0 引言

    近年來(lái)，我國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放要求日益嚴(yán)格，機(jī)動(dòng)車尾氣污染處理顯得尤為重要。目前，我國(guó)柴油車尾氣處理采取的是優(yōu)化燃燒+SCR^[1](選擇催化還原)路線，即在氣缸中使燃油充分燃燒降低顆粒物(Particulate Matters，PM)，然后在SCR催化器中噴入尿素溶液。尿素溶液在高溫的尾氣中會(huì)分解產(chǎn)生氨氣，并與尾氣中氮氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將對(duì)大氣有嚴(yán)重污染的氮氧化物（一氧化氮、二氧化氮）還原成無(wú)污染的氮?dú)夂退懦?sup>[2]。車用尿素溶液是尿素濃度為31.8%～33.3%的水溶液，標(biāo)準(zhǔn)車用尿素溶液濃度為32.5%。此濃度下SCR催化器中發(fā)生的反應(yīng)效率最高，可有效減少汽車尾氣中氮氧化物和PM排放^[3]。因此，對(duì)車用尿素溶液濃度的檢測(cè)顯得十分重要。

    本文設(shè)計(jì)了一種車用尿素溶液濃度檢測(cè)系統(tǒng)方案。硬件上，選用了STM8AF52A8主控芯片、TDC1000超聲波模擬前端、超聲波換能器、TDC7200時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、穩(wěn)壓模塊、溫度傳感器和CAN通信模塊，其中STM8AF52A8作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)各路信號(hào)的采集、濾波和最終的濃度計(jì)算；軟件上，根據(jù)超聲波在不同濃度溶液中傳播速度不同，引入溫度補(bǔ)償，采用回歸算法建立出濃度與超聲波傳播速度的模型，并程序化寫(xiě)入主控芯片中。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)溶液濃度信息并通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給SCR系統(tǒng)，供其進(jìn)一步提高SCR尾氣轉(zhuǎn)換效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

    車用尿素溶液濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲波部分、高精度計(jì)時(shí)部分、溫度檢測(cè)部分、通信部分和數(shù)據(jù)處理部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。超聲波部分由TDC1000超聲波模擬前端和SWD15T21R11超聲波換能器組成，主要作用是TDC1000產(chǎn)生超聲波觸發(fā)脈沖激發(fā)換能器發(fā)出超聲波以及接收超聲回波。高精度計(jì)時(shí)部分由TDC7200時(shí)間數(shù)-字轉(zhuǎn)換芯片組成，主要作用是精確地計(jì)時(shí)超聲波在固定聲程中的傳播時(shí)間。溫度檢測(cè)部分由DS18B20組成，能夠檢測(cè)溶液溫度，對(duì)濃度檢測(cè)模型進(jìn)行補(bǔ)償、修正。通信部分由TJA1050 CAN收發(fā)器組成，能夠及時(shí)將測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給SCR主設(shè)備。數(shù)據(jù)處理部分由STM8AF52A8車用級(jí)微處理器組成，主要完成數(shù)據(jù)的采集、濾波、計(jì)算及發(fā)送。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM8AF52A8微處理器

    STM8A是針對(duì)汽車應(yīng)用的8位MCU微控制器。STM8A的工作電壓為3～5 V，最高工作溫度可達(dá)145 ℃。芯片內(nèi)部集成數(shù)據(jù)EEPROM。在16 MHz時(shí)鐘下可實(shí)現(xiàn)10 MIPS的性能。此外還具有豐富的外設(shè)接口，具有速度高達(dá)400 Kb/s的IIC接口、10 Mb/s的SPI接口、UART接口、CAN 2.0接口、紅外接口、智能卡接口ADC、定時(shí)器、看門狗、蜂鳴器等豐富的外設(shè)。

2.2 TDC1000超聲波模擬前端

    TDC1000是TI公司的一款超聲波感測(cè)模擬前端，常用于汽車、工業(yè)和醫(yī)療市場(chǎng)中的液位、液體濃度鑒別以及接近報(bào)警等。TDC1000可對(duì)發(fā)射脈沖、頻率、增益和信號(hào)閾值進(jìn)行靈活配置，匹配多種頻率(31.25 kHz～4 MHz)和Q系數(shù)的換能器。TDC1000通過(guò)SPI總線方式與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 TDC7200時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

