[12]，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，由加熱電阻Rh、加熱電阻的溫度撿測(cè)電阻Rt、上下游溫度檢測(cè)電阻R1、R2、R3、R4和環(huán)境溫度檢測(cè)電阻Rs構(gòu)成。靜止的環(huán)境中，加熱電阻加熱，兩邊的溫度成對(duì)稱分布；當(dāng)空氣流過(guò)時(shí)，由于強(qiáng)迫熱對(duì)流效應(yīng)使原有的溫度平衡被打破。流體將熱量帶向下游，導(dǎo)致了加熱電阻上游的冷卻效應(yīng)和下游的升溫效應(yīng)，上下游的溫度差值反映流道中的流速,進(jìn)而推算出進(jìn)氣管中的空氣質(zhì)量流量[13]。

圖3 流量檢測(cè)敏感元件結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用恒溫差方式測(cè)量流量[14]，如圖4所示，環(huán)境溫度檢測(cè)電阻Rs和加熱電阻溫度撿測(cè)電阻Rt與固定電阻組成加熱電橋，當(dāng)空氣質(zhì)量流量變大時(shí)，Rh電阻減小，輸出電壓增大，Rh重新被加熱，維持與環(huán)境溫度溫差恒定；上下游溫度檢測(cè)電阻R1、R2、R3和R4組成測(cè)流量電橋，當(dāng)空氣質(zhì)量流量變大時(shí)，上游的R1、R2阻值減小，下游R3、R4阻值增大，R2和R4輸出的電壓差增大，以此表征質(zhì)量流量增大。

(a)加熱電橋(b)測(cè)流量電橋圖4 流量信號(hào)采集電路原理圖

測(cè)流量電橋的電壓信號(hào)輸出與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示，在流量0～637.6 kg/h的范圍內(nèi)，原始電壓輸出范圍為9～62 mV，數(shù)值過(guò)小不易后續(xù)處理，所以進(jìn)行模擬信號(hào)數(shù)字化處理的第一步就是差分放大 31倍。然后采用14位無(wú)符號(hào)ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，即電壓范圍為(-5～5 V)時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出數(shù)字ADC(0～16384)，分辨率達(dá)1.638 4/mV，在低流量時(shí)可達(dá)25.61/(kg·h-1)，高流量下可達(dá)4.5/(kg·h-1)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)存在熱噪聲，采用均值濾波的方式，一定程度上減少噪聲影響。表1為與流量成正比的原始電壓和其數(shù)字化處理后的ADC數(shù)值。

圖5 流量檢測(cè)敏感元件隨流量變化的原始電壓輸出

表1 流量對(duì)應(yīng)的原始電壓和數(shù)字化之后的ADC值

2.2 溫濕度信號(hào)的采集和處理

選用Sensirion公司的溫濕度傳感模塊測(cè)量環(huán)境溫度和濕度[16]，模塊采用標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議進(jìn)行通訊，在完成上電和啟動(dòng)傳輸后，對(duì)其發(fā)送測(cè)量溫度和濕度的指令，如圖6所示。經(jīng)控制核心對(duì)信號(hào)解析，輸出溫度和相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)溫度如表2所示。

圖6 控制核心發(fā)送測(cè)量命令

實(shí)際溫度/℃?zhèn)鞲心K輸出經(jīng)標(biāo)定校正后溫度/℃實(shí)際濕度/%傳感模塊輸出經(jīng)標(biāo)定校正后濕度/%100D3079890C0838880B7597970999A69609BAA605074BC51407E8740405E35402062D9213047AE29045B6120333319-202893-19101EB89

2.3 整合數(shù)據(jù)SENT輸出

SENT協(xié)議是一種單線異步串行通信協(xié)議[8]。傳感器信號(hào)以一串方波來(lái)傳送，方波下降沿之間時(shí)間的長(zhǎng)短(上升沿)來(lái)表示信號(hào)的大小。SENT報(bào)文中的每個(gè)半字節(jié)(Nibble)的時(shí)間單位是時(shí)鐘節(jié)拍(Clock Tick)(3 s≤Clock Tick≤10 s)。1個(gè)Nibble表示4個(gè)比特(bit)，可表征一位十六進(jìn)制數(shù)(0～15)；1個(gè)Nibble由12～27個(gè)Clock Ticks組成，先輸出5個(gè)Clock Ticks的低電平，然后輸出(7+n)(0≤n≤15)個(gè)Clock Ticks的高電平。

