uego(宽域氧传感器).doc

目 录中文摘要1英文摘要21 引言31.1 问题的引出31.2 国内外研究现状31.3 课题主要研究内容42 宽域型氧传感器结构和工作原理52.1 宽域氧传感器结构52.1.1 扩散室和参考室62.1.2 泵电池62.1.3 氧浓差电池62.1.4 加热部件72.2 基本工作原理72.2.1 概述. .72.2.2 当内燃机工作在稀燃状态82.2.3 当内燃机工作在富燃状态93 宽带型氧传感器控制器设计113.1 TMS320F28335DSP介绍113.2 UEGO传感器控制器概述133.2.1 温度控制部分143.2.2 泵电流控制部分153.2.3 空燃比测量部分163.3 UEGO控制器外围信号调理电路设计173.3.1 交流通道的设计173.3.2 直流通道的设计183.3.3 加热驱动电路的设计193.4 UEGO控制器外围电路设计203.4.1 电压产生电路的设计203.4.2 时钟电路的设计223.4.3 复位电路的设计234 全文总结24谢 辞26参考文献27UEGO传感器控制器设计摘要:传统氧传感器只能反馈混合气浓或稀，至于精确的空燃比却不能反馈，所以便有了宽域型线性氧传感器（UEGO）。其输出信号可以精确的反馈混合气的空燃比，提高ECU的控制精度，最大限度的发挥三元催化器的作用，降低有害气体的排放。本文研究的是基于TMS320F28335DSP的宽域型氧传感器控制器的硬件部分，它主要包括以下几个部分：泵电流控制部分、温度控制部分、传感器加热部分和泵电流测量部分，它在工作的过程中需要对电流和温度等量进行控制。除此之外，还要设计DSP的复位电路、时钟电路以及电源电路，以满足控制的要求。关键词：宽域型氧传感器；空燃比；氧传感器控制器；UEGO THE DESIGN OF UNIVERSAL EXHAUST GAS OXYGEN SENSOR CONTROLLERAbstract: The traditional oxygen sensor can only feedback thick or thin of the mixed gas, as the air-fuel ratio can not be feedbacked accurately,so the Universal Exhaust Gas Oxygen sensor (UEGO) come into being.The output signal can accurately feedback the air-fuel ratio of the mixed gas to improve ECUs control accuracy, maximize the role of catalytic converters to reduce harmful gas emissions.This study is about the hardware of Universal Exhaust Gas Oxygen sensor controller based on TMS320F28335DSP, which includes the following components: pump current control section, the temperature control section, the sensor heating section and the pump current measurement section,its current and temperature need to be controlled during its word time. In addition,the DSP reset circuit,clock circuit and power circuit must be designed to meet the control requirement. Key words: Universal Exhaust Gas Oxygen sensor；air-fuel ratio；oxygen sensor controller；UEGO1 引言1.1 问题的引出 氧传感器是汽车发动机燃油反馈控制系统的重要部件，在空燃比控制中有着非常重要的作用。