CN113323763A - 一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器，主要包括数字信号处理器、温度控制模块、泵电流控制模块、人机接口模块，该温度控制模块采用交流恒流源法测氧浓差电池的内阻间接检测传感器的温度，交流恒流源输出的直流偏置电流作为传感器的参考泵电流，并通过调节加热器两端电压进行温度控制；数字信号处理器上的模数转换器实现氧浓差电势和泵电流的信号采集。本发明能够输出宽域废气氧传感器所需的稳定参考泵电流，实现对传感器温度和泵电流进行高精度、实时控制，特别适用于汽车发动机空燃比的精确测量。

Description

一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器

技术领域

本发明涉及汽车发动机空燃比检测领域，为一种宽域废气氧传感器的控制器，具体的说是针对需要外部提供参考泵电流的宽域废气氧传感器，以数字信号处理器(DSP)为核心，可实现对宽域废气氧传感器温度和泵电流进行高精度、实时控制的控制器，用于汽车发动机空燃比的精确测量。

背景技术

随着对汽车尾气排放和油耗要求的不断提高，传统的开关型氧传感器不能满足高排放标准和稀燃发动机空燃比控制的要求，取而代之的是测量范围更宽的宽域废气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，简称UEGO)传感器。它能够在全工况范围内提供准确的空燃比反馈信号给汽车电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)，提高ECU的控制精度，从而充分发挥三元催化转化器的作用，有效降低有害气体的排放。然而，UEGO传感器对工作温度有严格的要求，需要通过控制泵电流实现空燃比的检测。因此，UEGO传感器需要配套的UEGO控制器才可以正常工作，而控制器的性能决定了传感器的工作效果。

UEGO控制器通过检测UEGO传感器的氧浓差电池内阻间接检测传感器的温度，调节加热器两端的电压实现温度控制；通过驱动泵电池上的泵电流，使氧浓差电势维持在450mV,从而维持扩散室里的氧含量处于理论空燃比时的废气氧含量，此时通过检测泵电流即可计算汽车发动机的空燃比。需要外部提供参考泵电流的UEGO传感器应还需要通过UEGO控制器提供稳定的参考泵电流保证虚拟参考气体室有充足的氧气作为参比气体，例如德国Bosch公司的LSU4.9型UEGO传感器的参考泵电流为20uA。UEGO控制器主要的技术难点在于传感器的温度和泵电流控制精度和实时性。

目前现有的UEGO控制器大多数采用UEGO传感器的专用接口芯片作为UEGO控制器的接口电路，例如德国博世公司的CJ125，这种芯片内部采用模拟控制方法控制泵电流，导致控制精度较低。中国发明专利公布的一种宽域氧传感器控制器(李曦，王杰，冯江涛，蒋建华，许园武，洪升平，邵书竹.一种宽域氧传感器控制器，201610637514.7，申请日：2016.8.5)也是采用CJ125集成接口电路测量感应单元的内阻。少数采用模拟电路构成UEGO控制器，在中国发明专利公布的一种由模拟电路构成的车用气体燃料发动机的UEGO控制器(张欣，郭林福，刘建华，何涛.一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，申请发明专利，200810104698.6，申请日：2008.4.23.)。控制器包括加热模块、电源模块和控制模块，然而由模拟电路构成的UEGO控制器可靠性差，控制精度较低。目前未有文献提出可以获取UEGO传感器的氧浓差电池内阻大小的方法，在中国发明专利公布的一种UEGO传感器加热方法及其控制电路(周树艳，陆召振，张雷，杨鹏翔，寇伟，杨源飞.宽域氧传感器加热方法及其控制电路，201510658186.4，申请日：2015.10.12.)中，通过比较器电路来判断UEGO传感器的内阻值是否为达到工作温度时的大小，但不能准确的得到内阻的大小，导致温度控制稳态精度低。中国发明专利公布的一种宽域氧传感器的控制器(章晓娟，谢建军，邹杰，简家文，李辉，周詹云.一种宽域氧传感器的控制器，201710306299.7，申请日2017.5.4)同样利用比较电路判断温度，不能得到准确的内阻值，温度控制精度不高。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足之处，针对需要外部提供参考泵电流的UEGO传感器，提供一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器，以期能输出宽域废气氧传感器所需的稳定参考泵电流，实现对传感器温度和泵电流进行高精度、实时控制，从而适用于汽车发动机空燃比的精确测量。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案是：

本发明一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器的特点包括：数字信号处理器、温度控制模块、泵电流控制模块、人机接口模块；

