项目三汽车电子控制单元认识课件

1、项目三 汽车电子控制单元认知任务一 探究汽车ECU及其应用任务一 探究汽车ECU及其应用一、汽车ECU概述1汽车ECU的组成单片机是汽车电子控制单元ECU的核心，相当于集成到芯片内的微型计算机。ECU是包括单片机及相关外围接口器件的电路板总称。如图所示为奔驰汽车的一个ECU实物，从图中可以看出ECU除了单片机这个核心以外，还包括存储器和很多外围接口插件。任务一 探究汽车ECU及其应用1汽车ECU的组成根据ECU内部元件的不同，可将ECU分为输入接口、单片机和输出接口三大部分，如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用2汽车ECU的作用ECU与传感器以及后续介绍的执行器共同构成汽车的电子设备。其中

2、，ECU是电子设备的核心。任务一 探究汽车ECU及其应用2汽车ECU的作用将来自传感器的输入信号进行转换，成为能够处理和分析的信息；根据控制要求进行算术运算或逻辑运算；将运算结果转换成驱动执行机构工作的信号；存储各种程序、参数、数据表格等；产生各种参考电压，通常为5 V，也有2 V，9 V和12 V等；自动进行故障诊断。任务一 探究汽车ECU及其应用3汽车ECU的特点汽车ECU集成度高、体积小、质量轻、可靠性高、价格低廉。它易于标准化，只需要改动软件即可实现不同的控制功能，且软件资源丰富。任务一 探究汽车ECU及其应用4汽车ECU的种类目前汽车上一般有多个ECU，而现代汽车上一般有几十个甚至上

3、百个ECU，用于控制各个系统，其常见种类及用途如表所示。任务一 探究汽车ECU及其应用2汽车ECU的作用种 类用 途发动机ECU用于控制发动机供油、点火、爆燃、怠速、冷却、排放等变速器ECU用于控制自动变速器的升、降挡和锁止制动ECU用于防抱死制动系统、车身稳定系统、坡道起步等转向ECU用于控制转向系统的助力大小悬架ECU用于悬架刚度和阻尼的控制防盗ECU用于阻止发动机的非法启动前照灯ECU用于前照灯的亮度、照射方向、延迟清洗等控制门窗ECU用于控制车窗的开锁和闭锁刮水器ECU用于刮水器的速度控制气囊ECU用于车内个安全气囊的控制空调ECU用于控制空调制冷量、风量、风向等仪表ECU用于各仪表的

4、显示、亮度等控制安全带ECU用于安全带拉紧力的控制座椅ECU用于座椅状态、温度等控制防撞ECU用于倒车、行车时的状态控制车载信息ECU用于记录储存形式信息任务一 探究汽车ECU及其应用二、汽车ECU的输入接口输入接口的作用是将电控系统中各传感器检测到的信号通过I/O接口输入至单片机，完成ECU对控制装置运行工况的实时检测。任务一 探究汽车ECU及其应用二、汽车ECU的输入接口从传感器传来的信号进入输入接口后，首先要经过预处理，如利用滤波器除去杂波等。例如，从电磁式曲轴位置传感器来的信号，并不是矩形波而是正弦波，且其信号的电压幅值会随转速的变化而变化，这些信号均不能直接输入单片机。如图所示为输入

5、回路的处理效果。任务一 探究汽车ECU及其应用二、汽车ECU的输入接口输入接口处理的信号主要有三种类型，分别是模拟信号、数字信号和开关信号，其波形如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理随着数字技术的发展，特别是单片机的广泛应用，常要遇到模拟信号和数字信号相互之间的转换与处理问题。实际汽车电子控制系统中采集的某些对象，如冷却液温度、空气流量、排气温度等都是一些连续变化的物理量。这些随时间连续变化的信号称为模拟信号，简称模拟量。单片机系统无法识别和运算模拟量，它只能处理一些离散的如0，1等数字信号。因此，要使单片机能对实际系统进行识别和处理，就必须先将模拟信号转化为数字信号

6、，才能被计算机接收和运算。完成这一任务的就是模数转换电路，又称模数转换器，简称A/D转换器或ADC。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理1）A/D转换的基本原理A/D转换就是把模拟量转换成数字量。一般A/D转换通道由传感器、信号处理器、转换开关、采样保持器、A/D转换电路等组成。转化的过程由采样、保持、量化、编码4个步骤完成。其结构框图如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理模拟电子开关S在采样脉冲CPs的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对电容C充电，此为采样过程；当S断开时，C上的电压保持不变，称为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经