氧化锆型氧传感器的工作范围是在=1附近产生一个跳跃性的输出电压变化，一旦超出此范围，其反应性能便降低。当发动机需要作稀混合或浓混合控制时，这一类型的氧传感器便无法胜任了，使得发动机的燃油控制不能十分精确1。随着人们环保意识的日渐加深和对汽车尾气排放要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，因为它只能定性的知道气体的浓稀，而不知道浓稀的程度；且应用开关型氧传感器的发动机空燃比控制系统，只能以当量空燃比值为目标进行反馈，线性宽域氧传感器（Universal Exhaust Oxygen Sensor,简称UEGO）就在这种情况下诞生了。它通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃(=1)状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。如果混合汽太浓(1)，则要增加喷油量。它可以在很宽的空燃比范围内（=0.65-2.4）提供准确的空燃比值，提高汽车发动机电控单元ECU 的控制精度，最大限度的发挥三元催化器的作用，降低废气中的有害成分2。宽域型氧传感器由于其特殊的结构，必须配合控制器方能使用。当其配合单独的控制器时，可以组成便携式空燃比分析仪，成为发动机测控平台的一台重要仪器。 1.2 国内外研究现状国外已将宽域型氧传感器（UEGO） 传感器用于汽油机的燃烧控制系统中，如大众、奥迪、沃尔沃等。目前市场上使用最多是日本 Horiba 公司的空燃比分析仪MEXA-700，测量精度高，功能十分强大，但价格昂贵，人民币10 万左右，并且只能使用市场上罕见的专用UEGO 传感器，动态响应时间80ms，在汽车高转速或工况突变情况下，其动态性能还有待提高。美国的ECM4800R 空燃比仪的动态响应时间为150ms。现在国内也开展了UEGO 控制器的相关研究。西华大学交通与汽车工程学院利用德国Bosch 公司针对其LSU 系列UEGO 传感器开发的CJ125 控制芯片，开发UEGO传感器接口控制单元，用模拟电路实现控制规律，且CJ125 专用芯片市场上难以购买。大连理工大学全部用模拟电路实现UEGO 的控制器，包括其PID 控制。合肥工业大学机械学院研制的便携式空燃比仪，没有温度控制和泵电流控制模块，仅用简单的模拟电路产生泵电流，没有控制策略。以上的设计，最终仅仅评价了其空燃比值与输出电压的关系，其动态性能是难以令人满意的。合肥工业大学DSP 实验室，基于dsPACE 系统开发UEGO 控制器，并拟利用DSP28 系列芯片作为主控制器设计UEGO 控制器，实现数字化PID 控制，从而提高其动态性能。1.3 课题主要研究内容本文主要研究线性宽域氧传感器控制器的硬件电路，需要实现对两个量的控制：传感器温度以及泵电流。我们选择TMS320F28335DSP作为处理器，来实现对泵电流以及氧化锆传感器温度这两个量的控制。2 宽域型氧传感器结构和工作原理2.1 宽域氧传感器结构宽域氧传感器的结构图如图2-1所示，主要由扩散室、参考室、泵电池、氧浓差电池以及加热部件组成，具体各部分的作用将在下文介绍。B大气测试腔阳极加热器阴极阳极扩散小孔尾气Uref 0.45VUSA 氧化锆 （参考电压）感应室氧化锆（泵电池）泵氧元图2.1. 宽带型氧传感器结构原理图2.1.1 扩散室和参考室扩散室是用来接收汽车内燃机排出的尾气的，而参考室是用来接收氧含量一定的气体或者直接是空气。在扩散室里安有四个阴极，在扩散室与参考室之间有一个氧浓差电池，它能根据扩散室和参考室里面氧的浓度的差异而感应产生一个感应电动势Us。一般的氧化锆传感将此电压作为控制单元的输入信号来控制燃气的混合比。