第3章汽车嵌入式系统基础

2019/8/141现代汽车电子技术信号与信息处理研究所丁山现代汽车电子技术2019/8/14现代汽车电子技术2第3章汽车嵌入式系统基础汽车电子控制系统可概括为传感器、控制器、执行器和通信诊断四个主要部分。传感器：控制系统首先需要感知外部信号，作为系统控制的依据。这些传感器包括温度、压力、转速等几十种传感器；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；执行器：真正实现控制操作的部件称为执行器，将控制器输出的电信号转换为驱动功率装置的实际动作;通信诊断：包括在电控单元中通信接口电路、汽车的CAN、LIN等网络通信协议以及外部通信诊断装置。汽车电子控制系统现代汽车电子技术2019/8/1432019/8/14现代汽车电子技术43.1嵌入式处理器对信号进行分析、运算和处理，然后输出控制信号经输出信号接口电路到执行器。按功能可分为以下4种：1.微处理器；2.微控制器；3.嵌入式数字信号处理器（DSP）4.片上系统和可重构硬件a.片上系统（SystemonChip）b.可重配置硬件的基本原理2019/8/14现代汽车电子技术5嵌入式处理器的总线结构：冯·诺依曼结构；哈佛结构；嵌入式处理器的选择：1.低成本2.低功耗3.适当的处理能力4.合适的操作系统支持5.与原有产品的兼容6.符合行业应用的编程语言7.上市时间2019/8/14现代汽车电子技术6单片机选型基础：1.中央处理器CPU:对于发动机等实时控制系统，选择合适的主频速度至关重要，还取决于采样周期，控制速度等诸多因素。2.存储器:分易失性存储器与非易失性存储器。RAM:易失性存储器ROM:只读存储器PROM:程序一旦写入，无法修改。EPROM:擦写速度较慢，芯片的石英窗口，防止程序丢失。EEPROM:电可擦可编程只读存储器一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。Flash：快速擦写/写入的非易失性存储器。2019/8/14现代汽车电子技术73.定时器定时计数器：脉冲测量功能：输入扑捉，高速输入脉冲产生功能：定时输出，高速输出脉冲累计功能：用于统计外部事件出现的次数4.A/D功能：选择的主要参数、因素：通道数目：转换精度：转换速度：参考电压：3.2传感器一、传感器特性传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。1)、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。3）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。2019/8/148现代汽车电子技术传感器的静态特性参数指标1．灵敏度灵敏度是指稳态时传感器输出量ｙ和输入量ｘ之比，或输出量ｙ的增量和输入量ｘ的增量之比，用ｋ表示为ｋ＝dY/dX2．分辨率传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨率。3．测量范围和量程在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。4．线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。2019/8/149现代汽车电子技术5．迟滞迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。6．重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。7．零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。2019/8/1410现代汽车电子技术二、发动机常用传感器工作机理1．磁电效应根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，2019/8/1411现代汽车电子技术dtdNe直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。2019/8/1412现代汽车电子技术转动式磁电传感器软铁、线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。2019/8/1413现代汽车电子技术二、霍耳式传感器1．霍耳效应半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。2019/8/1414现代汽车电子技术2019/8/1415现代汽车电子技术2．霍耳元件目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。2019/8/1416现代汽车电子技术三、压电式传感器1．压电效应对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。2019/8/1417现代汽车电子技术2．压电元件压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。2019/8/1418现代汽车电子技术四、光电式传感器1．光电效应当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。1）在光线作用下，电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称为内光电效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。2019/8/1419现代汽车电子技术2．光敏电阻光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子—空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光线消失，电子—空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。