7、数字化编码电路转换成一组n位的二进制数码输出。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（1）采样-保持电路采样是把随时间连续变化的信号变换为时间上离散的信号。而保持则是使采样信号有充分的时间转换为数字信号。如图所示为采样-保持电路图和波形转换图。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理采样-保持电路的工作过程为：在t0时刻S闭合，电容CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo=ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值

8、不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。这就是保持过程。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理在采样过程中遵守的规律为：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。此即所谓的采样定理，即(3-1-1)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（2）量化和编码量化是把采样-保持电路采集的模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级单位，然后用量化电压的整数倍来表示。编码则是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数），可依次逐个地编号。任务一 探

9、究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理前面通过采样-保持电路取得的数字信号不仅在时间上是离散的，在数量上也是断续的，即这些数字量一般都是以某个最小单位整数倍的形式来显示。因而在用数字量来表示取样电压时，也必须转化成同样最小单位的整数倍。这个转化过程称为量化，所用的最小数量单位称为量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位中的1代表的数量大小，就等于。把量化的数值用二进制代码表示的方式称为编码，这个二进制代码即为A/D转换的输出信号。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理由于模拟电压信号量是连续的，它不一定能被整除，因此在量化时会舍去余数而引起误差，这种误差称为量化误差。量化误

10、差的大小与A/D转换器的位数、基准电压和量化舍入方法有关。量化舍入方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。只舍不入法是当输出电压uo的尾数小于时，取掉尾数，这种方法的总为正值，即(3-1-2)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理有舍有入法是当输出电压uo的尾数小于/2时，舍尾取整；当尾数大于/2时，舍尾入一位整数。这种方法的可正可负，即(3-1-3)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理2）A/D转换的方法直接法间接法任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理在转换过程中，控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进制数的最高位Dn-1

11、=1，经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压VS，再与输入电压Vi相比较。若ViVS，则保留这一位；若ViVS还是ViVS来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的D/A转换电路，转换精度很高，调准也比较方便，但对干扰的抑制能力较差，常通过提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。直接法常用的结构有计数型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器和并行比较型A/D转换器等。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（2）间接法间接法

12、不是将模拟信号直接转换成数字信号，而是将模拟量先转换成某一中间量，再由中间量最后转换成数字量。由于要通过一个中间量过渡，故工作速度较低，但转换精度很高，而且抗干扰能力强，因此一般在测试仪表中用得较多。间接法A/D转换器常用的结构有单次积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器等，电路上有电压-时间间隔（V/T）型和电压-频率（V/F）型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理3）A/D转换器的典型组件（1）逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器是一种直接型的A/D转换器。它的结构框图如图所示，它包括四个部分：比

13、较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和控制逻辑电路。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理4位逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路图如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理逐次逼近型A/D转换器的转换方法是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较的结果以相应的二进制代码来表示，转换开始前先将寄存器清零，转换开始后根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量（如4位A/D转换器，权值数字量分别为1000，0100，0010，0001），进行D/A转换，分别得到不同的Vo，使Vo与Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至Vo最逼近Vi为止，

14、从而得到最终的转换结果。此过程就像用天平称重量一样，只不过使用的砝码重量依次减半。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（2）双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器是一种间接型的A/D转换器。它的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压的平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出这个时间间隔，从而得到相应的数字量输出。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理双积分型A/D转换器的逻辑电路图如图所示。它由积分器、检零比较器、时钟逻辑控制门和计数器等组成。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理图中，检零比较器的作用

15、是进行过零比较。当uo0时，检零比较器输出Co=0，封锁控制门G，使CP不起作用。而控制门G的作用是用来控制是否计数。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理转换开始时，所有触发器先清零。由于触发器Fn输出Qn=0，使开关S1打到上端接通ui，积分器从原始状态0 V开始对ui进行积分，其输出电压uo为(3-1-4)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理uo以正比于ui的斜率线性下降。同时因uo0为止。此时Co=0，控制门G关闭，计数器停止计数。假设T2区间内计数器记录了N个脉冲，则有(3-1-7)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理由式（3-1-6）可

16、得(3-1-8)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理此时Co=0，即将式（3-1-7）代入得即(3-1-9)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理由上式可见，计数器记录的脉冲数N与输入电压ui成正比。这样就从计数器的输出得到了转换结果，实现了A/D转换。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理如图所示为双积分型A/D转换器各处的工作波形图。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理由以上分析可以看出，双积分型A/D转换器在转换过程中进行了两次积分，转换结果不受积分时间常数的影响，而且在电路输入端使用了积分器，因此具有以下几个特点。由于转换电路

