第3章 汽車嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

2023/2/11現(xiàn)代汽車電子技術(shù)信號(hào)與信息處理研究所丁山現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2023/2/1現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2第3章汽車嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

汽車電子控制系統(tǒng)可概括為傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信診斷四個(gè)主要部分。

傳感器：控制系統(tǒng)首先需要感知外部信號(hào)，作為系統(tǒng)控制的依據(jù)。這些傳感器包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等幾十種傳感器；

控制器：核心器件是微控制器，可以完成采集、控制和通信等功能；

執(zhí)行器：真正實(shí)現(xiàn)控制操作的部件稱為執(zhí)行器，將控制器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)功率裝置的實(shí)際動(dòng)作;

通信診斷：包括在電控單元中通信接口電路、汽車的CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及外部通信診斷裝置。汽車電子控制系統(tǒng)現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2023/2/132023/2/1現(xiàn)代汽車電子技術(shù)43.1

嵌入式處理器

對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，然后輸出控制信號(hào)經(jīng)輸出信號(hào)接口電路到執(zhí)行器。按功能可分為以下4種：

1.

微處理器；

2.

微控制器；

3.

嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

4.

片上系統(tǒng)和可重構(gòu)硬件a.片上系統(tǒng)（SystemonChip）b.可重配置硬件的基本原理2023/2/1現(xiàn)代汽車電子技術(shù)5

嵌入式處理器的總線結(jié)構(gòu)：

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)；

哈佛結(jié)構(gòu)；

嵌入式處理器的選擇：1.低成本2.低功耗3.適當(dāng)?shù)奶幚砟芰?.合適的操作系統(tǒng)支持5.與原有產(chǎn)品的兼容6.符合行業(yè)應(yīng)用的編程語言7.上市時(shí)間2023/2/1現(xiàn)代汽車電子技術(shù)6

單片機(jī)選型基礎(chǔ)：1.中央處理器CPU:對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，選擇合適的主頻速度至關(guān)重要，還取決于采樣周期，控制速度等諸多因素。2.存儲(chǔ)器:分易失性存儲(chǔ)器與非易失性存儲(chǔ)器。

RAM:易失性存儲(chǔ)器ROM:只讀存儲(chǔ)器PROM:程序一旦寫入，無法修改。EPROM:擦寫速度較慢，芯片的石英窗口，防止程序丟失。

EEPROM:電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片。EEPROM可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。

Flash：快速擦寫/寫入的非易失性存儲(chǔ)器。2023/2/1現(xiàn)代汽車電子技術(shù)73.定時(shí)器

定時(shí)計(jì)數(shù)器：

脈沖測(cè)量功能：輸入撲捉，高速輸入

脈沖產(chǎn)生功能：定時(shí)輸出，高速輸出

脈沖累計(jì)功能：用于統(tǒng)計(jì)外部事件出現(xiàn)的次數(shù)4.A/D功能：選擇的主要參數(shù)、因素：

通道數(shù)目：

轉(zhuǎn)換精度：

轉(zhuǎn)換速度：

參考電壓：

3.2傳感器一、傳感器特性傳感器是指能感受規(guī)定的物理量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸入信號(hào)的器件或裝置。簡(jiǎn)單地說，傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成。1)、敏感元件是指能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)量的部分，即將被測(cè)量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的非電量或其它量。2）、轉(zhuǎn)換元件則將上述非電量轉(zhuǎn)換成電參量。3）、測(cè)量電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等可測(cè)電量，以便進(jìn)行顯示、記錄、控制和處理的部分。2023/2/18現(xiàn)代汽車電子技術(shù)傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)1．靈敏度靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時(shí)傳感器輸出量ｙ和輸入量ｘ之比，或輸出量ｙ的增量和輸入量ｘ的增量之比，用ｋ表示為ｋ＝dY/dX2．分辨率傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量稱為分辨率。3．測(cè)量范圍和量程在允許誤差限內(nèi)，被測(cè)量值的下限到上限之間的范圍稱為測(cè)量范圍。4．線性度（非線性誤差）在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度或非線性誤差。2023/2/19現(xiàn)代汽車電子技術(shù)5．遲滯遲滯是指在相同的工作條件下，傳感器的正行程特性與反行程特性的不一致程度。6．重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。7．零漂和溫漂傳感器在無輸入或輸入為另一值時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸入值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比為零漂。而溫度每升高1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。

