CN102022204A - 一种基于can总线用于汽车气缸的空燃比分析装置及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车气缸空燃比分析领域，特别是涉及一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置及其分析方法，气缸设置有ECU单元，其特征在于，所述装置包括：与气缸连接的氧传感器；通过氧传感器获取气缸氧含量情况及温度，用以计算得到过量空气系数λ值及废气中含氧百分比的过量空气系数处理模块；过量空气系数处理模块通过CAN总线与气缸的ECU单元实现闭环反馈控制。本发明结构简单，并通过CAN总线通信以及串口通信，可以实现与汽车其他控制单元的信号反馈处理以及计算机对数据状态的实时监控，提高了扩展性，并且可为另外的扩展ECU控制发动机以及计算机软件等提供数据支持。

Description

一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置及其分析方法

技术领域

本发明涉及汽车气缸空燃比分析领域，特别是涉及一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置及其分析方法。

背景技术

全球范围内由于汽车尾气排放造成的污染日趋严重，汽车尾气排放的控制已经受到越来越多的关注，空燃比A/F(A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比；空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。

现有技术的汽车气缸空燃比分析装置具有以下缺点：

1.结构复杂，不适合市场广泛使用；

2.现有技术仅用于对气缸空燃比进行分析，并未能实现对汽车的反馈控制；

3.现有技术多采用普通氧传感器(也称开关式，或窄域氧传感器)进行测量，普通氧传感器只能传输可燃气体是浓或稀两种混合状态，不能应用在复杂的汽车系统中；

4.现有技术中，氧传感器自身抗干扰性弱、输出电压范围窄、耗用能量高。

发明内容

本发明提供了一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置，以解决现有空燃比分析装置结构复杂而且不能对汽车实现反馈控制的技术问题。

本发明的另一个发明目的在于提供一种空燃比分析方法，以解决现有技术中抗干扰性弱的技术问题。

为了实现本发明的第一个发明目的，采用的技术方案如下：

一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置，气缸设置有ECU单元，其特征在于，所述装置包括：

与气缸连接的氧传感器；

通过氧传感器获取气缸氧含量情况及温度，用以计算得到过量空气系数λ值及废气中含氧百分比的过量空气系数处理模块；

过量空气系数处理模块通过CAN总线与气缸的ECU单元实现闭环反馈控制。

作为一种优选方案，所述装置还包括与氧传感器和过量空气系数处理模块分别连接的场效应管加热模块，由过量空气系数处理模块控制对氧传感器进行加热。

作为进一步的优选方案，所述装置还包括氧传感器接口模块，过量空气系数处理模块通过氧传感器接口模块从氧传感器获取气缸氧含量情况及温度。

作为再进一步的优选方案，所述氧传感器为宽域氧传感器，所述氧传感器接口模块为宽域氧传感器接口模块。

作为一种优选方案，所述过量空气系数处理模块通过CAN总线将过量空气系数λ值及废气中含氧百分比反馈给气缸的ECU单元，进而调节ECU喷油持续时间，实现闭环控制。

作为进一步的优选方案，所述装置还包括串行通信模块和微型计算机，所述过量空气系数处理模块通过与串行通信模块与微型计算机通信。

作为进一步的优选方案，所述装置还包括用于显示过量空气系数λ值及废气中含氧百分比，与过量空气系数处理模块连接的显示模块。

为了实现本发明的第二个发明目的，采用的技术方案如下：

一种空燃比分析方法，所述方法包括：

(81)通过氧传感器获取气缸氧含量及温度；

(82)对获取的气缸氧含量及温度进行A/D转换；

(83)根据气缸氧含量及温度计算过量空气系数λ值及废气中含氧百分比；

(84)把过量空气系数λ值反馈给气缸的ECU单元，条件ECU喷油持续时间；作为进一步的优选方案，所述不知(83)还包括：

(91)判断气缸温度是否低于阈值，如果低于阈值，则执行步骤(92)；

(92)通过场效应管加热模块对氧传感器进行加热。

作为进一步的优选方案，所述步骤(82)还包括：

(101)对经过A/D转换后的数据，先去掉其中的最大值和最小值；

(102)计算剩余数据的算术平均值。

本发明结构简单，并通过CAN总线通信以及串口通信，可以实现与汽车其他控制单元的信号反馈处理以及计算机对数据状态的实时监控，提高了扩展性，并且可为另外的扩展ECU控制发动机以及计算机软件等提供数据支持。本发明通过宽域氧传感器可以在较宽的范围内测量空燃比，它比普通氧传感器的测量范围广，而且精度也要高。本发明中氧传感器自身抗干扰性强、输出电压范围宽、更加节能。