而宽带型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V。但这个电压只是电脑的参考标准值，它就需要传感的另一部分-泵电池来完成。泵电池位于扩散室和排气管之间，它能根据氧化锆的反作用原理（在其两极加上电压后会有氧离子的移动），通过控制器发送过来的控制信号而对扩散室抽入或抽出氧。2.1.2 泵电池泵电池是由氧化锆制成的，由于在氧化锆两极上加上电压后，可以使氧离子移动，根据这个特性，当泵电流流经泵电池时，就会使泵电池两端的氧离子产生移动，移动的方向由泵电流的方向确定。当内燃机燃烧为稀燃，即空燃比较大时，废气中氧的含量较高，大于理论值，这时感应电压Us小于0.45V，差值电压Verr大于零，经过PID控制器后就会产生一个大于零的泵电流Ip。泵电流流经泵电池后，就产生一个把氧从扩散室里抽出来的机制，以使扩散室里面的氧含量恢复理论值，将Us维持在0.45V；而当内燃机燃烧为富燃，即空燃比较小的时候，废气中氧的含量较少，小于理论值，感应电压Us大于0.45V，差值电压信号Verr小于零，经过PID控制器后就会产生一个小于零的泵电流（即方向与稀燃时相反）。该泵电流能把氧从外面泵入扩散室，以使扩散室的氧的含量恢复理论值，将Us维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程中提供给泵氧元的电流就反映了排气中的乘余空气含量含量。2.1.3 氧浓差电池 氧浓差电池（感应电池）也是由氧化锆制成，位于扩散室和参考室之间。由于氧化锆具有这样的特性：当其两侧的含氧量不同时，在氧化锆两侧的电极上会产生电动势。因此由于参考室和扩散室的氧的浓度不同，所以在氧浓差电池两端就会产生一个电动势Us，而这个电动势的大小就反应了扩散室中氧的浓度。我们的工作就是要把氧浓差电池的电压控制在0.45V，为了达到这个目的，（由于参考室里的氧的浓度一定）我们就要控制扩散室里面氧的浓度。这个工作是由我们下面将要讲到的泵电池来完成。2.1.4 加热部件宽域氧传感器内部的氧浓差电池受温度影响，在700-800时性能最好4。所以，要控制宽域传感器内置加热电阻的加热电压，以保持合适的温度。2.2 基本工作原理2.2.1 概述线性宽域氧传感器是在普通开关型氧化锆氧传感器的基础上增加一个泵电池形成。在正常的传感器操作下，小量的废气从扩散孔进入泵电池，参考电池能够感知到废气的浓稀状况，并产生高于或低于参考电压Uref 的电压Us。UEGO传感器可在浓混合（1）条件下向排气中加入氧气，而在稀混合气（1）中泵出排气中的氧，使监测室中的空燃比始终在理论空燃比（=1）附近，保持传感敏感元件氧化锆（ZrO2）管内外的电动势在0.45 V 左右。由于不同浓度的混合气需要泵入或泵出氧的多少不同，故泵电池的泵电流与混合气的空燃比一一对应，废气中的氧气体积分数与其空燃比也是一一对应的。空燃比与泵电流的大小的关系大致如下图2.1所示5。空燃比的定义式如下： 图2.2 Ip与关系图当废气流经传感器的头部时，它将反馈一个电压信号给控制器，告知控制器汽缸内气体的浓稀；而后控制器产生一个泵电流流到宽域氧传感器的泵电池上，从而消耗过量的氧气或燃料，使汽缸内气体的浓度始终维持在理论值附近。 因为氧化锆氧传感器的特点为，氧离子的移动会产生电动势，反之将电动势加在氧化锆上，则会产生氧离子的移动。当废气通过扩散孔进入扩散室时，氧浓差电池一面与扩散室相接触，一面与空气参考室相接触，由于两面的氧含量不同而产生电动势，即氧浓差电池电压Vs。开关氧传感器将其电压信号送给ECU，作为废气中氧浓度的信号，以此控制空燃比。而宽域型传感器则施加电压在泵电池上，产生泵电流，使氧浓差电池两面的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V（即参考电压为0.45V）。