CN110735699B - 一种氮氧化物传感器控制器 - Google Patents

一种氮氧化物传感器控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮氧化物传感器控制器，包括：加热器电阻测量电路，微控制单元，加热驱动电路，第一、二、三泵电流检测电路，以及第一、二、三泵电压控制电路。通过加热器电阻测量电路测量传感器加热器电阻，通过三个独立的泵电压控制与泵电流检测实现对泵的控制与检测。微控制器对采集的加热器电阻信号、泵电流检测信号进行运算处理，得到加热控制信号、泵电压控制信号、输出氧浓度信号、氮氧化物浓度信号。本发明控制器实现了氮氧化物传感器的加热器电阻的精确测量，提高了传感器的温度控制精度，在此基础上实现了对氮氧化物传感器泵单元控制以及泵电流信号的精确测量，提高了氮氧化物传感器对汽车尾气中氧浓度、氮氧化物浓度的检测精度。

Description

一种氮氧化物传感器控制器
技术领域
本发明属于汽车尾气后处理领域，更具体地，涉及一种氮氧化物传感器控制器。
背景技术
随着标准不断升级，内燃机行业已无法在技术路线上同时满足节能和减排两个方面要求，为了节能必然提高燃料利用率，而氮氧化物NOx就是在高温富氧条件下生成的，其对环境的污染和对人体健康的危害越来越受到人们的重视，其浓度的检测和排放控制技术是目前国际上最前沿和热门的研究领域。氮氧NOx传感器从材料上主要分为基于氧化锆固体电解质和金属氧化物半导体两大类，而金属氧化物半导体材料因稳定性差和使用寿命短，不适合车载复杂环境使用。
目前唯一成熟和商用化的车用氮氧传感器是基于氧化锆固体电解质材料极限电流工作原理的电流型，其依靠3个泵电池，不仅完成NO浓度检测，还能测量尾气空燃比值。电流型氮氧传感器输出的电信号是微安和纳安级别，开发超高精度、快响应的电信号处理和检测集成模块是技术关键之一，现有电流型氮氧传感器信号控制过程存在极强的耦合性，这极大影响检测的稳定性和精度；此外电流型氮氧传感器在冷启动过程中温度上升的速率和平滑性是影响氮氧传感器的冷启动响应时间和使用寿命的关键因素，同时在尾气中的实时工作温度对其测量精度、稳定性具有决定性作用，目前该控制器技术与产品应用均由外国公司垄断，成本较高。因此，提供一种低成本、高性能的氮氧化物传感器控制器，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种氮氧化物传感器控制器，用以解决现有氮氧化物传感器控制器因对各泵电压控制和电流检测均不能解耦进行而存在无法高效精确测量各项指标的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氮氧化物传感器控制器，包括：
加热器电阻测量电路、氮氧化物传感器中的电热器所在电阻测量回路，其中，所述加热器电阻测量电路用于通过D/A端口接收微控制单元产生的电流信号并施加给所述电阻测量回路，测量该回路中的回路电流以及所述加热器两端电压并通过A/D端口输送至微控制单元；
所述微控制单元，用于基于所述回路电流和所述加热器两端电压，计算加热器电阻并将其与预设温度下阻值作对比，生成温度控制信号；
加热驱动电路，用于基于所述温度控制信号，向所述电阻测量回路输送功率；
第一、二、三泵电流检测电路，分别用于采用三运放结构的仪表运算放大器接收对应泵电流信号并放大，通过差分低通滤波器，对放大处理后的电流信号滤波并通过A/D端口传至所述微控制单元，以生成对应泵的电压控制信号；
第一、二、三泵电压控制电路，分别用于通过D/A模块接收所述电压控制信号，并基于所述电压控制信号，控制对应泵的泵电压。
本发明的有益效果是：本发明采用加热器电阻测量电路，首先给电阻测量回路施加电流，然后通过测得回路上的压差，以通过微控制单元计算得到电阻值，通过电阻值与温度的关系，进行加热控制，有效提高了传感器的冷启动性能以及使用寿命和抗热震性能，实现了传感器加热器电阻检测以及加热闭环控制的分时复用电路。在此基础上，稳定传感器的工作温度，之后，通过三个独立的泵电压控制电路与泵电流检测电路，实现对各泵的电压控制及各泵电流的检测，并将送至微控制单元；微控制单元对采集的加热器的电阻测量信号、泵电流检测信号进行运算处理，输出加热控制信号、泵电压控制信号，实现对传感器中泵氧及氮氧化物分解的过程控制。