发动机冷却液温度传感器测控方法及其测控系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种发动机冷却液温度传感器测控方法及其测控系统，该测控方法为：首先通过中值滤波的方法对过采样的AD转换值进行处理；然后对温度-电压关系进行两步标定；在开环手动调压输入情况下，建立测量温度T与信号电压值V的初步标定关系；后在闭环控制系统中建立实际温度Tb与当前信号电压V的二次标定关系；接着建立实际温度Tb与温度传感器当前信号电压VD的拟合关系。该测控系统包括下位机单元、上位PC机人机界面、发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表。本发明的测控方法操作简单，测试和标定效率高、精度高。本发明的测控系统结构简单，操控方便，使用安全、稳定，测试和标定直观、精确、效率高。
【专利说明】 发动机冷却液温度传感器测控方法及其测控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及温度传感器【技术领域】，尤其涉及一种发动机冷却液温度传感器测控方法及其测控系统。
【背景技术】
[0002]随着我国汽车工业的发展，汽车电子技术也日益成为当前汽车工业发展的核心技术之一。“汽车传感技术”作为汽车电子专业的核心专业基础课程，在近几年的实践教学环节却一直面临着实验设备匮乏的现状。目前市场上的传感器实验台不能有针对性的满足汽车传感技术方面的实践教学要求，如“发动机冷却液温度传感器实验装置”所采用的测控方法通常误差较大、效率较低，无法对发动机冷却液温度传感器进行直观、精确的测试和标定，其中，在温度传感器标定的过程中DSP内置ADC模块对AD误差的校正具有一定局限性，只能对三个点的系统误差(失调误差)进行校正，且不能对增益误差进行校正。更棘手的问题是，在某些输入电压值尤其是靠近两端(0/3.3V)的情况下，AD转换的个位数跳跃较大，无法直接利用线性校正或者分段线性校正的方式来实现校正，这势必影响后续温度的准确测量及控制。现有技术中虽然有汽车发动机热敏电阻型水温传感器性能测试仪设计方案，但是结构较复杂，体积不够小巧，多数采用加热开环控制，不便精确控温，调节时间长，不便作为测试标定平台。之前教学过程中一直以简易的实验器材来开发“发动机冷却液温度传感器”实验，用电热壶加热水来模拟发动机冷却液，用手动调压器结合玻璃温度计观测来控制温度，某个温度大致平稳后再测量电阻值。但是实验过程繁琐，尤其调温不好掌控，且多个实验组同时实验时，容易喷洒水，安全性也不好把握。应用于教学过程中，学生也不能直观的认识热敏电阻的参数特性如灵敏度、线性度等，不便理解标定的过程和标定在系统中的作用，也不便于规模化、重复化实验。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有发动机冷却液温度传感器的相关测试和标定不好操控，测试和标定不够直观、精确，效率低等问题而提出一种操控简单，测试和标定直观、精确、效率高且能方便实际应用的发动机冷却液温度传感器测控方法及其测控系统。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
上述的发动机冷却液温度传感器测控方法，是首先通过中值滤波的方法对过采样的AD转换值进行处理，即采用希尔排序法进行数值排序后取中间的多个值再进行平均滤波，如此得到系列标准输入电压Vd对应的AD值D，建立VD=f (D)的分段线性拟合公式；然后对温度-电压关系进行两步标定，即先在开环手动调压输入情况下，系统温度初次达到期望温度附近后即记录下该瞬态对应的温度T和温度传感器信号电压值V，建立测量温度T和温度传感器信号电压值V之间的初步瞬态标定关系；后在闭环控制系统中，利用所述初步瞬态标定关系式换算的测量温度T与设定温度Ts比较进行闭环调节，当换算测量温度T与设定温度Ts —致、温度达稳态后，观测玻璃温度计记录实际温度Tb以及当前温度传感器信号电压V，继续利用反馈调节，得到系列测量值，建立实际温度Tb与当前温度传感器信号电压V之间的二次稳态标定关系；最后用最小二乘法原理，采用多项式拟合，建立实际温度Tb与温度传感器当前信号电压V对应的AD 口输入电压Vd的拟合关系。
