基于飞思卡尔单片机的SCR控制器开发

卞启杰，安伟

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡214122）

基于飞思卡尔单片机的SCR控制器开发

卞启杰，安伟

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡214122）

为了实现SCR系统对尿素喷射控制的需求，提出了一种基于MC9S12XE系列单片机的控制器的测试系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主要对控制算法所需要检测的各类信号进行采集，以及尿素喷嘴驱动控制器设计；软件部分采用CodeWarrior集成开发工具进行模块化设计编程，能够完成对其输出信号进行检测，经控制算法数据处理后得到尿素喷嘴的控制输出。实际应用表明，该系统能够准确的测量各类信号，对尿素喷嘴进行控制，达到了设计要求。

尿素喷射；MC9S12XE；CodeWarrior；模块化设计

自柴油机问世以来，以其良好的燃油经济性、动力性、耐久性等优点，而被广泛应用[1]。随着一批先进机型和技术的引进以及低碳减排、新能源的国家政策的鼓励，柴油机产业正处于大力发展的时期，但随之柴油机的排放问题也越来越受到人们关注[2]。目前，世界各国对NOx和PM的排放要求日趋严格，而我国目前采用的排放标准为国-Ⅳ标准。面对日趋严格的排放法规，生产商开发各种后处理技术，而SCR技术则是其中较为成熟的一种。SCR技术由于其经济性能好，具有较好的耐硫性以及不需对发动机结构做出改变等特点，被视为最具有前景的柴油机后处理方式[3]。SCR控制器作为SCR系统的重要组成部分，其控制性能的高低直接影响了SCR系统性能[4]。

针对SCR系统的应用对象，采用飞思卡尔车用单片机作为控制器的微处理器；汽车电子上数据通讯以CAN总线为基础，利用飞思卡尔单片机自带的MSCAN模块，采用82C250CAN收发器，以实现CAN通讯模块设计；SCR控制器控制尿素喷嘴喷射，而尿素喷嘴的驱动电流较大，单片机I/O口不能直接实现驱动，文中以MOSFET为基础设计喷嘴驱动电路，实现尿素喷嘴的驱动控制。

1　SCR控制器总体设计

完整的SCR控制器应包含电源模块、微处理器模块、信号采集模块、驱动输出模块、数据存储模块和通信等功能模块[5]，其具体系统框图如图1所示。电源模块用于各模块的供电，应保证各模块都能平稳运行在其额定电压下；微处理器模块是指所选用处理器工作的基本电路，包括晶振电路、复位电路等；信息采集模块负责外围传感器信号的采集，在SCR系统中主要有排气温度采集与NOx浓度采集；驱动输出模块是控制器最终输出，这里是指尿素喷嘴的驱动；数据存储模块用于存储各种数据，SCR控制器软件设计中需要预先存储大量标定数据，运行过程中需要对运行数据进行存储以方便系统自检测[6]，所以数据存储模块的可靠非常重要；通信模块主要用于各个模块之间的数据交换。

图1　SCR控制器基本硬件构成

2　系统硬件设计

2.1微处理器选择

16位MC9S12XE系列单片机为飞思卡尔单片机的一种，可以适用于特别复杂的汽车环境，其所具备的合格性包括适应一个广泛的温度范围和汽车测试流程，因此它具有足够的稳定性和可靠性，完全能满足汽车电子领域运行环境恶劣的苛刻要求[7]。

MC9S12XE系列单片机自带MSCAN模块、脉冲宽度调制模块（PWM）以及AD转换模块，完全满足功能设计要求[8]。

2.2数据采集模块

SCR系统需要对环境温度、尿素温度、尿素液位以及排气温度进行实时检测。微处理器对这四类传感器的处理方式相同，在此以排温传感器为例。

排气温度检测采用PT200铂热型电阻传感器，微处理器需要对其进行AD模数转换[9]，因MC9S12XE系列单片机自带模数转换模块，设计中仅需将传感器信号线转接至对应模数转换引脚即可。硬件设计电路如图2所示。

图2　排气温度检测电路

2.3NOx浓度采集

SCR系统需要对催化器出入口的氮氧化物浓度进行监测，以满足系统控制需求，控制器所需要的NOx传感器普遍采用5WK9系列传感器。这类传感器的数据传输以CAN总线为基础[10]，将检测到的数据以一定的时间间隔发送到CAN总线上，微处理器通过CAN总线即可获取到采集的数据或其他信息（错误代码等）。飞思卡尔MC9S12XE系列处理器自带MSCAN模块，支持CAN2.0A/B协议，外加一个CAN收发器即可获取CAN总线上的信息和向总线上发送数据，设计采用的CAN收发器为82C250。82C250收发器电路图如图3所示。