17、是对输入电压的平均值进行转换，因而对交流噪声的工频干扰有很强的抑制能力（与输入电压 的平均值成正比）。转换精度高（两次积分用同一个积分器，积分器本身的误差能抵消）。不足之处是工作速度低，运行较慢。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理因此这种转换器主要用于工业数字测量中的现场仪表及对转换速度要求不高的场合。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理4）A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的主要技术指标如下。（1）转换精度转换精度由分辨率和转换误差两个性能组成。A/D转换器的分辨率是指转换器对输入模拟信号的分辨能力，常以输出二进制码的位数n来表示。任务一 探究汽车ECU

18、及其应用1模拟信号的输入与处理若转换器输入的满量程模拟电压是FSR，当n位输出时，有2n个等级，每个等级相差即为A/D转换器的分辨率，即(3-1-10)任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率就越高。转换误差则表示A/D转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数来表示。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（2）转换速度转换速度是指完成一次A/D转换的快慢。而转换时间则是从接到模拟信号开始，到输出端得到稳定数字信号所用的时间。转换时间越短，转换速度越高。转换速度主要取决于转换器的类型。

19、一般双积分型A/D转换器的转换时间最慢有几百毫秒；逐次逼近型A/D转换器的转换时间快一些，需要几十微秒；并联型A/D转换器的转换时间最快，仅需几十纳秒。任务一 探究汽车ECU及其应用1模拟信号的输入与处理（3）相对精度在理想情况下，A/D转换器的所有转换点都应在一条直线上，但实际过程中总会存在着一定的偏差。相对精度就是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位数来表示。此外，还有一些参数会影响A/D转换器的性能，如输入模拟电压范围及输入电阻、输出数字信号的逻辑电平及带负载能力、温度系数、电源抑制能力、电源功率损耗等。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理数字信号的输入

20、频率信号数字通信信号任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理像传感器测量出的发动机转速、变速器输入轴转速、变速器输出轴转速等信号属于频率信号。这些信号根据传感器不同，其幅值和波形也不尽相同。测量出的信号需要经过调节模块处理成单片机可以处理的数字信号。一般来讲，对频率信号的处理方法主要有频率技术法和频压转换法两种。如图所示为对频率信号处理过程的示意图。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理另一种数字信号是数字通信信号。目前汽车中使用的电控系统越来越多，它们之间的一些资源是可以共享的。因此，在汽车ECU中常设有数字通信接口，如R5232接口、SPI 接口和CAN接口等。任

21、务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理数字信号是离散的变量，它是指一系列电量或脉冲。对于电控系统来讲，数字信号的优点不只是其精度高，更重要的是数字信号所表现的值不会因其电流或电压的变化而受到影响。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理1）数字信号的整形原理输入到单片机的信号应为规范的高低电平信号，对周期性连续变化的数字信号波形最好是规范的矩形。实际上，输入的脉冲信号、频率信号或来自传感器的周期性变化信号往往是不规则的，在输入单片机之前，需要做整形处理。例如，汽车点火控制系统中常常使用电磁脉冲式曲轴位置传感器，其输出信号在整形之前的波形为一不规则的周期波形，为了将其转换

22、为脉冲信号，就需要通过整形电路，如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理如图所示为施密特触发器的电压传输特性。当输入施密特触发器的电压Vi升到VT+后，输出电压Vo会变为低电平；当输入电压从较高电压降回VT+时，输出电压并不变化；只有当Vo降低到VT-时，输出电平才会变为高电平。施密特触发器的这种特性是一种特殊的“滞回”特性。它可以使信号处理具有良好的抗干扰能力，常用于将非矩形或不规则的波形整理成规则的矩形脉冲。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理传感器不规则信号作为施密特触发器输入信号，当Vi上升到VT+后，输出Vo电平变低；当Vi下降到VT-后，输出V

23、o电平变高，从而将不规则周期信号整理成一系列矩形脉冲，如图中所示的Vo曲线。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理2）数字信号的整形电路下面以发动机转速传感器的输入信号为例，说明将其正弦波形整形为标准方波的构成电路。由转速信号处理电路可见，由于在反相输入端与输出端之间没有反馈电阻存在，所以集成运算放大器工作在非线性模式，即构成了电压比较器，主要功能是进行波形整形。任务一 探究汽车ECU及其应用2数字信号的输入与处理如图所示，转速信号处理电路由LM2903芯片和外围电路组成，LM2903内部由两个集成运算放大器构成。图中，1为输出端，2为反相输入端，3为同相输入端。任务一 探究汽车

