基于飛思卡爾單片機的SCR控制器開發(fā)

卞啟杰，安偉

（江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

基于飛思卡爾單片機的SCR控制器開發(fā)

卞啟杰，安偉

（江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

為了實現(xiàn)SCR系統(tǒng)對尿素噴射控制的需求，提出了一種基于MC9S12XE系列單片機的控制器的測試系統(tǒng)設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件部分主要對控制算法所需要檢測的各類信號進行采集，以及尿素噴嘴驅(qū)動控制器設(shè)計；軟件部分采用CodeWarrior集成開發(fā)工具進行模塊化設(shè)計編程，能夠完成對其輸出信號進行檢測，經(jīng)控制算法數(shù)據(jù)處理后得到尿素噴嘴的控制輸出。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測量各類信號，對尿素噴嘴進行控制，達到了設(shè)計要求。

尿素噴射；MC9S12XE；CodeWarrior；模塊化設(shè)計

自柴油機問世以來，以其良好的燃油經(jīng)濟性、動力性、耐久性等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用[1]。隨著一批先進機型和技術(shù)的引進以及低碳減排、新能源的國家政策的鼓勵，柴油機產(chǎn)業(yè)正處于大力發(fā)展的時期，但隨之柴油機的排放問題也越來越受到人們關(guān)注[2]。目前，世界各國對NOx和PM的排放要求日趨嚴格，而我國目前采用的排放標(biāo)準(zhǔn)為國-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。面對日趨嚴格的排放法規(guī)，生產(chǎn)商開發(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)濟性能好，具有較好的耐硫性以及不需對發(fā)動機結(jié)構(gòu)做出改變等特點，被視為最具有前景的柴油機后處理方式[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SCR系統(tǒng)的應(yīng)用對象，采用飛思卡爾車用單片機作為控制器的微處理器；汽車電子上數(shù)據(jù)通訊以CAN總線為基礎(chǔ)，利用飛思卡爾單片機自帶的MSCAN模塊，采用82C250CAN收發(fā)器，以實現(xiàn)CAN通訊模塊設(shè)計；SCR控制器控制尿素噴嘴噴射，而尿素噴嘴的驅(qū)動電流較大，單片機I/O口不能直接實現(xiàn)驅(qū)動，文中以MOSFET為基礎(chǔ)設(shè)計噴嘴驅(qū)動電路，實現(xiàn)尿素噴嘴的驅(qū)動控制。

1　SCR控制器總體設(shè)計

完整的SCR控制器應(yīng)包含電源模塊、微處理器模塊、信號采集模塊、驅(qū)動輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲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；信息采集模塊負責(zé)外圍傳感器信號的采集，在SCR系統(tǒng)中主要有排氣溫度采集與NOx濃度采集；驅(qū)動輸出模塊是控制器最終輸出，這里是指尿素噴嘴的驅(qū)動；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲各種數(shù)據(jù)，SCR控制器軟件設(shè)計中需要預(yù)先存儲大量標(biāo)定數(shù)據(jù)，運行過程中需要對運行數(shù)據(jù)進行存儲以方便系統(tǒng)自檢測[6]，所以數(shù)據(jù)存儲模塊的可靠非常重要；通信模塊主要用于各個模塊之間的數(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

2.1微處理器選擇

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

MC9S12XE系列單片機自帶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)計要求[8]。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

SCR系統(tǒng)需要對環(huán)境溫度、尿素溫度、尿素液位以及排氣溫度進行實時檢測。微處理器對這四類傳感器的處理方式相同，在此以排溫傳感器為例。

排氣溫度檢測采用PT200鉑熱型電阻傳感器，微處理器需要對其進行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換[9]，因MC9S12XE系列單片機自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計中僅需將傳感器信號線轉(zhuǎn)接至對應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳即可。硬件設(shè)計電路如圖2所示。