附图说明

图1为，本实施例与汽车气缸的结合框图。

图2为，宽域氧传感器接口控制单元组成框图。

图3为，宽域氧传感器接口控制单元电路原理图。

图4为，电源模块原理图。

图5为，宽域氧传感器接口控制单元串行通讯电路原理图。

图6为，主程序流程图，表示整个程序所有模块的流程。

图7为，测量模块流程图，表示如何对采集的数据进行A/D转换的流程。

图8为，防脉冲干扰数据处理流程图，消除数据采集的误差的流程。

图9为，CAN总线控制器结构图。

图10为，CAN通信初始化和法数据帧的软件流程图，表示如何对CAN总线通信进行初始化以及通信的主要流程。

图11为，显示子程序流程图，表示如何通过液晶显示对采集转换后的数据进行显示的主要流程。

图12为，按钮扫描程序流程图，表示在测量状态下LED显示的切换和设置状态下参数的调整流程。

图13为，串行通信模块流程图，表示将单片机与微型计算机系统联接，通过微机对下位机的测量结果进行数据处理和图形处理主要流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实施例包括：

与气缸连接的宽域氧传感器；

通过宽域氧传感器获取气缸氧含量情况及温度，用以计算得到过量空气系数λ值及废气中含氧百分比的过量空气系数处理模块；

过量空气系数处理模块通过CAN总线与气缸的ECU单元实现闭环反馈控制。

与宽域氧传感器和过量空气系数处理模块分别连接的场效应管加热模块，由过量空气系数处理模块控制对氧传感器进行加热；

宽域氧传感器接口模块，过量空气系数处理模块通过宽域氧传感器接口模块从宽域氧传感器获取气缸氧含量情况及温度；

串行通信模块和微型计算机，所述过量空气系数处理模块通过与串行通信模块与微型计算机通信。

过量空气系数处理模块通过CAN总线将过量空气系数λ值及废气中含氧百分比反馈给气缸的ECU单元，进而调节ECU喷油持续时间，实现闭环控制。

宽域氧传感器接口控制单元包括以下五个部分：

电源电路：首先开关型可调式电压调节模块电路用于将24V转化为14V；其次消耗型电压调节模块电路用于将14V转化为5V。

微控制器(MCU)：其主要负责AD数据采集、液晶显示模块控制、串口通讯以及宽域氧传感器的加热元件控制和故障诊断等。

宽域氧传感器接口电路集成模块：其主要用于宽域氧传感器泵电流IP的控制和泵电压信号的放大。

液晶显示模块：用于实时显示发动机缸内混合气的空燃比数值。

串行通讯接口：其用于宽域氧传感器接口控制单元与发动机电子控制单元(ECU)之间进行通讯。

宽域氧传感器接口控制单元组成框图如图2所示，电路原理图如图3所示。

如图4所示控制单元CJ125集成模块需要14V的电压供应，氧传感器接口控制单元需要5V电压供电，单片机C8051F040需要3.3V的电压供电，由于车载本身有24V的直流稳压电源，故采用LM317芯片作为一个可调变压电路，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器，是高精度电源的电压，其内阻小，电压稳定，噪音极低，输出纹波小(输出端仅用100uf)，能有效的保证电路的高度稳定工作，提高瞬间特性和高频特性。具有以下特点：

(1)可调整输出电压低到1.2V，高到37V。

(2)保证1.5A输出电流。

(3)典型线性调整率0.01％。

(4)典型负载调整率0.1％。

(5)80dB纹波抑制比。

(6)输出短路保护。

(7)过流、过热保护。

(8)调整管安全工作区保护。

(9)标准三端晶体管封装。

根据LM317本身提供的可调输出电压公式Vout＝1.25V(1+R2/R1)+Iadj*R2，可以计算得出最低的电压是1.25V，而电位器R1则在14V输出电路中调节为2.4K左右，在5V输出电路中调节为0.72K左右，在3.3V输出电路中调节为0.4K左右。虽然输出电压可调，但考虑到负载对输出电压有一定的影响，故由14V输出电压作为3.3V输出电路的输入电压，由车载24V作为14V和5V输出电路的输入电压。

串行通讯接口用于宽域氧传感器接口控制单元与发动机电子控制单元(ECU)之间进行通讯。本控制单元采用MAXIM公司生产的MAX232驱动串行通讯接口。图5为本控制单元串行通讯接口电路原理图。