同时，通过对三个泵的泵电压解耦控制，使得传感器能快速跟随汽车发动机尾气的剧烈变化。另外，针对泵电流的微信号特性，引入了高增益、高共模抑制比的仪表运放电路，并搭配差分低通滤波器作为输出级，有效滤除放大过程中的噪音信号，实现了纳安级泵电流的精确检测，从而极大级高了氮氧化物浓度的检测精度。因此，本发明控制器能够在低成本条件下控制传感器完成汽车尾气空燃比和氮氧化物浓度的快速精确测量。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述加热驱动电路，具体用于：基于所述温度控制信号，通过调节功率MOS管的开断，以控制加热功率的输出。
本发明的进一步有益效果是：采用功率MOS管，实现方便，微控制器可以直接输出占空比可调的脉冲波也就是PWM，在高电平时开启MOS管，在低电平时关闭MOS管；其次，做温度闭环反馈时，可以直接根据偏差量，调整PWM的占空比，从而即时改变加热功率，另外，以10ms周期为例，占空比一般最高也是20％，即高电平只有2ms，剩下8ms是低电平，即这8ms是不加热、不输出加热电流的，那么即可在这段时间里激活测量电流，在该8ms的低电平时间去实时测量电阻，达到了加热回路和测量回路分时复用的效果，这样在一个10ms周期里，既加热也测量，就提高了测量温度的实时性。
进一步，所述加热器电阻测量电路包括：
电流产生电路，用于通过D/A端口接收微控制单元产生的模拟电压信号，并将该模拟电压信号转换为基准电流施加给所述电阻测量回路；
电流检测电路，用于采样、放大所述基准电流并发送至所述微控制器单元，以标定所述基准电流的大小；
H+端电压检测电路和Tmp端电压检测电路，分别用于检测所述电阻测量回路中加热端端子H+与参考端端子Tmp的电位并发送至微控制器单元，以根据所述基准电流和所有所述电位，计算实时加热器电阻。
本发明的进一步有益效果是：采用电流产生电路、电流检测电路、H+端电压检测电路和Tmp端电压检测电路的结合进行电阻测量。采用电流产生电路主要是为了可以通过MCU控制这个电流产生电路的开启与否，在加热低电平的时候，通过MCU来开启电流产生回路。电流检测回路的好处是精确的标定这个测量电流的大小，测量电流的准确度会直接影响最后测量精确度。通过测量加热端端子H+与参考端端子Tmp，可以排除引线电阻RL对加热板电阻测量产生的影响，提高测量精度。
进一步，所述电流产生电路具体用于：采用运算放大器通过D/A端口接收微控制单元产生的模拟电压信号，并将其放大后经过三极管的基极，在第一电阻中产生电流并通入所述电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流；
所述电流检测电路具体用于：通过使所述基准电流流经第二电阻，采用第一差分运算放大器，取所述第二电阻两端压差并经信号放大后通过A/D端口输送至微控制器单元；
所述H+端电压检测电路具体用于：采用第二差分运算放大器取所述电阻测量回路的H+端对地输出电压值并放大，并采用一阶RC滤波器对所述放大后的信号滤波后通过A/D端口送入微控制单元，以计算得到H+端电压；
所述Tmp端电压检测电路具体用于：采用第三差分运算放大器取所述电阻测量回路的Tmp端对地输出电压值并放大，采用一阶RC滤波器对所述放大后的信号滤波后通过A/D端口送入微控制单元，以计算得到Tmp端电压。
本发明的进一步有益效果是：本发明采用差分运算放大器、一阶RC滤波器等，可靠性高，且成本低。
进一步，还包括与所述微控制单元连接的CAN通信接口电路，用于与外部进行通信。
本发明的进一步有益效果是：通过设置CAN通信接电路，可实现将微控制单元的计算结果(包括氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值)发送至需求方，实用性高。
进一步，所述温度控制信号为PWM脉宽调制信号。
本发明的进一步有益效果是：采用PWM脉宽调制信号，加热器电阻测量电路以PWM信号低电平作为控制信号驱动产生测量电流，使加热器驱动与加热器内阻测量在同一个PWM周期内进行，从而保证了内阻测量的实时有效。
进一步，所述第一、二、三泵电流检测电路分别具体用于：
经待测泵阴极板将待测泵电流引入第三电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取所述第三电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制单元。