24、ECU及其应用2数字信号的输入与处理由插脚PIN5输入如图所示的转速信号至集成运算放大器的反相输入端，而同相端通过电阻接地。任务一 探究汽车ECU及其应用3开关信号的输入与处理1）开关信号的抖动现象汽车上有许多输入ECU的信号为开关信号，如制动开关、空调开关、前照灯开关等。实际中，这些开关信号可能存在抖动、产生杂波，或前后沿不够陡峭的现象，这时就需要对其进行整形，以使单片机得到正确的开关信号。任务一 探究汽车ECU及其应用3开关信号的输入与处理如图所示为一个最简单的开关信号输入电路。当机械式按键未被按下时，P1.0应为高电平；当按键按下后，P1.0应变为低电平。但是由于机械触点的弹性作用，当按

25、键闭合时，电路不会立即稳定地接通；当按键释放时，电路也不会立即完全断开。于是，P1.0上的电平就出现抖动现象，抖动延续时间由按键结构决定，一般为510 ms。任务一 探究汽车ECU及其应用3开关信号的输入与处理按键动作引起的电平抖动现象是难以避免的。它会造成单片机将一次按键动作误读为按下多次，造成控制失误。因此，开关信号的抖动现象必须设法消除，一般有硬件和软件两种方法消除。任务一 探究汽车ECU及其应用3开关信号的输入与处理2）消除抖动的方法（1）硬件消抖方法用硬件方法消除抖动，相应的电路称为整形电路或消抖电路。以下用双稳态的RS触发器来说明消抖作用，如图所示。图中，两个与非门构成了RS触发器

26、，开关触点有两个位置：未按下时接触上端1；按下后接触下端2。任务一 探究汽车ECU及其应用3开关信号的输入与处理在开关未按下时，与非门A因输入端1接地，其输出应为1，即P1.0电平为1。当按键按下时，开关下端2接地，与非门B因此输出必为1，此时与非门A因两个输入端都是1，其输出必为0，即引起P1.0电平翻转。在开关按下期间，即使开关有瞬间弹跳，下端2的电平不稳定，但只要按键不返回上端1点，就不会引起双稳态电路输出状态的多次翻转。常用的整形或消抖电路除了双稳态触发器外，还有单稳态触发器（如74LS121）。若键盘的按键比较多，常使用带有消抖功能的接口芯片（如8279）。任务一 探究汽车ECU及其

27、应用3开关信号的输入与处理（2）软件消抖方法如果开关或按键比较多，采用硬件消抖法就会使电路比较复杂，这时常用软件消抖的方法。当检测到有按键按下后，即执行一段延时子程序产生510 ms的延时，待抖动消失后，再检测一次按键状态，若仍保持闭合状态的电平，则可确认按键按下。同样，当检测到按键释放时，也要执行510 ms的延时子程序，待抖动消失后，再检测一次按键状态，以确认按键被释放。任务一 探究汽车ECU及其应用三、汽车ECU的单片机1单片机及单片机的应用我们现在使用的计算机都属于冯诺依曼结构，采用存储程序方式运行，一个完整的计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。在计算机

28、主板上有负责运算和控制功能的中央处理器（CPU），用于存储的存储器（Memory），以及连接外设的输入输出（I/O）接口。随着大规模集成电路的发展，CPU，Memory与I/O接口等主板上的主要部件集成到同一个芯片上，就构成了芯片级的计算机系统单片机（Single Chip Microcomputer，SCM）。任务一 探究汽车ECU及其应用1单片机及单片机的应用虽然单片机的功能没有普通CPU强大，但它的体积很小，常被嵌入各种现代设备中作为控制器件。因此，单片机还有一个常用的名字微控制器。单片机其实离我们的生活很近，它不仅在汽车工业中被大量应用，在家用电器的遥控器中就有其身影，微型计算机的很多

29、部件如鼠标、键盘、硬盘中也使用了不同种类的单片机，如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品1971年11月，Intel公司首先研制出集成度为2 000只晶体管片的4位微处理器Intel 4004，它的成功推出拉开了单片机时代的大幕。在过去的30多年里，单片机从最初的4位单片机已经发展成为32位，类型也已经发展成为上百种系列的近千个品种。单片机的发展时期大致可以分为以下几个阶段。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品19711976年为单片机的萌芽发展时期。功能相对简单的4位单片机主要用作计算器中的控制部件。19761979年为8位单片机的初始发展

30、阶段。Intel公司在1976年推出了MCS-48系列单片机，此时的单片机相对早期的4位机在性能上有很大提高，另外，也因其体积小、价格低的优点得到了广泛的应用，书写了单片机发展史上重要的一页。Motorola公司、Zilog公司和Rockwell公司在也先后推出了8位单片机产品。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品19791983年为8位单片机的完善发展阶段。在MCS-48基础之上，Intel公司在1980年推出了高性能8位单片机MCS-51系列。不仅单片机的存储容量和中断能力大大增强，并且开始配备串行通信接口。此时单片机发展到一个全新的阶段，应用领域变得更加广泛，MCS

