汽車電子技術第3章汽車電腦結構與工作原理

第三章汽車電腦結構與工作原理3.1汽車電腦控制系統(tǒng)的基本組成汽車電腦，狹義上指的是汽車電子控制單元ECU；廣義上，可以認為是以ECU為核心的汽車電子控制系統(tǒng)。汽車電子控制系統(tǒng)結構由傳感器、ECU（電控單元電腦）和執(zhí)行器三部分構成其中傳感器猶如人的“眼睛”、“耳朵”等感覺器官，汽車電腦（ECU）猶如人的“大腦”，是決策機構，而執(zhí)行器就是人的“手腳”，用來執(zhí)行ECU布置的具體工作。第三章汽車電腦結構與工作原理汽車電腦控制系統(tǒng)的基本組成汽車電子控制系統(tǒng)結構一、傳感器二、汽車電腦ECU三、執(zhí)行器汽車上的傳感器，將收集到的各種信號輸入汽車電腦（ECU）中，是信號的采集部分，它將測量到的汽車各種工況以及狀態(tài)的物理信號轉變成為汽車ECU能夠識別的電信號，輸送給汽車電腦。汽車傳感器的種類越多越豐富，汽車的控制精度越高。電子控制系統(tǒng)的核心就是汽車電腦ECU，它對各種傳感器輸入的信號以及部分執(zhí)行器的反饋信號（此時執(zhí)行器的這一部分功能已轉變?yōu)閭鞲衅鞴δ埽┻M行綜合運算處理，向執(zhí)行器輸出控制信號，使執(zhí)行器按照預先的控制目標工作汽車執(zhí)行器根據ECU輸出的執(zhí)行信號來完成具體的控制動作。執(zhí)行器為電腦的輸出部分，基本結構一般為線圈類的磁動作元件，例如噴油嘴、怠速馬達、點火線圈、各種電磁閥等。第三章汽車電腦結構與工作原理3.2汽車電腦的結構汽車電腦是一個電子裝置，這能夠儲存并處理信息，然后根據信息來控制其他的裝置。汽車發(fā)動機電腦ECU主板芯片及作用汽車電腦目前已廣泛被應用在許多系統(tǒng)功能的操作上，例如發(fā)動機燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、燈管電路以及定速巡航控制、防抱死制動系統(tǒng)、電子懸架系統(tǒng)和電子變速器等第三章汽車電腦結構與工作原理發(fā)動機電腦ECU主板芯片及作用微處理器控制模塊的方塊圖（以8位為例）第三章汽車電腦結構與工作原理一、輸入信號處理器汽車電腦所接受的信號是二進制數(shù)的數(shù)字信號。由于車上傳感器的種類繁多，每種傳感器所產生的信號形式都不相同，所以這些信號需要不同的轉換方式，將他們所產生的信號都轉換成汽車電腦所能接受的數(shù)字信號輸入信號處理器在電腦（MCM）中的位置第三章汽車電腦結構與工作原理轉換器(ADC)汽車電腦內信號處理部分最常見的轉換器就是A/D轉換器，ADC裝置主要用來將變化的DC電壓信號轉換成可以被微處理器使用的數(shù)字信號。汽車上常見的模擬輸入電壓信號有：進氣壓力、進氣量、蓄電池電壓、冷卻水溫、進氣溫度、節(jié)氣門位置和含氧傳感器等。簡單的8位ADC電路，輸入端為1條模擬信號線，輸出端則為8條數(shù)字信號線。開始時將清除信號（CLR）送到計數(shù)器使其歸零，接著，當汽車電腦內的控制時鐘(CLK)送出脈沖波時，計數(shù)器便開始計數(shù)。計數(shù)的結果經過ADC快速的轉換成模擬電壓Ud,并進入比較器的反向輸入端，與模擬輸入電壓Ui做比較。A/D轉換器（8位為例）（1）如果Ud>Ui,則比較器的輸出為高電壓狀態(tài)“1”。CLK信號仍可通過，使計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)。（2）如果Ud<Ui,則比較器的輸出為低電壓狀態(tài)“0”。CLK信號無法通過，而使計數(shù)器停止計數(shù)。此時，計數(shù)器的數(shù)字輸出值即代表模擬輸入電壓值得大小。第三章汽車電腦結構與工作原理8位的ADC應用實例ADC應用實例之二第三章汽車電腦結構與工作原理2.交/直流電壓轉換器汽車電腦中所使用的許多傳感器都是以AC電壓信號作為輸出，AC電壓信號無法像DC電壓信號可以直接轉換成數(shù)字信號，所以必須先由交/直流電壓轉換器（ACtoDCConverter）轉換成DC信號后，再送到ADC去。交/直流電壓轉換器構成整流電路：將交流電壓轉變成直流電壓。