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Lambda-Controller V3.3 Februar 2012

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Lambda-Controller V3.3

Februar 2012

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 2

Inhalt

0 Verzeichnisse ....................................................................................................... 3

0.1 Abbildungsverzeichnis ................................................................................... 3

0.2 Tabellenverzeichnis ....................................................................................... 3

1 Einführung ............................................................................................................ 4

2 Funktionen und Betrieb der Schaltung ................................................................. 5

2.1 Pinbelegung und elektrische Spezifikationen ................................................ 6

2.2 Versorgungsspannung .................................................................................. 8

2.3 Status LEDs .................................................................................................. 9

3 Anschließen der Platine ..................................................................................... 10

3.1 Anschließen der Lambdasonde ................................................................... 10

3.2 Anschließen des analogen Interface ........................................................... 10

3.3 Anschließen des digitalen Interface ............................................................. 11

4 Funktion des digitalen Interface ......................................................................... 13

4.1 Einstellungen am Interface .......................................................................... 13

4.2 Entschlüsseln der Datenpakete ................................................................... 13

4.2.1 „Lambda“............................................................................................... 13

4.2.2 „Ref“ ...................................................................................................... 14

4.2.3 „Bat“ ...................................................................................................... 14

4.2.4 „Status“ ................................................................................................. 14

4.2.5 „CJ“ ....................................................................................................... 15

4.3 Senden von Befehlen .................................................................................. 16

5 Ändern der Software (Bootloader)...................................................................... 18

5.1 Vorbereiten für Software-Update ................................................................. 19

5.2 Einspielen der neuen Software .................................................................... 20

5.3 Lötjumper für LSU4.2 oder LSU4.9 ............................................................. 21

6 Kalibrierung der Schaltung ................................................................................. 22

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 3

6.1 Notwendigkeit einer Kalibrierung ................................................................. 23

7 Berechnung der Sauerstoffkonzentration ........................................................... 24

7.1 Allgemeine Genauigkeit des Systems ......................................................... 24

7.2 Berechnung des λ-Werts (LSU4.2) .............................................................. 24

7.2.1 Auswertung des analogen Ausgangs .................................................... 25

7.2.2 Auswerten des digitalen Ausgangs ....................................................... 25

0 Verzeichnisse

0.1 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Pinbelegung ........................................................................................... 6

Abbildung 2: x-Achse: 5ms/Div; y-Achse: 2,4A/Div .................................................... 8

Abbildung 3: USB-RS232 Wandler ........................................................................... 19

Abbildung 4: Bootloader-GUI .................................................................................... 20

Abbildung 5: Lötjumper oben .................................................................................... 21

Abbildung 6: Lötjumper unten ................................................................................... 22

Abbildung 7: Vergleichsmessung LSU4.2 Alt/Neu .................................................... 23

Abbildung 8: Trendlinie LSU4.2 fett .......................................................................... 26

0.2 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Pinbelegung und elektrische Spezifikationen ............................................. 7

Tabelle 2: Status LEDs ............................................................................................... 9

Tabelle 3: Analoges Interface ................................................................................... 10

Tabelle 4: Digitales Interface .................................................................................... 12

Tabelle 5: UART-Einstellungen ................................................................................ 13

Tabelle 6: Auswertungstabelle "IntF" ........................................................................ 14

Tabelle 7: Auswertungstabelle "CJF"........................................................................ 15

Tabelle 8: Klartext-Tabelle "CJF" .............................................................................. 15

Tabelle 9: Befehlsreferenz ........................................................................................ 16

Tabelle 10: Wertetabelle LSU4.2 .............................................................................. 26

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 4

1 Einführung

Das Interface für Breitband Lambdasonden vom Typ Bosch LSU4.2 bzw. LSU4.9

wurde auf Basis des IC CJ125 von Bosch entwickelt.

Durch ständige Weiterentwicklungen und Verbesserungen an Schaltung und Design,

konnten in dieser 3. Generation sehr kleine Abmessungen bei erhöhtem

Funktionsumfang erreicht werden.

In der dritten Überarbeitung wurde der Funktionsumfang in Software und Hardware

nochmals optimiert und an die Anforderungen in der Praxis angepasst.

