新型车载诊断系统颗粒物传感器智能接口设计

徐亚超，汤 东，郑荣良，陈 烈，李文华

(1．江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013；2．金坛鸿鑫电子科技有限公司，江苏金坛 213215)



新型车载诊断系统颗粒物传感器智能接口设计

徐亚超1，汤 东1，郑荣良1，陈 烈2，李文华1

(1．江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013；2．金坛鸿鑫电子科技有限公司，江苏金坛 213215)

漏电流式颗粒物传感器，是一种新型的用来直接测量废气中颗粒物含量的车载装置。传感器首先将颗粒物的浓度转化为nA级的电流信号，再通过电路将电流转换为电压，通过S9S08DZ60单片机转化为数字量；由于同样浓度的PM2．5颗粒物，其输出电流受工作温度的影响，传感器中设计了温度检测电路，用温度对PM2．5的浓度值进行修正，修正后的值由单片机CAN接口通过收发器发送到CAN总线，共享到其他的发动机控制单元。传感器使用一段时间后，沉积在传感器内部的颗粒物会影响传感器正常工作，因此，传感器中设计了加热电路，烧掉沉积的颗粒物，从而恢复正常工作。

颗粒物传感器；车载诊断系统；CAN总线；智能接口

0 引言

柴油机排出的废气中含有大量的颗粒物，会对环境和人体健康造成很大的危害。随着排放法规的不断严格，颗粒物捕集器(DPF)被广泛应用于柴油车上，这是目前实现柴油车颗粒物排放控制的最有效和简单的方法。为了能够监测DPF的故障和再生时机就需要实时、准确地监测尾气中的颗粒物的含量。CAN总线目前在汽车行业已经得到了广泛的应用[1]。在该传感器控制系统中采用CAN总线通讯，能够与发动机其他控制单元进行快速实时的通讯，实现数据的共享[2-3]，并以SAE J1939协议为基础为颗粒物传感器智能节点制定通讯协议。

1 传感器的原理和结构

新型漏电流颗粒物传感器的基本原理是：当电压加在有一定间隙的两个电极间，就会有漏电流产生，且在电压一定的情况下，漏电流的大小会随着两个电极间流过的介质不同而发生变化，而漏电流的大小与尾气中颗粒物的含量存在一定的对应关系。

传感器的结构主要包括高压电极、金属外壳、绝缘体、挡流板、加热测温电阻等部件，传感器的结构示意图如图1所示。

图1 传感器结构示意图

2 传感器控制系统的组成

整个传感器系统主要包括机械传感器模块和控制系统，如图2所示。机械部分主要有高压电极、传感器壳体、绝缘体以及传感器内部的部件等。在高压电极和传感器技术外壳之间形成1 kV的高压。当废气流流经电极时，电极输出随废气流中颗粒物浓度变化而变化的电流信号。将传感器输出的微弱的电流信号接入控制系统的信号放大器，对信号进行滤波、放大和转换成为电压信号V1，单片机S9S08DZ60把模拟电压V1信号转换为数字量。当电阻丝不加热时，电阻丝的电阻值对应着传感器的工作温度，因此单片机采集电阻丝两端的电压差值，经处理得出传感器的工作温度，温度值用来修正PM2．5的浓度，最终经收发器共享到CAN总线上。传感器工作一段时间以后，沉积在电极和金属外壳之间的颗粒物会影响传感器的工作，微处理器检测传感器输出的电流信号过大时会启动加热模块，加热沉积颗粒物，使传感器恢复到正常工作状态。

图2 漏电流传感器的整体结构示意图

3 智能接口硬件电路设计

3．1 信号放大电路

信号放大电路主要由两级运算放大器、电阻、滤波电容C1和保护二极管组成，如图3所示。传感器输出的电流信号较弱(0～120 nA)，转化为相应的电压信号，所需的放大倍数较高，因此，在电路设计中采用二级放大电路[4-5]。一级运算放大器A1采用LF356AH通用放大器，120 nA的电流经一级放大后VO可达到-600 mV左右。二级运算放大器A2选用LM741CH通用放大器来实现，120 nA的电流对应电压最终可达3．3 V左右。

图3 信号放大电路

3．2 测温模块

测温模块组要由TLE4274和外围电阻、电容组成的恒流源以及电阻丝R组成，如图4所示。恒流源输出0．1 A恒定的电流，电阻丝R随环境温度的变化阻值发生相应的变化。单片机采集图中WDT点的电压值，得到温度的数字量，对传感器输出的PM2．5的值进行修正[6]。

图4 测量温度电路

3．3 加热模块

加热模块如图5所示。主要由NPN型三极管、P沟道功率场效应管IRQ9540、二极管和加热电阻丝R组成。在加热模块中JR端连接单片机端口，单片机端口为高电平时，NPN三极管导通，P沟道功率场效应管IRQ9540的栅极电压降低，IRQ9540导通，加热电阻R开始加热。单片机端口为低电平时，P沟道功率场效应管IRQ9540的栅极电压为24 V，IRQ9540关闭，加热电阻不工作。