本发明的进一步有益效果是：对于各泵电流检测电路在采样环节使用较高阻值、低温漂的高精度电阻，保证准确的反映电流信号，同时尽量降低温度波动对转化带来的影响；采样后先送入差分低通滤波器滤除在放大器输入端的射频干扰，这种干扰会造成直流失调误差，使得放大后的电压和理论值相比会有一定的波动，差分低通滤波器添加在信号的输入端处，可以尽可能的隔绝这种射频干扰，增加了后级电路的抗干扰能力；放大环节采用三运放结构的仪表运算放大器，提高了放大级输入阻抗和共模抑制比，实现了高倍数低误差的信号放大。这种放大电路具有低失调、低输出误差、高信噪比、高共模抑制比、高增益等特点，极大提高了微弱信号放大的准确性。
进一步，所述D/A模块，分别与第一、二、三泵电压控制电路以及氮氧化物传感器中第一、二、三泵的公共阳极板电连接，用于接收微控制单元通过SPI传输的各泵电压控制信号，并对每个电压控制信号D/A转换后，通过对应泵电压控制电路和所述公共阳极板向对应泵施加控制电压。
进一步，所述以生成对应泵的电压控制信号，具体为：
所述微控制单元基于第一泵阴极板和第二泵阴极板分别与参考极板之间的电压差，得到第一泵和第二泵上的能斯特电压，并基于每个能斯特电压与其对应的能斯特参考电压，进行PID运算，生成对应泵的泵电压控制信号；以及基于第二泵的泵电流信号与参考电流，进行PID运算，生成第三泵的泵电压控制信号；
则第一、二、三泵电压控制电路分别具体用于：
采用运算放大器的负相端接收所述D/A模块发送的待测泵泵电压控制信号并通过该运算放大器放大后输至对应泵的阴极板，以通过该阴极板和所述公共阳极板调节氮氧化物传感器中对应泵的能斯特电压逼近设定值。
进一步，所述微控制单元还用于：
根据所述加热器电阻、所述第一、二、三泵电流检测电路检测的电流信号进行运算处理，得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值并存储。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种氮氧化物传感器控制器的示意框图；
图2为本发明实施例提供的加热器电阻测量回路示意图；
图3为本发明实施例提供的加热器驱动电路示意图；
图4为本发明实施例提供的氮氧化物传感器的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种氮氧化物传感器控制器的示意图；
图6为本发明实施例提供的加热器电阻测量电路中的电流生成电路示意图；
图7为本发明实施例提供的泵电流检测电路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1、公共阳极板，2、第一泵阴极板，3、第二泵阴极板，4、加热板，5、第三泵阴极板，6、空气参考腔极板，7、参考腔极板接线端子，8、第一泵阴极板接线端子，9、公共阳极板接线端子，10、第二泵阴极板接线端子，11、H+接线端子，12、Tmp接线端子，13、H-接线端子，14、第三泵阴极板接线端子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种氮氧化物传感器控制器，如图1所示，包括：加热器电阻测量电路45，加热器所在的电阻测量回路(如图2所示)，微控制单元31，加热驱动电路32，第一、二、三泵电流检测电路(包括第一泵电流检测电路21、第二泵电流检测电路22和第三泵电流检测电路23)，以及第一、二、三泵电压控制电路(包括第一泵电压控制电路18、第二泵电压控制电路19和第三泵电压控制电路20)。其中，
加热器电阻测量电路，用于通过D/A端口接收微控制单元产生的电流信号并施加给加热器电阻测量回路，测量该回路中的回路电流以及氮氧化物传感器中的加热板两端电压并通过A/D端口输送至微控制单元；微控制单元，用于基于所述回路电流和所述加热板两端电压，计算加热器电阻并将其与预设温度下阻值作对比，生成温度控制信号；加热驱动电路，用于基于所述温度控制信号，向电阻测量回路输送功率；第一、二、三泵电流检测电路分别用于采用三运放结构的仪表运算放大器接收对应泵电流信号并放大，通过差分低通滤波器，对放大处理后的电流信号滤波并通过A/D端口传至微控制单元，微控制单元还用于基于各泵电流信号，生成对应电压控制信号；第一、二、三泵电压控制电路分别用于通过D/A模块接收所述电压控制信号，并基于电压控制信号，控制对应泵的泵电压。