富油的浓混合气将使氧浓差电池电压大于0.45V，传感器控制器则施加负方向的泵电流Ip,使氧气泵入扩散室，进行化学反应，降低废气的浓度，使电压恢复到0.45V；反之，若富氧的稀混合气将使氧浓差电池电压小于0.45V，则产生正方向的泵电流Ip,将氧气泵出扩散室。当燃料或氧气被中和时，氧浓差电池输出电压就维持在0.45V。宽域氧传感器就是这样通过泵电流的大小和方向，来反映废气的浓或稀，以及浓稀程度。并且，再将泵电流转换为0-5v 连续的线性电压输出。 简而言之，就是利用了氧化锆的两个特性：第一个特性是当氧化锆两侧的含氧量不同时，在氧化锆两侧的电极上产生电动势，普通氧传感器正是利用氧化锆的这一特性。第二个特性与第一个特性相反，即当在氧化锆两侧的电极上加上电压时，可以使氧离子移动。如果内燃机在某一空燃比下工作，排出氧含量一定的尾气进入测试腔，使得感应电池两端的电压维持在0.45V，我们称这时的状态为理想空燃比状态。2.2.2 当内燃机工作在稀燃状态当内燃机是稀燃，即混合气中汽油含量较低时，此时燃烧所消耗的氧气的量比较少，从而从尾气中排出的氧比理想空燃比状态下多。尾气进入扩散室后由于感应电池两端氧浓度差比较小，所以感应电池两端的电压就会小于0.45V(感应电压即为图中Us），而感应电压Us与参考电压Uref（Uref为固定电压，值为0.45V）经过泵电流控制模块比较和放大后将得到一个放大了的大于零的电压，而此电压经过一个泵电流控制器向泵电池发送一个正的泵电流，将氧从测试腔中泵出使测试腔内的含氧量下降，使感应电池两端的电压Us维持在0.45V。我们能注意到的是，当Us与Uref的差值越大，正的泵电流的值就会越大，泵电池从测试腔泵出氧的泵氧力度就会越大。此时系统工作情况大致如下图2.3所示。大气测试腔USBUref 0.45V IpA从扩散室抽出氧图2.3 稀燃情况下泵电流和氧移动方向 2.2.3 当内燃机工作在富燃状态相应的，当内燃机是富燃，即混合气中汽油含量较高时，燃烧所消耗的氧气的量就比较多，从而从尾气排出的氧就比理想空燃比状态下的少。此时尾气进入扩散室后由于感应电池两端的氧浓度差比较大，所以感应电池两端的电压Us就会大于0.45V，此时感应电压Us与参考电压Uref经过差分放大器A后在其输出端将产生一个放大了的小于零的电压，此电压经过泵电流控制器向泵电池发送一个负的电流（即方向与稀燃时相反），将氧泵入测试腔使测试腔内含氧量升高，从而使感应电池两端的电压值Us维持在0.45V。而且感应电池两端的电压比参考电压Uref大的越多，负的泵电流的值就会越大，泵电池往测试腔的泵氧力度也会越大。此时，泵电流的方向和氧移动的方向均和图2.3所示的方向相反。3 宽带型氧传感器控制器设计由前面的介绍的氧传感器的工作原理可知，要使传感器能正常工作，还需要相应的控制器，控制器的性能直接影响了传感器的工作质量。目前，宽带型氧传感器主要用于汽车发动机的控制和空燃比分析仪。氧传感器配合相应的控制器时，不但能控制泵电流和传感器工作温度，还能通过处理测出精确的空燃比，然后这个空燃比值被发送到电子控制单元ECU中，ECU根据值的大小判断混合气的稀浓，然后再控制喷油量。目前，无论是德国Bosch公司针对其LSU系列UEGO传感器开发的CJ-110、CJ-120、CJ-125等型号的IC控制芯片，还是大连理工大学内燃机研究所针对日本NTK公司的UEGO传感器研制的控制系统，都是用模拟电路实现的，控制规律较为简单，无法实现复杂的控制策略，限制了传感器动态性能的提高3。本章采用TMS320F28335DSP系统作为开发平台，同时配合相应的外围调理电路来设计UEGO传感器的控制器。3.1 TMS320F28335DSP介绍TMS320F2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。TMS320F2000系列DSP片上整合了Flash存储器，快速的A/D转换器，增强型CAN模块，增强型PWM模块，正交编码电路接口，多通道缓冲串口等外设，可以方便的开发高性能数字控制系统。其中TMS320F28335DSP是TI公司最近推出的32位具有浮点内核的DSP芯片，是目前工业领域最先进的处理器之一。