一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略

技术领域

本发明涉及氧传感器测量技术领域，具体为一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略。

背景技术

目前氧传感器在汽车领域广泛应用，种类繁多，且大部分基于电化学原理。氧传感器也应用在众多其他领域，如医疗领域，氧传感器用于监测患者呼吸气体中氧气浓度，以促进治疗效果；在环境监测领域，氧传感器用于监测空气质量，预警和应对空气污染问题，还可以用于监测水体、土壤等环境中的氧气浓度，帮助研究生态系统的健康状况；在工业过程控制领域，氧传感器用于监测化工生产过程中的氧气浓度，以优化反应条件，提高生产效率。实际上，凡是大气燃烧过程都有测氧和控氧需求，而没有大气燃烧但有氧含量变化的过程同样需要测氧和控氧。而飞机燃油系统氧含量测量具有特殊性，传感器测量环境随着飞机飞行状态的改变而时刻发生变化，对传感器的可靠性、稳定性、灵敏性等提出了更高的要求，同时还需要满足一定的航空标准和认证要求。

因此，针对航空航天具体应用场合，研制低成本、性能稳定、易于操作和维护的新一代氧传感器显得尤为重要。而闭腔型氧传感器是一种新型工业氧传感器，由于其独特的系统结构与控制策略，可以在一定程度上弥补传统氧传感器在某些方面的缺陷。因此，闭腔型氧传感器有着重要的研究价值。该类型传感器不同于常规的汽车用氧传感器，它针对汽车尾气的氧传感器必须参考空气并假设空气氧含量恒定的局限性，独创性地设计了闭腔泵氧功能单元，还嵌套了微型压力传感器，用于补偿对测量影响最大的压力变化因素，该氧传感器无需参考气体，具有自校准功能，极大地提高了氧传感器对氧气浓度测量的准确性和敏感性。

传感器能否可靠稳定测量环境氧浓度取决于泵氧功能单元所产生的泵氧循环，泵氧循环由外部恒定电流源信号驱动，其过程中需要实时监控5个能斯特电压参考值，所以我们发明一种泵氧单元控制策略，以便传感器能够准确、实时监控待测环境氧含量。

发明内容

闭腔型传感器能否准确、实时测量待测环境氧浓度，其重点在于能否准确、实时地监控多个电压值，传统的ADC循环采集中断控制方案，单片机每次采样完都会进入中断服务程序里进行判断，若采样频率过高，将会使得单片机CPU负荷过大，甚至导致单片机程序崩溃；若采样频率过低，由于无法提取足够多的电压点，从而导致电压判断不准确。另外，除了利用ADC中断判断参考电压外，还需要其他中断的参与，如串口中断，而其它中断的抢占会影响参考电压判断的实时性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略，包括以下步骤：

步骤S1、将硬件电压比较器的正输入端VIN+固定为某一基准电压，基准电压就是需要实时监控的参考电压；

步骤S2、传感器产生的能斯特电压输入到比较器的负输入端VIN-，当能斯特电压到达某一参考电压时，对应比较器的输出电平状态将发生翻转，此时记录时间点或反转恒流源；

步骤S3、检测比较器的输出端是否处于上升沿或者下降沿即可完成参考电压判断；

氧传感器加热完成后，泵氧单元开始执行泵氧循环，泵氧循环由外部恒定电流源信号驱动；

另外，泵氧循环过程中，还需要实时监控5个能斯特电压参考值，5个能斯特电压典型值分别为：V

另外，泵氧循环过程中，还需要实时监控5个能斯特电压参考值。根据SST工业氧传感器在大气环境下的推荐值，5个能斯特电压典型值分别为：V

一种电压实时监控电路，包括参考电压实时监控电路和泵电压实时监控电路，参考电压实时监控电路又分为85mA电压比较电路；45mA电压比较电路；64mA电压比较电路；

自研二代闭腔型氧传感器经过材料与工艺的改良，经过实验测试，正常空气环境下的泵氧循环周期在1s以内，在氧浓度更低的气氛中，周期将缩短，这意味着参考电压判断需要以毫秒级甚至微秒级速度完成；

传统的ADC循环采集中断控制方案无法在氧浓度较低的待测环境中完成测量任务，这是因为当待测环境氧浓度较低时，此时泵氧循环周期较短，对单片机的采样速度提出了更高的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

当待测环境氧浓度较低时，此时泵氧循环周期较短，对单片机的采样速度提出了更高的要求，参考电压判断需要以毫秒级甚至微秒级速度周期进行，在传统的ADC循环采集中断控制方案下，单片机每次采样完都会进入中断服务程序里进行判断，若采样频率过高，将会使得单片机CPU负荷过大，甚至导致单片机程序崩溃；若采样频率过低，由于无法提取足够多的电压点，从而导致电压判断不准确。另外，除了利用ADC中断判断参考电压外，还需要其他中断的参与，如串口中断，而其它中断的抢占会影响参考电压判断的实时性。当单片机以微秒级速度进行采样时，由于单片机中断频率次数过高，CPU负荷过大，导致采样数据出现“断层”现象。本发明采用硬件电压比较器方案，具有极高的实时性，在输入电压到达阈值时能够快速响应，并且在持续监控电压时能够减少对处理器资源的占用，从而减轻单片机CPU负荷。针对高精度电压检测，硬件控制能够达到非常精确的阈值检测。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略的硬件电压比较器方案图；