31、-51系列单片机后来成为8位单片机的典范，之后会对其做详细讲解。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品19831990年为单片机向微控制器（MCU）发展的阶段。Intel在1983年推出的MCS-96系列16位单片机，将数模转换器（A/D）、程序运行监视器（PWM）、脉宽调制器（WDT）等用于测控系统的部件纳入其中，体现了微控制器特性。之后Intel公司逐渐淡出MCU的开发，Philips公司以其在嵌入应用方面的优势，在MCU发展方面走在前列。与此同时，各大公司的32位单片机也竞相问世，并且开始应用到一些高端领域。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品1

32、9831990年为单片机向微控制器（MCU）发展的阶段。Intel在1983年推出的MCS-96系列16位单片机，将数模转换器（A/D）、程序运行监视器（PWM）、脉宽调制器（WDT）等用于测控系统的部件纳入其中，体现了微控制器特性。之后Intel公司逐渐淡出MCU的开发，Philips公司以其在嵌入应用方面的优势，在MCU发展方面走在前列。与此同时，各大公司的32位单片机也竞相问世，并且开始应用到一些高端领域。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品1990年至今，单片机的发展趋向多元化，各大厂商在推出16位和32位高端单片机的同时，对8位单片机进行功能上的扩展，衍生出很多

33、新型的单片机，以满足各行业不同层次的需求。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品1）Intel公司Intel公司是单片机的领跑者，MCS-51系列单片机是该公司系列单片机的总称，8031，8051，8751，8032，8052和8752等都属于该系列，8051是其中的典型代表，其他单片机只是在其基础上进行了一些调整，所以人们习惯上以8051来称呼MCS-51系列单片机。另外，在Intel公司将MCS-51核心技术授权给多家公司后，与8051兼容的各具特色的单片机陆续出现。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品2）Motorola公司Motorola公司是

34、世界上最大的单片机厂商，在单片机生产上多采用内部倍频技术或锁相环技术，从而使得相同时钟频率下单片机内部总线速度大大提高。M6805，M68HC05，M68HC11，M68HC12是Motorola公司8位单片机的典型代表。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品倍频（over tune）是使获得频率为原频率整数倍的一种方法。利用非线性器件从原频率产生多次谐波，通过滤波器选出所需倍数的那次谐波。倍频技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数，并使外部设备可以工作在一个较低外频上。 锁相环技术（Phase-Locked Loop，PLL）是实现相位自动控制的负反馈系统，它使振

35、荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品3）ATMEL公司ATMEL公司的8位单片机有AT89，AT90两个系列，AT89系列与8051系列单片机相兼容，具有8 KB的闪速存储器（Flash Memory），采用静态时钟模式。AT90系列单片机采用增强精简指令集（RISC）结构，大多数指令仅需要1个晶振周期，运行速度快；因为最初两位研发人员的名字分别以A和V开头，所以此类单片机又被称为AVR单片机。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Comput

36、er，RISC）：RISC是和CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）相对的一种CPU架构，它把较长的指令分拆成若干条长度相同的单一指令，可使CPU的工作变得单纯、速度更快，设计和开发也更简单。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品4）Microchip公司Microchip公司推出的8位PIC系列单片机采用RISC结构，PIC16C5X属于其中的低端产品，价位低，适用于家电产品。PIC12C6XX是PIC系列的中级产品，产品性能相对较高，内部带有EEPROM数据存储器（电擦写数据存储器）、A/D转换器、PWM输出等。P

37、IC17CXX属于这一系列的高端产品，运算速度非常快，可以外接扩展存储RAM或者EPROM，并且具有丰富的I/O控制功能，适用于偏高档的设备。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品5）EMC公司台湾义隆电子（EMC公司）制造的大部分单片机产品与Microchip公司的PIC系列单片机兼容。其中，8位EM78系列单片机因采用数据总线和指令总线分离的设计结构，故以其优良的性能得到广泛应用。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品另外，还有很多企业在单片机生产和发展中扮演着重要的角色，如ARM（Advanced RISC Machines）公司是RISC处理器方

38、面的知名企业，美国德州仪器公司（TI）在生产数字信号处理器（DSP）方面拥有领先技术。任务一 探究汽车ECU及其应用2单片机的发展历史与常见产品如图所示为单片机发展过程中几种典型的单片机。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构在对Intel公司的介绍中，我们已经知道MCS-51系列单片机包含的系列芯片，如表所示为MCS-51系列单片机基本性能。系 列典型芯片片内RAM片内ROMI/O口定时/计数器中断源串行通信口518031128字节无48位216位518051128字节4 KB ROM48位216位518751128字节4 KB EPROM48位216位518951128字节4 K