    TDC7200是一款時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，適用于水表、燃?xì)獗砗蜔崃坑?jì)等超聲波感測(cè)裝置。TDC7200可執(zhí)行秒表功能，測(cè)量START脈沖與STOP脈沖之間的時(shí)間間隔（飛行時(shí)間，即TOF）。該器件內(nèi)置自校準(zhǔn)時(shí)基，可對(duì)時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償。這一自校準(zhǔn)功能使得TDC7200能夠獲得皮秒級(jí)精度，分辨率為55 ps。因此，TDC7200非常適用于高精度零流量或低流量測(cè)量的流量計(jì)應(yīng)用。該芯片通過(guò)SPI總線方式與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.4 DS18B20溫度傳感器

    DS18B20是數(shù)字溫度傳感器。它提供參數(shù)可配置的9～12位分辨率溫度測(cè)量。DS18B20通過(guò)一條單總線接口即可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，因此在中央處理器和DS18B20之間通信僅需一條連接線。DS18B20的測(cè)溫范圍為-55 ℃～＋125 ℃，在-10 ℃～＋85 ℃精度為±0.5 ℃。此外，DS18B20能直接從單總線信號(hào)線上汲取能量，除去對(duì)外部電源的依賴。

2.5 TJA1050 CAN通信收發(fā)模塊

    TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它完全兼容“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)，主要用于波特率在40 kBd～1 MBd的汽車應(yīng)用。TJA1050向CAN協(xié)議控制器提供總線差分傳輸器和差分接收器功能。它具有限流電路，可保護(hù)發(fā)送器輸出級(jí)免受正電壓或負(fù)電壓意外短路造成的損壞。

2.6 SWD15T21R11超聲波換能器

    超聲波換能器是一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。SWD15T21R11是一種壓電陶瓷超聲換能器。壓電陶瓷對(duì)光和壓力比較敏感，對(duì)壓電陶瓷施加一個(gè)外力，壓電陶瓷表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，是一個(gè)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程；對(duì)壓電陶瓷外加一個(gè)電場(chǎng)，壓電陶瓷會(huì)發(fā)生微小的形變，這就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。利用逆壓電效應(yīng)，可以把高頻電壓轉(zhuǎn)化為高頻率的振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

    系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)超聲波飛行時(shí)間和溶液溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。處理器通過(guò)SPI總線與TDC7200連接，每次測(cè)量結(jié)束后通過(guò)SPI讀取TDC7200寄存器中計(jì)數(shù)值，通過(guò)相關(guān)計(jì)算轉(zhuǎn)換成時(shí)間數(shù)據(jù)；另外，處理器配置一個(gè)IO口作為DS18B20單總線數(shù)據(jù)線，軟件模擬單總線時(shí)序進(jìn)行DS18B20溫度數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)換。

3.2 數(shù)據(jù)處理部分

3.2.1 數(shù)據(jù)濾波

    硬件部分設(shè)計(jì)超聲波聲程為6 cm，在超聲波換能器接收到回波后，時(shí)間已知便可計(jì)算出超聲波傳播速度。但在實(shí)際測(cè)量中，容器中會(huì)有超聲波雜波，導(dǎo)致偶爾會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；另一方面，當(dāng)溶液溫度不均勻時(shí)也會(huì)導(dǎo)致超聲波速度測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，會(huì)在小范圍內(nèi)跳動(dòng)，存在誤差。所以，程序中采取一定的數(shù)據(jù)濾波是有必要的。本系統(tǒng)對(duì)傳播速度數(shù)據(jù)和最終濃度數(shù)據(jù)使用八深度滑動(dòng)平均濾波^[4]，最終可以得到精確、穩(wěn)定的聲速和濃度數(shù)據(jù)。