所述温度控制模块在所述数字信号处理器的控制下，利用直接数字频率合成器输出单极性正弦电压信号，并经过压流转换，将单极性正弦电压信号转换为交流恒流源输出；所述交流恒流源输出串接参考电阻再接宽域废气氧传感器的氧浓差电池正端子，参考电阻和氧浓差电池上的交流信号经过调理后，由数字信号处理器的片上模数转换器进行两通道的交流信号同步采集，并根据两通道采集的交流信号的幅值和参考电阻的阻值计算氧浓差电池内阻，用于反映宽域废气氧传感器温度；所述数字信号处理器根据氧浓差电池的内阻计算温度控制偏差，并根据偏差执行温度控制算法后，输出控制量为PWM的占空比，用于调节外部的加热器驱动电路的输出电压；

所述泵电流控制模块采集宽域废气氧传感器的氧浓差电势和泵电流信号并提供给所述数字信号处理器，所述数字信号处理器根据氧浓差电势计算泵电流控制偏差，从而根据偏差执行泵电流控制算法后，输出控制量为数模转换器的输出电压，并经过同相放大处理后，用于驱动泵电池上的泵电流；

当所述宽域废气氧传感器的温度控制和泵电池上的泵电流控制稳定时，所述数字信号处理器根据采集的泵电流计算空燃比，由所述人机接模块的液晶显示所述空燃比。

本发明所述的一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器的特点也在于：

所述温度控制模块由交流恒流源电路、参考电阻的交流信号调理电路、氧浓差电池交流信号调理电路和加热器驱动电路组成；

所述交流恒流源电路用于将所述单极性正弦电压信号经过电阻分压后进行电压跟随，并通过压流转换电路将跟随后的电压信号转换成交流恒流输出，且所述交流恒流输出的幅值由数字信号处理器根据氧浓差电池内阻的大小来控制模拟开关切换压流转换电路上的电阻决定；

所述参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路相同，均由仪表放大器作为前置放大器进行交流差分放大处理，再经过二阶巴特沃斯低通有源滤波器的滤波；

所述参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路的输出均接数字信号处理器的片上模数转换器的A0通道和B0通道以进行同步采样；

所述加热器驱动电路，是由数字信号处理器控制输出PWM的占空比，用于调节降压型DC/DC电路输出的电压，所述降压型DC/DC电路由光耦驱动和MOSFET管构成，所述加热器驱动电路的输出串接自恢复型保险丝再接到宽域废气氧传感器的加热器两端。

数字信号处理器的片上模数转换器利用自身的A0通道和B0通道同步采集参考电阻和氧浓差电池交流通道的交流信号，并对两通道采样的数据进行数字滤波，然后计算参考电阻和氧浓差电池上的交流信号幅值分别为

和

从而利用式(1)计算氧浓差电池内阻值Rnernst：

式(1)中，Rref表示参考电阻。

所述泵电流控制模块由氧浓差电势调理电路、泵电流调理电路、双通道异步模数转换器和泵电流驱动电路组成；

所述氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路均是由仪表放大器作为前置放大器，其后接二阶巴特沃斯低通有源滤波器；在所述氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路之后分别接所述双通道异步模数转换器进行信号采集；

所述泵电流驱动电路，采用上电默认输出为中间电压值的数模转换器和同相放大电路构成，所述同相放大电路使用带无限带容性负载能力的放大器，在所述同相放大之后串接泵电流检测电阻后再接到泵电池的一端以驱动泵电流。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明针对需要外部提供参考泵电流的UEGO传感器，采用交流恒流源法检测氧浓差电池内阻的大小，交流恒流源输出的直流偏置电流作为传感器的参考泵电流，通过采集参考电阻和氧浓差电池内阻上的交流信号，准确计算氧浓差电池内阻的大小，使得UEGO传感器温度控制精度较高，同时氧浓差电池内阻可以用于表示传感器的温度情况。

2、本发明采用精密仪表放大器对氧浓差电势和泵电流信号进行前置放大，并采用24位的双通道异步模数转换器(ADC)进行信号采集，克服了UEGO传感器输出阻抗高，工作现场噪声大的特点，使得泵电流控制和采集具有较高的精度。

3、本发明采用了默认中间电压输出型的数模转换器(DAC)输出泵电流控制量，使得泵电流控制启动前，泵电池不会从虚拟地向泵电池注入电流，从而防止了传感器被损坏；DAC输出采用无限带容性负载的运算放大器进行放大，提高了泵电流的驱动能力。

