摘要：空氣流量作為發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量和點(diǎn)火時(shí)間的重要參數(shù)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比, 因此, 孔板流量必須準(zhǔn)確測量。利用孔板流量計(jì)直接測量空氣流量的特點(diǎn), 提出以32位ARM Cortex M0+內(nèi)核的MKE02Z32VLC2單片機(jī)為控制核心, 充分利用其內(nèi)部的FLASH、ADC、FTM等硬件資源設(shè)計(jì)了一款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣孔板流量計(jì)。針對(duì)傳統(tǒng)車用流量計(jì)忽略環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻自熱效應(yīng)的缺陷進(jìn)行改進(jìn);為提高信號(hào)采集的性, 提出改進(jìn)型的濾波算法;設(shè)計(jì)的流量計(jì)輸出模擬和數(shù)字信號(hào)解決傳統(tǒng)流量計(jì)只輸出單一信號(hào)而無法通用的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測試表明, 流量計(jì)精度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。
 
    0 引言
    孔板流量計(jì)應(yīng)用于汽車燃油噴射裝置上, 安裝在汽車空氣濾清器和節(jié)氣門之間的進(jìn)氣通道上, 用于實(shí)時(shí)測定發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣質(zhì)量流量。電控單元 (ECU) 根據(jù)孔板流量計(jì)的輸出信號(hào)來決定基本噴油量和點(diǎn)火時(shí)間, 使得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下都能獲得***佳空燃比 (空氣質(zhì)量/燃油質(zhì)量) 。因此, 孔板流量計(jì)的測量精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃油效率及減少汽車尾氣排放有著至關(guān)重要的作用。
    目前用于測量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的流量計(jì)按照測量參數(shù)可以分為體積流量型和質(zhì)量流量型, 質(zhì)量流量型流量計(jì)按其敏感單元不同又可以分為熱線式和熱膜式2種。熱線式和熱膜式的工作原理相同, 只是結(jié)構(gòu)不同, 均可直接測量空氣的質(zhì)量流量, 相比體積型流量計(jì), 孔板流量計(jì)具有更高的精度和響應(yīng)速度。
    本文以 E系列32位ARM Cortex M0+內(nèi)核芯片MKE02Z32VLC為核心進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 其具有強(qiáng)大的處理性能和強(qiáng)抗干擾性[1], 其推出的目的是取代傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī), 文中充分利用其內(nèi)部資源進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的車用孔板流量計(jì)取得了較好的重復(fù)性和精度, 但是其忽視了溫度補(bǔ)償電阻也是有電流的, 當(dāng)空氣流量增大, 這種自熱效應(yīng)更加明顯[3], 本文對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量計(jì)的電橋進(jìn)行了優(yōu)化;文獻(xiàn)[4]在標(biāo)定時(shí)采用了256B的EE-PROM儲(chǔ)存偏差值, 標(biāo)定值分辨率較低, 本文利用了處理器的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器, 使用4 KB FLASH存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)偏差值, 提高了標(biāo)定偏差值的分辨率。為提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 對(duì)信號(hào)采集的濾波算法進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于傳統(tǒng)車用孔板流量計(jì)只輸出一種模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行改進(jìn), 使得流量計(jì)同時(shí)輸出模擬和數(shù)字信號(hào)以滿足不同電控ECU對(duì)信號(hào)的需求。
    1 孔板流量計(jì)的原理
    孔板流量計(jì)在測試管道放置2個(gè)鉑電阻, 加熱電阻通過較大電流, 另一個(gè)溫度補(bǔ)償電阻通較小電流用于溫度補(bǔ)償 (傳統(tǒng)車用流量計(jì)忽略其自熱) 。根據(jù)托馬斯理論[5]:“氣體的吸熱量或放熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”, 可得氣體質(zhì)量流量和加熱電阻所消耗的電能關(guān)系為

    式中:E為單位時(shí)間內(nèi)加熱電阻對(duì)流換熱所散失的熱量, J;C為空氣的比熱容, J/ (kg·℃) ;ΔT為空氣溫度定常值, ℃;q為單位時(shí)間內(nèi)空氣的質(zhì)量流量, kg/h。
    由于空氣比熱容是一個(gè)定值, 則質(zhì)量流量只與加熱電阻所消耗的電能和溫差有關(guān), 因此有2種方案:恒溫差式和恒流式[6-7]。由于恒流方案存在響應(yīng)滯后等缺點(diǎn), 無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求, 所以一般采用恒溫差方式。
    根據(jù)傳熱學(xué)原理, 加熱電阻存在強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射等幾種方式的傳熱。由于流量計(jì)加熱電阻與空氣溫差小于300℃, 因而熱輻射影響極小。在流速大于0.5 m/s時(shí), 自然對(duì)流、導(dǎo)熱也可忽略不計(jì)。因此, 加熱電阻主要在于強(qiáng)迫對(duì)流傳熱, 可以推導(dǎo)出散熱量與空氣的質(zhì)量流量Qm的關(guān)系式為
 