本发明的系统软件采用嵌入式C语言按模块化原则编写。在主程序中，主要包括数据采集模块、转速计算模块、串行通讯模块、CAN通信模块、显示模块和键值处理模块。

(1)主程序

主程序流程图如图6所示。首先进行主程序初始化，主要是对单片机各I/O口进行设定。然后进入到A/D转换模块，开始模拟量采集、显示；然后进行数字量采集、显示。进入串行通讯模块，判断是否需要发送数据。最后进入键盘扫描模块，扫描有效按键，判断键值，并进入相应的处理。

(2)数据采集模块

数据采集模块是本系统最重要、最基本的功能，是仪器的目的和实质所在它在完成UEGO传感器输出信号采集的同时，可以根据完成空燃比(A/F)、过量空气系数(λ)、废气氧含量(O2％)等参数的计算功能，并可以由显示模块实现所测量值的实时显示。数据采集程序流程图如图7所示。因为在C8051F040单片机中采用浮点运算较为复杂，因此本系统中对空燃比、过量空气系数和废气氧含量的计算通过程序间接寻址查表完成。查表时以UEGO传感器电压值的1000倍再除以5为地址，查取相应量的低位值，高位值则由循环判断赋值，这样查到的值为实际值的1000倍，后面进行数码显示及后台数据处理时需要注意。

程序中通过循环扫描按键判断要显示的量，系统上电后默认显示过量空气系数(λ)。通过面板上的按键可以切换所显示的量。如需要进行参数设置，则进入参数设置状态，可以通过键盘设置各项参数。

A/D转换子程序用来实现模拟量的转换。当输入通道的模拟信号叠加干扰信号时，使数据采集误差加大。特别当输入通道模拟信号较弱时，此现象更加严重。为了消除数据采集的误差，子程序采用平均值滤波法和防脉冲干扰平均值滤波法，防脉冲干扰平均值滤波法即先去掉N个数据中的最大值和最小值然后计算N-2个数据的算术平均值。这种方法不仅可对随机干扰信号进行滤波而且可消除由于脉冲干扰而引起的误差。程序流程简图如图8所示。

(3)CAN总线通信模块

CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。CAN具有极高的可靠性，高实时性特点特别适合工业过程监控设备的互连，已被公认是最有前途的现场总线之一

C8051FF040的所有CAN协议功能都由独立的CAN控制器而不是由51处理器来完成。因此，CAN通信占用CPU带宽很小，51处理器只需要通过特殊功能寄存器(SFR)配置CAN控制器，数据过滤器就可以了。F040的CAN控制结构如图9所示。

为避免51CPU读写Message RAM与CAN信息收发之间产生冲突，CPU不直接读写Message Object，而是通过专门的寄存器(IFx Interface Registers)来配置信息目标。

CAN通信协议的最大特点之一就是废除了传统的站地址编码，而使用信息块标志码。ID28-0，Xtd和Dir用来定义信息标志码，以及定义即将发送数据帧的类型(远程帧或标准帧)，并且与Mask28-0，MXtd和Mdir一起用来作为将要接收数据帧的过滤器。一个已接收到的信息被放在有效的(MsgVal＝1)、具有匹配标志码的Message Object里。只有当Xtd＝1时，远程帧才被放入MessageObject，Xtd＝0时，标准帧被放入Message Object。当多于一个的有效Messageobject与收到的信息匹配，则该条信息被放入号码最小的Message object里。Data0-Data7是8个数据字节。CAN通信初始化和法数据帧的软件流程如图10所示。

(4)显示与键盘扫描模块

液晶显示子程序流程图如图11所示。由于计算机内数据均是以二进制的形式进行运算，并且一般都是采用8进制和16进制读写，但是当需要进行显示时，需要转换成便于识别的十进制码，即BCD(Binary Coded Decimal)码，它具有二进制数的形式以满足数字系统的要求，又具有十进制的特点。将A/D转换后的值转换成BCD码之后，根据选用显示控制芯片的特点，按位分别发送指令和数据。

按键扫描程序流程图如图12所示。此模块主要实现的功能为测量状态下LED显示的切换和设置状态下参数的调整。测量状态下可以利用按键切换LED上显示的采集量，空燃比、过量空气系数和氧含量值。参数设置状态下，H/C的范围为0.00~9.99，步长为0.01，O/C的取值范围为0.000~9.999，每次改变0.001。在功能键中，A/F、λ和O2％三键为互斥，它们对就的指示灯只能有一个亮，数字显示及模拟输出内容即由此定。键入任一个，则关闭另两个。MEA与SET互斥，它们控制两种状态。‘↑’(UP)和‘↓’(DOWN)两键在SET键指示灯亮时有效，即只在参数设置时有效。在这些功能键中，A/F、λ、O2％和MEA四键不接收连续输入，即按下键后只接收一次，若不放开键，则仪器不再响应，而SET、TIME、↑和↓四键接收连续输入，若连续按下这些键，则系统连续响应。RST键为复位键，若系统发生意外锁死，按此键则系统复位。