附图说明

图1是本发明的控制器硬件框图；

图2是本发明的交流恒流源电路原理图；

图3是本发明的DSP原理图；

图4是本发明的参考电阻(Rref)交流信号调理电路原理图；

图5是本发明的氧浓差电池交流信号调理电路原理图；

图6是本发明的加热器驱动电路原理图；

图7是本发明的氧浓差电势调理电路原理图；

图8是本发明的泵电流调理电路原理图；

图9是本发明的24位双通道异步模数转换器(ADC)电路原理图；

图10是本发明的泵电流驱动电路原理图；

图11是本发明的液晶接口电路原理图；

图12是本发明的键盘电路原理图；

图13是本发明的串口通信接口电路原理图；

图14是本发明的外扩静态随机存储(SRAM)电路原理图；

图15是本发明的电源管理模块设计框图；

图16是本发明的虚拟地电路原理图；

图17是本发明的控制器软件框图；

图18是本发明的主监控程序流程图；

图19是本发明的氧浓差电池内阻计算程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本实施例中，一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器的设计思想是：针对需要外部提供参考泵电流的UEGO传感器，其参考泵电流与氧浓差电池内阻测量交流信号同时施加在传感器氧浓差电池正端(RE+)上，通过交流恒流源法测氧浓差电池内阻时，将交流恒流源输出的直流偏置电流设置为传感器所需参考泵电流的大小。交流恒流源输出接参考电阻后，再接到氧浓差电池正端，采集精密参考电阻和氧浓差电池上的交流信号计算幅值，根据交流信号幅值与阻值之间的对应关系，计算氧浓差电池内阻从而间接检测传感器的温度。采用24位双通道异步模数转换器(ADC)顺序采集氧浓差电势和泵电流信号，实现泵电流的高精度控制及检测。以数字信号处理器(DSP)为控制核心，UEGO控制器温度和泵电流控制的实时性得到保证。控制器通过液晶和键盘实现人机交互，并可通过上位机进行监控。具体的说，控制器硬件框图如图1所示，包括：数字信号处理器(DSP)、温度控制模块、泵电流控制模块、串口通信模块、人机接口模块、外扩存储模块和电源管理模块。具体实施中，选用TI公司的TMS320F28335数字信号处理器(DSP)作为控制核心，如图2所示。TMS320F28335是TI公司C2000系列中一款支持浮点运算的32位DSP芯片，其特点是兼具数字信号处理及实时控制功能，片上拥有丰富的片上集成外设，包括定时器、ePWM、12位的片上ADC、SPI、McBSP、SCI、I²C、带外部中断的GPIO、XINTF等，为本发明控制器的温度和泵电流的实时控制提供了保证，同时使本发明控制器具备较强的数据处理和执行复杂控制算法的能力。

UEGO控制器上电初始化后，可通过键盘或者上位机开启工作，由DSP控制直接数字频率合成器(DDS)输出单极性正弦电压信号，并在温度控制模块中经过压流转换(V/I)，将单极性正弦电压信号转换为交流恒流源输出；交流恒流源输出串接参考电阻后再接宽域废气氧传感器的氧浓差电池正端子，通过模拟开关切换压流转换(V/I)电路上的电阻使交流恒流源的输出幅值满足氧浓差电池内阻测量所需的大小；交流恒流源的输出直流偏置电流为UEGO传感器的参考泵电流；参考电阻和氧浓差电池上的交流信号经过调理后，由数字信号处理器DSP的片上模数转换器(ADC)并序采集经过信号调理后的参考电阻(Rref)和氧浓差电池上的交流信号，并根据两通道采集的交流信号的幅值和参考电阻的阻值计算氧浓差电池内阻，用于反映宽域废气氧传感器温度；数字信号处理器根据氧浓差电池的内阻计算温度控制偏差，并根据偏差执行温度控制算法后，输出控制量为PWM的占空比，用于调节外部的加热器驱动电路输出的加热电压，使氧浓差电池内阻维持在工作温度的大小；

当UEGO传感器的温度控制稳定时，使能泵电流控制模块上的24位双通道异步模数转换器(ADC)工作，泵电流控制模块顺序采集宽域废气氧传感器的氧浓差电势和泵电流信号并提供给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP根据氧浓差电势计算泵电流控制偏差，从而根据偏差执行泵电流控制算法后，输出控制量为数模转换器(DAC)的输出电压，并经过同相放大处理后，用于驱动泵电池上的泵电流，使氧浓差电势维持在450mV；