2023/2/110現(xiàn)代汽車電子技術(shù)二、發(fā)動(dòng)機(jī)常用傳感器工作機(jī)理1．磁電效應(yīng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，切割磁力線（或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化）時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，2023/2/111現(xiàn)代汽車電子技術(shù)直線移動(dòng)式磁電傳感器直線移動(dòng)式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈和傳感器殼體等組成當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)且在振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于傳感器的固有頻率時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量相對(duì)較大，運(yùn)動(dòng)件來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)（靜止不動(dòng)）。此時(shí)，磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)體的振動(dòng)速度。2023/2/112現(xiàn)代汽車電子技術(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)式磁電傳感器軟鐵、線圈和永久磁鐵固定不動(dòng)。由導(dǎo)磁材料制成的測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，測(cè)量齒輪與軟鐵之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，磁通也變化一次。線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率（脈沖數(shù)）等于測(cè)量齒輪上的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。2023/2/113現(xiàn)代汽車電子技術(shù)二、霍耳式傳感器

1．霍耳效應(yīng)半導(dǎo)體或金屬薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流（與磁場(chǎng)垂直的薄片平面方向）流過時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

2023/2/114現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2023/2/115現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2．霍耳元件目前常用的霍耳材料鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等。N型鍺容易加工制造，霍耳系數(shù)、溫度性能、線性度較好；P型硅的線性度最好，霍耳系數(shù)、溫度性能同N型鍺，但電子遷移率較低，帶負(fù)載能力較差，通常不作單個(gè)霍耳元件。2023/2/116現(xiàn)代汽車電子技術(shù)三、壓電式傳感器

1．壓電效應(yīng)對(duì)某些電介質(zhì)沿著一定方向加力而使其變形時(shí)，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力撤除后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，電介質(zhì)會(huì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外電場(chǎng)去除后，變形或應(yīng)力隨之消失，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2023/2/117現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2．壓電元件壓電式傳感器是物性型的、發(fā)電式傳感器。常用的壓電材料有石英晶體（SiO2）和人工合成的壓電陶瓷。壓電陶瓷的壓電常數(shù)是石英晶體的幾倍，靈敏度較高。

2023/2/118現(xiàn)代汽車電子技術(shù)四、光電式傳感器

1．光電效應(yīng)當(dāng)光線照射物體時(shí)，可看作一串具有能量E的光子轟擊物體，如果光子的能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部電子吸收光子能量后，擺脫內(nèi)部力的約束，發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。1）在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等。2）在光線作用下，物體的電阻率改變的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等。3）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為光生伏特現(xiàn)象，如光電池（屬于對(duì)感光面入射光點(diǎn)位置敏感的器件）等。2023/2/119現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2．光敏電阻光敏電阻受到光線照射時(shí)，電子遷移，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，使電阻率變小。光照越強(qiáng)，阻值越低。入射光線消失，電子—空穴對(duì)恢復(fù)，電阻值逐漸恢復(fù)原值。3．光敏管光敏管（光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）屬于半導(dǎo)體器件。2023/2/120現(xiàn)代汽車電子技術(shù)4．電致發(fā)光固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光。電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。發(fā)光二極管(LED)是以特殊材料摻雜制成的半導(dǎo)體電致發(fā)光器件。當(dāng)其PN結(jié)正向偏置時(shí)，由于電子—空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生過剩能量，該能量以光子形式放出而發(fā)光。2023/2/121現(xiàn)代汽車電子技術(shù)

