基于飛思卡爾單片機的SCR控制器開發

卞啟杰，安偉

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122）

基于飛思卡爾單片機的SCR控制器開發

卞啟杰，安偉

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122）

為了實現SCR系統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設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統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，以及尿素噴嘴驅動控制器設計；軟件部分采用CodeWarrior集成開發工具進行模塊化設計編程，能夠完成對其輸出信號進行檢測，經控制算法數據處理后得到尿素噴嘴的控制輸出。實際應用表明，該系統能夠準確的測量各類信號，對尿素噴嘴進行控制，達到了設計要求。

尿素噴射；MC9S12XE；CodeWarrior；模塊化設計

自柴油機問世以來，以其良好的燃油經濟性、動力性、耐久性等優點，而被廣泛應用[1]。隨著一批先進機型和技術的引進以及低碳減排、新能源的國家政策的鼓勵，柴油機產業正處于大力發展的時期，但隨之柴油機的排放問題也越來越受到人們關注[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準為國-Ⅳ標準。面對日趨嚴格的排放法規，生產商開發各種后處理技術，而SCR技術則是其中較為成熟的一種。SCR技術由于其經濟性能好，具有較好的耐硫性以及不需對發動機結構做出改變等特點，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系統的重要組成部分，其控制性能的高低直接影響了SCR系統性能[4]。

針對SCR系統的應用對象，采用飛思卡爾車用單片機作為控制器的微處理器；汽車電子上數據通訊以CAN總線為基礎，利用飛思卡爾單片機自帶的MSCAN模塊，采用82C250CAN收發器，以實現CAN通訊模塊設計；SCR控制器控制尿素噴嘴噴射，而尿素噴嘴的驅動電流較大，單片機I/O口不能直接實現驅動，文中以MOSFET為基礎設計噴嘴驅動電路，實現尿素噴嘴的驅動控制。

1　SCR控制器總體設計

完整的SCR控制器應包含電源模塊、微處理器模塊、信號采集模塊、驅動輸出模塊、數據存儲模塊和通信等功能模塊[5]，其具體系統框圖如圖1所示。電源模塊用于各模塊的供電，應保證各模塊都能平穩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、復位電路等；信息采集模塊負責外圍傳感器信號的采集，在SCR系統中主要有排氣溫度采集與NOx濃度采集；驅動輸出模塊是控制器最終輸出，這里是指尿素噴嘴的驅動；數據存儲模塊用于存儲各種數據，SCR控制器軟件設計中需要預先存儲大量標定數據，運行過程中需要對運行數據進行存儲以方便系統自檢測[6]，所以數據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據交換。

圖1　SCR控制器基本硬件構成

2　系統硬件設計

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，可以適用于特別復雜的汽車環境，其所具備的合格性包括適應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定性和可靠性，完全能滿足汽車電子領域運行環境惡劣的苛刻要求[7]。

MC9S12XE系列單片機自帶MSCAN模塊、脈沖寬度調制模塊（PWM）以及AD轉換模塊，完全滿足功能設計要求[8]。

2.2數據采集模塊

SCR系統需要對環境溫度、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模數轉換[9]，因MC9S12XE系列單片機自帶模數轉換模塊，設計中僅需將傳感器信號線轉接至對應模數轉換引腳即可。硬件設計電路如圖2所示。

圖2　排氣溫度檢測電路

2.3NOx濃度采集

SCR系統需要對催化器出入口的氮氧化物濃度進行監測，以滿足系統控制需求，控制器所需要的NOx傳感器普遍采用5WK9系列傳感器。這類傳感器的數據傳輸以CAN總線為基礎[10]，將檢測到的數據以一定的時間間隔發送到CAN總線上，微處理器通過CAN總線即可獲取到采集的數據或其他信息（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協議，外加一個CAN收發器即可獲取CAN總線上的信息和向總線上發送數據，設計采用的CAN收發器為82C250。82C250收發器電路圖如圖3所示。

圖3　CAN總線收發器電路

2.4驅動輸出模塊

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

圖4　噴嘴驅動電路

3　SCR軟件系統設計

SCR軟件系統采用 CodeWarrior集成開發工具開發設計。程序采用C語言進行編寫[11]，并采用模塊化設計思想，即將主程序分成若干功能模塊來實現，先編寫各個功能模塊的程序，最后主程序通過調用子程序的方法將所有模塊連在一起，構成整個SCR系統控制程序。

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，對控制算法各類數據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，進行各類數據采集處理，驅動輸出，故障診斷等。控制主體部分不斷進行循環，直到掉電或出現意外中止。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系統工況數據，其間存在各類誤差，為了減少信號誤差，軟件設計中加入了對應的濾波處理，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噴嘴驅動子程序

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

圖5　控制流程圖

圖6　信號濾波流程圖

圖7　噴嘴驅動周期信號

噴嘴開啟通過PWM1實現，噴嘴開啟通過PWM2實現。驅動電流的大小與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。噴嘴驅動子程序流程圖如圖8所示。

4　系統調試

系統調試包括硬件調試和軟件調試兩個部分內容。

硬件調試：主要是對所設計電路的基礎功能實現方面的檢測，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。

軟件調試：SCR軟件利用CodeWarrior軟件開發工具設計，SCR系統較為復雜，在軟件設計過程中，采用的是軟件模塊化設計，軟件調試伴隨著軟件設計進行，即對系統各個子程序進行編寫，進行調試，修改語法錯誤。

圖8　噴嘴驅動子程序流程圖

5　結　論

經過軟硬件調試與設計，所設計控制器，能夠較好的滿足設計要求。控制器能夠根據能夠根據所檢測到工況的變化，調節尿素噴嘴控制信號以滿足SCR系統的控制要求。由于汽車工況范圍較大，軟件設計中并沒有考慮一些極限工況的情況，比如工況溫度較高，或者各類信號發生突變的情況，故軟件系統有待完善，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，江蘇寶應人，碩士研究生。研究方向：機械電子工程，尾氣后處理。