    式中:Qfc為強(qiáng)制對(duì)流散熱, J;K為常數(shù);KT為溫度系數(shù), 隨溫度升高而增大, KT=0.15~0.18%/℃, 這種溫度漂移可以通過點(diǎn)橋上電阻的配置來抵消) ;Th為加熱電阻溫度, ℃;Tat為進(jìn)氣溫度, ℃。
    2 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)
    硬件框圖如圖1所示。加熱控制電路保持惠斯登電橋的平衡, 當(dāng)有空氣流過加熱電阻, 加熱控制電路維持加熱電阻與環(huán)境補(bǔ)償電阻的溫度差。由于流量信號(hào)非常微弱且變化范圍小, 因此需要調(diào)理, 并且進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后還要再經(jīng)過濾波算法進(jìn)行濾波處理, 進(jìn)而對(duì)得到的基本流量信號(hào)再處理, ***后輸出PWM流量信號(hào), 經(jīng)過12位DAC7512進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)。
    3 主測量電路
    圖2是傳統(tǒng)溫差式熱式孔板流量計(jì)的工作原理圖, RK、R1、R2、RH、RM組成惠斯登電橋。RH是加熱電阻, RK是環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻 (其作用是測量進(jìn)氣溫度, 進(jìn)氣溫度變化時(shí)該電阻阻值變化進(jìn)而使得加熱電阻溫度變化, 惠斯登電橋進(jìn)行調(diào)整, 使加熱電阻的溫度保持比溫度補(bǔ)償電阻高出一定值) 。將RH和RK置于惠斯登電橋的兩臂, RH通入的電流需要50 m A以上, 用于測量空氣流量。R1、R2、RM均為精密電阻。通過合理設(shè)置R1、R2、RM的電阻阻值, 在電路通電時(shí)使得UM>UN, 運(yùn)放輸出高電平, 功率三極管Q加大電流, 使得RH溫度上升, 阻值上升。當(dāng)電路平衡時(shí)有UM=UN, 也即:

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

    當(dāng)有空氣流過加熱電阻時(shí)帶走熱量, 通過功率三極管Q加大電流補(bǔ)償空氣帶走的熱量, 保持加熱電阻RH與環(huán)境溫度的恒定溫差。通過RH上電流的改變引起的電壓變化來得到空氣流量信號(hào)。

圖2 基本測量電路

    以上基本電路忽略了RK的自熱效應(yīng), 只有當(dāng)RK上的電流遠(yuǎn)小于RH上的電流才能使得RK的發(fā)熱忽略不計(jì)。我們?nèi)A云儀表為解決發(fā)動(dòng)機(jī)用孔板流量計(jì)的溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行改進(jìn):其基本思想是將環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻RK上的電壓設(shè)置為原來的1/K倍, 在保持電路平衡時(shí), 再利用差動(dòng)放大電路將其電壓值放大K倍, 當(dāng)K較大時(shí), 可以有效地降低溫度補(bǔ)償電阻對(duì)電橋的影響, 保證電橋的準(zhǔn)確度。如圖3所示, 三極管的發(fā)射極經(jīng)過R3、R4進(jìn)行分壓, 經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨之后給RK、R2進(jìn)行供電, 這樣就降低了電壓K倍數(shù), 可得N點(diǎn)的電壓如式 (4) 。
 

    運(yùn)算放大器將VN的電壓通過差動(dòng)放大電路進(jìn)行放大, 由運(yùn)放“虛短”和虛斷可以得到點(diǎn)N'的電壓如式 (5) :

    通過調(diào)整RI1、RI2、RF1、RF2、R3、R4使其得到式 (6) :

    當(dāng)R4+R3遠(yuǎn)大于R4時(shí), 則可以解決溫度補(bǔ)償電阻RK因自熱效應(yīng)造成的偏差。

 
    流量信號(hào)檢測原理圖如圖4所示, 從惠斯登電橋輸出的流量信號(hào)先經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大, 其輸出信號(hào)再經(jīng)過差動(dòng)放大電路輸出, ***后通過ADC模擬接口電路進(jìn)行輸出信號(hào)的調(diào)整后送入MKE02Z32VLC2進(jìn)行相關(guān)處理, 控制器自帶12位SAR AD, 32 KB的FLASH, 并有PWM、SPI等模塊。