图5 加热电路

3．4 单片机模块

该电路采用内嵌CAN控制器的S9S08DZ60微处理器，微处理器外围电路如图6所示。单片机的TXCAN、RXCAN引脚分别接收发器的TXD和RXD引脚；ADP1引脚用于采集由传感器输出、经电路放大后的电压信号，经内部转换可得出颗粒浓度的数字量；PTD2引脚用来控制加热电路的开关；ADP2引脚用来采集电阻丝R上的电压，经A/D转换可得出对应传感器工作温度的数字量。

图6 微处理器模块

3．5 CAN收发器模块

CAN收发器模块主要由TJA1040高速CAN收发器、滤波电容、保护二极管和终端电阻组成[7-8]，如图7所示。单片机内嵌CAN模块的TXCAN和RXCAN分别与收发器的TXD和RXD连接。收发器的CNH和CNL连接至总线，为了保证阻抗匹配，还需添加匹配电阻。此外，在总线上还加入了滤波和保护电路。

图7 CAN收发器模块

4 智能接口软件设计

智能接口软件采用模块化的设计思想，将软件分成若干相对独立的功能模块，为各个模块安排合适的入口和出口参数，使得模块之间相互连接。智能接口软件由初始化模块、数据采集和处理模块、颗粒物传感器数据MAP模块、输出控制模块、加热和测温模块、CAN总线通讯模块等组成，各模块在监控系统程序的调度下协调工作。CAN总线通讯模块由3部分组成：初始化程序、发送程序和接收程序。基于S9S08DZ60和TJA1040的CAN接口模块通过CAN总线与其他节点建立通讯。CAN总线的发送和接收流程图如图8所示。

(a)CAN接收程序流程图

(b)CAN发送程序流程图

5 实验

5．1 实验装置

实验装置如图9所示，主要包括两大部分：传感器电路板和开发板。传感器电路模块是开发的，也是被测试的对象。开发板是外购的，它有CAN收发器、LED数码管以及键盘。传感器电路板与电源、高阻值可调电阻R、6000-02-100 μA型精密电流表A和加热电阻丝R构成实验装置，两板的收发器通过CAN总线连接。

图9 实验装置

5．2 试验方法和结果

在实验中通过调节电阻R的大小来获得不同的电流值，电流大小由6000-02-100 μA型精密电流表A读取，在0～120 nA之间变化，并通过放大器放大和转换成为相应的电压信号，由单片机采集处理后通过CAN总线发送到开发板上，并由数码管把结果显示出来。记录6000-02-100 μA型精密电流表A上的数值和开发板数码管上显示的结果。试验中对3块不同的传感器电路板进行测试和记录，得出的数据如表1所示，经Excel处理得出平面图如图10所示，图中显示电流和转化后电压的对应关系和公式。开发板上的按键8和按键10 用来控制传感器电路板功能的选择，按键8按下开始采集微电流信号，按键10按下采集温度值，按键8和按键10同时按下，加热电阻开始工作。

表1 微电流放大数据

图10 电流放大结果

实验表明，信号放大电路能够完成微电流信号的放大功能，并且具有很好的线性度；两板之间的CAN通讯的实时性和可靠性在实验中也得到验证；按下按键10，开发板显示温度的数字量，按键8和按键10同时按下，电阻丝R开始加热。因此，传感器电路板能够达到预期的设计要求。

6 结论

基于CAN总线的颗粒传感器智能接口，实现了颗粒传感器输出的微电流信号的转换和放大，且与转换后电压信号具有很好的线性关系；实现了对传感器工作温度的测量，用温度值对PM2．5的浓度进行修正；加热模块可以根据需要对堵塞的传感器进行加热净化，使其恢复到工作状态；实现了CAN通讯模块与发动机其他控制单元数据的共享。

[1] 农毅．基于CAN总线的网络化汽车传感器的研究与设计．传感器与微系统,2007,26(8): 90-92．

[2] 罗峰,苏剑,袁大宏．汽车网络与总线标准．汽车工程,2003,25(4): 372-376．

[3] 王黎明，夏立，邵英，等．CAN现场总线系统的设计与应用．北京：电子工业出版社，2008．

[4] 叶昌盛．实用直流放大器的设计．电子工程师,2005,31(10):30-32．

[5] SEDRA A S,SMITH K C．微电子电路．5版．周玲玲，蒋乐天，应忍冬，等译．北京：电子工业出版社，2006．

[6] 徐永植,滕军．传感器系统的误差差动补偿技术．国外建材科技,2004,25(5):71-74．

[7] 饶运涛，邹继军，王进宏,等．现场总线原理与应用技术．2版．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

[8] ROUCHE D．汽车车载网络(VAN/CAN/LIN)技术详解．北京：机械工业出版社，2006．

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

国家自然基金项目(51176068)；2012年江苏省国际科技合作项目(BZ2012025)；内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题(K2014-9)

2014-03-18 收修改稿日期：2014-10-28

TK411

B

1002-1841(2015)03-0016-03

徐亚超(1987—)，硕士研究生，主要研究方向为发动机排放检测和控制。E-mail:xuyachao666@163．com 汤东(1969—)，教授，主要从事内燃机测试方面的研究。 E-mail: dtang@ujs．edu．cn