通过DSP中断嵌套功能，控制器可以在进行泵电流控制的同时保证温度的实时控制；当宽域废气氧传感器的温度控制和泵电池上的泵电流控制稳定时，数字信号处理器DSP根据采集的泵电流计算空燃比，并将UEGO传感器的测量结果通过示由人机接模块的液晶(LCD)进行显示，包括氧浓差电池内阻、氧含量、过量空气系数、泵电流以及空燃比等。

本实施例中，温度控制模块由交流恒流源电路、参考电阻的交流信号调理电路、氧浓差电池交流信号调理电路和加热器驱动电路组成；

本实施例中，如图1所示，由直接数字频率合成器(DDS)、电压跟随、压流转换(V/I)和模拟开关构成交流恒流源电路，交流恒流源电路用于将单极性正弦电压信号经过电阻分压后进行电压跟随，并通过压流转换电路将跟随后的电压信号转换成交流恒流输出，且交流恒流输出的幅值由数字信号处理器根据氧浓差电池内阻的大小来控制模拟开关切换压流转换电路上的电阻决定；

参见图2，交流恒流源电路中的直接数字频率合成器(DDS)由有源晶振芯片U4、DDS芯片U2、磁珠L1、L2、电阻R5、电容C2、C3、C4、C7、C8、C11、C12组成，其中有源晶振U4输出经过电阻R5和电容C11滤波后为DDS芯片U2提供时钟信号，数字电源3.3DV经过磁珠L1、L2后为U2和U4供电，电容C2、C4、C12为电源退耦电容。DSP通过SPI写控制字到DDS芯片使其产生氧浓差电池内阻测量固定频率的交流电压信号。

直接数字频率合成器(DDS)输出交流电压信号后经过电阻R1和电位器RP1进行分压，电容C5为滤波电容。紧接着后面是电压跟随由放大器U1、电容C1组成，其中C1为电源退耦电容。

电压跟随后紧接着是压流转换(V/I)由放大器U5A、U5B、模拟开关U3、电阻R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9、电容C6、C9、C10、C13组成，其中电容C6、C9、C10为电源退耦电容，为了保证压流转换(V/I)具有较好的恒流特性，电阻R2、R4、R8、R9要进行匹配。电阻R3、R6决定压流转换(V/I)输出电流的大小。通过DSP的GPIO来控制模拟开关U3是来选择R3和R6控制交流恒流源输出电流的幅值，当宽域废气氧传感器的氧浓差电池内阻较大时采用小幅值的恒流源进行内阻测量，当内阻较小时采用大幅值恒流源测量内阻并且其直流偏置电流为宽域废气氧传感器参考泵电流的大小。

参见图4，由交流差分放大1和低通滤波1构成参考电阻(Rref)的交流信号调理电路，参见图5，由交流差分放大2和低通滤波2构成氧浓差电池交流信号调理电路，即参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路相同，均由仪表放大器作为前置放大器进行交流差分放大处理，再经过二阶巴特沃斯低通有源滤波器的滤波；

具体的说，交流差分放大1由仪表放大器U6、电阻R10、R11、R17、电容C15、C18、C19、C21组成，其中仪表放大器为交流耦合放大，电阻R11、R17为仪表放大器输入偏置电流提供直流通路，电阻R10的大小决定交流放大倍数。交流差分放大1后紧接着的低通滤波1是由放大器U7A、电阻R14、R15、R16、电容C14、C16、C17、C22构成的二阶巴特沃斯低通有源滤波器，低通滤波器输出经过电阻R12和电容C20后由DSP的片上模数转换器(ADC)的B0通道进行交流信号采集。

交流差分放大2由仪表放大器U8、电阻R18、R19、R24、电容C23、C24、C26组成，其中电阻24为仪表放大器输入偏置电流提供直流通路，电阻R18决定交流放大倍数。低通滤波2是由放大器U7B、电阻R22、R23、R25、电容C25、C28构成的二阶巴特沃斯低通有源滤波器，低通滤波器输出由电阻R20和电容C27后由DSP片上模数转换器(ADC)的A0通道进行交流信号采集，

如图19所示，参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路的输出均接数字信号处理器DSP的片上模数转换器(ADC)的A0通道和B0通道以采用并序采样模式分别进行调理后的氧浓差电池和参考电阻上的交流信号的同步采样；当采集点数达到512点后，通过二阶数字IIR带通滤波器对两通道采样的数据进行数字滤波，滤波器的中心频率为交流恒流源输出交流信号频率，A0和B0通道的交流信号经过数字带通滤波后，由Goertzel算法计算参考电阻和氧浓差电池上的3KHz交流信号幅值分别为