3.2.2 溶液濃度模型的建立

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，超聲波在溶液中的傳播速度隨溶液濃度的增大而增大。為了建立超聲波傳播速度與濃度的模型（濃度模型），首先在恒溫槽中采用水浴加熱的方法采集濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、32.5%、35%、40%、45%的尿素溶液在不同溫度下的超聲波傳播速度和溫度數(shù)據(jù)，并在各溫度下將不同濃度的尿素溶液和對(duì)應(yīng)的超聲波速度數(shù)據(jù)畫(huà)出散點(diǎn)圖，圖3僅為15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)曲線。

    由圖3超聲波傳播速度與車用尿素溶液濃度對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖可看出，超聲波在車用尿素溶液中的傳播速度與溶液濃度呈線性關(guān)系。通過(guò)線性回歸^[5]的方法分別擬合出各溫度下的線性模型。初步選擇濃度C與傳播速度V的線性模型為：

其中C為待測(cè)濃度，V為超聲波傳播速度，A、B分別為斜率和截距，在濃度C和超聲波傳播速度V已知的情況下，通過(guò)線性回歸的方法可得到某一溫度下的斜率A和截距B。由圖3得到的回歸結(jié)果看出，復(fù)相關(guān)系數(shù)R²>0.99，在線性回歸中R用來(lái)衡量自變量與因變量之間相關(guān)程度的大小，R²>0.99說(shuō)明超聲波傳播速度與溶液濃度呈高度正相關(guān)。

    由圖3又可看出，不同溫度下，回歸出的模型斜率A和截距B也分別是不一樣的，所以為了準(zhǔn)確地表達(dá)出溶液濃度，還需要加入溫度補(bǔ)償。在式(1)模型中，濃度C和超聲波傳播速度V已知，用溫度T來(lái)補(bǔ)償斜率A和截距B。圖4和圖5為不同溫度T與斜率A和截距B的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

    由圖4、圖5可知，在-5 ℃～＋55 ℃范圍內(nèi)溫度T與斜率A呈線性關(guān)系；同時(shí)與截距B也呈線性關(guān)系。故同樣可建立線性模型來(lái)表達(dá)斜率A和截距B與溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)：

其中C₁、C₂和D₁、D₂分別為溫度補(bǔ)償模型的斜率和截距。

    在恒溫槽中可以采集到大量不同溫度、不同濃度的超聲波傳播速度數(shù)據(jù)，由圖3不同溫度下傳播速度與濃度的回歸分析，可得到每個(gè)溫度下的斜率A和截距B，所以在溫度補(bǔ)償中斜率A截距B和溫度T都已知，再經(jīng)過(guò)一次線性回歸就可得到C₁、D₁和C₂、D₂。由圖4、圖5可看出，復(fù)相關(guān)系數(shù)R²>0.99，說(shuō)明溫度T與斜率A、截距B也呈高度正相關(guān)。因此，通過(guò)線性回歸得到斜率A、截距B與溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型良好，預(yù)測(cè)值與實(shí)際十分接近?；跍囟妊a(bǔ)償?shù)娜芤簼舛饶Ｐ涂杀硎緸椋?/p>

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

    系統(tǒng)采用基于SAE J1939協(xié)議CAN總線^[6]，波特率為250 kb/s，標(biāo)準(zhǔn)幀格式，將測(cè)得數(shù)據(jù)回傳給SCR系統(tǒng)。8位CAN報(bào)文幀數(shù)據(jù)分為5種情況：溶液溫度超溫（溶液溫度達(dá)到100 ℃）、換能器故障、DS18B20故障、其他液體和正常運(yùn)行（尿素溶液濃度數(shù)據(jù)）。

