汽车电子控制核心-ECU课件教学

1、汽车电子控制核心-ECU1、ECU的基本结构与功能2、汽车电子系统设计3、 ECU的检测与评估1.ECU的基本结构与功能模拟信号输入处理电 源 A/D 数字信号电源电路微处理器输出处理电磁阀电 机指示灯输入ECU输出ECU基本组成1.ECU的基本结构与功能电源电路输出处理电路微控制器输入处理电路车速传感器发动机转速传感器输入轴转速传感器加速器踏板传感器离合器位置传感器水温传感器档位选择器杆节气门开关加速器踏板开关空调开关制动开关巡航开关照明开关脉冲输入电路模拟输入电路接盘输入电路中央处理机CPU随机存储器 RAM多路转换器存储器ROM步进电机驱动电路电磁阀驱动电路指示器驱动电路起动器禁止器节气

2、门离合器变速器HSA指示器起动器继电器电源1.ECU的基本结构与功能汽车电子控制系统：硬件有电子控制单元(ECUElectronic Control Unit)及其接口、执行机构、传感器等；软件存储在ECU中，支配电控系统完成数据采集、计算处理、输出控制、系统监控与自诊断等。大部分ECU的电路结构大同小异，控制功能的变化则依赖于软件及输入输出模块的变化，随控制系统所完成任务的不同而不同。1.1 输入处理电路ECU的输入信号主要有三种形式，模拟信号、数字信号(包括开关信号)、脉冲信号。模拟信号通过A/D转换为数字信号提供给微处理器。控制系统要求模数信号转换具有较高的分辨率和精度(10位)。为了保

3、证测控系统的实时性，采样间隔一般要求小于4ms。数字信号需要通过电平转换，得到计算机接受的信号。对超过电源电压、电压在正负之间变化、带有较高的振荡或噪声、带有波动电压等输入信号，输入电路也对其进行转换处理。ON输入处理电路5V0VONOFF5V0V5V0Vt5V0V+12V0VOFF0V+_t5V0V-46V0V输入电压突变正负交替电压噪声信号电涌电压输入信号的处理电涌：微秒量级的异常大的电流脉冲 CPU ClockROM(程序)RAM(数据)特殊功能 I/OTimer/CounterA/DPWMInterruptSIO地址总线控制总线数据总线输入端口输出端口I/O端口单片机典型结构框图都是计

4、数器，只不过在定时时是对微机内部时钟脉冲进行计数，作计数器时是对微机外部输入的脉冲进行计数。1.2 微控制器Analog-Digital模数转换单元Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。调整脉冲信号的占空比，从而控制充电电流。Serial Interface I/O串行输入输出。通信使用3根线完成：地线、发送、接收。通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。中断，具有对外部异步事件的处理能力。微控制器首先完成传感器信号的A/D转换、周期脉冲信号测量和其它有关汽车行驶状态信号的输入处理，然后计算并控制所需的输出值，按要求适时地向执行机构发送控制信号。

5、过去微处理器多数是8位和l 6位的，也有少数采用32位的。现在多用16位和32位机。1.2 微控制器1.2 微控制器1.3 输出处理电路 微控制器输出的信号往往用作控制电磁阀、指示灯、步进电机等。微控制器输出信号功率小，使用+5v的电压，汽车上执行机构的电源大多数是蓄电池，需要将微处理器的控制信号通过输出处理电路处理后再驱动执行机构。微处理器5VONOFF0V0V14VONOFF喷射信号喷射器电压波形喷射器功率放大输出功率驱动信号喷射器电弧抑制电路+B燃油喷射驱动电路1.3 输出处理电路 ECU一般带有电池和内置电源电路，以保证微处理器及其接口电路工作在+5v的电压下。即使在发动机启动工况等使

6、汽车蓄电池电压有较大波动时，也能提供+5v的稳定电压，从而保证系统的正常工作。1.4 电源电路2.1 汽车电子总体设计流程整体性原则：考虑机械设计和电子设计、液压、气动设计的特点，先进性与可靠性结合。协调性原则：使汽车各子系统满足整车控制水平，并对各自不同的系统进行优化设计的约束。适应性原则：对汽车行驶的各种条件和工况能有好的适应能力，承受各种干扰；能主动适应条件的变化。可靠性原则：能抵御污染物侵蚀破坏；能耐受负荷突变或过载；能抵御电磁和环境干扰。低成本原则：良好的性价比。 明确设计要求 建立系统需求模型 建立系统结构模型和控制模型 系统结构设计 软件设计 系统调试 反馈设计信息,修改模型 系

7、统测试2.1 汽车电子总体设计流程包括所要具有的功能和配置，传感器和执行机构等输入输出环节，控制结构和系统控制电路的操作步骤。 明确设计要求 建立系统需求模型 建立系统结构模型和控制模型 系统结构设计 软件设计 系统调试 反馈设计信息,修改模型 系统测试2.1 汽车电子总体设计流程在进行系统设计时，首先根据需要完成系统结构的综合描述，建立详细的系统需求模型。 明确设计要求 建立系统需求模型 建立系统结构模型和控制模型 系统结构设计 软件设计 系统调试 反馈设计信息,修改模型 系统测试2.1 汽车电子总体设计流程软、硬件设计平行、交叉进行。有的功能既可由硬件实现，也可由软件完成。因此，需要分析比