和

从而利用式(1)计算氧浓差电池内阻值Rnernst：

式(1)中，Rref表示参考电阻。

本控制器的温度控制周期为10ms，每个温度控制周期中由内阻计算模块计算宽域废气氧传感器的氧浓差电池内阻(Rnernst)，温度控制设定值为传感器最佳工作温度时对应的氧浓差电池内阻值(Rset)，例如德国Bosch公司的LSU4.9型UEGO传感器，最佳工作温度为780℃，对应的氧浓差电池内阻值为300Ω。氧浓差电池内阻具有负热敏电阻特性，利用式(2)得到温度控制偏差(e_T)：

e_T＝Rnernst-Rset (2)

温度控制算法采用预热加热和PI控制两部分组成：(1)考虑到UEGO传感器二氧化锆敏感元件的热应力限制和传感器的快速冷启动要求，预热加热阶段初始加热电压不超过UEGO传感器的规定初始加热电压值(LSU4.9的最大初始加热电压为8.5V)，初始加热电压的升压速率不超过规定的最大升压速率(LSU4.9的最大初始加热电压升压速率为0.4V/s)；(2)当传感器温度达到工作温度时，采用PI控制提高UEGO传感器的温度控制精度，本发明的PI控制算式为式(3)：

式(3)中，U_T(k)为加热器驱动电路输入PWM波的占空比，K_P1为比例系数，K_I1为积分系数，e_T(k)为当前时刻的温度控制偏差。

本发明采用PID控制泵电流，使氧浓差电势维持在450mV，根据24位双通道异步模数转换器(ADC)所采集的氧浓差电势的值Vnernst，利用式(4)计算泵电流控制偏差(e_P)：

e_P＝0.45-Vnernst (4)

利用式(5)得到泵电流PID控制算式：

式(5)中，U_P(k)为泵电流驱动电路数模转换器(DAC)的输出电压，K_P2为比例系数，K_I2为积分系数，K_D2为微分系数，e_P(k)为当前时刻的泵电流控制偏差，e_P(k-1)为前一时刻的泵电流控制偏差，U₀为数模转换器(DAC)初始输出电压值为数模转换器(DAC)最大输出电压的一半。

参见图6，加热器驱动电路，是由数字信号处理器控制输出PWM的占空比，用于调节降压型DC/DC电路输出的电压，降压型DC/DC电路由光耦驱动和MOSFET管构成，加热器驱动电路的输出串接自恢复型保险丝再接到宽域废气氧传感器的加热器两端。

其中，光耦驱动由光电隔离型栅极驱动器U24、三极管Q2、电阻R78、R79、R81、R82、R83、电容C120、C121、C122、C124组成，电阻82为下拉电阻保证本发明控制器上电时加热器驱动电路输出电压为零。光耦驱动输出用于驱动由PMOSFET管Q1、续流二极管D5、电感L13、电容C117、C118、C119、C123、C126、C130、C138、C140构成的降压型DC/DC电路，其输入电压为12V。自恢复型保险丝F1用于防止过流从而保护传感器，P4的端子1和2分别连接到加热器的两端。DSP通过片上ePWM模块输出PWM波，改变PWM波的占空比即可改变加热器驱动电路的输出电压。

本实施例中，泵电流控制模块由氧浓差电势调理电路、泵电流调理电路、24位双通道异步模数转换器(ADC)和泵电流驱动电路组成；

如图1所示，由差分放大3和低通滤波3构成氧浓差电势调理电路，由差分放大4和低通滤波4构成泵电流调理电路，即氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路均是由仪表放大器作为前置放大器，其后接二阶巴特沃斯低通有源滤波器；在氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路之后分别接24位双通道异步模数转换器(ADC)进行调理后的氧浓差电势和泵电流信号的采集；

参见图7，氧浓差电势调理电路的差分放大3由仪表放大器U13、电阻R36、R38、R44、电容C44、C48组成，其中电阻R36的大小决定了氧浓差电势的放大倍数，电容C44和C48为电源退耦电容。低通滤波3是由放大器U16B、电阻R41、R43、R45、电容C47、C55组成的二阶巴特沃斯低通有源滤波器，低通滤波3可以滤除氧浓差电池上的高频交流内阻测量信号，同时还作为数据采集前的抗混叠滤波器。低通滤波3后紧接着是RC环节由电阻R39、C52组成。