Diese Schaltung enthält alle Funktionen zur Ansteuerung einer Breitband

Lambdasonde. Es ist nur eine Betriebsspannung von 12V (z.B. Kfz-Bordnetz)

erforderlich.

Bei diesem Gerät handelt es sich weiterhin um einen seriennahen Prototypen

welcher unter Laborbedingungen und an Verbrennungsmotoren getestet wurde.

Störungen im industriellen Umfeld und unter EMV-Einflüssen von außerhalb wurden

nicht näher untersucht.

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 5

2 Funktionen und Betrieb der Schaltung

Die Schaltung wurde dazu entwickelt, den Sauerstoffgehalt von

Verbrennungsabgasen zu ermitteln und daraus den sog. Lambdawert zu errechnen.

Man unterscheidet hier in zwei Bereichen:

1. Magerer Bereich

2. Fetter Bereich

Im mageren Bereich befindet sich im Abgas molekularer Sauerstoff. Dies bedeutet,

dass bei der Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung stand als eigentlich

notwendig.

Dieser Bereich ist vor allem für Diesel-Motoren und Heizungsanlagen (z.B.

Holzpellet- oder Ölheizungen) interessant, da diese im fetten Bereich nicht

ordnungsgemäß funktionieren.

Der fette Bereich ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff während der

Verbrennung nicht vollständig umgesetzt wird. Es befindet sich ein Teil unverbrannter

Kraftstoff im Abgas.

Bei Ottomotoren erhält man eine Leistungssteigerung im leicht fetten Bereich.

Außerdem wird er bei manchen Motoren zum Bauteileschutz verwendet (der

unverbrannte Kraftstoff kühlt den Brennraum, Ventile und evtl. vorhandene

Turbolader).

Durch den vermehrten Einsatz von Breitbandlambdasonden im Automobilbereich, ist

das Preisniveau in den letzten Jahren stetig gefallen. Der Einsatz in

Heizungsanlagen und für Überwachungszwecke wird daher auch preislich immer

interessanter.

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2.1 Pinbelegung und elektrische Spezifikationen

Abbildung 1: Pinbelegung

Achtung: Spannungen sind maximal Werte!

Pin Funktion Min. Spannung Max. Spannung

Interface

1 TxD (RS232) -12V 12V

2 RxD (RS232) -12V 12V

3 Masse 0V

4 λ-Wert (Roh) 0V 5V

5 Error-Out (Out) 0V 5V

6 Start Messung (In) 0V 5V

7 Kalibrieren (In) 0V 5V

8 λ-Wert (Linear) 0V 5V

9 Masse 0V

Spannungsvers.

10 +12V 28V

11 Masse 0V

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 7

Lambdasonde

12 Heizung +UBatt

(H+; grau)

0V 28V

13 Heizung – (H-;

weiß)

0V 28V

14 Pumpstrom (APE;

rot)

0V 28V

15 Trimm-Widerstand

(RT; grün)

0V 28V

16 Nernstspannung

(RE+; schwarz)

0V 28V

17 Virtuelle Masse

(IPN; gelb)

0V 28V

Tabelle 1: Pinbelegung und elektrische Spezifikationen

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2.2 Versorgungsspannung

Die Versorgungsspannung, angeschlossen an Klemme 10 und 11, muss folgenden

Anforderungen genügen:

Stabile Gleichspannung zwischen 11,0V und 16,5V

Ströme bis 4A

Unempfindlichkeit gegenüber Stromspitzen

Da die Heizung der Lambdasonde mit einer relativ langsamen PWM angesteuert

wird, entstehen Spitzenströme von etwa 3,6A.

Abbildung 2 zeigt die Gesamtstromaufnahme bei Betriebstemperatur an Luft.

Versorgungsspannung 12,0V aus einem Blei-Akkumulator.

Abbildung 2: x-Achse: 5ms/Div; y-Achse: 2,4A/Div

Die Stromaufnahme im Stand-By Zustand ohne aktive Heizung beträgt etwa 70mA.