其主频最高可达150MHz，即单个指令周期为6.67ns，提高了控制系统的控制精度和芯片的处理能力，可以很好的满足UEGO控制器的控制要求。TMS320F28335DSP的主要性能和技术特征如下6、7：CPU：TMS320F28335DSP以精简指令集（RISC）微处理器C28x为内核32位CPU，具有8级流水线，系统最高频率达150MHz，指令执行可在单周期内完成。CPU采用改进型哈佛总线结构（可工作于冯诺依曼模式），支持总线扩展，寻址空间高达4G字；FPU：支持IEEE-754单精度（32位）浮点运算；存储器：片上集成有256K16的Flash，34K16高速静态RAM，1K16的OPT ROM，以及8K16带有数字运算表的Boot ROM。此外，通过外部总线控制接口XINTF，还能进行片外存储器扩展，能支持2M16以上的寻址空间；中断：8个外部中断，相对于TMS320F281X系列的DSP，无专门的中断引脚。支持58个外设中断的外设中断扩展控制器（PIE），管理片上外设和外部引脚引起的终端请求；增强型的外设模块：18个PWM输出，包含6个高分辨率脉宽调制模块（HRPWM)、6个事件捕获输入，2通道的正交调制模块（QEP）；3个32位的定时器，定时器0和定时器1用作一般的定时器，定时器0接到PIE模块，定时器1接到中断INT13；定时器2用于DSP/BIOS的片上实时系统，连接到中断INT14，如果系统不使用DSP/BIOS，定时器2可用于一般定时器；串行外设为2通道CAN模块、3通道SCI模块、2个McBSP（多通道缓冲串行接口）模块、1个SPI模块、1个I2C主从兼容的串行总线接口模块；12位的A/D转换器具有16个转换通道、2个采样保持器、内部参考电压，转换速度为80ns，同时支持多通道转换；88个可编程的复用GPIO引脚；低功耗模式；1.9V内核，3.3V I/O供电；除此之外，TMS320F28335片上还有3路带有16级FIFO的全双工异步串口以及一个看门狗定时器。通过上面分析可以看出，基于TMS320F28335板具有强大的数学运算和控制功能，可满足控制系统实时控制要求。其引脚图如图3.1所示。图3.1 TMS320F28335引脚图3.2 UEGO传感器控制器概述总体来说，UEGO控制器包括三个部分，即温度控制部分、泵电流控制部分、泵电流测量部分和传感器加热部分，系统总体框图如图3.2所示。各个部分将在下文中具体说明。图3.2 UEGO控制器系统框图3.2.1 温度控制部分宽域氧传感器内部的氧浓差电池受温度影响，在700-800时性能最好4。所以，要控制宽域传感器内置加热电阻的加热电压，以保持合适的温度。由于一般电阻的阻值都会受温度的影响，所以我们可以通过对感应电池内阻的测量来间接反映它的温度。为了不影响感应电池的正常工作，我们选择采用交流测量内阻法测量感应电池内阻来实现温度的检测，然后控制器根据测量的感应电池的内阻来控制提供给加热电阻的电流或电压，从而实现对加热器温度的控制。由于单独的只根据测量的内阻来控制温度不够方便和准确，因此我们提供了一个参考电阻Rref，此电阻值为传感器温度为750度的时候氧浓差电池的内阻值（约80欧姆）。我们只要把相同大小的电流分别通过氧浓差电池和参考电阻，然后比较氧浓差电池和参考电阻两端的电压，控制器根据比较的结果进而间接的获得传感器温度的信息，从而根据情况相应的控制加在加热电阻两端的电压，从而实现对传感器温度的控制。由于从氧浓差电池两端得到的电压信号既有交流成分，又有直流成分，而且直流成分幅值比交流成分大得多，为了防止直流分量被过分放大，要对得到的信号进行隔直处理；由于交流信号幅值很小（最大峰值只有约20mV)3,那么就需要对信号进行放大；为了消除高频干扰我们需要对信号进行滤波；为了保护ADC不被损坏，我们还需要对放大的信号进行限幅。而隔直、放大、滤波、限幅等电路就构成了温度控制部分所需要的交流通道。