電壓平均值電路：負責將脈沖DC電壓值積分并轉換成平均值后輸出，這個輸出的模擬電壓大小直接和脈沖電壓的工作能力成比例，其實，電壓平均值電路就是一個積分器電路。第三章汽車電腦結構與工作原理3.頻率直流電壓轉換器（FDC）汽車上使用一些產生頻率波形的傳感器，如MAP（進氣歧管絕對壓力傳感器）、MAF（空氣流量傳感器）和BARO（大氣壓力傳感器）傳感器等。以MAP為例，次傳感器用來偵測出歧管內的絕對壓力值，并且輸出一變動頻率波形來代表平均讀數(shù)，但是頻率信號在被CPU使用前，必須先經過頻率/直流電壓轉換器，將信號轉換成DC模擬電壓FDC電路圖FDC內部的電路設計有許多方式，利用積分器電路是其中的一種。由FDC所產生的DC輸出電壓大小直接與輸入信號頻率大小成正比。信號頻率愈低，其輸出電壓也愈?。环粗?，輸入到FDC的頻率信號愈高，則所產生的輸出電壓也愈大。在FDC將信哈轉換成對應的DC電壓之后，電壓緊接著被送到ADC去。第三章汽車電腦結構與工作原理二、存儲器汽車電腦內常用的存儲器種類1.隨機存取存儲器(RAM)2.只讀性存儲器（ROM）3.可編程式只讀存儲器（PROM）4.活性存儲器（KAM）微處理器將需要暫時儲存的資料送到RAM。由于車輛行駛中狀況隨時在改變，所以RAM內儲存了這些變動的資料，微處理器也將計算結果和其他可以改變的資料寫入RAM中。RAM里面的資料能夠被微處理器讀取或刪除。微處理器只能從ROM讀取資料，卻不能寫入或刪除資料，所有資料在存儲器芯片制造過程中編譯程序方式寫入ROM內，因此即使拔掉蓄電池電纜線，ROM里的存儲資料也不會消失。在許多汽車廠商，如通用，在汽車電腦中安裝了一個可拆卸的PROM，它可以進行獨立的檢修。PROM內涵有一些特定的程序，例如點火提前程序，他針對特定的車型而做設定。若要更改設定值，如最大功率極限，只需拆下，更新程序內容即可。KAM在特性上很像RAM。微處理器可以從KAM上讀取、寫入和刪除資料。當點火開關關掉后，KAM內的資料仍可保存；但是若拔掉電腦的電源（蓄電池）線之后KAM所儲存的資料便消失了。第三章汽車電腦結構與工作原理三、微處理器汽車上的微處理器存著預先寫好的程序來計算并控制系統(tǒng)的動作，程序寫得非常細并且可以應付系統(tǒng)動作時各種可能發(fā)生的工況組合。微處理器是這整個汽車電腦的“大腦”，也常被稱為中央處理單元，由數(shù)千個電晶體置于一位小芯片上所構成微處理器主要組成部分（1）暫存器（2）控制單元（3）數(shù)字邏輯單元用以組成累進器、信息計數(shù)器、程序計算器和指令暫存器等負責實現(xiàn)位于指令暫存器內的各種指令執(zhí)行數(shù)學和邏輯功能第三章汽車電腦結構與工作原理四、輸出信號處理器在微處理器執(zhí)行完了必須的計算工作后，計算結果便儲存在特別保留給輸出信息用的存儲器內，這些存儲器被稱做輸出存儲器，常置于與輸入存儲器相同的RAM中，甚至可能將兩者制作在相同的芯片上。輸出信息可以被暫時存儲，直到被覆蓋位置。輸出信號處理器也是由數(shù)個不同裝置所組成，它們可是單獨的，也可以是組合的，以產出輸出信號輸出信號處理器在電腦中的位置第三章汽車電腦結構與工作原理1.數(shù)字/模擬轉換器(DAC)數(shù)字/模擬傳感器可將儲存在存儲器內的數(shù)字信號轉換成模擬電壓信號，以驅動各種作動器，如噴油器、繼電器或起動機等。數(shù)字/模擬轉換器（以4位為例）第三章汽車電腦結構與工作原理2.晶體開關晶體基本功能之一便是能夠提供良好的開關作用。汽車電腦中第二個常見的輸出信號處理器便是切換晶體，又稱為開關晶體。晶體式開關電路利用切換晶體控制繼電器第三章汽車電腦結構與工作原理3.電壓/工作周期轉換器工作周期是指工作方波寬度與方波周期之比，即方波使元件作用ON的時間與周期的比值汽車工作周期電壓/工作周期轉換器電路第三章汽車電腦結構與工作原理4.直接模擬電壓輸出控制微處理器控制模塊內的輸出處理器也可以產生一個直接的模擬電壓輸出。如圖3-17所示，儲存在輸出存儲器內的數(shù)字信號經DAC轉換為定值的模擬電壓，此電壓再送入電壓放大器，利用放大器所產生的較大電流來驅動如電動機等動作原件。