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多传感模块融合的空气流量计的设计

目前,能源供应紧张,燃油价格上涨,为保证燃油充分燃烧,减少尾气排放量,降低汽车能耗,保护环境,需要提高对发动机空燃比的控制精度。空气质量流量计作为信息源,提供进入汽车发动机的空气质量流量信号[1],结合电子燃油喷射系统对喷油量进行控制[2],从而使发动机处于佳工作状态[3]。
空气质量流量的测量与空气密度密切相关[4]。传统的空气流量计不检测环境湿度,然而湿度对于空 气密度的影响不可忽略[5]。为了进一步提高空气质  量流量的测量精度,本设计在传统流量计的基础上融 合温湿度传感模块,全面综合考量发动机的工作环境,优化流量数据的测量精准度。国外 BOSCH 公司和 HITACHI 公司已有相关产品[7],可以同时测量发动机温湿度和进气压力,而国内则暂时没有多传感模块融合的空气流量计。
Single edge nibble transmission( SENT) 即单边半字节传输协议[9],是美国机动车工程师学会( SAE) 推出 的一种点对点的、单向传输的方案,被用来在汽车传  感器和汽车电子控制单元之间快速传输高清数据。作为汽车传感器新型接口标准,SENT 输出与模拟输出和 PWM 输出相比,具有很好的电磁兼容特性; 节省线束和插针结头,低成本; 抗干扰能力强,读数准确。传统的流量计,每个物理量都需要至少一根线来传输  数据,融合多传感模块的空气流量计的发展趋势是发  送温度、湿度、海拔高度、进气压力等多信号到汽车电子控制单元 electronic  control  unit( ECU) [8],SENT 协议只需要一根线即可完成传输,节约成本。已有BOSCH 的 HFM - 8 系列流量计和 Continental 的流量计采用 SENT 输出接口[7]。
所以,本文设计多传感模块融合的空气流量计, 能够实时监测发动机工作环境的温度、湿度,更精准测量进气质量,并应用 SENT 协议输出给 ECU,以此提高对发动机的控制精度,获得佳空燃比,使汽车能 耗减少,保护环境。
1硬件设计
本文设计的多传感模块融合的空气流量计是在HFM - 7 系列某款流量计流道结构的基础上,融合温湿度测量传感模块,并采用汽车级嵌入式芯片作为控 制核心对信号进行处理,终输出,如图 1 所示,流量计安装在空气滤清器和节气门之间,它包括主流道、空气流量敏感元件、信号处理电路、副流道和温湿度 检测模块。
                             
空气通过主流道流经流量敏感元件。因为热膜式空气流量计是基于热传导原理,通过平衡状态下的温度分布来反映流速的,但是在湍流状态下热量分布稳定性
很差,平衡温度分布具有跳跃性,对流量的测量结果造成很大的误差[10],因为我们借鉴 HFM - 7 系列某款流量计的流道结构,空气流经主流道成为稳定层流。
空气通过副流道流经温湿度检测模块。本设计选用的温湿度检测模块具有优异的长期稳定性,可以在高温高湿的环境下准确输出,测量温度范围为 - 40 ~ 125 ℃ ,精度误差大为  ± 1. 5  ℃ ,测量相对湿度范围为 5% ~ 95% ,精度误差大为 ± 5% 。
流量敏感元件输出的模拟电压信号和温湿度检测模块输出的数字信号传入处理电路中进行调理整合,并终以 SENT 协议形式输出。处理电路中的控制核心选用 Cypress 公司嵌入式芯片,此款可编程嵌入式芯片,集成了 ARM 微控制器、存储器以及自定义的模拟和数字外设功能,如运算放大器、模数转换器、UART( universal asynchronous receiver transmitter) 串 行接口等空气流量计坏了的表现,代替一般 MCU( micro control unit) 和外部集成电路( ASIC) 组合方案,降低成本; 更灵活多变的可配置性,功能全面且研发周期缩短; 一流的功耗性能以及简洁的可编程界面,这款芯片可以优异地完成多传 感模块融合的空气流量计的所有功能需求。
2信号处理
图2 为多传感模块融合的空气流量计信号处理原理图。流量敏感元件感知空气流量,输出一个与流量成正比的模拟电压信号,经过控制核心差分放大、模数转化和噪声滤波,完成数字化处理; 温湿度检测模块感知汽车发动机进气的环境温度和相对湿度,通过  I2 C 通信协议将数字信号传输给控制核心,控制核心对信号进行解析; 后,控制核心参照标准信号和SENT 通信协议,对数据进行整合,将准确的环境温湿度、空气流量信息高效低成本地传输给 ECU。
                      
                               图 2 多传感模块融合的空气流量计信号处理原理图
2. 1 流量信号的采集和处理
流量敏感元件采用平面形铂金属膜电阻[12],结构示意如图 3 所示,由加热电阻 Rh 、加热电阻的温度捡测电阻 R 、上下游温度检测电阻 R 、R 、R 、R和环境
温度检测电阻 Rs 构成。静止的环境中,加热电阻加热,两边的温度成对称分布; 当空气流过时,由于强迫热对流效应使原有的温度平衡被打破。流体将热量带向下游,导致了加热电阻上游的冷却效应和下游的升温效应,上下游的温度差值反映流道中的流速,进而推算出进气管中的空气质量流量[13]。
本设计采用恒温差方式测量流量[14],如图 4  所示,环境温度检测电阻 Rs 和加热电阻温度捡测电阻Rt 与固定电阻组成加热电桥,当空气质量流量变大时,Rh 电阻减小,输出电压增大,Rh 重新被加热,维持与环境温度温差恒定; 上下游温度检测电阻 R1 、R2 、R3和 R4 组成测流量电桥,当空气质量流量变大时,上游的 R1 、R2 阻值减小,下游 R3 、R4 阻值增大,R2  和 R4  输出的电压差增大,以此表征质量流量增大。
4结论
本文设计了多传感模块融合的空气流量计,首先介绍了多传感模块融合的空气流量计的硬件设计,重点介绍控制核心对流量敏感元件输出的模拟信号和温湿度检测模块输出的数字信号的处理整合,后根据 SENT 协议的标准输出至 ECU。经实验验证,融合多传感模块的空气流量计输出的环境温度相对误差为 ± 2% ; 输出相对湿度的相对误差为  ± 4% ; 输出的空气质量流量相对误差为 ± 2% ,检测效果良好。由于采用 SENT 通信协议,与模拟输出和 PWM 输出相比,电磁兼容特性好; 数据传输准确,抗干扰性强; 节省线束,低成本。这类融合多传感模块的空气流量计应用于协助发动机对空燃比进行精确控制,使汽车能耗减少,保护环境。

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