3．光敏管光敏管（光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）属于半导体器件。2019/8/1420现代汽车电子技术4．电致发光固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。发光二极管(LED)是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时，由于电子—空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。2019/8/1421现代汽车电子技术五、热电式传感器1．热电效应将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路，如果两接合点温度不相等（T0≠T），则在两导体间产生电动势，并且回路中有一定大小的电流存在，此现象称为热电效应。2019/8/1422现代汽车电子技术2．热电阻传感器热电阻材料通常为纯金属，广泛使用的是铂、铜、镍、铁等3．热敏电阻传感器热敏电阻用半导体制成，与金属热电阻相比有以下特点：1）电阻温度系数大，灵敏度高；2）结构简单，体积小，易于点测量；3）电阻率高，且适合动态测量；4）阻值与温度变化的关系是非线性的；5）稳定性较差。2019/8/1423现代汽车电子技术第二节空气流量计一、叶片式空气流量计空气流量计的结构简单，可靠性高；但进气阻力大，响应较慢且体积较大2019/8/1424现代汽车电子技术二、卡门旋涡式空气流量计所谓卡门旋涡，是指在流体中放置一个圆柱状或三角状物体时，在这一物体的下游就会产生的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡2019/8/1425现代汽车电子技术光学式卡门旋涡空气流量计在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动，发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏三极管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光，其输出经解调得到代表空气流量的频率信号。2019/8/1426现代汽车电子技术超声波式卡门旋涡空气流量计在卡门涡流发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和接收探头。因卡门涡流对空气密度的影响，就会使超声波从发射探头到接收探头的时间较无旋涡变晚而产生相位差。对此相位信号进行处理，就可得到旋涡脉冲信号，2019/8/1427现代汽车电子技术三、热线式空气流量计1．工作原理当无空气流动时，电桥处于平衡状态，控制电路输出某一加热电流至热线电阻RH；当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值发生变化，电桥失去平衡，如果保持热线电阻与吸入空气的温差不变并为一定值，就必须增加流过热线电阻的电流IH。因此，热线电流ＩＨ就是空气质量流量的函数。2019/8/1428现代汽车电子技术四、热膜式空气流量计膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计类似，都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是：热膜式不使用白金丝作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻及桥路电阻用厚膜工艺制作在同一陶瓷基片上构成的。2019/8/1429现代汽车电子技术第三节压力传感器半导体应变式进气压力传感器是利用压阻效应原理工作的。2019/8/1430现代汽车电子技术第四节节气门位置传感器一、开关式节气门位置传感器传感器由与节气门轴联动的凸轮、动触点、怠速触点、满负荷触点等组成。动触点接微机电源，当节气门全关闭时，怠速触点与动触点接通；当节气门开度达50%以上时，满负荷触点与动触点接通；而当节气门开度在全闭至50%之间时，动触点悬空。2019/8/1431现代汽车电子技术二、线性节气门位置传感器线性节气门位置传感器采用线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点，在不同的节气门开度下，接入回路的电阻不同2019/8/1432现代汽车电子技术第五节氧传感器氧传感器安装在排气管内。由于排气中的氧气浓度可以反映空燃比的大小，所以，在电子控制燃油喷射系统中广泛使用氧传感器。氧传感器随时将检测的氧气浓度反馈给ECU，ECU据此判断空燃比是否偏离理论值，一旦偏离，就调节喷油量，以控制空燃比收殓于理论值。2019/8/1433现代汽车电子技术一、二氧化钛（ＴiＯ2）氧传感器二氧化钛氧传感器是利用半导体材料二氧化钛的电阻值，随排气中氧含量的变化而改变的特性制成的，是一种电阻型氧传感器。2019/8/1434现代汽车电子技术二、二氧化锆（ＺrＯ2）氧传感器二氧化锆氧气传感器的基本元件是二氧化锆（ＺrＯ2）陶瓷，因其为固定电解质管，亦称锆管。锆管固定在带有安装螺丝的固定套内，锆管内表面与大气相通，外表面与排气相通，其内外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极。2019/8/1435现代汽车电子技术第六节温度传感器为了解发动机的热状态，计算进气的质量流量及进行排气净化处理，需要有能够连续、精确地测量冷却液温度、进气温度与排气温度的传感器。温度传感器的种类很多，如热敏电阻式、半导体二极管式、热电偶式等。2019/8/1436现代汽车电子技术热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器壳内并伸入水套中2019/8/1437现代汽车电子技术第七节爆震传感器爆震传感器用来检测发动机有无爆震发生，检测方法有三种：一是检测气缸