0 引言

    近年來,，我國對機動車尾氣排放要求日益嚴格,，機動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),，將對大氣有嚴重污染的氮氧化物（一氧化氮,、二氧化氮）還原成無污染的氮氣和水排出^[2]。車用尿素溶液是尿素濃度為31.8%～33.3%的水溶液,，標準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,，實現(xiàn)各路信號的采集、濾波和最終的濃度計算,；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)實時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、高精度計時部分,、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。高精度計時部分由TDC7200時間數(shù)-字轉(zhuǎn)換芯片組成,，主要作用是精確地計時超聲波在固定聲程中的傳播時間,。溫度檢測部分由DS18B20組成，能夠檢測溶液溫度,，對濃度檢測模型進行補償,、修正。通信部分由TJA1050 CAN收發(fā)器組成,，能夠及時將測得數(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,、計算及發(fā)送,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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145 ℃,。芯片內(nèi)部集成數(shù)據(jù)EEPROM。在16 MHz時鐘下可實現(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警等,。TDC1000可對發(fā)射脈沖,、頻率、增益和信號閾值進行靈活配置,，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行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 TDC7200時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

    TDC7200是一款時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，適用于水表,、燃氣表和熱量計等超聲波感測裝置。TDC7200可執(zhí)行秒表功能,，測量START脈沖與STOP脈沖之間的時間間隔（飛行時間,，即TOF）。該器件內(nèi)置自校準時基,，可對時間和溫度偏差進行補償,。這一自校準功能使得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應(yīng)用。該芯片通過SPI總線方式與處理器進行數(shù)據(jù)傳輸,，電路設(shè)計圖如圖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”標準，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，可保護發(fā)送器輸出級免受正電壓或負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),，是一個將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程,；對壓電陶瓷外加一個電場，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),，是一個將電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。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,，從而產(chǎn)生超聲波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

    系統(tǒng)運行過程中,，需要對超聲波飛行時間和溶液溫度數(shù)據(jù)進行實時采集,。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寄存器中計數(shù)值,，通過相關(guān)計算轉(zhuǎn)換成時間數(shù)據(jù),；另外，處理器配置一個IO口作為DS18B20單總線數(shù)據(jù)線,，軟件模擬單總線時序進行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)計超聲波聲程為6 cm，在超聲波換能器接收到回波后,，時間已知便可計算出超聲波傳播速度,。但在實際測量中,，容器中會有超聲波雜波，導致偶爾會出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù),；另一方面,，當溶液溫度不均勻時也會導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,，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

    通過實驗可知,，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)畫出散點圖,，圖3僅為15 ℃,、20 ℃、25 ℃,、30 ℃時對應(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,，所以為了準確地表達出溶液濃度，還需要加入溫度補償,。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,；同時與截距B也呈線性關(guān)系。故同樣可建立線性模型來表達斜率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,，可得到每個溫度下的斜率A和截距B,，所以在溫度補償中斜率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,，預測值與實際十分接近?；跍囟妊a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,，標準幀格式，將測得數(shù)據(jù)回傳給SCR系統(tǒng),。8位CAN報文幀數(shù)據(jù)分為5種情況：溶液溫度超溫（溶液溫度達到100 ℃）,、換能器故障、DS18B20故障,、其他液體和正常運行（尿素溶液濃度數(shù)據(jù)）,。

3.4 軟件整體流程

    本程序設(shè)計主體部分都在單片機定時器中斷中完成。單片機定時器設(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)生定時器溢出。TDC1000和TDC7200寄存器初始化和更新在200 ms定時器中斷中完成,；單片機讀取TDC7200計時時間,、讀取DS18B20溫度數(shù)據(jù)并完成傳播速度和溶液濃度計算在TDC7200觸發(fā)中斷中完成。CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)分為兩類,，一類是故障報文,，故障報文分為DS18B20故障、換能器故障,、超溫和其他液體,。DS18B20故障時，裝置將無法測量,，程序?qū)⒃贒S18B20復位時進入死循環(huán)并不停地發(fā)送DS18B20故障報文,；超聲波換能器故障時,，也無法進行測量,，將在TDC1000報錯中斷中發(fā)送故障報文；超溫和檢測到其他液體時,，程序?qū)l(fā)送相應(yīng)報文數(shù)據(jù),。另一類是正常濃度報文發(fā)送，即發(fā)送車用尿素溶液濃度數(shù)據(jù)報文信息,。軟件流程圖如圖6所示,。

4 實驗結(jié)果與分析

    在系統(tǒng)建模過程中，首先需要采集大量實驗數(shù)據(jù),。本文建模時準確配置了濃度為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)基于溫度補償?shù)臐舛饶Ｐ停四Ｐ徒⒑笾苯訉懭胛⑻幚砥?，測量未知濃度車用尿素溶液時將直接調(diào)用模型即可計算出溶液濃度,。表1是濃度32.5%的標準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,，不同濃度尿素溶液的實驗測試數(shù)據(jù)。由表2可知,，同一溫度,，溫度補償?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)在超聲波時差法^[7]的基礎(chǔ)上加入了溫度補償,，實現(xiàn)了對不同濃度車用尿素溶液濃度的實時測量。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)新點在于建模過程中采用線性回歸的方法并通過溫度補償模型斜率A和截距B,，使模型參數(shù)在不同溫度下實時調(diào)整,，從而得到最優(yōu)模型參數(shù)。經(jīng)驗證此方法得到的模型精確度高,，滿足測量要求,。

    本文另一個創(chuàng)新點是設(shè)計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。它可實時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,。在日益嚴重的尾氣排放標準下,，機動車需要進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)運行前作為一個預處理,，提前檢測溶液濃度,，當檢測到不合格尿素溶液時可直接限定車輛扭矩甚至限制汽車啟動；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)可進一步精確地計算出尿素溶液的噴射量，提高處理效率,，同時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 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081）