圖4 信號(hào)處理電路

 
    4 濾波算法
    在流量檢測電路檢測出空氣流量后, 經(jīng)過信號(hào)處理電路處理的流量信號(hào)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換, 因此需要較高精度的A/D轉(zhuǎn)換器, 本文采用MKE02Z32VLC2處理器自帶12位分辨率的SAR ADC。對(duì)基本流量信號(hào)進(jìn)行多次重復(fù)測量, 并通過改進(jìn)后的濾波算法進(jìn)行濾波, 某次測量得到的A/D值如表1所示。

    表1 某次流量信號(hào)測量A/D值

    數(shù)字濾波算法步驟如下:
    (1) 首先對(duì)流量值使用希爾排序算法進(jìn)行排序, 希爾算法的平均時(shí)間復(fù)雜可以達(dá)到O (N1.3) , 其思想是先將整個(gè)排序元素分割成若干個(gè)子序列, 然后分別進(jìn)行直接插入排序。對(duì)數(shù)據(jù)用希爾排序后得到:2 192, 2 197, 2 198, 2 209, 2 212, 2 213, 2 217, 2 217, 2 218, 2 220, 2 237, 2 341。
    (2) 然后求平均值及標(biāo)準(zhǔn)差:平均值為2 222.58, 標(biāo)準(zhǔn)差為39.2。
    (3) 可以剔除的數(shù)可能為***大值、***小值, 計(jì)算2個(gè)數(shù)的殘差:2 192-2 222.58=-30.58;2 341-2 222.58=118.42。
    (4) ***小值的Gmin=(平均值-***小值) /標(biāo)準(zhǔn)差, ***大值的Gmax=(***大值-平均值) /標(biāo)準(zhǔn)差。
    (5) 確定檢出水平, 一般為0.01或0.05, 值越大置信區(qū)間越寬松, 根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行確定, 本論文使用0.01, 查表可以得到固定的臨界值, 與G1、Gn作比較;若G1 (Gn) 大于臨界值, 則剔除, 反之保留。顯然, ***大值2 341被剔除了。
    (6) 重復(fù)步驟2至步驟5, 直到所有數(shù)據(jù)滿足要求。
    (7) 進(jìn)行均值濾波, 輸出信號(hào)。
    本系統(tǒng)使用的濾波算法能有效濾除干擾, 保證數(shù)據(jù)的平滑性而又不失實(shí)時(shí)性, 能夠快速對(duì)外界的干擾進(jìn)行響應(yīng)。每次采樣后先進(jìn)行一次排序, 排序后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除, 降低計(jì)算周期提高濾波效果。

    5 測試結(jié)果
    在設(shè)計(jì)完流量計(jì)后, 對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定, 為不破壞單片機(jī)的應(yīng)用程序, 將標(biāo)定的偏差值保存在MKE02Z32VLC的FLASH存儲(chǔ)器的***尾部4 KB扇區(qū)內(nèi)。由于受測試儀器的限制, 并沒有作出整個(gè)空氣流量范圍內(nèi)的 (8~370 kg/h) 的數(shù)據(jù)測量。只測量前半段的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的流量計(jì)滿足汽車級(jí)寬范圍的輸入直流電壓7~18 V?；玖髁繙y試結(jié)果如表2所示。

    表2 流量測試結(jié)果

    從上面可以看出, 所設(shè)計(jì)的孔板流量計(jì)的輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)數(shù)據(jù)非常吻合, 說明精度能達(dá)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。
    6 結(jié)束語
    本文對(duì)傳統(tǒng)孔板流量計(jì)忽視溫度補(bǔ)償電阻的自熱效應(yīng)問題, 通過降低溫度補(bǔ)償電阻的電流來降低其對(duì)流量信號(hào)的影響。對(duì)流量信號(hào)的采集濾波算法結(jié)合格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化, 并集成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的輸出, 使其能夠同時(shí)輸出模擬和數(shù)字信號(hào), 適應(yīng)不同的電控單元。在標(biāo)定時(shí), 通過使用MKE02Z32VLC2內(nèi)部32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器, 將標(biāo)定偏差值存儲(chǔ)在FLASH的高4 KB地址處而無需另外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。電路設(shè)計(jì)采用了汽車級(jí)的集成電路, 并使用小型貼片封裝減少電路板的面積以便能適用于取樣件。測試結(jié)果表明, 流量計(jì)具有較高的精度, 能夠滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。