五、熱電式傳感器1．熱電效應(yīng)將兩種不同性質(zhì)的金屬導(dǎo)體A、B接成一個(gè)閉合回路，如果兩接合點(diǎn)溫度不相等（T0≠T），則在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并且回路中有一定大小的電流存在，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。2023/2/122現(xiàn)代汽車電子技術(shù)2．熱電阻傳感器熱電阻材料通常為純金屬，廣泛使用的是鉑、銅、鎳、鐵等3．熱敏電阻傳感器熱敏電阻用半導(dǎo)體制成，與金屬熱電阻相比有以下特點(diǎn)：

1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，易于點(diǎn)測(cè)量；

3）電阻率高，且適合動(dòng)態(tài)測(cè)量；

4）阻值與溫度變化的關(guān)系是非線性的；

5）穩(wěn)定性較差。2023/2/123現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第二節(jié)空氣流量計(jì)一、葉片式空氣流量計(jì)空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；但進(jìn)氣阻力大，響應(yīng)較慢且體積較大2023/2/124現(xiàn)代汽車電子技術(shù)二、卡門旋渦式空氣流量計(jì)所謂卡門旋渦，是指在流體中放置一個(gè)圓柱狀或三角狀物體時(shí)，在這一物體的下游就會(huì)產(chǎn)生的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反，并交替出現(xiàn)的旋渦2023/2/125現(xiàn)代汽車電子技術(shù)光學(xué)式卡門旋渦空氣流量計(jì)

在產(chǎn)生卡門旋渦的過程中，旋渦發(fā)生器兩側(cè)的空氣壓力會(huì)發(fā)生變化，通過導(dǎo)孔作用在金屬箔上，從而使其振動(dòng)，發(fā)光二極管的光照在振動(dòng)的金屬箔上時(shí)，光敏三極管接收到的金屬箔上的反射光是被旋渦調(diào)制的光，其輸出經(jīng)解調(diào)得到代表空氣流量的頻率信號(hào)。2023/2/126現(xiàn)代汽車電子技術(shù)超聲波式卡門旋渦空氣流量計(jì)

在卡門渦流發(fā)生器下游管路兩側(cè)相對(duì)安裝超聲波發(fā)射探頭和接收探頭。因卡門渦流對(duì)空氣密度的影響，就會(huì)使超聲波從發(fā)射探頭到接收探頭的時(shí)間較無旋渦變晚而產(chǎn)生相位差。對(duì)此相位信號(hào)進(jìn)行處理，就可得到旋渦脈沖信號(hào)，2023/2/127現(xiàn)代汽車電子技術(shù)三、熱線式空氣流量計(jì)

1．工作原理

當(dāng)無空氣流動(dòng)時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，控制電路輸出某一加熱電流至熱線電阻RH；當(dāng)有空氣流動(dòng)時(shí)，由于RH的熱量被空氣吸收而變冷，其電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，如果保持熱線電阻與吸入空氣的溫差不變并為一定值，就必須增加流過熱線電阻的電流IH。因此，熱線電流ＩＨ就是空氣質(zhì)量流量的函數(shù)。2023/2/128現(xiàn)代汽車電子技術(shù)四、熱膜式空氣流量計(jì)

膜式空氣流量計(jì)的工作原理與熱線式空氣流量計(jì)類似，都是用惠斯登電橋工作的。所不同的是：熱膜式不使用白金絲作為熱線，而是將熱線電阻、補(bǔ)償電阻及橋路電阻用厚膜工藝制作在同一陶瓷基片上構(gòu)成的。2023/2/129現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第三節(jié)壓力傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變式進(jìn)氣壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)原理工作的。2023/2/130現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第四節(jié)節(jié)氣門位置傳感器一、開關(guān)式節(jié)氣門位置傳感器傳感器由與節(jié)氣門軸聯(lián)動(dòng)的凸輪、動(dòng)觸點(diǎn)、怠速觸點(diǎn)、滿負(fù)荷觸點(diǎn)等組成。動(dòng)觸點(diǎn)接微機(jī)電源，當(dāng)節(jié)氣門全關(guān)閉時(shí)，怠速觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)接通；當(dāng)節(jié)氣門開度達(dá)50%以上時(shí)，滿負(fù)荷觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)接通；而當(dāng)節(jié)氣門開度在全閉至50%之間時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)懸空。2023/2/131現(xiàn)代汽車電子技術(shù)二、線性節(jié)氣門位置傳感器線性節(jié)氣門位置傳感器采用線性電位計(jì)，由節(jié)氣門軸帶動(dòng)電位計(jì)的滑動(dòng)觸點(diǎn)，在不同的節(jié)氣門開度下，接入回路的電阻不同2023/2/132現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第五節(jié)