因此，在温度控制这一部分就需要以下几个部分：交流电流激励模块、温度控制模块（这两个模块由DSP实现）、加热驱动电路、交流通道和参考交流通道，图3.3为其基本框图。交流通道ADC温度控制模块 VrefUEGOPWM加热驱动电路MADC交流通路 图3.3 温度控制框图 如图所示，参考信号和氧浓差电池两端的交流信号被采入DSP后，经过温度控制模块来控制改变相应的占空比来调节加热电压，以保持氧浓差电池处于恒温750.3.2.2 泵电流控制部分由传感器的工作原理可知，我们要对泵电流进行控制以使氧浓差电池输出电压保持在0.45V恒定。泵电流是控制器将氧浓差电池两端的电压与参考电压进行比较然后得到的，因此我们需要得到氧浓差电池两端的电压。由于为了测量氧浓差电池的内阻加入了交流信号，所以我们要想得到直流信号，必须去除交流干扰信号。因此，我们需要对从氧浓差电池两端得到的电压信号进行陷波、滤波、放大、限幅等处理，去除干扰，将所需要的信号送到泵电流控制模块。陷波、滤波、放大、限幅等电路组成了这部分所需的直流通道。为了得到泵电流，我们还需要泵电流驱动电路。因此，在泵电流控制这一部分就需要直流通道、泵电流控制模块（由DSP实现）以及泵电流驱动电路，图3.4为其基本框图。UEGO Ip泵电流驱动电路DAC泵电流驱动模块 ADC直流通路 图3.4 泵电流控制框图 如图所示，氧浓差电池两端的电压信号经过直流通道后，得到的直流信号被采集到DSP，经过泵电流驱动模块处理后产生相应的控制电压，再经过电流驱动电路形成泵电流，施加给泵电池。3.2.3 空燃比测量部分根据前面的描述，泵电流的大小和方向间接反应了空燃比的大小。因此，要想得到准确的空燃比的值，我们就需要测量泵电流的大小。由于直接测量电流不容易实现，所我们将电流转化为电压再进行测量就简单得多了。在泵电流驱动电流的后面的导线内接入一个定值电阻，然后通过测量定值电阻两端的电压就能得到泵电流的大小，该电压信号还要通过放大、低通滤波和限幅电路进行调理。泵电流测量完毕后被采样到DSP，再经过空燃比计算模块处理后就能得到精确的空燃比的值。此部分需要定值电阻Rs、放大电路、，通滤波电路、限幅电路、空燃比计算模块（由DSP实现）以及显示模块，基本框图如图3.5所示。UEGOLCD显示泵电流测量电路空燃比计算模块DAC Rs IpADC图3.5 空燃比测量框图 如图所示，泵电流经过定值电阻Rs后就会在其两端产生电压。由于Rs阻值固定，所以只用测得Rs两端的电压就能得到泵电流的大小。泵电流的值采入DSP后，经过空燃比计算模块后就能计算出实时的空燃比的值，再通过LCD显示出来。3.3 UEGO控制器外围信号调理电路设计在上一节3.1中已经明确地讲到，UEGO传感器控制器一部分处理工作由DSP来完成，但是还需要相应的外围电路配合使用，因此就需要设计控制器的外围电路。前面已经提到，UEGO传感器外围电路主要有交流通道、参考交流通道、直流通道和泵电池测量通道四个通道，以及泵电流驱动电路和加热驱动电路两个驱动电路。这一节我们将对具体的外围电路根据相关的性能要求来进行设计。模拟输入信号来自UEGO传感器的氧浓差电池，包含直流电压和交流电压，交、直流电压需要分别进行测量。直流电压变化范围为0.1V-1V，信号脉动频率约为500Hz；交流电压频率为3.5KHz，传感器达到750时，其峰值约为20mV。3.3.1 交流通道的设计交流通道由隔直电容、放大器、带通滤波电路及限幅电路组成。为了完全捕捉到信号，采用了高输入阻抗的仪用放大器INA128进行信号放大3、8。根据INA128的特性，只需要设置R102的大小即可设置放大倍数，关系公式如下： 这里大概需要放大100倍，所以取R102=510。交流信号最大峰值只有约20mV，放大100倍后，直流信号幅度比交流信号大很多，为了防止直流分量被过分放大，在仪用放大器的输入端加入隔直电容，即为图中的C101和C102；由于现场存在干扰，所以在仪用放大器的后级加入带通滤波器（此带通滤波器是由一个低通滤波器和一个高通滤波器串联组成，且低通滤波器的截止角频率H大于高通滤波器的截止角频率L），只允许需要的频率的信号通过，滤除不需要的干扰信号；由于TMS320F28335DSP采样输入信号为0-3V，因此在滤波器输出端要加入限幅电路，将输出电压限制在0-3V以内保护ADC不被损坏，这个工作将由两个二极管完成。