39、B EEPROM48位216位51任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构ROM（Read-Only Memory）是只读存储器的英文缩写。只读数据是预先烧录的，并且一旦烧录就不能再修改。ROM数据不丢失，主要用于存储一些关键性程序，如用来启动计算机的程序。RAM（Random-Access Memory）是随机存储器的英文缩写。存储单元的内容可按需随意取出或存入，这种存储器在断电时将丢失其存储内容，因此，主要用于存储短时间内使用的程序和数据。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构EPROM（Erasable- Programmable ROM）是可擦除可编程存储器的英文缩写

40、。利用专用的紫外线擦除器，紫外线透过芯片上的孔照射芯片内部可以擦除其内的数据。要向EPROM内部写入数据必须使用专用的写入器。EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是电擦除可编程只读存储器的英文缩写。通过芯片的控制电压，可以擦除芯片的数据，或者向芯片中写入数据，而不必将芯片从系统中取出。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构1）单片机的基本组成8051的主要硬件资源包括以下几个部分，内部功能模块构成如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（1）8位中央处理单元CPU。（2）4 KB的程序

41、存储器ROM。（3）128 B的数据存储器RAM。（4）21个特殊功能寄存器SFR。（5）4个8位并行I/O口P0P3。（6）2个16位可编程定时/计数器T0，T1。（7）5个中断源，具体包括2个外部中断源INT0和INT1，3个内部中断源。（8）1个全双工的异步串行接口。（9）一个片内振荡器和时钟电路。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构2）中央处理器CPU中央处理器CPU是单片机的核心组成部分，从功能上可以分为控制器和运算器两个部分。控制器产生各种控制信号以协调各部件之间的数据传送、运算等操作；运算器主要执行算术运算、逻辑运算和位操作等。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的

42、内部结构（1）控制器控制器主要包括16位程序计数器PC（Program Counter）、数据指针DPTR（Data Pointer）、堆栈指针SP（Stack Pointer）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器和控制逻辑电路等。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（2）运算器运算器主要包括算术逻辑单元ALU（Arithmetical Logic Unit）、累加器A（Accumulator）、通用寄存器B（General Purpose Register）、程序状态字PSW（Program Status Word）暂存器、十进制调整电路和布尔

43、处理器等。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构3）存储器单片机的存储器有程序存储器ROM和数据存储器RAM之分。ROM用来存放指令的机器码、表格和常数等；RAM则用来存放运算的中间结果、采集的数据和经常需要更换的代码等。MCS-51单片机的ROM，RAM都有片内和片外之分；从寻址空间来看，有程序存储器、内部数据存储器、外部数据存储器三大部分；从功能上来看，有程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器（SFR）、位地址空间和外部数据存储器等五个部分。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构MCS-51单片机的存储器结构如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构

44、4）并行I/O接口I/O接口是单片机实现信息交换和对外控制的重要通道。I/O接口分为串行口和并行口，串行口一次只能传送一个二进制位信息，并行口一次可以传送一个字节信息。在MCS-51单片机中，有一个可编程、全双工的串行接口，这部分知识将在后面的任务中进行详细讲述。MCS-51单片机的4组并行接口，即P0，P1，P2和P3。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（1）P0接口P0.0P0.7（3932引脚）P0接口的位结构如图3-1-22所示，由一个输出锁存器（D型触发器），两个三态门缓冲器（U1和U2），与门、非门和多路开关MUX组成的输出控制电路，一对场效应晶体管（T1和T2）组成

45、。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构多路开关MUX：当多路开关和锁存器接通时，P0口被作为普通的I/O口使用；当多路开关和非门接通时，P0口被作为“地址/数据”总线使用。场效应晶体管T1和T2：T1和T2组成推拉式结构，一次只能导通一个。当T1导通时，T2截止；当T2导通时，T1截止。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构P0接口具有两种功能：第一，P0接口可以作为通用I/O接口使用，P0.0P0.7传送CPU的输入/输出数据；第二，在访问外部存储器时，P0接口可以分时复用地址线和双向数据总线（AD0AD7）。当P0口作为I/O接口使用时，多路开关的控制信号为0（低电平

46、），T1管截止，多路开关与锁存器的Q端相接。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构当P0口作为地址/数据复用口使用时，多路开关控制信号为1（高电平），与门输出信号由“地址/数据”线信号决定，多路开关与反相器的输出端相连，地址信号非门（数据反相）T2管（数据反相）P0.X。P0口输出低8位地址信息后，将变为数据总线，此时控制信号为0，T1管截止，多路开关转向锁存器反相输出端Q；CPU自动将0FFH写入P0口锁存器（即向D锁存器写入一个高电平），使V2管截止，在读引脚信号控制下，P0.X上数据通过读引脚三态门送到内部总线。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（2）P1接口P1