(5)串行通讯模块

为了进一步的扩展功能，本系统将单片机与微型计算机系统联接，通过微机对下位机的测量结果进行数据处理和图形处理。本设计中使用C8051F040内部串行通讯接口，通过RS-232标准通讯接口与微机联接，并在串行通讯程序中发送数据缓冲区的数据。

在程序软件设计中首先对串行口初始化和设置初值，使其工作在方式1下的查询法，波特率为1200波特，允许接收。其流程图如图13所示。

(6)软件抗干扰设计

软件具备抗干扰能力，可以在不影响系统可靠性的前提下，可降低对硬件抗干扰能力的要求，从而提高系统的性价比。为了防止各种干扰对微机造成的往往很难预料后果，甚至可使微机失控，所以必须采取有效的措施恢复系统的正常运行。

1、启动看门狗定时器WDT

WDT是一个自带RC振荡时钟的定时器，用于监视程序的运行状态，如果有程序失控发生跑飞或死机后，WDT就会强行复位CPU，使程序从初始化开始从新运行。

2、指令冗余设计

为使出现“跑飞”程序在程序区能迅速的纳入正轨，应多用单字节指令，在关键地方插入一些单字节指令，如空操作指令NOP。对于程序流向起决定作用的指令和某些对系统工作状态有重要作用的指令的后面，可重复这些指令，确保指令的正确执行。

3、设置软件陷阱

当程序受到干扰影响，致使PC值超出应用程序区，导致程序运行失效，数据区及工作寄存器中数据被破坏。在程序中设置软件陷阱，引导程序进入指定的指令操作，并最终回到程序入口处。

4、数字滤波

采用防脉冲干扰平均值滤波法，可消除由于脉冲干扰而引起的误差，前面已经提到了。

5、CAN总线通信

无破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁，可借助接收滤波的多地址帧传送，具有错误检测与出错帧自动重发功能，数据传送方式可分为数据广播式和远程数据请求式，可以保证数据的正确传输。

Claims (10)

1.一种基于CAN总线用于汽车气缸的空燃比分析装置，气缸设置有ECU单元，其特征在于，所述装置包括：

与气缸连接的氧传感器；

通过氧传感器获取气缸氧含量情况及温度，用以计算得到过量空气系数λ值及废气中含氧百分比的过量空气系数处理模块；

过量空气系数处理模块通过CAN总线与气缸的ECU单元实现闭环反馈控制。

2.根据权利要求1所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述装置还包括与氧传感器和过量空气系数处理模块分别连接的场效应管加热模块，由过量空气系数处理模块控制对氧传感器进行加热。

3.根据权利要求1所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述装置还包括氧传感器接口模块，过量空气系数处理模块通过氧传感器接口模块从氧传感器获取气缸氧含量情况及温度。

4.根据权利要求3所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述氧传感器为宽域氧传感器，所述氧传感器接口模块为宽域氧传感器接口模块。

5.根据权利要求1所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述过量空气系数处理模块通过CAN总线将过量空气系数λ值及废气中含氧百分比反馈给气缸的ECU单元，进而调节ECU喷油持续时间，实现闭环控制。

6.根据权利要求1～5任一项所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述装置还包括串行通信模块和微型计算机，所述过量空气系数处理模块通过与串行通信模块与微型计算机通信。 

7.根据权利要求1～5任一项所述的空燃比分析装置，其特征在于，所述装置还包括用于显示过量空气系数λ值及废气中含氧百分比，与过量空气系数处理模块连接的显示模块。

8.一种空燃比分析方法，其特征在于，所述方法包括：

(81)通过氧传感器获取气缸氧含量及温度；

(82)对获取的气缸氧含量及温度进行A/D转换；

(83)根据气缸氧含量及温度计算过量空气系数λ值及废气中含氧百分比；

(84)把过量空气系数λ值反馈给气缸的ECU单元，条件ECU喷油持续时间。

9.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，所述不知(83)还包括：

(91)判断气缸温度是否低于阈值，如果低于阈值，则执行步骤(92)；

(92)通过场效应管加热模块对氧传感器进行加热。

10.根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，所述步骤(82)还包括：

(101)对经过A/D转换后的数据，先去掉其中的最大值和最小值；

(102)计算剩余数据的算术平均值。 

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