参见图8，泵电流调理电路的差分放大4由仪表放大器U18、电阻R48、R54、R52、R55、R56、电容C63、C64组成，其中U18为一款间接电流反馈型的仪表放大器具有较宽的共模输入范围和较高的共模抑制比，电阻R52与电阻R55比值关系决定了泵电流的放大倍数。低通滤波4是由放大器U16A、电阻R49、R51、R53、电容C43、C45、C60、C62组成的二阶巴特沃斯低通有源滤波器，其中电容C43和C45是电源退耦电容。低通滤波4后紧接着是RC环节由电阻R47、C61组成。

氧浓差电势和泵电流经过信号调理后进行信号采集，本发明选用了一款TI公司的24位双通道异步模数转换器(ADC)，可实现高精度采样。参见图9，24位双通道异步模数转换器(ADC)电路由模数转换器(ADC)U9、有源晶振U10、电阻R26、R27、R31、R32、电容C29、C30、C32、C33、C34、C35、C39、C40、C41、磁珠L4、L5组成，其中U9的通道0和通道1分别采集泵电流和氧浓差电势。在PCB布局时，把ADC当作模拟器件放置在模拟地上，3.3V模拟电源通过磁珠L4后给ADC的数字电源供电，ADC的数字地接到模拟地上。电容C29、C30、C32为电源退耦电容，电容C33、C34、C35为基准电压的退耦电容，布局时退耦电容应紧靠电源输入和参考电压输入引脚。

参见图10，泵电流驱动电路，采用上电默认输出为中间电压值的数模转换器(DAC)和同相放大电路构成，同相放大电路使用带无限带容性负载能力的放大器，在同相放大之后串接泵电流检测电阻后再接到泵电池的一端以驱动泵电流。其中，模数转换器(DAC)U17、电容C56、C57、C58、C59为DAC的基准电压和电源退耦电容，同相放大由放大器U11、电阻R28、R34、R35、电容C31、C36、C37、C42组成，本发明选用了一款ADI公司的16位数模转换器(DAC)，其上电时默认输出电压为最大输出电压的一半，在启动泵电流控制之前，可以保证泵电流为较小的值。泵电流控制时，DSP通过SPI接口控制DAC的输出电压进行泵电流调节。由于泵电池为大容性负载，放大器U11具有无限带容性负载的能力，其输出电流可达+65mA/-100mA，电容C31和C36为电源退耦电容。同相放大输出后串接精密电阻R30为泵电流检测电阻。

本实施例中，人机接口模块由液晶(LCD)和键盘构成。

如图11所示；液晶接口电路由U21、电阻R70、电容C103、C104、C105、C107组成，本发明选用的是点阵型液晶(LCD)，可以显示汉字、字符和数字等，显示非常灵活，电阻R70可以调节液晶背光，电容C104为电源退耦电容。DSP通过SPI通信接口控制液晶实时刷新，液晶刷新间隔为0.5s。

如图12所示，键盘电路共有四个按键S1、S2、S3、S4按键构成，其功能依次是：设定、右移(加)、下移(减)、确认。每个按键都由续流二极管分别是D1、D2、D3、D4，上拉电阻分别是R73、R74、R75、R77、电容分别是C109、C110、C111、C112组成，其中，续流二极管可在系统掉电时将上拉电阻短路给电容提供快速放电回路，此外还可以起到钳位保护和静电防护的功能。通过人机接口模块的键盘可以设置UEGO控制器的参数，包括PID参数，泵电流与氧含量、过量空气系数之间的拟合系数等；

当UEGO控制器通过串口通信模块与上位机连接时，控制器接受上位机的监控。该控制器可通过RS232与上位机进行实时通信。如图13所示，串口通信接口电路由RS232电平转换芯片U22、电阻R71、电容C100、C101、C102、C106、C108、DB9接口组成，通过DSP的SCI模块将UEGO控制器的实时测量结果传送到上位机，同时控制器还可以接收上位机发送的数据。

为了保证控制器有充足的内存，通过外扩存储器增加了系统的存储容量。如图14所示，外扩静态随机存储(SRAM)电路由具有64K×16存储容量的SRAM芯片U23、电阻R76、电容C113、C114、C115组成，其中U23与DSP的外部16位的并行接口XINTF相连。

