自柴油机问世以来，以其良好的燃油经济性、动力性、耐久性等优点，而被广泛应用[1].随着一批先进机型和技术的引进以及低碳减排、新能源的国家政策的鼓励，柴油机产业正处于大力发展的时期，但随之柴油机的排放问题也越来越受到人们关注[2].目 前，世界各国对NOx和PM的排放要求日趋严格，而我国目前采用的排放标准为国-Ⅳ标准。面对日趋严格的排放法规，生产商开发各种后处理技术，而SCR技术则是其中较为成熟的一种。 SCR技术由于其经济性能好，具有较好的耐硫性以及不需对发动机结构做出改变等特点，被视为最具有前景的柴油机后处理方式[3]. SCR控制器作为SCR系统的重要组成部分，其控制性能的高低直接影响了SCR系统性能[4].
针对SCR系统的应用对象，采用飞思卡尔车用单片机作为控制器的微处理器；汽车电子上数据通讯以CAN总线为基 础，利 用 飞 思 卡 尔 单 片 机 自 带 的MSCAN模 块，采 用82C250CAN收发器，以实现CAN通讯模块设计；SCR控制器控制尿素喷嘴喷射，而尿素喷嘴的驱动电流较大，单片机I/O口不能直接实现驱动，文中以MOSFET为基础设计喷嘴驱动电路，实现尿素喷嘴的驱动控制。
1 SCR控制器总体设计
完整的SCR控制器应包含电源模块、微处理器模块、信号采集模块、驱动输出模块、数据存储模块和通信等功能模块[5],其具体系统框图如图1所示。电源模块用于各模块的供电，应保证各模块都能平稳运行在其额定电压下；微处理器模块是指所选用处理器工作的基本电路，包括晶振电路、复位电 路 等；信息 采 集 模块 负 责 外围 传 感 器信 号 的 采 集，在SCR系统中主要有排气温度采集与NOx浓度采集；驱动输出模块是控制器最终输出，这里是指尿素喷嘴的驱动；数据存储模块用于存储各种数据，SCR控制器软件设计中需要预先存储大量标定数据，运行过程中需要对运行数据进行存储以方便系统自检测[6],所 以数据存储模块的可靠非常重要；通信模块主要用于各个模块之间的数据交换。
2 系统硬件设计
2.1 微处理器选择
16位MC9S12XE系列单片机为飞思卡尔单片机的一种，可以适用于特别复杂的汽车环境，其所具备的合格性包括适应一个广泛的温度范围和汽车测试流程，因此它具有足够的稳定性和可靠性，完全能满足汽车电子领域运行环境恶劣的苛刻要求[7].
MC9S12XE 系 列单片机自带 MSCAN 模 块、脉冲宽度调制模块（PWM）以及 AD 转换模块，完全满足功能设计要求[8].