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2.3 Status LEDs

Die LEDs signalisieren verschiedene Zustände:

LED Blinkfrequenz Funktion

Grün Dauerleuchten Stand-By Modus

Grün Schnell (5Hz) Aufheizvorgang

Grün Langsam (1Hz) Betriebstemp. erreicht,

Messung läuft

Rot Langsam (1Hz) Allgemeiner Fehler

(Auswertung über RS232)

Rot und Grün Schnell (5Hz) Fail-Save Modus

Tabelle 2: Status LEDs

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3 Anschließen der Platine

3.1 Anschließen der Lambdasonde

Die Lambdasonde kann nach dem in Tabelle 1 beschriebenen Schema

angeschlossen werden.

Achten Sie darauf, dass die Sonde nur mit dem zugehörigen Stecker verwendbar ist.

In diesem Stecker befindet sich ein sogenannter „Trimm-Widerstand“ welcher von

Bosch kalibriert und auf jede Sonde individuell abgestimmt wurde.

Eine Sonde ohne diesen Stecker ist nicht verwendbar!

Achten Sie auf den ordnungsgemäßen Anschluss. Ein vertauschen oder nicht

anschließen eines Kabels führt im einfachsten Fall zu einer Fehlermeldung, kann

aber auch zur Zerstörung der Sonde durch Überhitzung führen.

3.2 Anschließen des analogen Interface

Das analoge Interface gibt Ihnen die Möglichkeit, die Sonde ohne externe Controller

anzusteuern.

Neben einem Fehler-Ausgang (TTL) und einem "Start" Eingang steht jetzt auch ein

Eingang für die Kalibrierung bereit.

Das analoge Interface besteht aus folgenden Anschlüssen:

Pin Funktion Spannungsbereich

4 λ-Wert (Roh) Analog-Ausgang 0,5 – 4,8V

5 Error_out TTL-Ausgang 0 – 5V

6 Start TTL-Eingang 0,5 – 4,8V

7 Kalibrieren TTL-Eingang 0 – 5V

8 λ-Wert (Linear) Analog-Ausgang 0 – 4V

Tabelle 3: Analoges Interface

Pin 4 „λ-Wert (Roh)“ gibt einen Wert aus, der direkt in den Lambdawert bzw.

Sauerstoffgehalt umgerechnet werden kann. Dieser Pin wird direkt vom CJ125

herausgeführt, hat eine sehr kurze Reaktionszeit muss jedoch aufwendig

umgerechnet werden

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Pin 8 „λ-Wert (Linear)“ gibt eine linearisierte Spannung für den Lambdawert aus.

Pin 5 „Error_out“ ist im Normalfall auf „Low-Pegel“ (0V). Sollte eine Störung auftreten,

so wechselt er in den „High-Pegel“ (5V). Welche Art von Fehler vorliegt, kann nur

über das digitale Interface ausgelesen werden.

Pin 6 "Start" kann zum Starten der Messung auf "Low-Pegel" (0V) gezogen werden.

Die Messung kann unabhängig von diesem Eingang durch das digitale Interface

gestartet werden. Es wurde ein Pull-Up Widerstand verbaut welcher den Pin im

unbeschaltetem Zustand auf "High-Pegel" zieht.

Pin 7 "Kalibrieren" kann zum Wechsel in den Kalibriermodus benutzt werden. Hierbei

wird am linearisiertem analog Ausgang der Referenz-Lambdawert angezeigt und der

Kalibrierwert über das digitale Interface ausgegeben.

Das Kalibrieren darf nur bei kalter Sonde erfolgen, da ansonsten die Messungen

verfälscht werden.

Nach dem Anlegen der Betriebsspannung kalibriert sich die Elektronik selbst.

Alle Anschlüsse werden durch Schutzwiderstände vor Kurzschluss geschützt.

3.3 Anschließen des digitalen Interface

Das digitale Interface bietet alle Diagnosefähigkeiten des verwendeten CJ125 und

eine vollständige Erfassung der Betriebszustände.

Die Aktualisierungsrate der Daten kann zwischen 1Hz und 5Hz umgestellt werden.