本发明控制器为单电源供电系统，采用直流12V单电源供电，方便车载使用；系统电源包括模拟电源、数字电源、功率电源和虚拟地。如图15所示为本发明系统电源管理模块设计方案，其中模拟电源包括+5V、+3.3V、1.9V，数字电源包括+3.3DV、+1.9DV，功率电源为12PV，虚拟地2.5V。采用了“DC/DC+LDO”的电源设计架构保证了电源的效率和品质，12V输入电源先通过双路输出DC/DC电源转换芯片降压至4V和6V，然后分别通过高电源抑制比、低噪声的LDO芯片分别得到相应的模拟电源和数字电源，功率电源12PV直接从入口电源处取电，加热器驱动电路近靠近电源入口。为了实现稀燃和富燃工况时的泵电流控制，系统设计了2.5V虚拟地，由2.5V输出的电压基准芯片和电压跟随组成，以考虑虚拟地的负载效应。通过2.5V电压基准芯片和单位增益稳定运算放大器进行电压跟随后为宽域废气氧传感器提供2.5V虚拟地，保证全工况空燃比范围内的泵电流控制。

如图16所示，虚拟地电路由2.5V输出电压基准芯片U14、放大器U15、电容C46、C49、C50、C51、C53、C54、电阻R40组成，其中U15为单位增益稳定放大器，工作在电压跟随模式，电容C46、C49、C50为电源退耦电容。

如图17所示，控制器系统软件采用了模块化设计方法，由主监控程序、初始化模块、中断模块、内阻计算模块、温度控制模块、空燃比计算模块、人机接口模块和看门狗模块组成，各软件模块由主监控程序统一调度，协调运行。

控制器的主监控程序如图18所示，工作过程是：UEGO控制器上电初始后，通过外循环检测上位机或者键盘触发的启动宽域废气氧传感器工作开始信号，在外循环里可通过上位机或者键盘设置系统参数如PID参数、拟合系数等参数，一旦检测到工作开始信号，程序进入内循环开始宽域废气氧传感器的温度和泵电流控制。在内循环里首先执行的是温度控制包括交流信号采集、内阻计算、温度控制算法。当氧浓差电池内阻在300±20Ω以内时，启动24位双通道异步模数转换器(ADC)顺序采集UEGO传感器输出的直流信号即氧浓差电势和泵电流，根据氧浓差电势计算泵电流控制偏差，执行泵电流控制算法。当氧浓差电势维持在450±20mV以内时，通过采集的泵电流计算空燃比(AFR)、过量空气系数(λ)和氧含量等测量值。UEGO控制器测量值用液晶显示，并通过RS232将测量值传送到上位机从而实现对控制器实时监控。

综上所述，本控制器采用交流恒流源法检测氧浓差电池内阻间接检测传感器的温度，交流恒流源输出的直流偏置电流作为宽域废气氧传感器的参考泵电流，通过调节加热器两端的电压进行温度控制；宽域废气氧传感器的氧浓差电势及泵电流经过调理以后进行信号采集，通过调节泵电池两端的电压进行泵电流控制，当氧浓差电势维持在450mV时，根据采集的泵电流计算汽车发动机的空燃比。具体地：控制器以DSP作为控制核心；采用直接数字频率合成器(DDS)与压流转换(V/I)电路构成交流恒流源电路，交流恒流源输出的直流偏置电流作为传感器的参考泵电流；交流恒流源的输出串接参考电阻(Rref)后接到氧浓差电池的正端，由仪表放大器交流差分放大参考电阻(Rref)与氧浓差电池上的交流信号；交流差分放大后由二阶巴特沃斯低通有源滤波器进行抗混叠滤波，使用DSP的片上模数转换器(ADC)的A0和B0通道并序采样交流信号，DSP对交流信号进行数字带通滤波后计算两通道交流信号幅值；根据两通道交流幅值和参考电阻(Rref)的阻值计算氧浓差电池内阻；DSP根据氧浓差电池内阻的大小计算温度控制偏差，执行温度控制算法输出的控制量为PWM的占空比，改变加热驱动电路的输出电压；传感器的氧浓差电势及泵电流信号采用仪表放大器作为前置放大器，经过低通滤波后使用24位双通道异步模数转换器(ADC)进行信号采集；DSP通过执行泵电流控制算法后输出的控制量为数模转换器(DAC)输出电压；DAC输出电压经放大后驱动泵电池上的电流。