2.2 数据采集模块
SCR 系 统需要对环境温度、尿素温度、尿素液位以及排气温度进行实时检测。微处理器对这四类传感器的处理方式相同，在此以排温传感器为例。
排气温度检测采用 PT200 铂热型电阻传感器，微处理器需要对其进行 AD 模数转换[9],因 MC9S12XE 系 列单 片 机 自带模数转换模块，设计中仅需将传感器信号线转接至对应模数转换引脚即可。硬件设计电路如图 2 所示。
2.3 NOx 浓度采集
SCR 系统需要对催化器出入口的氮氧化物浓度进行监测，以满足系统控制需求，控制器所需要的 NOx 传感器普遍采用 5WK9 系列传感器。这类传感器的数据传输以 CAN 总线为基础[10],将 检测到的数据以一定的时间间隔发送到 CAN总线上，微处理器通过 CAN 总线即可获取到采集的数据或其他信息（错误代码等）。飞思卡尔 MC9S12XE 系列处理器自带MSCAN 模 块，支持 CAN2.0A/B 协 议，外加一个 CAN 收 发器即可获取 CAN 总线上的信息和向总线上发送数据，设计采用的CAN 收发器为 82C250. 82C250 收发器电路图如图 3 所示。
2.4 驱动输出模块
尿素喷嘴采用 PWM 波驱动，喷嘴喷射量的多少与 PWM波成正比。由于控制芯片驱动电流较小，无法直接驱动尿素喷嘴。设计利用 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）集成驱动 IC（如 IR2110 等）可以构建驱动电路如图 4 所示，其中 PWMcontrol 为微处理器控制信号。
3 SCR软件系统设计
SCR 软 件 系 统 采 用 Code Warrior 集 成 开 发 工 具 开 发 设计。程序采用 C 语言进行编写[11],并 采用模块化设计思想，即将主程序分成若干功能模块来实现，先编写各个功能模块的程序，最后主程序通过调用子程序的方法将所有模块连在一起，构成整个 SCR 系统控制程序。
3.1 主程序流程图
控制程序大体上由两部分组成，初始化部分与控制主体部分。程序由初始化开始，对控制算法各类数据和微处理器各类功能进行初始化，初始化部分只在上电的时候运行一次，然后程序进入控制主体部分，进行各类数据采集处理，驱动输出，故障诊断等。控制主体部分不断进行循环，直到掉电或出现意外中止。整个控制流程图如图 5 所示。
3.2 信号滤波子程序
微处理器利用传感器采集 SCR 系统工况数据，其间存在各类误差，为了减少信号误差，软件设计中加入了对应的滤波处理，滤波处理方式为滑动平均滤波[12],这 种滤波方式对周期性干扰信号有良好的抑制作用，平滑度高[13].滤 波子程序流程图如图 6 所示。
3.3 喷嘴驱动子程序
SCR 系 统所采用的尿素喷嘴驱动电流分为两个阶段：启动电流阶段，驱动喷嘴快速打开，此阶段所需电流较大，持续时间较短；维持电流，维持喷嘴张开状态，此阶段所需电流相对较小，持续时间相对较长。驱动喷嘴周期性信号可如图 7所示。软件系统利用两列 PWM 波来实现对喷嘴的变电流驱动，以 t1表示喷嘴打开是时间，T 表示喷射周期，则此时系统输出占空比可如式（1）表示：
duty=t1/T（1）
喷嘴开启通过 PWM1 实现，喷嘴开启通过 PWM2 实现。驱动电 流 的大 小 与 PWM 波占 空 比 成正 比，故 可通 过 控 制PWM1 和 PWM2 的 占空比得到合适的控制电流。以 t2和 t3分别表示 PWM1 和 PWM2 的控制时间。喷嘴驱动子程序流程图如图 8 所示。
4 系统调试
系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分内容。
硬件调试：主要是对所设计电路的基础功能实现方面的检测，对各个模块以及各个元器件的好坏进行测量；检查各个元器件之间是否短路；检查各个元器件是否焊接牢靠。
软件 调 试：SCR 软 件 利 用 Code Warrior 软 件 开 发工 具 设计，SCR 系统较为复杂，在软件设计过程中，采用的是软件模块化设计，软件调试伴随着软件设计进行，即对系统各个子程序进行编写，进行调试，修改语法错误。
5 结 论
经过软硬件调试与设计，所设计控制器，能够较好的满足设计要求。控制器能够根据能够根据所检测到工况的变化，调节尿素喷嘴控制信号以满足 SCR 系统的控制要求。由于汽车工况范围较大，软件设计中并没有考虑一些极限工况的情况，比如工况温度较高，或者各类信号发生突变的情况，故软件系统有待完善，以进一步提高控制精度。
参考文献：
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[9] 邹仲 宜，张 赟，罗 莹 . 一 种 铂 热 电 阻 温 度 传 感 器[P]. 43:CN202547821U,2012.11.21.
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[11]谭浩强。 C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2011.