Um die Daten z.B. in das Excel-Kompatible ".csv" Format exportieren zu können,

kann auf einen entsprechenden Modus gewechselt werden

Die Ausgabe erfolgt nach einem sehr einfachen Muster:

Lambda: 250

Ref: 252

Bat: 505

Status: 32

CJ: 255

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Im Excel-kompatiblen Modus erfolgt die Ausgabe wie folgt:

250;252;505;32;255

Die genaue Funktion wird in den folgenden Kapiteln beschrieben.

Das digitale Interface besteht aus folgenden Anschlüssen:

Pin Funktion Spannungsbereich

1 TXD RS232-Ausgang -12...+12V

2 RXD RS232-Eingang -12...+12V

Tabelle 4: Digitales Interface

Zum direkten Anschluss an einen PC oder RS232-USB Wandler wird kein weiterer

Pegelwandler mehr benötigt.

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4 Funktion des digitalen Interface

Mit dem digitalen Interface stehen deutlich mehr Funktionen zur Verfügung, als mit

dem analogen Interface gegeben sind.

Es wird empfohlen, das digitale Interface zumindest als Ergänzung zum Analogen zu

verwenden.

4.1 Einstellungen am Interface

Um alle Informationen richtig zu empfangen bzw. Befehle senden zu können,

müssen folgende Einstellungen am Controller vorgenommen werden:

Baudrate 115200 Baud

Databits 8

Stopbits 1

Parity None

Handshake None

Tabelle 5: UART-Einstellungen

Es werden bis zu 5 mal pro Sekunde Datenpakete mit aktuellen Daten gesendet.

4.2 Entschlüsseln der Datenpakete

4.2.1 „Lambda“

Die erste Zeile des Datenpakets bzw. der erste Wert enthält den aktuellen

Pumpstrom welcher in der Sonde fließt.

Aus diesem Pumpstrom kann der exakte Lambdawert ermittelt werden.

V steht hier für den Verstärkungsfaktor.

Befindet sich die Sonde in einer mageren Atmosphäre so ist der Wert "Lambda"

positiv und die Verstärkung V=17.

In fetten Atmosphären ist der Wert negativ und die Verstärkung beträgt V=8.

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4.2.2 „Ref“

"Ref" steht für die Spannung der eingebauten Referenzspannung. Diese Spannung

beträgt 1,22V ±1% während die Betriebsspannung zwischen 4,75 und 5,25V

schwanken kann.

Da aus Kostengründen die Betriebsspannung als Referenz des ADC verwendet wird,

kann mit der gegebenen Referenz die Schwankung ausgeglichen werden.

4.2.3 „Bat“

„Bat“ stellt den digitalisierten Wert für die Batterie- bzw. Versorgungsspannung dar.

Die Spannung wird an einem Spannungsteiler gemessen (39kΩ zu 10kΩ)

Unterschreitet der Wert die 420er Marke (=10,5V) oder steigt er über 700 (=17,0V),

so wird die Messung beendet und in den Stand-By Modus gewechselt.

Es wurde eine Hysterese einprogrammiert. Dies bedeutet, dass der Betrieb erst bei

11,0V bzw. 16,5V wieder aufgenommen wird.

4.2.4 „Status“

Im Register „Status“ werden allgemeine Fehler und Betriebszustände, welche nicht

vom CJ125 erfasst werden, abgelegt. Dies geschieht nach dem gleichen System wie

bei Register „CJ“.

Das Register in Binärformat sieht aus wie folgt (MSB first):

IntF.7 IntF.0

Kalibrierungs-

modus

Watchdog System

bereit

SPI

Fehler

Ubat

high

Ubat

low

Sonde

überhitzt

CJ-

Fehler

Tabelle 6: Auswertungstabelle "IntF"

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Die Werte stehen für folgende Aussagen:

Kalibrierungsm.: Die Elektronik befindet sich im Kalibrierungsmodus. Die

angezeigten Werte entsprechen also nicht den real

vorhandenen!

Watchdog: Interner Programmfehler – Die Schaltung muss neu

gestartet werden.

System bereit: Die Werte von „Lambda“ sind verwertbar.

Betriebstemperatur ist erreicht.

SPI Fehler: Fehler in der internen Kommunikation.

Ubat high: Versorgungsspannung zu hoch (> 17,0V)

Ubat low: Versorgungsspannung zu niedrig (< 10,5V)

CJ-Fehler: Interner Fehler im CJ125. Siehe „CJ“.