需要说明的是，传感器中的加热板等效为加热器电阻测量回路中的电阻，如图2所示，图中RL代表引线电阻，RH代表加热器电阻，RT代表引线电阻，R代表H+端到H-端的电阻，通过测量H+端与H-端之间的电压以及Tmp端与H-端之间的电压，根据计算，可准确求得RH大小。微控制器单元(MCU)31包括A/D转换模块30、数据处理模块29、D/A端口28和通信模块；A/D转换模块30用于接收并转换内阻测量信号、第一模拟电压信号(即第一泵电流测量信号)及第二模拟电压信号(即第二泵电流测量信号)；数据处理模块29用于根据A/D转换模块30转换后的信号进行运算处理，得到加热驱动信号、氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值并存储。通信模块一方面通过SPI运算单元26与外部D/A转换模块24(采用D/A芯片)通信，写入控制信号，控制其输出，另一方面通过CAN通信接口电路25发送氧浓度信号、NOx浓度信号、状态信号以及故障诊断信号至汽车中控系统。
图1中，37是外部接的总电源的正极，38是负极；VCC1(24V)给加热器驱动电路供电，VCC2(5V)给泵电压控制电路，泵电流检测电路等供电，VCC3(3.3V)给MCU供电；39和40是CAN通信的两根信号线，接到外部；41悬空，为预留接口。
本方法实现了传感器加热器电阻检测以及加热闭环控制的分时复用电路，采用加热器电阻测量电路，首先给电阻测量回路施加电流，然后通过测得回路上的压差，以通过微控制单元计算得到电阻值，通过电阻值与温度的关系，进行加热控制，有效提高了传感器的冷启动性能以及使用寿命和抗热震性能。在此基础上，稳定传感器的工作温度，之后，通过三个独立的泵电压控制电路与泵电流检测电路，实现对各泵的电压控制及各泵电流的检测，并将送至微控制单元；微控制单元对采集的加热器的电阻测量信号、泵电流检测信号进行运算处理，输出加热控制信号、泵电压控制信号，实现对传感器中泵氧及氮氧化物分解的过程控制。同时，通过对三个泵的泵电压解耦控制，使得传感器能快速跟随汽车发动机尾气的剧烈变化。另外，针对泵电流的微信号特性，引入了高增益、高共模抑制比的仪表运放电路，并搭配差分低通滤波器作为输出级，有效滤除放大过程中的噪音信号，实现了纳安级泵电流的精确检测，从而极大级高了氮氧化物浓度的检测精度。因此，该控制器能够控制传感器完成汽车尾气空燃比和氮氧化物浓度的快速精确测量。
优选的，加热驱动电路具体用于：基于温度控制信号，通过调节功率MOS管的开断，以控制加热功率的输出，如图3所示。
优选的，加热器电阻测量电路包括：电流产生电路，电流检测电路，H+端电压检测电路，以及Tmp端电压检测电路。其中，
电流产生电路用于通过D/A端口接收微控制单元产生的模拟电压信号，并将该模拟电压信号转换为基准电流施加给电阻测量回路；电流检测电路用于采样、放大基准电流并发送至微控制器单元，以标定基准电流的大小；H+端电压检测电路和Tmp端电压检测电路用于分别检测电阻测量回路中加热端端子H+(通过图3中的H+接线端子11连接)与参考端端子Tmp(如图4中的Tmp接线端子12连接)的电位并发送至微控制器单元，以根据基准电流和所有所述电位，计算实时加热器电阻。
加热器电阻测量电路，一方面以PWM信号低电平作为控制信号驱动产生测量电流，使加热器驱动与加热器内阻测量在同一个PWM周期内进行，从而保证了内阻测量的实时有效；另一方面，较大的测量电流，使得加热器内阻两端的压降较大，从而提高了内阻测量的精度。
例如，如图5所示，电流产生电路通过信号线与D/A端口28连接，接收由微控制器单元31产生的模拟电压；该电压经运算放大器33-1加载到电阻33-5两端，同时运算放大器33-1的输出端连接至三极管33-2的基极使得三极管导通，提供流入电阻33-5的电流，则流入电阻33-5的电流大小可由D/A端口28的输出电压值与电阻33-5求得，若D/A端口的输出电压值为Vout，则所产生的测量电流大小为
Figure GDA0002529226950000101