第三章汽車電腦結構與工作原理3.3汽車電腦ECU的工作過程汽車在行駛時，各傳感器不斷檢測汽車運行工況，并將這些信息實時地通過輸入接口傳送到ECU，ECU接收到這些信息時，根據內部預先存儲的數(shù)據和編寫好的控制程序，通過數(shù)字計算和邏輯判斷，進行決策和處理，確定出適應發(fā)動機工況的點火提前角、噴油時間等參數(shù)，并將這些參數(shù)轉變?yōu)殡娦盘?，通過輸出接口輸出控制信號，執(zhí)行器接收到控制信號后，執(zhí)行相應的動作，實現(xiàn)預定的功能。四個階段一、輸入信號的過濾放大二、模數(shù)（A/D）轉換三、微處理器的信息處理四、輸出信號的處理輸入電路接收傳感器和其他裝置的輸入信號，并對信號進行過濾和放大。將輸入信號放大的目的是使信號的強度增加，以便汽車電腦可以無誤地識別接收，某些傳感器的信號送人電腦內的微處理器之前必須放大，由電腦中輸入芯片中的放大電路來完成。由于很多傳感器產生的是模擬信號，而微處理器處理的是數(shù)字信號，所以必須把模擬信號轉換為數(shù)字信號，這項工作由電腦輸入芯片中的模數(shù)轉換部分完成。模數(shù)轉換器以固定的時間間隔不斷地對傳感器的模擬信號進行掃描，并對模擬信號賦予固定的數(shù)值，然后將這個固定值轉換成二進制碼。微處理器是單片機的核心部件，將已經預處理的信號進行運算，并將處理后的數(shù)據送至輸出電路。輸出電路將數(shù)字信號放大，有些還要還原為模擬信號以驅動執(zhí)行器工作第三章汽車電腦結構與工作原理3.4汽車電腦ECU的工作原理汽車電腦的工作原理是類似的，現(xiàn)以最基本的瑪瑞利單點發(fā)動機電腦為例詳細講述汽車電腦的工作原理?，斎鹄麊吸c發(fā)動機電腦是一種典型的集中噴射電腦，由于該發(fā)動機電腦成本低廉且控制系統(tǒng)比較簡單實用，目前已廣泛的應用與國產微型車及低檔轎車當中。第三章汽車電腦結構與工作原理發(fā)動機電控系統(tǒng)原理圖第三章汽車電腦結構與工作原理發(fā)動機電腦內部電路原理圖，其邏輯電路是以CPU為核心的數(shù)字電路系統(tǒng)，而CPU又是邏輯電路的控制核心，它通過數(shù)據總線和地址總線把存儲器、總線驅動器、數(shù)據鎖存器等外部器件有機地連成一體，并通過I/Q口把傳感器信號送到CPU內部，把執(zhí)行信號送到外部，同時完成于其他設備（如診斷設備）通信的功能。馬瑞利單點發(fā)動機電腦原理圖第三章汽車電腦結構與工作原理1.瑪瑞利單點發(fā)動機電腦CPU電腦CPU使用的是M68HC11F1,它是摩托羅拉公司生產的高性能8位單片機主要特征（1）兩種省電模式：停止和等待。（2）1024BRAM,RAM數(shù)據在待機時保留。（3）512BEEPROM,帶區(qū)域數(shù)據保護功能。（4）異步非歸零碼（NRZ），串行通信接口SCI。（5）同步外圍設備接口（SPI）。（6）8通道，8位A/D轉換器。（7）增強的16位定時器系統(tǒng)。（8）包括三個輸入捕獲通道IC，四個輸出比較通道OC，一個附加通道，可選擇作為第四輸入或第五輸出通道。（9）8位脈沖累加器。（10）實時中斷電路。（11）COP看門狗系統(tǒng)。（12）38個通用輸入/輸出引腳（I/Q）。（13）兩種封裝形式：68引腳PLCC封裝和80引腳TQFP封裝。第三章汽車電腦結構與工作原理M68HC11F1引腳圖（1）引腳功能1)UDD和USS電源供給端。2）RESET復位信號端。3）XTAL和EXTAL晶振驅動和外部時鐘輸入。4）IRQ可屏蔽中斷請求輸入端。5）XIRQ不可屏蔽中斷輸入端。6）MODA/LIR、MODB/VSTB工作模式選擇7）URL、URH參考電壓引腳。（2）端口信號1）端口A。2）端口B。3)端口C。4)端口D。5）端口E。6）端口F。7）端口G。（3）COP系統(tǒng)（計算機運行正常監(jiān)視系統(tǒng)）（4）SPI串行外圍接口。第三章汽車電腦結構與工作原理2.74HC24474HC244是帶使能端的三態(tài)總線驅動器，可用作空調、油泵、EVAP電磁閥、怠速電動機等設備的狀態(tài)輸入開關，輸出端直接與數(shù)據總線相連。74HC244引腳功能第三章汽車電腦結構與工作原理3.74HC27374HC273是帶復位端的8位上升沿有效D觸發(fā)器，在該電路中用作怠速電動機、主繼電器、故障指示