设计好的电路原理图如图3.6所示。图3.6 交流通道电路图由于通过参考交流通道的电流没有直流分量，所以参考交流通道只是在交流通道的基础上省去隔直电容就行了，如图3.7所示。图3.7 参考交流通道电路图3.3.2 直流通道的设计为了测量氧浓差电池两端的感应电压，就必须要提取氧浓差电池两端的直流电压，那么就需要滤除交流成分。首先采用陷波电路将3.5KHz的交流分量滤除；同样，为了滤除现场的高频干扰，还需要在陷波电路后加入低通滤波器，截止频率设为2.5KHz。为使放大后的信号不超过ADC的输入范围而损坏ADC，在运算放大器的输出端还要加入0V-3V的限幅电路（同样由两个二极管完成），设计好的直流通道电路原理图如图3.8所示。图3.8 直流通道电路图由于泵电流测量通道的输入信号没有3.5KHz的交流成分，所以此通道就不需要陷波电路，其电路原理图如图3.9所示。图3.9 泵电流测量通道3.3.3 加热驱动电路的设计由于UEGO传感器需要加热到750才能正常工作，因此我们需要把传感器的温度在工作时始终控制在750才能保证传感器正常工作。而这里的温度控制是根据所测得的传感器温度控制加热电压，采用DSP的PWM模块进行控制，通过改变PWM的占空比调节加热电压。加热电路工作电流大于1A，一般开关电源难以输出这样的大电流，考虑到现场有蓄电池，所以采用12V的蓄电池供电。TMS320F28335DSP芯片为数字控制芯片，其工作频率很高，而工作电压和电流都比较低。由于加热电流比较大，从安全可靠性考虑，需要将PWM驱动信号与驱动板之间隔开，而且需要对PWM信号加一定的缓冲（这里用的是6N137，高速光耦，起光电隔离的作用）。设计的电路原理图如图3.10所示。图3.10 加热驱动电路图如图，用MOSFET开关电源，栅极为低电平时，漏极输出高电平，电路导通，同时电容充电；栅极为高电平时，漏极输出低电平，电路关断，进入续流状态，由于电感的储能作用，续流二极管导通，为电流提供回路，此时负载靠电感释放能量和电容放电获取电压。采用专用MOSFET驱动芯片IRS2110驱动MOSFET。3.4 UEGO控制器外围电路设计3.4.1 电压产生电路的设计控制电路所需要的电压等级分别是数字电源：5V、3.3V、1.9V。TMS320F28335的供电电压是内核电压1.9V，I/O接口电压是3.3V，由于车载的只有12V的电源，所以先用芯片MC7805将12V电压转换成5V（如图3.11所示），再采用TI的专用DSP电源管理芯片TPS767D301来给DSP提供3.3V和1.9V电压，如图3.12所示。由于设计中运算放大器要用到+5V的模拟电源，因此还需要一个+5V模拟电源的转换电路，如图3.13所示。图3.11 +5V数字电压产生电路图3.12 +3.3和+1.9V电压产生电路图3.13 +5V模拟电压产生电路 3.4.2 时钟电路的设计向DSP提供时钟一般有两种方法：一种是利用DSP内部所提供的晶体振荡器电路，即在DSP的X1和X2引脚之间连接一个晶体来启动内部振荡器；另一种方法是将外部时钟源直接输入X2/CLKIN引脚，X1悬空，采用已经封装的晶体振荡器。从资源利用、设计的可行性以及电路设计的简单性考虑，时钟电路应采用TMS320F28335内部晶体振荡器，设计的电路如图3.13所示。 图3.13 时钟电路图3.4.3 复位电路的设计复位通常有上电复位和手动复位两种。上电复位由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100-200ms的稳定期8。所选的电源器件一旦加电，其输出电压紧随其输入电压，当输出电压达到启动的最小电压时（温度为25时，其电压为1.5V），引脚输出低电平，并且至少保持200ms8，从而满足复位要求。