电流经由接线端子11通入加热器电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流。
电流检测模块34用于采样放大检测所述测量电流产生模块所产生的电阻测量基准电流，从而精确标定测量基准电流的大小；具体的，测量电流流经采样电阻34-1，取采样电阻两端压差，送入运算放大器34-2的正负输入端，运算放大器与电阻(包括图5中的标识34-3、34-4、34-5、34-6)组成双端输入单端输出的差分运算放大电路，取R34-3＝R34-4、R34-5＝R34-6，则所述差分运算放大电路放大倍数为
Figure GDA0002529226950000102
运算放大器34-2输出端则通过信号线连接至微控制器单元31的A/D端口30-2，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；
加热器端电压检测模块(包括H+端电压检测电路35、Tmp端电压检测电路36)，用于检测所述加热器电阻测量回路中加热端端子H+与参考端端子Tmp的电位，从而根据所述测量基准电流计算实时加热器电阻阻值。具体的，加热端端子H+通过H+接线端子11连接至运算放大器35-1，运算放大器与电阻(包括电阻35-3、35-4、35-5、35-6)构成差分运算放大器，取R35-3＝R35-6、R35-4＝R35-5，则所述差分运算放大电路放大倍数为
Figure GDA0002529226950000103
放大后的对地输出电压值经由电阻35-2与电容35-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元31的A/D端口30-3，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；参考端端子Tmp通过Tmp接线端子连接至运算放大器36-1，运算放大器与电阻(包括电阻36-3、36-4、36-5、36-6)构成差分运算放大器，取R36-3＝R36-6、R35-4＝R35-5，则所述差分运算放大电路放大倍数为
Figure GDA0002529226950000111
放大后的对地输出电压值经由电阻36-2与电容36-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元31的A/D端口30-5，由A/D转换后在微控制器中完成计算。
优选的，电流产生模块33通过信号线与D/A端口28连接，接收由微控制器单元产生的模拟电压；该电压经运算放大器33-1加载到电阻33-5两端，且运算放大器33-1的输出端连接至三极管33-2的基极使得三极管导通，提供流入电阻33-5的电流，电流大小由D/A输出与电阻33-5阻值设定决定；所述电流经由H+接线端子11通入加热器电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流，例如如图6所示的结构。
电流检测模块34用于采样放大检测测量电流产生模块33所产生的电阻测量基准电流，从而精确标定测量基准电流的大小；具体的，测量电流流经采样电阻34-1，取采样电阻34-1两端压差，送入运算放大器34-2的正负输入端，运算放大器34-2与电阻(包括电阻34-3、34-4、34-5、34-6)组成双端输入单端输出的差分运算放大器，进行信号放大；运算放大器34-2输出端则通过信号线连接至微控制器单元的A/D端口30-2，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算。
加热器端电压检测模块(35、36)，用于检测加热器电阻测量回路中加热端端子H+与参考端端子Tmp的电位，从而根据测量基准电流计算实时加热器电阻阻值；具体的，加热端端子H+通过信号线连接至运算放大器35-1，运算放大器35-1与电阻(包括电阻35-3、35-4、35-5、35-6)构成差分运算放大器，放大后的对地输出电压值经由电阻35-2与电容35-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元的A/D端口块30-3，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算；Tmp接线端子通过信号线连接至运算放大器36-1，运算放大器36-1与电阻(包括电阻36-3、36-4、36-5、36-6)构成差分运算放大器，放大后的对地输出电压值经由电阻36-2与电容36-7组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元的A/D端口30-5，由A/D转换模块转换后在微控制器中完成计算。