4.2.5 „CJ“

Der Wert „CJ“ enthält den Inhalt des CJ125 Diagnoseregisters und muss in einen

Binärwert übersetzt werden. Dann gilt folgende Auswertungstabelle (MSB first):

CJF.7 CJF.0

DIAHG DIAHD IA/IP IA/IP UN UN VM VM

Tabelle 7: Auswertungstabelle "CJF"

Mit der im Datenblatt angegebenen Tabelle lässt sich nun der Fehler in Klartext

darstellen:

Fehler-Bits DIAHG/DIAHD IA/IP, UN, VM

0 0 Kurzschluss nach Masse Kurzschluss nach Masse

0 1 Heizung nicht angeschl. Batterie schwach

1 0 Kurzschluss nach UBat Kurzschluss nach UBat

1 1 Kein Fehler Kein Fehler

Tabelle 8: Klartext-Tabelle "CJF"

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Ist der Wert des „CJ“ 255, so liegt kein Fehler vor und die Schaltung ist

Betriebsbereit.

Nach jedem auslesen des Fehlerregisters, wird dieses gelöscht. Liegt ein Fehler vor,

so wird automatisch die Heizung der Sonde abgeschaltet um eine Überhitzung zu

vermeiden. Außerdem wird der Anschluss „Error_out“ auf High-Pegel gezogen.

Im Fehlerfall wird der Pumpstrom durch die Sonde und die Bestimmung des

Nernstzellenwiderstandes gestoppt. Die Werte für UR und UA können also in dieser

Zeit nicht verwendet werden.

Bei älteren Sonden kann es vor allem während der Aufheizphase vermehrt zu

Fehlern kommen. Diese verschwinden i. d. R. wenn die Betriebstemperatur erreicht

ist.

Werden zu viele Fehler angezeigt, so ist dies ein Indiz dafür, dass die Sonde

ausgetauscht werden muss.

4.3 Senden von Befehlen

Folgende Befehle unterstützt das Interface:

Befehl Funktion

C Calibration Mode

N Normal Mode

H Starte Messung

D Beende Messung

F Schnelle Übertragung (5Hz)

S Langsame Übertragung (1Hz)

T Klartext Modus

E ".csv" Modus (Excel-Kompatibles Format)

Tabelle 9: Befehlsreferenz

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 17

Erklärung:

C “Calibration Mode” Der CJ125 wird in einen Kalibriermodus versetzt, Details

in den folgenden Kapiteln.

N „Normal Mode“ Der CJ125 gibt aktuelle Werte ab.

H „Starte Messung“ Der Aufheitvorgang der Sonde wird gestartet. Rund 30

Sekunden später ist die Elektronik bereit.

D „Beende Messung“ Die Sondenheizung wird abgeschaltet.

F „Schnelle Übertr.“ Datensätze werden 5 mal pro Sekunde aktualisiert

S "Langsame Übertr." Datensätze werden 1 mal pro Sekunde aktualisiert

(Standardeinstellung)

T "Klartext" Datensätze werden im Klartext übertragen (Kap. 4.3)

E "Excel-Modus" Datensätze werden im ".csv" Format übertragen.

Die Befehle werden im ASCII-Code übermittelt und sind Case-Sensitive (auf Groß-

und Kleinschreibung achten). Ein Befehl wird mit dem sog. „Carriage Return“

abgeschlossen (ASCII-Zeichen 13) und ist erst danach gültig.

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 18

5 Ändern der Software (Bootloader)

Soll mit dem Lambda-Controller eine andere Lambdasonde (z.B. LSU4.9) betrieben

werden oder die Ausgabespannung des analogen Ausgangs verändert werden, so

muss die Software auf dem Controller geändert werden.

Die Änderung der Software kann über den eingebauten Bootloader erfolgen.

Folgende Hilfsmittel werden hierfür benötigt:

Aktueller Windows-PC (min. Windows XP) mit serieller Schnittstelle oder ein

USB-Port mit passendem USB-RS232 Wandler

PC-Software für Bootloader

Passende Software für den Lambda-Controller V3.3

SUB-D9 Buchse

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5.1 Vorbereiten für Software-Update

Vor dem Software-Update sollten alle Utensilien bereitliegen. Die Software ist auf

www.breitband-lambda.de unter "Downloads" zu finden.