图2为本发明一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略的参考电压实时监控电路图；

图3为本发明一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略的泵电压实时监控电路；

图4为本发明一种闭腔型氧传感器泵氧单元控制策略的软件设计模式图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行一步详细说明。应当理解，本申请并不限定于该实施方式，只要符合本申请的主旨，则其他实施方式也可以属于本申请的范畴。

针对闭腔型传感器能否可靠稳定测量环境氧浓度取决于泵氧功能单元所产生的泵氧循环，而泵氧过程中需要实时监控5个能斯特电压参考值，通过一种硬件电压比较器控制方案实现了其泵氧循环过程中的实时电压监控目的，其硬件电压比较器方案如图1所示，包括：

当比较器的正输入端VIN+的电压大于负输入端VIN-的电压时，比较器输出高电平；正输入端VIN+的电压小于负输入端VIN-的电压时，比较器输出低电平。将比较器的正输入端VIN+固定为某一基准电压，基准电压就是需要实时监控的参考电压，传感器产生的能斯特电压输入到比较器的负输入端VIN-，当能斯特电压到达某一参考电压时，对应比较器的输出电平状态将发生翻转，此时记录时间点或反转恒流源。因此，只需要检测比较器的输出端是否处于上升沿或者下降沿即可完成参考电压判断。

图2为控制策略具体实施的参考电压实时监控电路图，主要包括85mA电压比较电路；45mA电压比较电路；64mA电压比较电路，具体功能包括：

由于能斯特电压幅值比较小，只有毫安级别，在送入单片机之前需要进行放大处理，IC2为零漂移的仪表放大器COSINA333，单个外部电阻可设置1到100之间的任意增益；

IC3、IC4、IC5都为电压比较器MS761，其非反向输入端VIN+接收放大后的能斯特电压，反向端VIN-由5V基准电压经过电阻分压后得到基准比较电压VREF，经过电压比较后最终送入单片机的IO口(S

根据电压比较器的原理可知，当单片机的IO口S

图3为控制策略具体实施的泵电压实时监控电路图，具体功能包括：

当感应电极和公众电极之间的电压达到泵反转电压时，即达到40mV或90mV时恒流源将反转；

恒源流的反转由SW引脚的高低电平进行控制，SW引脚电平变化在能特斯电压上升期间和下降期间都必须满足如下规律：当V

IC6为双通道电压比较器MS762，U16为4路2输入与非门AIP74HC00；

其中，IC6A用来比较泵反向电压40mV,输出标识为COMP1，输入到与非门U16B的5端口；IC6B用来比较泵反向电压90mV,输出标识为COMP2，输入到与非门U16A的1端口。

控制策略的软件设计模式图如图4所示，总体运行流程为：

氧传感器泵氧循环过程中，硬件电压比较器只输出高低电平给单片机的IO口，软件程序则需要检测对应IO口的电平翻转状态；

当IO口处于上升沿时，即IO口从低电平变成高电平时，此时意味着氧传感器传输过来的能斯特电压处于下降阶段且电压值等于参考电压；

当IO口处于下降沿时，即IO口从高电平变成高低电平时，此时意味着氧传感器传输过来的能斯特电压处于上升阶段且电压值等于参考电压；

每当相应IO口电平状态翻转时，记录此时的时间点就可以算出特征时间t

3个参考电压分别是V

P45代码实现为GPIOB->IDR&GPIO_Pin_2，P45＝＝0代表检测PB2电平状态是否为低电平，P45＝＝1代表检测PB2电平状态是否为高电平，其他IO口同理；

当能斯特电压处于上升阶段时，应该检测IO口是否为低电平，若检测条件为真，此时IO口处于下降沿；

当能斯特电压处于下降阶段时，应该检测IO口是否为高电平，若检测条件为真，此时IO口处于上升沿，每当IO口处于上升沿或下降沿时，进行定时器计数，两个计数之间的差值为时间t

值得注意的是，Count(i+1)可能小于Count(i)，这是因为当Count计数值溢出后会重新开始计数，此时应该添加判断条件检查是否有发生Count(i+1)小于Count(i)的情况；

当t

另外，有限状态机接收GPIO外部中断，此GPIO为PA5，用于控制恒流源反转，PA5的电平变化完全由硬件数字电路自动完成，软件程序则在PA5处于上升沿时触发外部中断，用于标定能斯特电压上升阶段的起始点V

当t