汽车单片机技术基础

第1章汽车单片机技术基础1.1汽车微控制器系统组成1.2汽车单片机应用系统的基本要求1.1汽车微控制器系统组成1.1.1微控制器组成微控制器是以汽车单片机为核心器件的单片机系统，该系统不是以几个部件的面目出现在汽车上，而是将几乎所有的硬件集中装配在一块印制电路板上，然后用一个金属外壳封装起来，有的为了防潮、防振，还在壳体内部灌注树脂胶。所以，在汽车上我们看到的是由金属外壳封装、具有各种功能的控制单片机系统，也就是所谓的汽车电子控制单元ECU(ElectronicControlUnit)。装在外壳下和汽车凹槽深处的汽车电子控制单元(ECU)可以收集并交换信息，实现控制、优化和监测等功能，其基本构成，见图1-1。下一页返回1.1汽车微控制器系统组成1.中央处理器CPU(CentralProcessingUnit）CPU是微控制器内部的核心部件，它决定微控制器的主要功能和特性。CPU由两部分组成:一为控制器，简写为CU，它控制各部分协调工作。二为算术逻辑运算器，简写为ALU，它负责算术和逻辑运算，核心为一个运算器。2.输入电路输入电路是把传感器输入的各种信号进行放大、滤波、整形、变换等一系列的处理，转换为计算机可以识别的标准信号。一般分为模拟信号输入电路和数字二信号输入电路。(1)模拟信号输入电路模拟信号输入电路是单片机将控制对象的各种被测参数，上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成水温、空气流量、气温等都通过传感器变成模拟电信号，然后经过A/D转换器变成数字量进入ECU的电路。(2)数字信号输入电路数字量输入装置多是产生离散信号，通常这些信号代表两种状态，如开和关、限内与限外、高电平与低电平等。例如发动机曲轴转速数字传感器就是其中一种，它可以产生和曲轴转角速度成正比频率脉冲信号。在防滑制动中的轮胎转速传感器也是一种数字传感器，把数字传感器产生的信号经过预处理成ECU要求的标准脉冲后，进入ECU控制的计数器，通过测频或测周期的算法求出相应的转速值。上止点的脉冲信号发生器在曲轴转到上止点之前的某个位置时，产生一个窄上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成脉冲，作为点火喷油基准信号，以上装置都是数字输入装置。3.输出电路输出电路是把计算机发出的控制指令信号，经过放大、变换等处理转换成可以驱动各执行器工作的电信号。一般分为模拟信号输出电路和数字信号输出电路。（1）模拟信号输出电路模拟量输出装置多是执行机构，例如控制空燃比用的油门开度的控制器，就是把ECU送来的数字信号通过步进电机变成机械转动量(模拟量)。(2)数字信号输出电路数字量输出装置是汽车自动控制的输出机构的一种，例如上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成电子喷油器的电磁线圈、点火系的点火线圈等都是数字量输出装置。喷油的自动控制主要解决两个问题:一是喷油量的多少，主要是由ECU给喷油器电磁线圈脉冲的宽度来决定的。二是在什么时间开始喷油，由发动机曲轴转角大小(由上止点到开始喷油的转角大小)来决定。当然，ECU输出要通过接口、光电隔离及功率放大后才能控制执行机构。4.A/D转换器A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号的装置。5.存储器存储器一般分为两种，的存储器叫做只读存储器，能读出也能写入的存储器叫随机存储器，简称RAM。读出简称ROM。上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成(1)RAMRAM主要用来存储计算机操作时的可变数据，如用来存储计算机输入/输出数据和计算过程中产生的中间数据等。有存入RAM的数据均完全消失。(2)ROMROM用来存储固定数据，即存放各种永久性的程序和永久性、半永久性的数据，如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油特性、点火控制特性以及其他特性数据等。6.接口接口是一种在微处理机和外围设备之间控制数据流动和数据上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成格式的电路。简单地说，接口就是连接两个电子设备单元的部件。接口可分为并行和串行两种:（1）串行接口一次传输一位数据称为串行传输，如图1-2所示。以串行传输方式通信时，使用的接口叫串行接口，它由接收器、发送器和控制器三部分组成。(2)并行接口同时传输两位或两位以上的数据称为并行传输。以并行传输方式通信时，是把多位数据(如s位数据)的各个位同时传送，如图1-3所示。串行接口和并行接口统称为输入/输出接口。随着汽车电子技术的发展，单片机在车上的应用基本上分成上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成三类:动力系统控制、舒适系统控制、信息与娱乐系统控制，见图1一4。