多传感模块融合的空气流量计的设计

王 乾，叶雨欣，王 渊，，焦斌斌

(1.中国科学院微电子研究所,北京 100029；2.江苏物联网研究发展中心,江苏无锡 214135；3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

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]，从而使发动机处于最佳工作状态[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，获得最佳空燃比，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，最终输出，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。

1—主流道；2—空气流量敏感元件；3—信号处理电路；4—副流道；5—温湿度检测模块图1 融合多传感模块的空气流量计示意图

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 ℃，精度误差最大为 ±1.5 ℃，测量相对湿度范围为5%～95%，精度误差最大为±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，并最终以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，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I2C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；最后，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Rt、上下游温度检测电阻R1、R2、R3、R4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]。

图3 流量检测敏感元件结构图

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。

(a)加热电桥(b)测流量电桥图4 流量信号采集电路原理图

测流量电桥的电压信号输出与流量对应关系如图5所示，在流量0～637.6 kg/h的范围内，原始电压输出范围为9～62 mV，数值过小不易后续处理，所以进行模拟信号数字化处理的第一步就是差分放大 31倍。然后采用14位无符号ADC进行模数转化，即电压范围为(-5～5 V)时，对应输出数字ADC(0～16384)，分辨率达1.638 4/mV，在低流量时可达25.61/(kg·h-1)，高流量下可达4.5/(kg·h-1)。实验中发现电压信号存在热噪声，采用均值滤波的方式，一定程度上减少噪声影响。表1为与流量成正比的原始电压和其数字化处理后的ADC数值。

图5 流量检测敏感元件随流量变化的原始电压输出

表1 流量对应的原始电压和数字化之后的ADC值

2.2 温湿度信号的采集和处理

选用Sensirion公司的温湿度传感模块测量环境温度和湿度[16]，模块采用标准I2C协议进行通讯，在完成上电和启动传输后，对其发送测量温度和湿度的指令，如图6所示。经控制核心对信号解析，输出温度和相对湿度对应数值和标准温度如表2所示。

图6 控制核心发送测量命令

实际温度/℃传感模块输出经标定校正后温度/℃实际湿度/%传感模块输出经标定校正后湿度/%100D3079890C0838880B7597970999A69609BAA605074BC51407E8740405E35402062D9213047AE29045B6120333319-202893-19101EB89

2.3 整合数据SENT输出

SENT协议是一种单线异步串行通信协议[8]。传感器信号以一串方波来传送，方波下降沿之间时间的长短(上升沿)来表示信号的大小。SENT报文中的每个半字节(Nibble)的时间单位是时钟节拍(Clock Tick)(3 s≤Clock Tick≤10 s)。1个Nibble表示4个比特(bit)，可表征一位十六进制数(0～15)；1个Nibble由12～27个Clock Ticks组成，先输出5个Clock Ticks的低电平，然后输出(7+n)(0≤n≤15)个Clock Ticks的高电平。

图7 SENT协议示意图

如图7所示，SENT报文起始位Nibble#0是一个同步校验帧，用于同步发送的Clock Tick时钟。Nibble#1用于发送机发送内部状态和诊断信息。Nibble#7和Nibble#8用于校验1帧数据是否正确，Nibble#7和Nibble#2相加和为15则说明该帧数据正确；Nibble8用于整帧数据的校验。Nibble#2～Nibble#6是数据位，每个数据位由一个恒定间隔的下降沿(5 Clock Ticks)和一个可变间隔的上升沿组成，上升沿的长度表征了数据的大小，数据值越大，Clock Ticks越大。

本文利用SENT协议传输温度、湿度和流量信息，以2帧SENT数据才能包含完整信息，如表3所示。不考虑时钟误差的情况，每帧在816 之内传输完毕，2帧的信息传输时间小于2 ms，响应时间可到达流量计要求。

表3 SENT传送数据包含信息

3 实验结果

采用某款流量标测设备并配套控温调湿装置，改变环境温度、相对湿度以及空气质量流量，如图8所示，流量手动控制台可手动控制空气流量的开关；流量自动控制台，配合控制软件使用，可读取进气管道温度、相对湿度、背压等信息；温湿度控制装置可改变进气管道空气的温度和湿度。

(a)流量标测设务(b)SENT解码示波器1—流量手动控制台；2—控制流量开关的阀门；3—流量自动控制台；4，5—温湿度控制装置图8 实验装置

采用力科SDA760Zi型号的6 GHz Serial Data Analyzer 和对应的SENT解码测试方案对输出波形进行完整的物理层信号解码。这套解码测试方案支持SAE J2716 FEB2008 和 JAN2010 规范，通过参数设置，数据可以以半字节、字节、十六进制、十进制格式直接在波形上显示解码出来，支持最多同时分析解码4路有效载荷，如图9所示，SENT协议输出的2帧波形，解码得到环境温度、相对湿度和空气质量流量。

图9 SENT协议输出波形 温度湿度和流量信息信息

利用流量标测设备和温湿度控制装置控制单一变量，采用示波器解码输出，实验结果如表4、表5、表6所示，所设计的多传感模块融合的空气流量计输出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%，性能指标良好，达到现有国际同类产品水平，并可以进一步提升。

表4 不同温度SENT解码输出结果与标准值

表5 不同湿度SENT解码输出结果与标准值

表6 不同质量流量SENT解码输出结果与标准值

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，最后根据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。