图3　CAN总线收发器电路

2.4驱动输出模块

尿素喷嘴采用PWM波驱动，喷嘴喷射量的多少与PWM波成正比。由于控制芯片驱动电流较小，无法直接驱动尿素喷嘴。设计利用MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）集成驱动IC（如IR2110等）可以构建驱动电路如图4所示，其中PWMcontrol为微处理器控制信号。

图4　喷嘴驱动电路

3　SCR软件系统设计

SCR软件系统采用 CodeWarrior集成开发工具开发设计。程序采用C语言进行编写[11]，并采用模块化设计思想，即将主程序分成若干功能模块来实现，先编写各个功能模块的程序，最后主程序通过调用子程序的方法将所有模块连在一起，构成整个SCR系统控制程序。

3.1主程序流程图

控制程序大体上由两部分组成，初始化部分与控制主体部分。程序由初始化开始，对控制算法各类数据和微处理器各类功能进行初始化，初始化部分只在上电的时候运行一次，然后程序进入控制主体部分，进行各类数据采集处理，驱动输出，故障诊断等。控制主体部分不断进行循环，直到掉电或出现意外中止。整个控制流程图如图5所示。

3.2信号滤波子程序

微处理器利用传感器采集SCR系统工况数据，其间存在各类误差，为了减少信号误差，软件设计中加入了对应的滤波处理，滤波处理方式为滑动平均滤波[12]，这种滤波方式对周期性干扰信号有良好的抑制作用，平滑度高[13]。滤波子程序流程图如图6所示。

3.3喷嘴驱动子程序

SCR系统所采用的尿素喷嘴驱动电流分为两个阶段：启动电流阶段，驱动喷嘴快速打开，此阶段所需电流较大，持续时间较短；维持电流，维持喷嘴张开状态，此阶段所需电流相对较小，持续时间相对较长。驱动喷嘴周期性信号可如图7所示。软件系统利用两列PWM波来实现对喷嘴的变电流驱动，以t1表示喷嘴打开是时间，T表示喷射周期，则此时系统输出占空比可如式（1）表示：

图5　控制流程图

图6　信号滤波流程图

图7　喷嘴驱动周期信号

喷嘴开启通过PWM1实现，喷嘴开启通过PWM2实现。驱动电流的大小与PWM波占空比成正比，故可通过控制PWM1和PWM2的占空比得到合适的控制电流。以t2和t3分别表示PWM1和PWM2的控制时间。喷嘴驱动子程序流程图如图8所示。

4　系统调试

系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分内容。

硬件调试：主要是对所设计电路的基础功能实现方面的检测，对各个模块以及各个元器件的好坏进行测量；检查各个元器件之间是否短路；检查各个元器件是否焊接牢靠。

软件调试：SCR软件利用CodeWarrior软件开发工具设计，SCR系统较为复杂，在软件设计过程中，采用的是软件模块化设计，软件调试伴随着软件设计进行，即对系统各个子程序进行编写，进行调试，修改语法错误。

图8　喷嘴驱动子程序流程图

5　结　论

经过软硬件调试与设计，所设计控制器，能够较好的满足设计要求。控制器能够根据能够根据所检测到工况的变化，调节尿素喷嘴控制信号以满足SCR系统的控制要求。由于汽车工况范围较大，软件设计中并没有考虑一些极限工况的情况，比如工况温度较高，或者各类信号发生突变的情况，故软件系统有待完善，以进一步提高控制精度。

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Development of SCR controller based on the freescale single chip microcomputer

BIAN Qi-jie，AN Wei
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to realize the requirement of urea injection control in SCR system，a design scheme of the test system based on MC9S12XE microcontroller is presented，and the hardware and software design of the system is completed.The hardware part of the system is mainly for the control algorithm，and the design of the control system of the urea nozzle driver.The software part uses the CodeWarrior integrated development tool to design the module.The practical application shows that the system can accurately measure all kinds of signals and control the urea spray nozzle，which can meet the design requirements.

urea injection；MC9S12XE；CodeWarrior；modular design

TN6

A

1674－6236（2016）22-0172-03

2015-11-03稿件编号：201511125

卞启杰（1989—），男，江苏宝应人，硕士研究生。研究方向：机械电子工程，尾气后处理。