圖2　排氣溫度檢測電路

2.3NOx濃度采集

SCR系統(tǒng)需要對催化器出入口的氮氧化物濃度進行監(jiān)測，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。這類傳感器的數(shù)據(jù)傳輸以CAN總線為基礎(chǔ)[10]，將檢測到的數(shù)據(jù)以一定的時間間隔發(fā)送到CAN總線上，微處理器通過CAN總線即可獲取到采集的數(shù)據(jù)或其他信息（錯誤代碼等）。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)動輸出模塊

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

圖4　噴嘴驅(qū)動電路

3　SCR軟件系統(tǒng)設(shè)計

SCR軟件系統(tǒng)采用 CodeWarrior集成開發(fā)工具開發(fā)設(shè)計。程序采用C語言進行編寫[11]，并采用模塊化設(shè)計思想，即將主程序分成若干功能模塊來實現(xiàn)，先編寫各個功能模塊的程序，最后主程序通過調(diào)用子程序的方法將所有模塊連在一起，構(gòu)成整個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。程序由初始化開始，對控制算法各類數(shù)據(jù)和微處理器各類功能進行初始化，初始化部分只在上電的時候運行一次，然后程序進入控制主體部分，進行各類數(shù)據(jù)采集處理，驅(qū)動輸出，故障診斷等。控制主體部分不斷進行循環(huán)，直到掉電或出現(xiàn)意外中止。整個控制流程圖如圖5所示。

3.2信號濾波子程序

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

3.3噴嘴驅(qū)動子程序

SCR系統(tǒng)所采用的尿素噴嘴驅(qū)動電流分為兩個階段：啟動電流階段，驅(qū)動噴嘴快速打開，此階段所需電流較大，持續(xù)時間較短；維持電流，維持噴嘴張開狀態(tài)，此階段所需電流相對較小，持續(xù)時間相對較長。驅(qū)動噴嘴周期性信號可如圖7所示。軟件系統(tǒng)利用兩列PWM波來實現(xiàn)對噴嘴的變電流驅(qū)動，以t1表示噴嘴打開是時間，T表示噴射周期，則此時系統(tǒng)輸出占空比可如式（1）表示：

圖5　控制流程圖

圖6　信號濾波流程圖

圖7　噴嘴驅(qū)動周期信號

噴嘴開啟通過PWM1實現(xiàn)，噴嘴開啟通過PWM2實現(xiàn)。驅(qū)動電流的大小與PWM波占空比成正比，故可通過控制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的控制時間。噴嘴驅(qū)動子程序流程圖如圖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)試兩個部分內(nèi)容。

硬件調(diào)試：主要是對所設(shè)計電路的基礎(chǔ)功能實現(xiàn)方面的檢測，對各個模塊以及各個元器件的好壞進行測量；檢查各個元器件之間是否短路；檢查各個元器件是否焊接牢靠。

軟件調(diào)試：SCR軟件利用CodeWarrior軟件開發(fā)工具設(shè)計，SCR系統(tǒng)較為復(fù)雜，在軟件設(shè)計過程中，采用的是軟件模塊化設(shè)計，軟件調(diào)試伴隨著軟件設(shè)計進行，即對系統(tǒng)各個子程序進行編寫，進行調(diào)試，修改語法錯誤。

圖8　噴嘴驅(qū)動子程序流程圖

5　結(jié)　論

經(jīng)過軟硬件調(diào)試與設(shè)計，所設(shè)計控制器，能夠較好的滿足設(shè)計要求。控制器能夠根據(jù)能夠根據(jù)所檢測到工況的變化，調(diào)節(jié)尿素噴嘴控制信號以滿足SCR系統(tǒng)的控制要求。由于汽車工況范圍較大，軟件設(shè)計中并沒有考慮一些極限工況的情況，比如工況溫度較高，或者各類信號發(fā)生突變的情況，故軟件系統(tǒng)有待完善，以進一步提高控制精度。

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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：201511125

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