Mehr Informationen zum Bootloader:

http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_Bootloader_FastBoot_von_Peter_Dannegger

Um die Firmware einspeisen zu können, muss die Platine über eine serielle

Schnittstelle (oder einen USB-RS232 Wandler) mit dem Computer verbunden

werden. Es ist empfehlenswert, hierfür eine geeignete SUB-D9 Buchse zu

verwenden:

Abbildung 3: USB-RS232 Wandler

Es werden nur Pin5 (Masse), Pin3 (RxD) und Pin2 (TxD) benötigt.

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 20

5.2 Einspielen der neuen Software

Die neue Software kann z.B. mit der Bootloader-GUI von Leo-Andres Hofmann

erfolgen:

Abbildung 4: Bootloader-GUI

Die Einstellungen am Programm beschränken sich auf zwei Teile:

Auswählen des richtigen seriellen Ports im Drop-Down-Menü "Port"

Auswählen der Firmware-Datei

Alle übrigen Einstellungen müssen nicht verändert werden.

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 21

Sind alle Einstellungen korrekt, so kann die Programmierung mit einem Klick auf den

"Start" Buttom gestartet werden.

Wurde die Programmierung erfolgreich beendet, so kann die Platine direkt genutzt

werden.

5.3 Lötjumper für LSU4.2 oder LSU4.9

Soll der Lambda-Controller anstatt mit einer Bosch LSU4.2 mit einer LSU4.9

betrieben werden, so müssen nach der Softwareaktualisierung noch zwei Lötjumper

verändert werden.

Achtung: Wird der Lötjumper nicht umgelötet, so kann die Sonde durch

Überhitzung beschädigt werden!

Abbildung 5: Lötjumper oben

Beide Lötjumper bestehen aus drei Kupferinseln. Je nach Stellung wird ein anderer

Widerstand mit dem CJ125 verbunden und somit die Sonde LSU4.2 oder LSU4.9

ausgewählt.

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Abbildung 6: Lötjumper unten

Um die Stellung des Jumpers zu verändern, muss zuerst die vorhandene "Lötzinn-

Perle" mit Entlötlitze und einem Lötkolben entfernt werden.

Ist die Perle entfernt, so wird mit etwas Lötzinn die gewünschte Stellung hergestellt.

6 Kalibrierung der Schaltung

Wird an das Interface der Befehl „C“ gesendet, so geht der CJ125 in den

Kalibrierungsmodus über.

In diesem Modus wird am Ausgang "λ-Wert (Roh)" die Spannung ausgegeben, die

für den Lamdbawert 1,00 steht (etwa 1,5V). Der Ausgang " λ-Wert (Linear)" nimmt

die entsprechende Kalibrierspannung an (siehe Kap. 4.2)

Die Schaltung kalibriert sich nach dem Anlegen der Versorgungsspannung selbst.

Der Vorgang muss nur bei sehr langwierigen Messungen wiederholt werden

(Messdauer >> 24 Stunden).

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6.1 Notwendigkeit einer Kalibrierung

Die Kalibrierung gleicht ausschließlich die äußeren Einflüsse auf den Controller aus

(Temperaturänderungen, Alterung, etc.).

Eine Kalibrierung der Lambdasonde mit Umgebungsluft muss im Gegensatz zu

anderen Lambda-Controllern nicht durchgeführt werden.

Ein Vergleich einer Fabrikneuen LSU4.2 mit einer stark gebrauchten Lambdasonde

(ca. 100.000km Fahrleistung) ergab nur minimale Abweichungen von λ0,004 in

Richtung mager.

Abbildung 7: Vergleichsmessung LSU4.2 Alt/Neu

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7 Berechnung der Sauerstoffkonzentration

7.1 Allgemeine Genauigkeit des Systems

Die Kombination aus LSU4.2 und CJ125 erreicht im Bereich um Lambda = 1 seine

höchste Genauigkeit.

