傳感器技術(shù)：讓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更環(huán)保的秘密

減少二氧化碳排放是當(dāng)今汽車(chē)領(lǐng)域最熱門(mén)的話題。歐盟委員會(huì)最近宣布到2012年獲得更安全更環(huán)保汽車(chē)的路線圖。汽車(chē)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)方式中的明顯變化也證實(shí)，消費(fèi)者想要能滿足自己個(gè)人與專(zhuān)業(yè)需求的有最高燃料效能汽車(chē)。通過(guò)混合燃料技術(shù)等進(jìn)展，汽車(chē)制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽車(chē)。另外還有一些技術(shù)也致力于這一目標(biāo)，如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的污染率高于汽油動(dòng)力汽車(chē)，這也是一個(gè)事實(shí)。尤其是，柴油微粒對(duì)人體有傷害，會(huì)造成肺部不適、癌癥和心臟疾病。老式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)排放出較大可見(jiàn)微粒，像黑煙一樣，而新型發(fā)動(dòng)機(jī)排放的微粒一般很小，無(wú)法用肉眼看到。

為使這些排放更清潔，汽車(chē)制造商建立了柴油微粒過(guò)濾器（diesel particulate filters，DPF）。自1980年以來(lái)，這些過(guò)濾器已用于越野車(chē)，從1996年起用于某些普通汽車(chē)。現(xiàn)在DPF可以捕獲低至2.5微米的柴油煤煙微粒，因此將微粒排放從60%降低到7%。DPF采用多孔陶瓷材料，最終會(huì)飽和，需要清洗和再生。作這種維護(hù)時(shí)需要將DPF加熱到+600℃以上的排氣溫度。為了達(dá)到這種高于正常的溫度，ECU（電控單元）會(huì)暫時(shí)延緩噴油，并限制吸氣。這時(shí)傳感器就成為關(guān)鍵的控制元件：通過(guò)用壓力傳感器測(cè)量過(guò)濾器上的壓降，就可以確定開(kāi)始再生過(guò)程的最有效時(shí)點(diǎn)。

接口實(shí)現(xiàn)

以柴油過(guò)濾模塊為例，我們?cè)贒PF中安裝了一個(gè)采用傳統(tǒng)壓敏電阻元件的壓差傳感器。這個(gè)傳感器檢查一個(gè)較小的壓力范圍，一般為0至15psi。一只傳感器接口IC（如Melexis公司的MLC90320 CMOS模擬傳感器接口）連接在傳感器的輸出端，構(gòu)成一個(gè)阻性Wheatstone橋式電路。這個(gè)接口可將電阻的小變化電壓（通常是數(shù)毫伏）轉(zhuǎn)換為相當(dāng)大的輸出電壓變動(dòng)。采用這種結(jié)構(gòu)，電路就能夠比較過(guò)濾器前、后的壓力信號(hào)（圖1）。接口芯片對(duì)傳感器的信號(hào)作放大和校正，將其變換為ECU能夠識(shí)別的值。當(dāng)DPF飽和時(shí)，接口會(huì)探測(cè)到在過(guò)濾器前、后的信號(hào)之間有一較大的壓力差。接口IC對(duì)這一差值作放大和補(bǔ)償，傳給ECU。這個(gè)過(guò)程可以使傳感器接口控制檢測(cè)元件與ECU之間的通信，保證過(guò)濾器的連續(xù)正常工作。

傳感器接口

在上述例子中，壓敏電阻檢測(cè)元件連接到傳感器接口的輸入端，它對(duì)信號(hào)作增益與偏移的補(bǔ)償，以確定有經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的輸出信號(hào)。此外，在不同的粗調(diào)階段采用3位和10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），這種特殊接口的輸出架構(gòu)中采用了另外一片10位DAC，能夠?qū)敵鲎兓秶骶_的校準(zhǔn)（圖2）。