在运行过程中，用户也可以通过复位按钮使DSP复位，复位是靠外部电路实现的，设计的复位电路如图3.14所示。3.4.3 复位电路的设计复位通常有上电复位和手动复位两种。上电复位由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100-200ms的稳定期7。所选的电源器件一旦加电，其输出电压紧随其输入电压，当输出电压达到启动的最小电压时（温度为25时，其电压为1.5V），引脚输出低电平，并且至少保持200ms7，从而满足复位要求。在运行过程中，用户也可以通过复位按钮使DSP复位，复位是靠外部电路实现的，设计的复位电路如图3.14所示。图3.14 复位电路图4 全文总结至此，UEGO传感器控制器硬件电路设计完毕，完整的系统原理图如图4.1所示。宽带型氧传感器的使用，可以提高发动机电控单元的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害气体的排放。本文研究了宽带型氧传感器控制器的硬件部分，并设计了硬件图。在设计的过程中，得出了以下结论：（1） 在设计UEGO控制器过程中，对于泵电流和温度的控制中都给了一个参考量：泵电流控制中给了氧浓差电池一个参考电压Uref；在温度控制部分给了一个定值的参考电阻Rs。这样我们就不用拘泥于去测量具体的量，通过比较参考量和实际量再通过控制器进行相关处理就能得到准确的控制信号。这种方法在控制器的设计中用的非常广泛。（2） 在设计UEGO控制器过程中，针对控制要求设计了基于DSP（TMS320F28335）的控制器，具有强大的数据处理能力和控制功能，满足控制系统实时控制的要求。（3） 在设计硬件电路的过程中，交流通道和直流通道的精度很重要。为了防止烧坏ADC，在ADC前必须要加入限幅电路。（4） 在此控制器的设计中还设计了温度控制部分，将传感器的温度控制在一理想的值附近（约750），这样不但使其达到正常工作状态所需要的时间缩短，而且保证了在运行过程中传感器的正常工作，并使控制器的性能进一步得以优化。图4.1 完整的系统原理图谢 辞本论文设计在黄云志老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着黄老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，黄老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，黄老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向黄云志老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。 我还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！参考文献1 孙伟等，宽域氧传感器接口控制单元开发，西化大学学报：自然科学版，2007年4期，24-25,682 刘瑞祥，高希彦，杨德胜，宽范围氧传感器控制器设计及在柴油机EGR系统中的应用，大连理工大学内燃机研究所，辽宁 大连3 张进，两种发动机相关传感器动态特性的研究D，合肥工业大学硕士学位论文，2008 4Luca Poggio, Spinetta Marengo,Marco Secco, Nizza Monferrato,Piero Carbonaro, Turin,Daniele Ceccarini,Rimini, Control device for A linear oxygen sensorP, U.S. Patent 6334352B1,January 1,20025关顺贤，详解汽车宽带性氧传感器，辽宁科技学院机械工程系6 雷晓瑜，曹广忠 TMS320F28335及其最小应用系统设计，深圳大学机电与控制工程学院7胡海江，级联型有源电力滤波器的设计，北京交通大学硕士学位论文，20098张雄伟，陈亮，徐光辉，