CN101943591A - 一种智能汽车空气质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种智能汽车空气质量流量计，包括流量传感器和智能控制电路，智能控制电路通过原有接口与汽车ECU实现电连接，其特征是：所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换使用以下二种方式之一：①、所述原有接口的电压输出引脚同时作为传感器信号已校准电压输出引脚和与外部校准计算机进行数据交换的复用引脚；②、在所述智能控制电路内设有无线通讯模块，数字处理器通过无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交换。因此采用同一种电路可以方便的使用校准装置进行批量生产目前汽车市场上任何空气流量计，并可以更新算法，从而大大提高了产品质量，简化了生产过程，降低了生产和库存成本。

Description

一种智能汽车空气质量流量计

技术领域

本发明涉及气体流量计，具体说是一种不需增加引线的智能汽车空气质量流量计。

背景技术

热式汽车空气质量流量测量利用热交换原理来实现。汽车用空气质量流量计安装在汽车滤清器和节气门之间的进气通道上，用来测量吸入发动机中的空气量，其输出信号作为汽车发动机燃油电喷系统中控制燃油喷射量的主要参数，决定汽车的基本喷油量和喷油时间。空气质量流量计对整车性能影响很大，直接影响汽车发动机的动力性、经济性、油耗、尾气排放指标等总体性能。

热式空气流量计传感器部分主要有恒温差式和热分布式两种方法。图1是恒温差工作方式的空气流量传感器，在恒温差式方式工作下，流量计控制发热电阻高于环境温度一个固定值，当空气流过发热的电阻时，将带走一部分热量，流量计为维持恒定的温差就必须提供比静止空气下更多能量以补充带走的热量。

传统的方法是流量计将流量传感器1的输出信号使用运算放大器放大和整形，使其输出为所要求的流量/输出电压关系。这种方法存在以下弊病：1.运算电路复杂，使用大量元器件，因而降低了流量计的可靠性；2.由于发热电阻不可能具有完全相同的几何形状和电阻阻值，因而不同的流量传感器在同一流量下输出的电信号会有误差，这就要求调整运算电路的元件参数，使流量计满足规定的流量/输出电压关系，导致生产工艺复杂，生产效率低下；3.由于电路中大量电阻都要求是非标准的精密电阻，要保证精度，就必须大量使用激光调阻，增加生产成本，而激光调阻前不能确定传感器输出信号随流量的准确变化关系，因而即便使用激光调阻，也很难满足精度的要求。

日本发明专利申请公开号CN 1451093A提出一个解决办法，其流量计中的控制电路使用DSP进行控制，通过高于二次表达式的多项表达式的函数，使用软件方法来实现流量/输出电压关系的校准。这种方法实际存在几个问题，1.由于外加了SCI总线，使得流量计引脚与当前各车型配套使用的流量计无法兼容。2.如果SCI总线从流量计的其它部位引出，将破坏传感器的校准过程中的流体流场，因而使校准流场与实际使用流场不同产生误差，实际上传感器的校准过程几乎无法进行；3.在流量/电压输出的过程中，只使用单一函数来拟合目标输出特性，使得目标输出曲线和校准后的输出特性曲线依然存在较大的误差。

专利CN 201034658Y认为日本发明专利申请公开号CN 1451093A所述方法成本高而无法得到实际应用，从而使用单片机通过ISP总线来达到日本专利CN 201034658Y的目的，但同样必须使用额外增加的引线，实际上没有解决原来的问题。

由于不能改变流量计的标准连接接口，而额外增加的引线的存在，无论在生产、试验或实际应用中，该引线的位置和形态变化都增加了空气通道流场的不确定性，使输出数据相对于原始流量计发生了变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需增加引线的智能汽车空气质量流量计，流量计在不增加外引线条件下可以实现与计算机的数据交换，采用样条插值函数进行输出特性曲线的校准。这种流量计与目前市场上的流量计完全兼容，在进行校准过程中无需增加任何连线，因而可保证校准和实际使用时流场的一致性，采用二次或者二次以上样条插值函数进行输出特性曲线的校准，对流量/输出电压关系进行分段拟合，可以得到很高的精度。通过这个发明，可以使用同样的电路和元器件参数，大批量生产用于不同规格和型号的汽车流量计，从而本质上改变了该领域的生产模式，使得一种全新的汽车空气质量流量计的生产方法得以诞生。

所述智能汽车空气质量流量计，包括流量传感器和智能控制电路，流量传感器的电压输出端与智能控制电路的A/D转换器输入端连接，并且经过数字处理器拟合标准流量/电压曲线计算后由D/A转换器输出，智能控制电路通过原有接口与汽车ECU实现电连接，其特征是：所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换使用以下二种方式之一：