[0005]所述发动机冷却液温度传感器测控方法，其中:所述希尔排序法的排序数n=128。
[0006]所述发动机冷却液温度传感器测控方法，其中:所述初步标定关系的关系式为T=gl (VD/0.6);所述二次标定关系的关系式Tb= g2 (Vd /0.6)；
Tb亦即为二次标定后AD转换电压所换算的正确测量温度T，则最终得到温度T与温度传感器当前信号电压Vd的拟合关系关系式为:
T=14.73Vd4-92.18Vd3+210.9Vd2-250.1Vd+191.8(I)。
[0007]所述发动机冷却液温度传感器测控方法，其测控流程为:温度传感器电压信号每秒进行一次过采样数ri=128的AD转换，并进行希尔排序法后再中值平均滤波，所得AD转换值经分段线性拟合公式换算得到对应的AD 口输入电压VD，再经过上述拟合关系式得到当前传感器测量温度T ;每秒测量一次温度后与设定温度Ts比较后进行以模糊控制思想为基础的闭环调节，直至稳态平衡。
[0008]一种发动机冷却液温度传感器测控系统，包括下位机单元以及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面；所述测控系统还包括发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感 器和汽车水温仪表；所述下位机单元包括DSP系统板、冷却液温度传感器调理电路和加热棒驱动电路；所述DSP系统板通过串口双向通信连接所述上位PC机人机界面，同时控制连接加热棒驱动电路并通过所述加热棒驱动电路连接驱动所述发动机冷却液温度工况模拟装置；所述发动机冷却液温度工况模拟装置包括固态继电器和加热棒；所述加热棒为内嵌加热棒的铜棒，其连接220V交流电，同时与所述固态继电器连接；所述固态继电器通过所述加热棒驱动电路与所述DSP系统板连接；所述发动机冷却液温度传感器通过所述冷却液温度传感器调理电路连接于所述DSP系统板，同时还连接所述汽车水温仪表并接地。
[0009]所述发动机冷却液温度传感器测控系统，其中:所述DSP系统板具有端口 ADCIN15及供PWM波形输出的端口 10PE6。
[0010]所述发动机冷却液温度传感器测控系统，其中:所述冷却液温度传感器调理电路由电阻R1(TR15、运算放大器Ul和U2以及电容Cll连接组成；所述电阻RlO —端接地，另一端连接所述运算放大器Ul的同相输入端；所述电阻Rll —端连接运所述算放大器Ul的反相输入端，另一端连接有输入端子SW-1N并通过所述输入端子SW-1N与发动机冷却液温度传感器匹配插接；所述发动机冷却液温度传感器与所述输入端子SW-1N之间还还串联了一个自锁按钮开关KG;所述电阻R12连接于所述运算放大器Ul的信号输出端和反相输入端之间；所述运算放大器Ul的信号输出端还通过所述电阻R14连接于所述运算放大器U2的反相输入端；所述运算放大器U2的同相输入端通过所述电阻R13接地；所述电阻R15连接于所述运算放大器U2的信号输出端和反相输入端之间；所述运算放大器U2的信号输出端连接于所述端口 ADCIN15 ;所述电容Cll并联于所述端口 ADCIN15 ;所述电容Cll 一端连接于所述运算放大器U2的信号输出端，另一端接地。
[0011]所述发动机冷却液温度传感器测控系统，其中:所述加热棒驱动电路由电阻RlO广R105、倒相放大器U3和U4、开关光耦U10、场效应管QlO以及二极管DlO连接组成；所述电阻RlOl —端接地，另一端连接于所述端口 IOPE6 ;所述倒相放大器U3和U4串接在一起，即所述倒相放大器U3的输入端通过所述电阻R102连接于所述端口 IOPE6，所述倒相放大器U3的输出端连接于所述倒相放大器U4的输入端，所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R103连接于所述开关光耦UlO的阳极；开关光耦UlO的阴极接地，发射极连接于场效应管QlO的栅极；所述电阻R105 —端连接所述开关光耦UlO的集电极，另一端连接有输出端子CW-OUT +并通过所述输出端子CW-OUT +匹配插拔连接于所述固态继电器的正极端；所述场效应管QlO的漏极连接有输出端子CW-OUT -并通过所述输出端子CW-OUT -匹配插拔连接于所述固态继电器的负极端；所述场效应管QlO的源极接地并通过所述电阻R104连接所述场效应管QlO的栅极；所述二极管DlO为硅二极管，其连接于所述开关光耦UlO的集电极与所述场效应管QlO的漏极之间；所述二极管DlO的阳极端连接所述场效应管QlO的漏极，所述二极管DlO的阴极端连接所述开关光耦UlO的集电极。