設(shè)備的架構(gòu)可以容易地檢測(cè)出數(shù)毫伏的傳感器輸出，并獲得4V的精準(zhǔn)輸出范圍。為確保接口芯片的順利補(bǔ)償調(diào)節(jié)，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)粗略的補(bǔ)償校正，用于補(bǔ)償檢測(cè)元件的大偏移變化，并使用了可調(diào)的10位補(bǔ)償。在考慮溫度問(wèn)題時(shí)，傳感器接口也可以連接到內(nèi)部或外部溫度傳感器。

不過(guò)，如果應(yīng)用中傳感器周?chē)鷾囟扰c接口周?chē)鷾囟炔煌?，則最好只用一個(gè)外接溫度傳感器。將外接電阻連接到用于調(diào)整偏置和增益的溫度鏈上，接口就可以在必要時(shí)完成精確的10位溫度測(cè)量（圖3）。這樣可以將外接溫度傳感器盡量靠近壓力傳感器安裝。

可編程箝位

傳感器接口的另一個(gè)獨(dú)有性質(zhì)是它能夠在低輸出電平和高輸出電平時(shí)實(shí)現(xiàn)可編程箝位。箝位可確保傳感器探測(cè)最低和最高輸出電平的能力，并且ECU能夠檢查出傳感器的輸出是否在一個(gè)可接受范圍內(nèi)。此外，我們例子中的傳感器接口還集成了故障檢測(cè)，因此適用于一系列汽車(chē)應(yīng)用。當(dāng)它檢測(cè)到內(nèi)、外故障時(shí)，用此器件就能夠探測(cè)出檢測(cè)元件的不良連接。

如果芯片從傳感器收到一個(gè)不正確的輸入電平，如低于1.5V或高于3.5V，則可能有對(duì)地或電源的短路，IC將產(chǎn)生一個(gè)超出箝位電平范圍的輸出電平。ECU從而檢測(cè)出了該事件。這款專(zhuān)用接口IC能夠通過(guò)實(shí)際連接器對(duì)傳感器接口作編程。包含檢測(cè)元件和接口的模塊被裝在一個(gè)外殼內(nèi)，只有應(yīng)用管腳連接到模塊的外面。沒(méi)必要增加其它的通信線，因?yàn)檩敵瞿_既可以作模擬輸出腳，也可以作通信腳。通過(guò)短路檢測(cè)，IC就知道用戶正在請(qǐng)求管腳用于通信。為確保在短路時(shí)內(nèi)存參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)檢測(cè)基于一種特定的時(shí)序動(dòng)作。此外，接口芯片包含一個(gè)鎖定EEPROM的選項(xiàng)，以避免意外地改變已校準(zhǔn)的器件。實(shí)際上，通過(guò)采用接口的輸出，我們可以與芯片通信，用用戶定義的特性校正EEPROM中的參數(shù)。

現(xiàn)有用于校準(zhǔn)接口的評(píng)估板。這些板包括了與接口通信所需全部硬件、伴隨軟件，以及生產(chǎn)軟件。生產(chǎn)軟件可以控制所有必需的生產(chǎn)設(shè)備，并與設(shè)備通信，以快速校準(zhǔn)數(shù)百件樣品。

結(jié)束語(yǔ)

傳感器接口在汽車(chē)中無(wú)處不在。它們將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀的格式，并同時(shí)過(guò)濾掉干擾性外部成份，以確保發(fā)送準(zhǔn)確的信息。我們可在共軌系統(tǒng)（common rail）、懸掛和變速系統(tǒng)以及HVAC應(yīng)用、噴油噴汽系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、剎車(chē)防抱死系統(tǒng)，以及汽車(chē)的很多其它地方發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的傳感器。它們應(yīng)用如此廣泛，人們幾乎可以它們忘掉。了解它們的性能，能夠促進(jìn)將這些不可替代的產(chǎn)品用于越來(lái)越多應(yīng)用中。