氧傳感器

氧傳感器安裝在排氣管內(nèi)。由于排氣中的氧氣濃度可以反映空燃比的大小，所以，在電子控制燃油噴射系統(tǒng)中廣泛使用氧傳感器。氧傳感器隨時(shí)將檢測(cè)的氧氣濃度反饋給ECU，ECU據(jù)此判斷空燃比是否偏離理論值，一旦偏離，就調(diào)節(jié)噴油量，以控制空燃比收殮于理論值。2023/2/133現(xiàn)代汽車電子技術(shù)一、二氧化鈦（ＴiＯ2）氧傳感器

二氧化鈦氧傳感器是利用半導(dǎo)體材料二氧化鈦的電阻值，隨排氣中氧含量的變化而改變的特性制成的，是一種電阻型氧傳感器。

2023/2/134現(xiàn)代汽車電子技術(shù)二、二氧化鋯（ＺrＯ2）氧傳感器二氧化鋯氧氣傳感器的基本元件是二氧化鋯（ＺrＯ2）陶瓷，因其為固定電解質(zhì)管，亦稱鋯管。鋯管固定在帶有安裝螺絲的固定套內(nèi)，鋯管內(nèi)表面與大氣相通，外表面與排氣相通，其內(nèi)外表面都覆蓋著一層多孔性的鉑膜作為電極。

2023/2/135現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第六節(jié)

溫度傳感器

為了解發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)，計(jì)算進(jìn)氣的質(zhì)量流量及進(jìn)行排氣凈化處理，需要有能夠連續(xù)、精確地測(cè)量冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度與排氣溫度的傳感器。溫度傳感器的種類很多，如熱敏電阻式、半導(dǎo)體二極管式、熱電偶式等。2023/2/136現(xiàn)代汽車電子技術(shù)

熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的水套或節(jié)溫器殼內(nèi)并伸入水套中2023/2/137現(xiàn)代汽車電子技術(shù)第七節(jié)爆震傳感器爆震傳感器用來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)有無爆震發(fā)生，檢測(cè)方法有三種：一是檢測(cè)氣缸壓力；二是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)；三是檢測(cè)燃燒噪聲。目前常用檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的方法來判斷有無爆震。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式兩種。2023/2/138現(xiàn)代汽車電子技術(shù)一、磁致伸縮式爆震傳感器

2023/2/139現(xiàn)代汽車電子技術(shù)其工作原理是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，該傳感器在7kHz左右處與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，強(qiáng)磁性材料鐵心的導(dǎo)磁率發(fā)生變化，致使永久磁鐵穿過鐵心的磁通密度也變化，從而在鐵心周圍的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將這一電信號(hào)輸入ECU。二、壓電式爆震傳感器

2023/2/140現(xiàn)代汽車電子技術(shù)其工作原理是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體出現(xiàn)振動(dòng)且振動(dòng)傳遞到傳感器外殼上時(shí)，外殼與配重塊之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，夾在這兩者之間的壓電元件所受的壓力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓。ECU檢測(cè)出該電壓，并根據(jù)其值的大小判斷爆震強(qiáng)度。第八節(jié)曲軸位置傳感器曲軸位置傳感器亦稱點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器，用于點(diǎn)火正時(shí)控制。傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)中的曲軸位置傳感器是分電器凸輪軸和斷電器。

2023/2/1