[0012]所述发动机冷却液温度传感器测控系统，其中:所述发动机冷却液温度传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与冷却液温度传感器调理电路之间还设有测量端口 SW-C ;所述测量端口 SW-C还连接有万用表并通过所述万用表实时测量当前所述发动机冷却液温度传感器的参数值。
[0013]所述发动机冷却液温度传感器测控系统，其中:所述发动机冷却液温度工况模拟装置还连接有玻璃温度计；所述汽车水温仪表是通过端子B15与所述发动机冷却液温度传感器连接。
[0014]有益效果:
本发明发动机冷却液温度传感器测控方法，其操作简单、方便，测试和标定直观、精确；其中，AD误差的校正方法比通过实际值与理论值得到校正增益和校正失调的方法要更加简洁实用，绕开了 D/A换算的理论公式，也避免了参考电压测量不准带来的二次换算误差；同时，采用中值平均滤波的方法进行AD转换值的处理，去除了可能的粗大误差，使AD转换数字量及电压换算值的波动性得到显著改善；在中值滤波之前选用效率较高的希尔排序法对数值排序，能够保证采样精度，提高校正效率；实际测试表明，采取上述校正方法后，AD采样的精度非常逼近理论值；再则，温度-电压关系标定采用了 “首次开环瞬态标定、二次闭环稳态标定”的两步标定法，大幅度节约了标定中的等待时间，效率高，精度准，第二次标定后基本不需要再反复进行系数修正。
[0015]本发明发动机冷却液温度传感器测控系统结构设计简单、合理，测试和标定直观、精确且效率高，发动机冷却液温度传感器信号测量准确可靠，模拟温度工况控制快速平稳；同时，人机界面友好，操控简单、方便，成本低，可适合惯性较大温度系统的动态控制。其中，冷却液温度传感器调理电路的设计不仅能减少外接电路对后级测量电路的影响及对仪表内部传感器调理电路的影响，减小测量误差，而且能起到滤除干扰杂波的作用，提高了测控系统的抗干扰能力；信号输出端串联一个自锁按钮开关，断开时测量电阻，闭合时进行在线闭环温度调控，方便实验者操作。加热棒驱动电路的抗电磁干扰能力强，工作稳定可靠。通过万用表可以实时测量当前发动机冷却液温度传感器的参数值，并结合玻璃温度计、汽车水温仪表以及上位PC机人机界面的虚拟水温表可进行多位一体的显示，使得水温的测试和标定变得更加直观、精确。整个测控系统操控简单，使用安全、可靠，灵活的模块化设计及插拔连接，可广泛应用于冷却液温度传感器及汽车水温仪表产品的标定以及输出特性、灵敏度、线性度、重复度等检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明发动机冷却液温度传感器测控方法的测控流程图；
图2为本发明发动机冷却液温度传感器测控方法的换算测量温度T与温度传感器当前信号电压Vd的拟合曲线图；
图3为本发明发动机冷却液温度传感器测控系统的结构原理图；
图4为本发明发动机冷却液温度传感器测控系统的电路连接图。
【具体实施方式】
[0017]本发明发动机冷却液温度传感器测控方法，包括:
首先，采用中值滤波的方法进行AD转换值的处理，由于中值滤波涉及到数值排序问题，为保证足够的采样精度，对某点的过采样数要比较多，必须考虑到排序算法的效率问题，为此选用效率较高的希尔排序法；该希尔排序法时间复杂度为0(n)，希尔排序法要求被排序数η为4的整数倍，为此选择排序数η=128，理论上跟冒泡法相比，在η=128时效率提高46.1倍，通过CCS在线仿真调试窗口配合断点观测，希尔排序法耗时约0.5ms，而冒泡法耗时约20ms，效率的改进是非常显著的；由于温度系统是个惯性延迟较大的系统，所以温度采集的实时性并不要求太高，实验台其它测控模块的数据采集及控制输出都以中断的方式进行，且控制输出的周期也远大于0.5ms,因此0.5ms的耗时对整个系统是可以接受的范围。排序后取中间的32个值再进行平均滤波；采用中值平均滤波后，同时也去除了可能的粗大误差，AD转换数字量及电压换算值的波动性得到显著改善，但与实际量仍然有一定的差异，该误差即上述失调误差和增益误差的体现；为此标准输入一组电压VD=[0V，0.5V，IV，1.5V，2V，2.5V，3V]得到对应的AD值D，建立VD=f(D)的分段线性拟合公式。该方式比通过实际值与理论值得到校正增益和校正失调的方法要更加简洁实用，绕开了 D/A换算的理论公式，也避免了参考电压测量不准带来的二次换算误差。实际测试表明，采取上述校正方法后，AD采样的精度非常逼近理论值。