47、.0P1.7（18引脚）P1接口的结构简单，位结构如图3-1-23所示，与P0接口的主要差别在于，P1接口没有非门和多路开关MUX，并用内部上拉电阻R代替了P0接口的场效应管T1。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构P1接口仅作为数据输入/输出接口使用，输出数据时，内部总线输出的数据经锁存器和场效应晶体管后，锁存在接口线上；输入有读引脚和读锁存器之分，工作过程参照P0接口，这里不再赘述。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（3）P2接口P2.0P2.7（2128引脚）P2接口位结构如图所示，既有上拉电阻，又有多路开关MUX，所以P2接口在功能上兼有P0接口和P1接口的特

48、点。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构P2接口具有两种功能：第一，P2接口可以作为通用I/O接口使用，P2.0P2.7传送CPU的输入/输出数据；第二，在访问外部存储器时，P2接口输出地址总线的高八位（AD8AD15），与P0口的低地址一起构成16位地址总线。当P2口作为I/O接口使用时，多路开关的控制信号为0（低电平），多路开关与锁存器的Q端相接，数据输出与输入工作过程与P0接口作为通用I/O口时相似，这里不再赘述。当P2口作为地址总线时，多路开关的控制信号为1（高电平），多路开关与地址线接通，地址信号非门（数据反相）场效应管（数据反相）P2.X。任务一 探究汽车ECU及其应用

49、3单片机的内部结构（4）P3接口P3.0P3.7（1017引脚）P3口除了具有一般I/O口的功能外，还具有第二功能，其结构如图3-1-25所示。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构当P3口作为通用I/O口时，第二功能输出信号为1（高电平），此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，工作过程与P1接口作用相同。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构P3口第二功能如表所示。口 线第二功能名称功能描述P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2INT0外部中断0输入端P3.3INT1外部中断1输入端P3.4T0定时/计数器0外部输入端P3.5T1定时/计数

50、器1外部输入端P3.6WR片外数据存储器写选通P3.7RD片外数据存储器读选通任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构当P3口的某一位作为第二功能输出时，锁存器和该位的“第二功能输出”端自动置1，场效应管截止，该位引脚上的信号经缓冲器U3送入“第二功能输入”端。当P3口的某一位作为第二功能输入时，CPU将该位锁存器置1，此时，与非门只受“第二功能输出”端控制，输出信号经与非门和场效应管两次反相后，输出到该位的引脚上。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构根据实际的应用场合中的需要，一般把几条接口线设置为第二功能，而另外几条接口线处于第一功能运行状态。因此，在这种情况下，不宜对

51、P3接口做字节操作，需采用位操作的形式。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构5）时钟电路单片机的工作过程是执行各种不同指令的过程，而指令的执行最终会转化为一系列的微控制信号来完成各种需求。单片机系统的运行需要各种微控制信号的动作有一个严格的先后顺序，即单片机的时序。时钟电路产生的时钟信号是时序的时间基准，机器周期和指令周期是描述时序的单位。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（1）时钟周期时钟周期又称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，是单片机中最基本、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。例如，晶振为12 MHz的单片机，它的时钟周期就是1/1

52、2 s。时钟脉冲控制着单片机的工作节奏，对同一种机型的单片机，时钟频率越高，单片机的工作速度就越快。但是，由于单片机硬件电路和器件的限制，时钟频率是有一定的限制。8051单片机的时钟范围是1.212 MHz。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构在8051单片机中把1个时钟周期定义为1个节拍（用P表示），2个节拍定义为1个状态周期（用S表示）。任务一 探究汽车ECU及其应用3单片机的内部结构（2）机器周期一条指令的执行过程可以分为若干个阶段，如取指令、读存储器、写存储器等。完成某一个操作的时间称为一个机器周期。通常情况下，一个机器周期由12个时钟周期组成。任务一 探究汽车ECU及其应

53、用3单片机的内部结构（3）指令周期执行一条指令所需要的时间称为指令周期，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同，一般由14个机器周期组成。在MCS-51指令系统中，一些简单的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其他的机器周期；一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构8051采用40引脚DIP封装形式（双列直插式封装），引脚如图所示。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构1）电源与时钟引脚VCC（40脚）：电源端，接+5 V直流电源。VSS（2