3.4 軟件整體流程

    本程序設(shè)計(jì)主體部分都在單片機(jī)定時(shí)器中斷中完成。單片機(jī)定時(shí)器設(shè)置200 ms中斷，經(jīng)測(cè)試完成一次測(cè)量并發(fā)送數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生定時(shí)器溢出。TDC1000和TDC7200寄存器初始化和更新在200 ms定時(shí)器中斷中完成；單片機(jī)讀取TDC7200計(jì)時(shí)時(shí)間、讀取DS18B20溫度數(shù)據(jù)并完成傳播速度和溶液濃度計(jì)算在TDC7200觸發(fā)中斷中完成。CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)分為兩類，一類是故障報(bào)文，故障報(bào)文分為DS18B20故障、換能器故障、超溫和其他液體。DS18B20故障時(shí)，裝置將無(wú)法測(cè)量，程序?qū)⒃贒S18B20復(fù)位時(shí)進(jìn)入死循環(huán)并不停地發(fā)送DS18B20故障報(bào)文；超聲波換能器故障時(shí)，也無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，將在TDC1000報(bào)錯(cuò)中斷中發(fā)送故障報(bào)文；超溫和檢測(cè)到其他液體時(shí)，程序?qū)?huì)發(fā)送相應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)。另一類是正常濃度報(bào)文發(fā)送，即發(fā)送車用尿素溶液濃度數(shù)據(jù)報(bào)文信息。軟件流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    在系統(tǒng)建模過(guò)程中，首先需要采集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文建模時(shí)準(zhǔn)確配置了濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、32.5%、35%、40%、45%的車用尿素溶液，并在恒溫槽中測(cè)得各濃度溶液在不同溫度下的傳播速度數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立出式(4)基于溫度補(bǔ)償?shù)臐舛饶Ｐ停四Ｐ徒⒑笾苯訉?xiě)入微處理器，測(cè)量未知濃度車用尿素溶液時(shí)將直接調(diào)用模型即可計(jì)算出溶液濃度。表1是濃度32.5%的標(biāo)準(zhǔn)車用尿素溶液在不同溫度下的檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表1可知，不同溫度下，溫度補(bǔ)償?shù)玫降哪Ｐ托甭蔄和截距B分別是不同的，檢測(cè)濃度結(jié)果誤差在±0.2%左右。表2是溶液溫度20 ℃時(shí)，不同濃度尿素溶液的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。由表2可知，同一溫度，溫度補(bǔ)償?shù)玫降男甭蔄和截距B分別是相同的，檢測(cè)濃度誤差也在±0.2%左右。

5 結(jié)論

    本系統(tǒng)在超聲波時(shí)差法^[7]的基礎(chǔ)上加入了溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同濃度車用尿素溶液濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)濃度值檢測(cè)結(jié)果誤差在0.3%以內(nèi)，精確度較高，可以用來(lái)做濃度監(jiān)測(cè)、濃度測(cè)量、純度控制、產(chǎn)品檢測(cè)等。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高，探頭體積小易安裝，在有毒、易揮發(fā)、非接觸類液體濃度檢測(cè)及監(jiān)控上有很好的應(yīng)用前景。

    本文創(chuàng)新點(diǎn)在于建模過(guò)程中采用線性回歸的方法并通過(guò)溫度補(bǔ)償模型斜率A和截距B，使模型參數(shù)在不同溫度下實(shí)時(shí)調(diào)整，從而得到最優(yōu)模型參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證此方法得到的模型精確度高，滿足測(cè)量要求。

    本文另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)的車用尿素溶液濃度檢測(cè)系統(tǒng)可與目前柴油車尾氣后處理SCR系統(tǒng)結(jié)合使用。它可實(shí)時(shí)檢測(cè)出尿素溶液濃度，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給指定ID主設(shè)備。在日益嚴(yán)重的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)下，機(jī)動(dòng)車需要進(jìn)一步提高尾氣處理效率。車用尿素溶液濃度的檢測(cè)可在SCR系統(tǒng)運(yùn)行前作為一個(gè)預(yù)處理，提前檢測(cè)溶液濃度，當(dāng)檢測(cè)到不合格尿素溶液時(shí)可直接限定車輛扭矩甚至限制汽車啟動(dòng)；另一方面，在車輛行駛過(guò)程中還可將濃度信息作為反饋量，主控系統(tǒng)可進(jìn)一步精確地計(jì)算出尿素溶液的噴射量，提高處理效率，同時(shí)也可以避免氨氣溢出。此方法可為下一代汽車尾氣處理方案提供一定參考意義。

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作者信息:

劉  露，劉惠康

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）