①、所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换方式之一是，原有接口的电压输出引脚同时作为传感器信号已校准电压输出引脚和与外部校准计算机进行数据交换的复用引脚，该电压/通信复用引脚在智能控制电路内与信号混合单元连接；

②、所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换方式之二是，在所述智能控制电路内设有无线通讯模块，数字处理器通过无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交换，无线通讯模块与数字处理器通过数据线及控制线相互连接。

所述智能汽车空气质量流量计，包括流量传感器和智能控制电路。流量传感器的电压输出端与智能控制电路的A/D转换器输入端连接，在工作情况下，经过数字处理器按照二次或者二次以上样条插值函数计算方法计算出输出电压，并由D/A转换器输出到原有接口，与汽车ECU实现电连接；在校准情况下，可以在不增加额外引线的条件下，通过有线或者无线两种方式与外部校准计算机进行数据交换，其中有线方式是利用DTMF或者调制解调器与D/A输出信号混合，实现汽车空气质量流量计电压输出引脚与计算机进行数据交换，无线方式是利用内带调制解调的无线通讯模块收发计算机传送的数据，接收并保存来自计算机产生的算法，可以模拟任何现存汽车流量计的流量/电压输出特性。

该流量计工作在汽车进气滤清器和发动机进气门之间，流量计内部设有流量传感器和流量计智能控制电路。流量传感器输出带有空气流量信息的电信号，此电信号的大小与空气的质量流量成单调上升关系；流量传感器将电信号输入到智能控制电路，智能控制电路将电信号经过A/D转换成数字信号，CPU或数字处理器按照二次或者二次以上样条插值函数计算输出电压，并经过D/A转换输出表征流量大小的电压，从原有接口输出到汽车ECU单元。

作为一种实施例，使用单一复用线与外部计算机通讯方式中，所述智能控制电路，将D/A转换器输出信号与DTMF编码器或者调制解调器输出信号经过信号混合单元混合后从电压/通信复用引脚输出，所述DTMF编码器与数字处理器通过数据线及控制线相互连接。所述原有接口的电压输出引脚同时作为传感器信号已校准电压输出引脚和数据通信的复用引脚，该电压/通信复用引脚在智能控制电路内与信号混合单元连接。

作为另一种实施例，所述智能控制电路内设无线通讯模块，数字处理器通过无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交换，无线通讯模块与数字处理器通过数据线及控制线相互连接。所述无线通讯模块可以使用下述无线通讯方式之一：UWB(超宽频)、ZigBee、Bluetooth(蓝牙)、Wi-Fi(无线局域网)、NFC(短距离通讯)、RFID(射频识别)。无线通讯模块也不局限于使用以上六种近距离通讯方式，无线通讯技术还有DECT、无线1394等其它技术，都属于本专利无线通讯模块的范畴。

由于流量计体积和结构的限制，智能控制电路部分可以集成到一个芯片内。

所述流量传感器是下述之任一种：厚膜或薄膜热电阻所构成的惠斯登电桥的一部分、恒温差式空气质量流量传感器、热分布式空气质量流量传感器。

所述智能控制电路其已校准电压输出引脚的输出特性按照二次或者二次以上样条插值函数或其它插值方式获取。来改变已校准电压输出引脚所输出的流量/输出电压关系，以拟合各种不同输入/输出特性的流量计。

本发明可以在不增加通讯引线的条件下，利用现有汽车空气流量计引脚与计算机进行数据交换，并对于流量计的气体流量/输出电压关系采用二次或者二次以上样条插值函数来进行函数变换，以精确拟合任何单调变化的输入/输出函数要求，因此采用同一种电路可以方便的使用生产线校准装置进行批量生产目前汽车市场上任何空气流量计，并且可以对成品进行重复校准，从而大大提高产品质量，简化了生产过程，降低了生产和库存成本。

附图说明

图1是本发明单线复用实施例电路结构框图示意图，

图2是本发明无线通讯实施例电路结构框图示意图，

图3是本发明实施例结构主视图，

图4是汽车空气质量流量计的接口结构示意图。

图中：1-流量传感器，2-智能控制电路，3-Rh1电阻，4-A/D二，5-数字处理器，6-D/A转换器，7-信号混合单元，8-DTMF编码器或调制器，9-A/D一，10-加热电阻Rh，11-桥路电压采集点M，12-测温电阻Rk，13-空气通道，14-原有接口，15-电压/通信复用引脚，16-无线通讯模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：该流量计工作在汽车进气滤清器和发动机进气门之间，流量计内部设有流量传感器1和流量计智能控制电路2。如图1、2中所示，流量传感器1可以是恒温差式的热式空气质量流量传感器，也可以是热分布式的空气质量流量传感器；对应于图1实施例来说，传感器工作时它置于测量管道中，并自动控制加热电阻Rh 10比测温电阻Rk 12高出一恒定温度，当空气流过传感器时，带走传感器Rh上的热量或改变传感器探头中的热分布，流量传感器输出带有空气流量信息的电信号，此电信号的大小与空气的质量流量成单调上升关系；流量传感器1将电信号输入到智能控制电路2，智能控制电路2将电信号经过A/D转换成数字信号，数字处理器5按照二次或二次以上样条函数插值计算输出电压，并经过D/A转换输出表征流量大小的电压。