1.1.2汽车单片机对信息的处理单片机系统中有多种输入传感器，这些传感器将汽车上的信息传递给汽车单片机，这些信息的传递形式有模拟信号和数字信号两种。模拟信号一般要转换为数字信号后才能传递给汽车单片机(控制器)，而数字信号只要稍加电平变换就可以直接被单片机(控制器)接收。进气温度传感器位于进气歧管内可以感知进气温度的地方。这个传感器中有一个负温度系数热敏电阻，当空气冷时，电上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成阻元件的电阻值增加;反之，电阻元件的电阻值减小。当进气温度传感器变冷时，它向汽车单片机送出一个幅值较大的模拟电压信号，汽车单片机系统的A/D车令换器再把这个信号转换成数字信号，见图1-5。控制器收到进气温度传感器信号后立即访问ROM中的查询表，查询表列出了每一空气温度对应的空气密度。当进气温度传感器电压信号很高时，查询表会指出空气密度很大。这个信息传给微控制器，控制器通过输出驱动器控制燃油。喷油器向发动机提供准确数量的燃油，见图1-6。1.1.3输出驱动器和执行器单片机(控制器)的输出驱动器由很多晶体管组成。控制器操上一页下一页返回1.1汽车微控制器系统组成纵输出驱动器，而输出驱动器控制输出执行器。输出执行器通常是一些继电器、电磁线圈等。控制器输出信号驱动输出驱动器，驱动器通过控制执行器的“接地”来控制执行器工作，见图1-7。图1-8是单片机控制发动机点火提前角的硬件框图，由单片机接口、传感器、功率放大器、点火线圈、分电器、火花塞等部分组成。单片机是该系统的核心，只读存储器ROM除了有监控、自自查等程序外，还存储了该发动机由试验得出的各种工况下的优化点火提前角，随机存储器RAM存放随机数据。CPU进行汽车工况的检测、判断、查找最佳点火提前角、接通和断开点火线圈等核心工作。上一页下一页返回1.2汽车单片机应用系统的基本要求汽车单片机主要实现各种信号的检测和各部件的控制，功能比较单一，不仅要求较强的通用性，还要满足以下技术要求:1.可靠性高，具有应急备用功能汽车单片机应用系统如果出现故障，可能造成重大损失。因此，可靠性对汽车单片机应用系统是至关重要的。而且，要求汽车单片机系统一旦出现故障，还要有应急备用系统能够暂时代替汽车单片机维持汽车的运行。2.适应汽车运行的恶劣环境各种电气设备产生的电磁波干扰和电压波动，都会对汽车单片机系统的正常运行产生一定的影响。因此，为使汽车单片机系统能可靠、无故障地工作，必须满足下列要求:下一页返回1.2汽车单片机应用系统的基本要求①耐温范围为-40~125℃。②防电磁干扰，不易受外部辐射(如移动无线电话)的影响，本身没有电磁干扰的辐射。③抗振、防潮湿、防腐蚀。④重量轻，生产成本低廉，安装可靠。3.具有完善的输入/输出通道和实时控制能力为了对汽车运行过程进行检测和控制，需要传送大量数据和各种类型的信号，因此要求汽车单片机系统具有比较完备的模拟量和数字量输入/输出通道。汽车运行过程的控制信号是实时的，要求单片机对输入信号的变化具有足够快的反应速度，能够及时处理并改变控制信号，因此要求汽车单片机上一页下一页返回1.2汽车单片机应用系统的基本要求系统具有较完善的中断处理能力。4.易于操作和维护汽车单片机系统安装在汽车上，使用者一般不是专业计算机人员，因此在设计操作系统和信号控制系统时，应简单明了、便于操作，一旦发生故障，能及时查明原因，迅速予以排除。5.具有一定的可扩展性根据汽车生产和汽车运行过程中的可能变动，汽车单片机系统在输入/输出端口、存储器等方面应具有可扩展性。并应该留出数据接口，便于维修人员利用故障码读取器从单片机系统中读取故障代码，为维修提供方便。6.具有较为完善的软件系统上一页下一页返回1.2汽车单片机应用系统的基本要求一个较为完善的软件系统除包括监控、管理、计算、检测、自诊断和通信等功能，还应具有优化的控制算法和控制逻辑、较高的实时性和抗电磁干扰的能力，从软件上保证汽车单片机应用系统工作的可靠性。小结1.微控制器由中央处理器、输入电路、输出电路、A/D转换器、存储器组成。2.外部设备必须通过各种接口和输入/输出总线与微机相连接，而微机对外部设备的控制和信息交换也要通过接口来实现。不同的外部设备要求不同功能的接口，所以接口的结构多种多样。接口可分为并行和串行两种。上一页下一页返回1.2汽车单片机应用系统的基本要求3.汽车单片机应用系统的基本要求:可靠性高，具有应急备用功能;适应汽车运行的恶劣环境;具有完善的输入/输出通道和实时控制能力;易于操作和维护;具有一定的可扩展性;具有较为完善的软件系统。上一页返回图1-1汽车电子控制单元(ECU）的基本构成返回图1-2串行数据的传输返回图1-3并行数据的传输返回图1-4单片机在汽车电子控制系统中的应用返回图1-5进气温度信号的输入返回1-进气温度传感器感知进气温度;2-进气歧管;3-燃油喷对器;4-进气温度传感器;5-向控制器输入高电压幅值的模拟信号;6-传递控制器的数字信号图1-6控制器对进气温度信号处理返回图1-7输出驱动器为执行器线圈和继电器提供“接地”信号返回图1-8单片机控制点火提前角框返回