宽域废气氧传感器的氧浓差电池内阻反映了传感器的温度，通常采用1～4KHz交流信号进行内阻测量。带参考泵电流的宽域废气氧传感器的稳定参考泵电流与内阻测量交流信号同时从氧浓差电池内阻的正端(RE+)流入，本发明控制器采用交流恒流源电路产生内阻测量交流信号，其直流偏置电流可以调整为参考泵电流的大小。高频的内阻测量交流信号可以看作是叠加在参考泵电流上的信号，而不影响宽域废气氧传感器虚拟参考气体室的参比气体的氧含量，这样既可以为宽域废气氧传感器提供稳定参考泵电流的同时还可以完成氧浓差电池内阻的测量。

Claims (4)

1.一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器，其特征包括：数字信号处理器、温度控制模块、泵电流控制模块、人机接口模块；

所述温度控制模块在所述数字信号处理器的控制下，利用直接数字频率合成器输出单极性正弦电压信号，并经过压流转换，将单极性正弦电压信号转换为交流恒流源输出；所述交流恒流源输出串接参考电阻再接宽域废气氧传感器的氧浓差电池正端子，参考电阻和氧浓差电池上的交流信号经过调理后，由数字信号处理器的片上模数转换器进行两通道的交流信号同步采集，并根据两通道采集的交流信号的幅值和参考电阻的阻值计算氧浓差电池内阻，用于反映宽域废气氧传感器温度；所述数字信号处理器根据氧浓差电池的内阻计算温度控制偏差，并根据偏差执行温度控制算法后，输出控制量为PWM的占空比，用于调节外部的加热器驱动电路的输出电压；

所述泵电流控制模块采集宽域废气氧传感器的氧浓差电势和泵电流信号并提供给所述数字信号处理器，所述数字信号处理器根据氧浓差电势计算泵电流控制偏差，从而根据偏差执行泵电流控制算法后，输出控制量为数模转换器的输出电压，并经过同相放大处理后，用于驱动泵电池上的泵电流；

当所述宽域废气氧传感器的温度控制和泵电池上的泵电流控制稳定时，所述数字信号处理器根据采集的泵电流计算空燃比，由所述人机接模块的液晶显示所述空燃比。

2.如权利要求1所述的一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器的控制器，其特征在于：所述温度控制模块由交流恒流源电路、参考电阻的交流信号调理电路、氧浓差电池交流信号调理电路和加热器驱动电路组成；

所述交流恒流源电路用于将所述单极性正弦电压信号经过电阻分压后进行电压跟随，并通过压流转换电路将跟随后的电压信号转换成交流恒流输出，且所述交流恒流输出的幅值由数字信号处理器根据氧浓差电池内阻的大小来控制模拟开关切换压流转换电路上的电阻决定；

所述参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路相同，均由仪表放大器作为前置放大器进行交流差分放大处理，再经过二阶巴特沃斯低通有源滤波器的滤波；

所述参考电阻的交流信号调理电路和氧浓差电池交流信号调理电路的输出均接数字信号处理器的片上模数转换器的A0通道和B0通道以进行同步采样；

所述加热器驱动电路，是由数字信号处理器控制输出PWM的占空比，用于调节降压型DC/DC电路输出的电压，所述降压型DC/DC电路由光耦驱动和MOSFET管构成，所述加热器驱动电路的输出串接自恢复型保险丝再接到宽域废气氧传感器的加热器两端。

3.如权利要求1所述的一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器控制器，其特征在于：数字信号处理器的片上模数转换器利用自身的A0通道和B0通道同步采集参考电阻和氧浓差电池交流通道的交流信号，并对两通道采样的数据进行数字滤波，然后计算参考电阻和氧浓差电池上的交流信号幅值分别为

和

从而利用式(1)计算氧浓差电池内阻值Rnernst：

式(1)中，Rref表示参考电阻。

4.如权利要求1所述的一种可输出参考泵电流的宽域废气氧传感器控制器，其特征在于：所述泵电流控制模块由氧浓差电势调理电路、泵电流调理电路、双通道异步模数转换器和泵电流驱动电路组成；

所述氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路均是由仪表放大器作为前置放大器，其后接二阶巴特沃斯低通有源滤波器；在所述氧浓差电势调理电路和泵电流调理电路之后分别接所述双通道异步模数转换器进行信号采集；

所述泵电流驱动电路，采用上电默认输出为中间电压值的数模转换器和同相放大电路构成，所述同相放大电路使用带无限带容性负载能力的放大器，在所述同相放大之后串接泵电流检测电阻后再接到泵电池的一端以驱动泵电流。

Images