优选的，如图1和图4所示，控制器还包括与微控制单元连接的CAN通信接口电路，用于与外部进行通信。
优选的，上述温度控制信号为PWM脉宽调制信号。
加热器驱动电路以脉宽调制信号PWM作为温度控制信号。具体的，通过实时测量加热器内阻与设定温度下加热器内阻阻值对比，取其偏差量e作为被控对象，进行PID运算，输出PWM信号的占空比控制功率MOS管的导通时间，从而间接调控加热器的输出功率。
优选的，第一、二、三泵电流检测电路分别具体用于：经待测泵阴极板将待测泵电流引入第三电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取第三电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制单元。
如图4所示，对于第一泵电流检测电路21，待测泵电流信号通过第一泵阴极板接线端子8流入，由采样电阻21-4采样，分别取采样电阻两端电位作为运算放大器21-1与运算放大器21-2的正相输入，运算放大器21-1、运算放大器21-2、运算放大器21-3构成三运放结构的仪表运算放大电路，仪表运算放大电路具有高增益、低失调、高共模抑制比的特点，可以有效避免小信号放大中失调、共模噪声问题；放大后的对地输出电压值经由电阻21-12与电容21-13组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元的A/D端口30-1，A/D转换后在微控制器中完成计算。
对于第二泵电流检测电路，待测泵电流信号通过第二泵阴极板接线端子10流入，由采样电阻22-4采样，分别取采样电阻两端电位作为运算放大器22-1与运算放大器22-2的正相输入，运算放大器22-1、运算放大器22-2、运算放大器22-3构成三运放结构的仪表运算放大电路，放大后的对地输出电压值经由电阻22-12与电容22-13组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元的A/D端口30-4，A/D转换后在微控制器中完成计算。
对于第三泵电流检测电路，待测泵电流信号通过第三泵阴极板接线端子14流入，由采样电阻23-4采样，分别取采样电阻两端电位作为运算放大器23-1与运算放大器23-2的正相输入，运算放大器23-1、运算放大器23-2、运算放大器23-3构成三运放结构的仪表运算放大电路，放大后的对地输出电压值经由电阻23-12与电容23-13组成的一阶RC滤波器滤波后送入微控制单元的A/D端口30-6，A/D转换后在微控制器中完成计算。
例如，具体的泵电流检测电路如图7所示。
对于各泵电流检测电路，在采样环节使用较高阻值(100Ω)、低温漂的高精度(0.1％精度)电阻，保证准确的反映电流信号，同时尽量降低温度波动对转化带来的影响；采样后先送入差分低通滤波器滤除在放大器输入端的射频干扰，这种干扰会造成直流失调误差，使得放大后的电压和理论值相比会有一定的波动，差分低通滤波器添加在信号的输入端处，可以尽可能的隔绝这种射频干扰，增加了后级电路的抗干扰能力；放大环节采用三运放结构的仪表运算放大器，提高了放大级输入阻抗和共模抑制比，实现了高倍数低误差的信号放大。这种设计的放大电路具有低失调、低输出误差、高信噪比、高共模抑制比、高增益等特点，极大提高了微弱信号放大的准确性。
优选的，上述D/A模块，分别与第一、二、三泵电压控制电路以及氮氧化物传感器中第一、二、三泵的公共阳极板电连接，用于接收微控制单元通过SPI传输的各泵电压控制信号，并对每个电压控制信号D/A转换后，通过对应泵电压控制电路和所述公共阳极板向对应泵施加控制电压。
D/A转换模块28用于输出与氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值对应的模拟电压信号。