如图1、2所示，所述智能汽车空气质量流量计，包括流量传感器1和智能控制电路2，流量传感器1的电压输出端与智能控制电路2的A/D转换器4、9的输入端连接，并且经过数字处理器校准后由D/A转换器6输出，智能控制电路2通过原有接口14与汽车ECU实现电连接。

作为与生产线计算机进行校准的通讯方式，如图1，通讯方式之一是使用原原有接口的输出信号线复用为数据通讯线，所述原有接口14的电压输出引脚同时作为传感器信号已校准电压输出引脚和数据通信的复用引脚，该电压/通信复用引脚15在智能控制电路2内与信号混合单元7连接。数字处理器5通过一个三态可控的DTMF或MODEM与D/A并联，作为流量计的输出。

所述智能控制电路2，将D/A转换器6输出信号与调制解调器或者DTMF编码器8输出信号经过信号混合单元7混合后从电压/通信复用引脚15输出，所述调制解调器或者DTMF编码器8与数字处理器5通过数据线及控制线相互连接。

作为与生产线计算机进行校准的通讯方式，如图2所示，另一种通讯方式是所述智能控制电路2内设无线通讯模块16，数字处理器5通过无线通讯模块16与外部校准计算机进行数据交换，无线通讯模块16与数字处理器5通过数据线及控制线相互连接。所述无线通讯模块可以使用下述无线通讯方式之一：UWB(超宽频)、ZigBee、Bluetooth(蓝牙)、Wi-Fi(无线局域网)、NFC(短距离通讯)、RFID(射频识别)。无线通讯模块16也不局限于使用以上六种近距离通讯方式，无线通讯技术还有DECT、无线1394等其它技术，都属于本专利无线通讯模块的范畴。

所述流量传感器1是下述之任一种：厚膜或薄膜热电阻所构成的惠斯登电桥的一部分、恒温差式热式空气质量流量传感器、热分布式空气质量流量传感器。

所述智能控制电路2，其数字处理器5按照二次或者二次以上样条插值函数或其它插值方式计算，来改变已校准电压输出引脚所输出的流量/输出电压关系，以拟合各种不同输入/输出特性的流量计。

本发明流量计涉及如下方案：

一)、环境温度的测量

如图1实施例所示，CPU或者数字处理器5通过两路A/D分别采集惠斯登电桥的平衡电压和桥路电压，A/D一9采集平衡电压，即Rh1电阻3两端电压Vh1，A/D二4采集桥路电压采集点M 11的桥路电压Vt；设Rh1电阻的阻值为Rh1，由此可计算出加热回路的电流Ih1：

$\mathrm{Ih}1=\frac{\mathrm{Vh}1}{\mathrm{Rh}1}---\left(1\right)$

由(1)可计算出此时加热电阻的阻值，由于已知加热电阻的温度系数和温差值，进而可计算出当前流量计所处环境的温度，为温度补偿计算提供依据。

二)、二次样条插值计算流量/输出电压关系

在满程流量的范围内，按照传感器信号大小近似均匀分布取N个校准点Vin0，Vin1......Vinn，Vin0对应零流量时的传感器输出电压，Vinn对应流量计最大流量时的传感器输出电压，任意两点Vin(i-1)-Vin(i-1)的差值尽可能相等，以提高计算的精度；如果要求输出的电压对应为Vo0，Vo1......Von，其中Vo0对应零流量时的输出电压，Von对应流量计最大流量时的流量计输出电压，由Vin0、Vin1、Vin2、Vin3和对应的Vo0、Vo1、Vo2、Vo3四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout1＝A1+B1*Vin+C1*Vin*Vin            (2)

式中，Vout1表示校准点1处的输出电压，A1、B1、C1为常数。

最后四点Vin(n-3)、Vin(n-2)、Vin(n-1)、Vinn和对应的Vo(n-3)、Vo(n-2)、Vo(n-1)、Von四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout(n-3)＝A(n-3)+B(n-3)*Vin+C(n-3)*Vin*Vin    (3)

式中，Vout(n-3)表示校准点n-3处的输出电压，A(n-3)、B(n-3)、C(n-3)为常数。

四点采样是为了保证二次函数的收敛。

对于所检测到的传感器输出任意电压Vin，根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式。

N+1个校准点的传感器输出电压在校准过程中被传送给计算机，计算机根据目标输出电压计算出表达式：

Vout(i)＝A(i)+B(i)*Vin+C(i)*Vin*Vin    (4)