[0018]然后，对温度-电压关系进行两步标定:
即先在开环手动调压输入情况下，系统温度初次达到期望温度附近后即记录下该瞬态对应的温度T、信号电压值V，得到初步标定关系式T=gl (V)，由于信号电压V送入AD 口前进行了 0.6倍的缩放以免AD 口电压超出ADC参考电压，AD 口电压VD=V*0.6，所以初步标定关系式为 T=gl (VD/0.6)；
接着，在闭环控制系统中，利用该关系式换算的测量温度T与设定温度Ts比较进行闭环调节，当换算测量温度T与设定温度Ts —致、系统温度达稳态后，观测玻璃温度计记录实际温度Tb以及当前信号电压V ;虽然换算测量温度T并非准确的实际温度，但是并不影响系统的闭环调节；譬如设定温度TS=80°C，稳态时AD换算的温度T=80°C，则表明换算测量温度T已经充分逼近设定温度Ts，然而实际温度Tb=82°C，对应信号电压为V，则实际标定关系应为Tb-V ;继续利用快速稳定的反馈调节，得到系列测量值如表I所示，则建立二次稳态标定关系式Tb= g2 (Vd /0.6)，Tb亦即为二次标定后AD转换电压所换算的正确测量温度T，则T= g2 (Vd /0.6);该方案的优点是标定效率高，精度准，第二次标定后基本不需要再反复进行系数修正，但其前提是依赖于闭环系统良好稳定的控制策略；
表1 二次标定时的系列测量值
【权利要求】
1.一种发动机冷却液温度传感器测控方法，是首先通过中值滤波的方法对过采样的AD转换值进行处理，即采用希尔排序法进行数值排序后取中间的多个值再进行平均滤波，如此得到系列标准输入电压Vd对应的AD值D，建立VD=f (D)的分段线性拟合公式； 然后对温度-电压关系进行两步标定，即先在开环手动调压输入情况下，系统温度初次达到期望温度附近后即记录下该瞬态对应的温度T和温度传感器信号电压值V，建立测量温度T和温度传感器信号电压值V之间的初步瞬态标定关系； 后在闭环控制系统中，利用所述初步瞬态标定关系式换算的测量温度T与设定温度Ts比较进行闭环调节，当换算测量温度T与设定温度Ts —致、温度达稳态后，观测玻璃温度计记录实际温度Tb以及当前温度传感器信号电压V，继续利用反馈调节，得到系列测量值，建立实际温度Tb与当前温度传感器信号电压V之间的二次稳态标定关系； 最后用最小二乘法原理，采用多项式拟合，建立实际温度Tb与温度传感器当前信号电压V对应的AD 口输入电压Vd的拟合关系。
2.如权利要求1所述的发动机冷却液温度传感器测控方法，其特征在于:所述希尔排序法的排序数n=128。
3.如权利要求1所述的发动机冷却液温度传感器测控方法，其特征在于: 所述初步标定关系的关系式为TzgJVn/0.6)； 所述二次标定关系的关系式Tb= g2 (Vd /CL 6)； Tb亦即为二次标定后AD转换电压所换算的正确测量温度T，则最终得到温度T与温度传感器当前信号电压Vd的拟合关系关系式为: T=14.73Vd4-92.18Vd3+210.9Vd2-250.1Vd+191.8(I)。
4.如权利要求3所述的发动机冷却液温度传感器测控方法，其测控流程为:温度传感器电压信号每秒进行一次过采样数n=128的AD转换，并进行希尔排序法后再中值平均滤波，所得AD转换值经分段线性拟合公式换算得到对应的AD 口输入电压VD，再经过上述拟合关系式得到当前传感器测量温度T ;每秒测量一次温度后与设定温度Ts比较后进行以模糊控制思想为基础的闭环调节，直至稳态平衡。
