0 引言

    近年來,，我國對機(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，對車用尿素溶液濃度的檢測顯得十分重要,。

    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,，并程序化寫入主控芯片中,。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測溶液濃度信息并通過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系統(tǒng)主要由超聲波部分,、高精度計(jì)時(shí)部分、溫度檢測部分,、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。溫度檢測部分由DS18B20組成,，能夠檢測溶液溫度,，對濃度檢測模型進(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)將測得數(shù)據(jù)通過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模擬前端,，常用于汽車、工業(yè)和醫(yī)療市場中的液位,、液體濃度鑒別以及接近報(bào)警等,。TDC1000可對發(fā)射脈沖、頻率,、增益和信號閾值進(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)等超聲波感測裝置。TDC7200可執(zhí)行秒表功能,，測量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量的流量計(jì)應(yīng)用。該芯片通過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位分辨率溫度測量,。DS18B20通過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線上汲取能量,，除去對外部電源的依賴。

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,。壓電陶瓷對光和壓力比較敏感，對壓電陶瓷施加一個(gè)外力,，壓電陶瓷表面會產(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)化為電能的過程,；對壓電陶瓷外加一個(gè)電場,，壓電陶瓷會發(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)行過程中,，需要對超聲波飛行時(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SPI總線與TDC7200連接,，每次測量結(jié)束后通過SPI讀取TDC7200寄存器中計(jì)數(shù)值,，通過相關(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)際測量中,，容器中會有超聲波雜波,，導(dǎo)致偶爾會出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；另一方面,，當(dāng)溶液溫度不均勻時(shí)也會導(dǎo)致超聲波速度測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,，會在小范圍內(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應(yīng)的超聲波速度數(shù)據(jù)畫出散點(diǎn)圖,，圖3僅為15 ℃,、20 ℃、25 ℃,、30 ℃時(shí)對應(yīng)曲線,。

    由圖3超聲波傳播速度與車用尿素溶液濃度對應(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用來衡量自變量與因變量之間相關(guān)程度的大小,，R²>0.99說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表達(dá)斜率A和截距B與溫度T的對應(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,，說明溫度T與斜率A,、截距B也呈高度正相關(guān)。因此,，通過線性回歸得到斜率A,、截距B與溫度T的對應(yīng)關(guān)系模型良好，預(yù)測值與實(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)測試完成一次測量并發(fā)送數(shù)據(jù)沒有問題,，不會產(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),，裝置將無法測量，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),，也無法進(jìn)行測量,，將在TDC1000報(bào)錯(cuò)中斷中發(fā)送故障報(bào)文；超溫和檢測到其他液體時(shí),，程序?qū)l(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?，此模型建立后直接寫入微處理器,，測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)了對不同濃度車用尿素溶液濃度的實(shí)時(shí)測量,。經(jīng)測試系統(tǒng)濃度值檢測結(jié)果誤差在0.3%以內(nèi)，精確度較高,，可以用來做濃度監(jiān)測,、濃度測量,、純度控制、產(chǎn)品檢測等,。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法簡單,，檢測精度高，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)在于建模過程中采用線性回歸的方法并通過溫度補(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)檢測出尿素溶液濃度,，并將檢測數(shù)據(jù)通過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可在SCR系統(tǒng)運(yùn)行前作為一個(gè)預(yù)處理，提前檢測溶液濃度,，當(dāng)檢測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）