上式中i＝1～n-3，Vout(i)表示校准点i处的输出电压，A(i)、B(i)和C(i)为常数。

所有常数A(i)、B(i)和C(i)由计算机计算出并传输到流量计中的非易失性存储器里。

对于所检测到的传感器输出任意电压Vin，流量计根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式，类似的算法也用于温度补偿的计算。

三)、流量计与计算机的数据交换

本发明的重点是流量计与计算机的数据交换。流量计的电压输出和调制信号的数据传输是通过同一引脚的连线实现的，或者通过无线通讯模块16作为与生产线计算机进行数据传输的。申请号为CN201034658Y、CN 1451093A的专利同样必须使用额外增加的引线，实际上没有解决原来的问题，使得流量计无法实现真正的统一电路元件和参数在大批量生产中适应于各种汽车车型，而其输出的传感器流量电压信号又能够符合不同车型的不同要求。从图3、4的流量计外形结构可以看到，流量计的外形，特别是与ECU的信号接口已经是确定不变的，原有接口14的5个引脚已分别被电源和传感器输出信号线所占据，申请号为CN 201034658Y、CN 1451093A的专利使用额外增加的引线，由于额外增加的引线的存在，该引线的位置和形态变化都增加了空气通道13流场的不确定性，使输出数据相对于原始流量计发生了变化。同时由于本发明流量计在不改变原来流量计原有接口和形状的情况下，与外部计算机有了可以进行数据通讯的方式，使得流量计在已封装情况下仍然可以对智能控制电路的核心算法进行重复更新，用以拟合不同车型的不同输出曲线和适应不同的发动机进气通道状态。

本发明在使用电压/通信复用引脚15方式中，在智能控制电路2中，使用了电压信号和数据信息的复合技术，以DTMF为例，DTMF模块通过两组频率，高频群(4个频率)和低频群(4个频率)的组合，得到16种状态，调制信号与输出电压并联，使输出电压携带调制信号，在计算机一端同时安置一个DTMF收发模块，解调流量计的信号。

在正常工作状态(不与计算机通讯的状态)，CPU控制DTMF模块处于接近高阻状态的接受状态，流量计采集传感器的流量和温度信号，根据非易失性存储器中的数据计算输出电压，经D/A转换器输出到流量计的输出端。

在需要流量计与计算机的时候，计算机首先发出经调制的信号，流量计中的DTMF模块解调信号并转换为0-15的数字，CPU根据所接收到的数据进行与计算机的数据交换。

电路模块OUT的作用是适当的控制D/A输出和DTMF模块的输出阻抗，使调制信号的幅度在30～50mVp-p之间。

Claims (5)

1.一种智能汽车空气质量流量计，包括流量传感器和智能控制电路，流量传感器的电压输出端与智能控制电路的A/D转换器输入端连接，并且经过数字处理器拟合标准流量/电压曲线计算后由D/A转换器输出，智能控制电路通过原有接口与汽车ECU实现电连接，其特征是：所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换使用以下二种方式之一：

①、所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换方式之一是，原有接口(14)的电压输出引脚同时作为传感器信号已校准电压输出引脚和与外部校准计算机进行数据交换的复用引脚，该电压/通信复用引脚(15)在智能控制电路(2)内与信号混合单元(7)连接；

②、所述智能控制电路与外部校准计算机进行数据交换方式之二是，在所述智能控制电路(2)内设有无线通讯模块(16)，数字处理器(5)通过无线通讯模块(16)与外部校准计算机进行数据交换，无线通讯模块(16)与数字处理器(5)通过数据线及控制线相互连接。

2.根据权利要求1所述的智能汽车空气质量流量计，其特征是：所述带有信号混合单元(7)的智能控制电路(2)，将D/A转换器(6)输出信号与DTMF编码器或者调制解调器(8)输出信号经过信号混合单元(7)混合后从电压/通信复用引脚(15)输出，所述DTMF编码器或者调制解调器(8)与数字处理器(5)通过数据线及控制线相互连接。

3.根据权利要求1所述的智能汽车空气质量流量计，其特征是：所述无线通讯模块(16)使用下述无线通讯方式之一：超宽频UWB、蓝牙、无线局域网Wi-Fi、短距离通讯NFC、射频识别RFID。

4.根据权利要求1所述的智能汽车空气质量流量计，其特征是：所述流量传感器(1)是下述之任一种：厚膜或薄膜热电阻所构成的惠斯登电桥的一部分、恒温差式空气质量流量传感器、热分布式空气质量流量传感器。

5.根据权利要求1或2或3所述的智能汽车空气质量流量计，其特征是：所述智能控制电路(2)其已校准电压输出引脚的输出特性按照二次或者二次以上样条插值函数或其它插值方式获取。

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