5.一种基于上述权利要求1至4任意一项所述的发动机冷却液温度传感器测控方法的发动机冷却液温度传感器测控系统，包括下位机单元以及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面；其特征在于:所述测控系统还包括发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器和汽车水温仪表； 所述下位机单元包括DSP系统板、冷却液温度传感器调理电路和加热棒驱动电路；所述DSP系统板通过串口双向通信连接所述上位PC机人机界面，同时控制连接加热棒驱动电路并通过所述加热棒驱动电路连接驱动所述发动机冷却液温度工况模拟装置； 所述发动机冷却液温度工况模拟装置包括固态继电器和加热棒；所述加热棒为内嵌加热棒的铜棒，其连接220V交流电，同时与所述固态继电器连接；所述固态继电器通过所述加热棒驱动电路与所述DSP系统板连接； 所述发动机冷却液温度传感器通过所述冷却液温度传感器调理电路连接于所述DSP系统板，同时还连接所述汽车水温仪表并接地。
6.如权利要求5所述的发动机冷却液温度传感器测控系统，其特征在于:所述DSP系统板具有端口 ADCIN15及供PWM波形输出的端口 10PE6。
7.如权利要求6所述的发动机冷却液温度传感器测控系统，其特征在于:所述冷却液温度传感器调理电路由电阻R1(TR15、运算放大器Ul和U2以及电容Cll连接组成； 所述电阻RlO —端接地，另一端连接所述运算放大器Ul的同相输入端； 所述电阻Rll—端连接运所述算放大器Ul的反相输入端，另一端连接有输入端子Sff-1N并通过所述输入端子SW-1N与发动机冷却液温度传感器匹配插接； 所述发动机冷却液温度传感器与所述输入端子SW-1N之间还还串联了一个自锁按钮开关KG ; 所述电阻R12连接于所述运算放大器Ul的信号输出端和反相输入端之间； 所述运算放大器Ul的信号输出端还通过所述电阻R14连接于所述运算放大器U2的反相输入端； 所述运算放大器U2的同相输入端通过所述电阻R13接地； 所述电阻R15连接于所述运算放大器U2的信号输出端和反相输入端之间； 所述运算放大器U2的信号输出端连接于所述端口 ADCIN15 ； 所述电容Cll并联于所述端口 ADCIN15 ;所述电容Cll 一端连接于所述运算放大器U2的信号输出端，另一端接地。
8.如权利要求6所述的发动机冷却液温度传感器测控系统，其特征在于:所述加热棒驱动电路由电阻RlOl~R105、倒相放大器U3和U4、开关光耦U10、场效应管QlO以及二极管DlO连接组成； 所述电阻RlOl —端接地，另一端连接于所述端口 IOPE6 ； 所述倒相放大器U3和U4串接在一起，即所述倒相放大器U3的输入端通过所述电阻R102连接于所述端口 IOPE6，所述倒相放大器U3的输出端连接于所述倒相放大器U4的输入端，所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R103连接于所述开关光耦UlO的阳极；开关光耦UlO的阴极接地，发射极连接于场效应管QlO的栅极； 所述电阻R105 —端连接所述开关光耦UlO的集电极，另一端连接有输出端子CW-OUT+并通过所述输出端子CW-OUT +匹配插拔连接于所述固态继电器的正极端； 所述场效应管QlO的漏极连接有输出端子CW-OUT -并通过所述输出端子CW-OUT -匹配插拔连接于所述固态继电器的负极端；所述场效应管QlO的源极接地并通过所述电阻R104连接所述场效应管QlO的栅极； 所述二极管DlO为硅二极管，其连接于所述开关光耦UlO的集电极与所述场效应管QlO的漏极之间； 所述二极管DlO的阳极端连接所述场效应管QlO的漏极，所述二极管DlO的阴极端连接所述开关光耦UlO的集电极。
9.如权利要求5所述的发动机冷却液温度传感器测控系统，其特征在于:所述发动机冷却液温度传感器采用的是NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器，其与冷却液温度传感器调理电路之间还设有测量端口 SW-C ； 所述测量端口 SW-C还连接有万用表并通过所述万用表实时测量当前所述发动机冷却液温度传感器的参数值。
10.如权利要求5所述的发动机冷却液温度传感器测控系统，其特征在于:所述发动机冷却液温度工况模拟装置还连接有玻璃温度计；所述汽车水温仪表是 通过端子B15与所述发动机冷却液温度传感器连接。
【文档编号】G01K15/00GK103940533SQ201410050943
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】程登良, 黄海波, 王卫华, 张凯, 蒋伟荣, 黄志文 申请人:湖北汽车工业学院