54、0脚）：接地端。XTAL1（19脚）/XTAL2（18脚）：内部振荡器的输入端，接外部晶振；如果采用外部时钟，XTAL2引脚连外部时钟，XTAL1引脚要悬空。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构2）控制引脚ALE/PROG（Address Latch Enable/Programming，30脚）：地址锁存允许信号。当访问片外存储器时，ALE作为锁存低8位的控制信号。当不访问外存储器时，ALE引脚周期性地以1/6振荡器频率向外输出正脉冲，可用于对外输出时钟或定时。对片内ROM编程时（如8751），此引脚作为编程脉冲输入端PROG。ALE负载驱动能力为8个LSTTL器件任务一 探究汽

55、车ECU及其应用4单片机的外部结构LSTTL器件（Low-power Schottky Transistor-Transistor Logic）：低功耗晶体管逻辑电路。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构PSEN（Program Store Enable，29脚）：外部程序存储允许输出端，片外程序存储器读选通信号，低电平有效。CPU访问外部程序存储器期间，PSEN端在每个机器周期中两次有效。负载驱动能力为8个LSTTL器件。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构EA/VPP（Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31脚）：

56、外部程序存储器地址允许输入端。当EA为高电平时，CPU执行片内存储器指令，当程序计数器PC（Program Counter）的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外存储器指令。对于片内RAM编程时，VPP作为编程电压的输入端任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构 RST/VPD（9脚）：复位信号输入端。晶振工作时，在此引脚上保持两个机器周期的高电平将使单片机复位。第二功能为备用电源的输入端，当主电源VCC掉电，VPD将为片内RAM供电，以确保RAM中的信息不丢失。任务一 探究汽车ECU及其应用4单片机的外部结构3）I/O引脚I/O引脚

57、的功能特性前文已进行讲述，在此不再赘述。任务一 探究汽车ECU及其应用5单片机的发展趋势1）CPU的发展CPU主要是通过加大字长和提高时钟频率来增强其数据处理能力和处理速度。现在市面上已经出现了字长为64位，时钟频率高达2.8 GHz的单片机。任务一 探究汽车ECU及其应用5单片机的发展趋势2）片内存储器的发展片内存储器主要是朝扩大存储容量和应用新型存储芯片的方向发展。早期单片机的片内存储器，一般RAM为64128 B，ROM为12 KB，寻址范围为4 KB。新型单片机片内RAM可达512 KB，ROM多达8 MB，寻址范围可扩大到64 KB甚至128 KB。任务一 探究汽车ECU及其应用5单

58、片机的发展趋势片内EPROM开始由Flash ROM或EEPROM代替。早期单片机内ROM有的采用可擦除的只读存储器EPROM，然而EPROM对电压的要求较高，使用十分不方便。近年来推出的闪速存储器Flash ROM和电擦除可编程只读存储器EEPROM可在正常工作电压下进行读写，并能在断电的情况下保持信息不丢失。任务一 探究汽车ECU及其应用5单片机的发展趋势3）片内I/O接口的发展近年来，新型单片机内的接口无论类型还是数量上都有很大的发展，这不仅大大提高了单片机的功能，而且使系统的总体结构也极大地简化了。例如，有些单片机的并行I/O接口能直接输出大电流和高电压，可直接用于驱动荧光显示管（VF

59、D）、液晶显示器（LCD）和数码显示管（LED）等，应用系统中就不再需要外部驱动电路；有些单片机片内含有A/D转换器，在一些实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。任务一 探究汽车ECU及其应用5单片机的发展趋势目前，在单片机中包含的各种接口有数十种，如D/A转换器、A/D转换器、CRT控制器、LCD驱动器、LED驱动器、VFD驱动器、DMA控制器、锁相环、频率合成器、声音发生器、波特率发生器、正弦波发生器、字符发生器、脉宽调制器等。虽然一个单片机内只含其中的若干种接口，但其功能却比初期的单片机强得多。任务一 探究汽车ECU及其应用5单片机的发展趋势4）特种单片机的发展随着科技的进步和市场竞争激

60、烈，很多公司纷纷研发了具有特殊功能的单片机。例如TI公司推出了超低功耗单片机、无线单片机、具有触摸功能的单片机等，为其单片机平台提供创新器件的同时，还带来包括软件、工具和支持等的全面生态系统。目前国际市场上8位、16位单片机系列很多，但在国内使用较多的系列仍是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛，而且还在进一步发展。任务一 探究汽车ECU及其应用四、汽车ECU的输出接口在汽车电子控制系统中，单片机要根据输入的信息状态，经过分析处理后输出各种控制信号，最终控制相应执行器件的操作。例如，控制点火、喷油、怠速通道、自动换挡、ABS以及电子悬架等。这些控制对象中既有开关量元