圖7 SENT協(xié)議示意圖

如圖7所示，SENT報(bào)文起始位Nibble#0是一個(gè)同步校驗(yàn)幀，用于同步發(fā)送的Clock Tick時(shí)鐘。Nibble#1用于發(fā)送機(jī)發(fā)送內(nèi)部狀態(tài)和診斷信息。Nibble#7和Nibble#8用于校驗(yàn)1幀數(shù)據(jù)是否正確，Nibble#7和Nibble#2相加和為15則說(shuō)明該幀數(shù)據(jù)正確；Nibble8用于整幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。Nibble#2～Nibble#6是數(shù)據(jù)位，每個(gè)數(shù)據(jù)位由一個(gè)恒定間隔的下降沿(5 Clock Ticks)和一個(gè)可變間隔的上升沿組成，上升沿的長(zhǎng)度表征了數(shù)據(jù)的大小，數(shù)據(jù)值越大，Clock Ticks越大。

本文利用SENT協(xié)議傳輸溫度、濕度和流量信息，以2幀SENT數(shù)據(jù)才能包含完整信息，如表3所示。不考慮時(shí)鐘誤差的情況，每幀在816 之內(nèi)傳輸完畢，2幀的信息傳輸時(shí)間小于2 ms，響應(yīng)時(shí)間可到達(dá)流量計(jì)要求。

表3 SENT傳送數(shù)據(jù)包含信息

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用某款流量標(biāo)測(cè)設(shè)備并配套控溫調(diào)濕裝置，改變環(huán)境溫度、相對(duì)濕度以及空氣質(zhì)量流量，如圖8所示，流量手動(dòng)控制臺(tái)可手動(dòng)控制空氣流量的開(kāi)關(guān)；流量自動(dòng)控制臺(tái)，配合控制軟件使用，可讀取進(jìn)氣管道溫度、相對(duì)濕度、背壓等信息；溫濕度控制裝置可改變進(jìn)氣管道空氣的溫度和濕度。

(a)流量標(biāo)測(cè)設(shè)務(wù)(b)SENT解碼示波器1—流量手動(dòng)控制臺(tái)；2—控制流量開(kāi)關(guān)的閥門(mén)；3—流量自動(dòng)控制臺(tái)；4，5—溫濕度控制裝置圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

采用力科SDA760Zi型號(hào)的6 GHz Serial Data Analyzer 和對(duì)應(yīng)的SENT解碼測(cè)試方案對(duì)輸出波形進(jìn)行完整的物理層信號(hào)解碼。這套解碼測(cè)試方案支持SAE J2716 FEB2008 和 JAN2010 規(guī)范，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)可以以半字節(jié)、字節(jié)、十六進(jìn)制、十進(jìn)制格式直接在波形上顯示解碼出來(lái)，支持最多同時(shí)分析解碼4路有效載荷，如圖9所示，SENT協(xié)議輸出的2幀波形，解碼得到環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和空氣質(zhì)量流量。

圖9 SENT協(xié)議輸出波形 溫度濕度和流量信息信息

利用流量標(biāo)測(cè)設(shè)備和溫濕度控制裝置控制單一變量，采用示波器解碼輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5、表6所示，所設(shè)計(jì)的多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)輸出環(huán)境溫度相對(duì)誤差為±2%；輸出相對(duì)濕度的相對(duì)誤差為 ±4%；輸出的空氣質(zhì)量流量相對(duì)誤差為 ±2%，性能指標(biāo)良好，達(dá)到現(xiàn)有國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品水平，并可以進(jìn)一步提升。

表4 不同溫度SENT解碼輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值

表5 不同濕度SENT解碼輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值

表6 不同質(zhì)量流量SENT解碼輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)，首先介紹了多傳感模塊融合的空氣流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹控制核心對(duì)流量敏感元件輸出的模擬信號(hào)和溫濕度檢測(cè)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的處理整合，最后根據(jù)SENT協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)輸出至ECU。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，融合多傳感模塊的空氣流量計(jì)輸出的環(huán)境溫度相對(duì)誤差為 ±2%；輸出相對(duì)濕度的相對(duì)誤差為 ±4%；輸出的空氣質(zhì)量流量相對(duì)誤差為 ±2%，檢測(cè)效果良好。由于采用SENT通信協(xié)議，與模擬輸出和PWM 輸出相比，電磁兼容特性好；數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，抗干擾性強(qiáng)；節(jié)省線束，低成本。這類(lèi)融合多傳感模塊的空氣流量計(jì)應(yīng)用于協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比進(jìn)行精確控制，使汽車(chē)能耗減少，保護(hù)環(huán)境。