优选的，微控制单元还用于：分别对第一泵和第二泵上的能斯特电压信号与其对应的能斯特参考电压的偏差值，进行PID运算，生成对应泵的泵电压控制信号，以及用于对第二泵的泵电流信号与参考电流的偏差值，进行PID运算，生成第三泵的泵电压控制信号；则第一、二、三泵电压控制电路分别具体用于：采用运算放大器的负相端接收D/A模块发送的待测泵泵电压控制信号并通过该运算放大器放大后输至对应泵的阴极板，以通过该阴极板和公共阳极板调节氮氧化物传感器中对应泵的能斯特电压逼近设定值。
具体的，第一泵电压控制电路18将第一泵上的能斯特电压信号与其内部设定的能斯特参考电压的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第一泵的泵电压控制信号；控制信号写入D/A模块24产生泵控制电压，控制电压经由信号线连接至运算放大器18-1的负相端，运算放大器作为缓冲器使用，用于泵控制电压的信号隔离和阻抗匹配，其输出端与氮氧化物传感器实体的第一泵阴极板接线端子8连接，通过泵控制电压调节氮氧化物传感器的能斯特电压信号以逼近设定值。
能斯特电压是各泵阴极板和空气参考腔极板6之间的电压差，控制过程中一直检测空气参考腔极板6的电位，然后计算能斯特电压信号。
第二泵电压控制电路19将第二泵上的能斯特电压信号与其内部设定的能斯特参考电压的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第二泵的泵电压控制信号；控制信号写入D/A模块24产生泵控制电压，控制电压经由信号线连接至运算放大器19-1的负相端，运算放大器作为缓冲器使用，用于泵控制电压的信号隔离和阻抗匹配，其输出端与氮氧化物传感器实体的第二泵阴极板接线端子10连接，通过泵控制电压调节氮氧化物传感器的能斯特电压信号以逼近设定值。
第三泵电压控制电路20将第二泵泵电流信号与其内部设定的泵电流参考电流的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第三泵5泵电压控制信号；控制信号写入D/A模块24产生泵控制电压，控制电压经由信号线连接至运算放大器20-1的负相端，运算放大器作为缓冲器使用，用于泵控制电压的信号隔离和阻抗匹配，其输出端与氮氧化物传感器实体的第三泵阴极板接线端子14连接，通过泵控制电压调节氮氧化物传感器第二泵单元泵电流信号以逼近设定值。
优选的，微控制单元还用于：根据加热器电阻、第一、二、三泵电流检测电路检测的电流信号进行运算处理，得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值并存储。
本实施例实现传感器加热器电阻检测以及加热闭环控制的同步分时进行，能有效提高传感器的冷启动性能以及使用寿命和抗热振性能。其次，该控制器能有效解决三个泵单元之间的耦合效应，进而能解决传感器在柴油发动机尾气剧烈变化时不能快速跟随响应的问题。另外，泵电流检测能实现纳安级电流的精确检测，传感器的应用能满足车载OBD II精确故障诊断需求。总体来说，本实施例基于分立元器件能够完整实现加热控制、泵单元控制、泵电流检测等三个方面功能以及性能的提升，同时提高加热控制的准确性，并延长传感器的使用寿命，实现泵单元的快速响应、泵电流的高精度检测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，包括：
加热器电阻测量电路、氮氧化物传感器中的电热器所在电阻测量回路，其中，所述加热器电阻测量电路用于通过D/A端口接收微控制单元产生的电流信号并施加给所述电阻测量回路，测量该回路中的回路电流以及所述加热器两端电压并通过A/D端口输送至微控制单元；
所述微控制单元，用于基于所述回路电流和所述加热器两端电压，计算加热器电阻并将其与预设温度下阻值作对比，生成温度控制信号；
加热驱动电路，用于基于所述温度控制信号，向所述电阻测量回路输送功率；
第一、二、三泵电流检测电路，分别用于采用三运放结构的仪表运算放大器接收对应泵电流信号并放大，通过差分低通滤波器，对放大处理后的电流信号滤波并通过A/D端口传至所述微控制单元，以生成对应泵的电压控制信号；
第一、二、三泵电压控制电路，分别用于通过D/A模块接收对应泵的所述电压控制信号，并基于所述电压控制信号，控制对应泵的泵电压。
2.根据权利要求1所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述加热驱动电路，具体用于：基于所述温度控制信号，通过调节功率MOS管的开断，以控制加热功率的输出。