Bei Lambda = 1,70 weißt die Sonde einen Fehler von ±0,05 auf, welcher aufgrund

der Sondenalterung auf bis zu ±0,15 ansteigen kann.

Bei Lambda = 1,009 geht dieser Fehler auf ±0,006 bzw. nach 2000 Betriebsstunden

±0,008 zurück.

7.2 Berechnung des λ-Werts (LSU4.2)

Die Berechnung des Lambdawerts kann bei diesem Controller über zwei Wege

erfolgen:

1. Auswertung des analogen Ausgangs

2. Auswertung des digitalen Ausgangs

Um den analogen Ausgang nutzen zu können, muss die Software-Version des

Controllers bekannt sein.

Es befindet sich Standardmäßig die Software für LSU4.2 Sonden mit einem

Ausgabebereich von λ0,7...1,3 auf dem Controller (V3.3-4.2-L0,7-1,3).

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 25

7.2.1 Auswertung des analogen Ausgangs

Die Angabe L0,7-1,3 in der Softwareversion bedeutet, dass bei einer

Ausgangsspannung von 0,0V ein Lambdawert von 0,7 anliegt. 5,0V entsprechen

einem Messwert von λ=1,3.

Da die Spannung linear zum Lambdawert ausgegeben wird, kann zur Berechnung

die Geradengleichung herangezogen werden:

y: Lambdawert

m: Steigung

x: Gemessene Spannung in Volt

b: Achsenabschnitt

Bei Softwareversion V3.3-4.2-L0,7-1,3 werden folgende Werte für m und b

eingesetzt:

m = 0,12

b = 0,7

7.2.2 Auswerten des digitalen Ausgangs

Da die Umrechnung der Messwerte in eine analoge Ausgangsspannung auf dem

Mikrocontroller der Lambda-Controller-Platine erfolgen muss, sind hier aufgrund der

geringen Rechenleistung Grenzen in der Genauigkeit gesetzt.

Um für genauere Messungen eine bessere Grundlage zu schaffen, werden über die

serielle Schnittstelle Lambda-Rohdaten übertragen welche mit einem geeigneten

Programm (z.B. Microsoft Excel) in einen Lambdawert oder Sauerstoffgehalt

umgerechnet werden müssen.

Für diese Umrechnung sind Wertetabellen für die Sonde erforderlich. Diese kann

man aus den Datenblättern der LSU4.2 und LSU4.9 entnehmen.

Page 26: Lambda-Controller V3 V3.3 Dokumentation.pdf · Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 4 1 Einführung Das Interface für Breitband Lambdasonden vom Typ Bosch LSU4.2 bzw. LSU4.9

Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 26

Folgende Werte sind im Datenblatt der LSU4.2 gegeben:

Tabelle 10: Wertetabelle LSU4.2

λ-Wert 0,70 0,80 0,85 0,90 1,009 1,18 1,43 1,70 2,42 (207)

Ip [mA] -1,85 -1,08 -0,76 -0,47 0,00 0,34 0,68 0,95 1,40 (2,55)

Der Verlauf des Lambdawerts hat bei Lambda 1,0 eine Unstetigkeit, daher werden

zwei Bereiche unterschieden (λ>1 und λ<1).

Gibt man die Werte in Excel ein und lässt sich eine Trendlinie erzeugen, so bekommt

man folgendes Ergebnis:

Abbildung 8: Trendlinie LSU4.2 fett

Man erhält für die Ausgleichsgerade im fetten Bereich die Gleichung:

Lambdafett = 0,0197x³ + 0,0914x² + 0,2686x + 1,0089

Für den mageren Bereich kann diese Prozedur wiederholt werden, dabei ergibt sich:

Lambdamager = 0,2433x³ + 0,0428x² + 0,4712x + 1,0083

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Lambda-Controller V3.3 Sebastian Knödler 27

Wobei für x der Pumpstrom in mA eingesetzt werden muss. Dieser ergibt sich aus

den in Kapitel 4.2 angegebenen Formeln:

Beispiel:

Lambda 108

Bei der Berechnung des Pumpstroms muss auf den Verstärkungsfaktor V geachtet

werden. Im fetten Bereich beträgt dieser 8, im mageren 17.