3.根据权利要求1所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述加热器电阻测量电路包括：
电流产生电路，用于通过D/A端口接收微控制单元产生的模拟电压信号，并将该模拟电压信号转换为基准电流施加给所述电阻测量回路；
电流检测电路，用于采样、放大所述基准电流并发送至所述微控制器单元，以标定所述基准电流的大小；
H+端电压检测电路和Tmp端电压检测电路，分别用于检测所述电阻测量回路中加热端端子H+与参考端端子Tmp的电位并发送至微控制器单元，以根据所述基准电流和所有所述电位，计算实时加热器电阻。
4.根据权利要求3所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述电流产生电路具体用于：采用运算放大器通过D/A端口接收微控制单元产生的模拟电压信号，并将其放大后经过三极管的基极，在第一电阻中产生电流并通入所述电阻测量回路中，作为电阻测量的基准电流；
所述电流检测电路具体用于：通过使所述基准电流流经第二电阻，采用第一差分运算放大器，取所述第二电阻两端压差并经信号放大后通过A/D端口输送至微控制器单元；
所述H+端电压检测电路具体用于：采用第二差分运算放大器取所述电阻测量回路的H+端对地输出电压值并放大，并采用一阶RC滤波器对所述放大后的信号滤波后通过A/D端口送入微控制单元，以计算得到H+端电压；
所述Tmp端电压检测电路具体用于：采用第三差分运算放大器取所述电阻测量回路的Tmp端对地输出电压值并放大，采用一阶RC滤波器对所述放大后的信号滤波后通过A/D端口送入微控制单元，以计算得到Tmp端电压。
5.根据权利要求1所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，还包括与所述微控制单元连接的CAN通信接口电路，用于与外部进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述温度控制信号为PWM脉宽调制信号。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述第一、二、三泵电流检测电路分别具体用于：
经待测泵阴极板将待测泵电流引入第三电阻，采用三运放结构的仪表运算放大电路，通过该仪表运算放大电路中两个运算放大电路的正相端取所述第三电阻两端压差，该压差经仪表运算放大电路放大后采用一阶RC滤波器滤波并通过A/D端口送入微控制单元。
8.根据权利要求7所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述D/A模块，分别与第一、二、三泵电压控制电路以及氮氧化物传感器中第一、二、三泵的公共阳极板电连接，用于接收微控制单元通过SPI传输的各泵电压控制信号，并对每个电压控制信号D/A转换后，通过对应泵电压控制电路和所述公共阳极板向对应泵施加控制电压。
9.根据权利要求8所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述以生成对应泵的电压控制信号，具体为：
所述微控制单元基于第一泵阴极板和第二泵阴极板分别与参考极板之间的电压差，得到第一泵和第二泵上的能斯特电压，并基于每个能斯特电压与其对应的能斯特参考电压，进行PID运算，生成对应泵的泵电压控制信号；以及基于第二泵的泵电流信号与参考电流，进行PID运算，生成第三泵的泵电压控制信号；
则第一、二、三泵电压控制电路分别具体用于：
采用运算放大器的负相端接收所述D/A模块发送的待测泵泵电压控制信号并通过该运算放大器放大后输至对应泵的阴极板，以通过该阴极板和所述公共阳极板调节氮氧化物传感器中对应泵的能斯特电压逼近设定值。
10.根据权利要求9所述的一种氮氧化物传感器控制器，其特征在于，所述微控制单元还用于：
根据所述加热器电阻、所述第一、二、三泵电流检测电路检测的电流信号进行运算处理，得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值并存储。
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