8、较两者之间的得失，才能最后确定。 明确设计要求 建立系统需求模型 建立系统结构模型和控制模型 系统结构设计 软件设计 系统调试 反馈设计信息,修改模型 系统测试2.1 汽车电子总体设计流程进行系统硬件的总体设计，确定输入输出处理方法，估计所需ROM和RAM的容量等;同时还要考虑到开发时间、费用、ECU的结构形式和尺寸等情况。 明确设计要求 建立系统需求模型 建立系统结构模型和控制模型 系统结构设计 软件设计 系统调试 反馈设计信息,修改模型 系统测试2.1 汽车电子总体设计流程尽可能采用集成器件代替分离元件，以及使用软件功能代替硬件功能，这样可以使系统的可靠性增加，成本降低和灵活性增强。汽车E

9、CU中微处理器经常要进行大量的I/O操作，而要实现高精度和实时控制，能够同时进行多种独立的控制操作。为此，微处理器必须具有高速计算、高速实时输入和输出、高速A/D和D/A转换、多中断响应等持性。综合考虑成本等因素，不应片面地追求微处理器的高速和高位数。2.2 微处理器的选择I/O 接口数量多；处理高速度，能力强；具有A/D、D/A功能；有处理“死机”的能力；有强大的中断处理能力。按功能分类通用单片机DSPARM按位处理能力分类 4位机 8位机 16位机 32位机 64位机2.2 微处理器的选择ECU本身没有开发编程能力，通过开发工具将应用系统与开发系统联系起来，充分发挥开发系统的功能，对其进行

10、仿真；应用时，把开发成功的控制程序固化在程序存储器中。开始控制流程开始编写源程序编译检查仿真调试实际系统调试检查检查固化封装结束NONONO开始控制流程开始编写源程序编译检查仿真调试实际系统调试检查检查固化封装结束ECU控制程序开发流程NONONO2.3 控制程序的设计开发用流程图给出开发步骤，并检查确认与系统总体设计不存在相抵触的地方。按流程图编写源代码，编译成目标程序。编程后进行仿真模拟，以检验能否正确运行。开始控制流程开始编写源程序编译检查仿真调试实际系统调试检查检查固化封装结束NONONO开始控制流程开始编写源程序编译检查仿真调试实际系统调试检查检查固化封装结束ECU控制程序开发流程N

11、ONONO2.3 控制程序的设计开发开始控制流程开始编写源程序编译检查仿真调试实际系统调试检查检查固化封装结束ECU控制程序开发流程NONONO在实际的电路系统中进行硬件和软件的综合调试。系统调试好以后，就把开发好的程序固化在程序存储器中。2.3 控制程序的设计开发 程序组成模块计算控制检测与诊断管理监控编程所用语言汇编语言 ASM 高级语言控制用高级语言 C语言、VB、VC多任务操作系统 2.4 ECU的控制程序控制器D/A转换器执行机构被控对象反馈微型计算机给定值被控参数控制模式：开环控制及闭环控制2.4 ECU的控制程序最优控制自适应控制滑模控制模糊控制神经网络控制预测控制控制理论：PI

12、D控制P-比例 I-积分 D-微分PID控制理论是经典的控制理论，技术成熟，应用广泛，是实现连续控制最简单的算法。PID控制方法在汽车动力传动控制中得到应用。2.4 ECU的控制程序自适应控制滑模控制模糊控制神经网络控制预测控制控制理论：2.4 ECU的控制程序最优控制PID控制最优控制法是求解在约束条件下的极值问题。使得评价控制系统性能的二次型目标函数为最小。最优控制法在汽车悬架控制中得到应用。控制理论：2.4 ECU的控制程序PID控制最优控制滑模控制模糊控制神经网络控制预测控制自适应控制随被控对象模型的变化自动变化。自动测量和分析输入信号及受控对象特性，计算系统的变化情况。计算出相应的控

13、制或调整策略。优化模型参数，是模型逐步完善。在汽车主动悬架上的到应用。控制理论：2.4 ECU的控制程序PID控制最优控制自适应控制模糊控制神经网络控制预测控制滑模控制是一种非线性控制系统的控制方法它根据系统的即时状态、偏差及其导数，在不同的控制区域，以理想开关的方式，切换控制量的大小和方向，使系统状态在切换线附近区域来回运动（变更运动方向），即沿切换线上滑动。在汽车防抱死制动系统(ABS)上应用控制理论：2.4 ECU的控制程序PID控制最优控制自适应控制滑模控制神经网络控制预测控制模糊控制模糊控制是对变工况非线性控制模式。模糊控制不依赖于系统的精确数学模型，而对系统参数变化不敏感，具有很强

14、的鲁棒性。它的控制算法是基于模糊数学若干条控制规则，算法非常简洁。在汽车自动离合器上应用。控制理论：2.4 ECU的控制程序PID控制最优控制自适应控制滑模控制模糊控制预测控制神经网络控制神经网络是仿真人的神经网络，实现人工智能的一种途径。它具有记忆经验和识别环境的能力，并能按一定的规律改变自己的结构或工作程序。即具有比较强的自学习能力。它的学习过程是由前向计算过程、误差计算和误差反向过程组成。在汽车四轮转向控制中应用。控制理论：2.4 ECU的控制程序PID控制最优控制自适应控制滑模控制模糊控制神经网络控制预测控制基于模型的控制算法，预测模型是在对象运行过程中直接获得，只强调功能而不强调其结

15、构形式，所以模型的形式可以多种类型。预测模型可以像系统仿真时一样，任意的制定控制策略，通过不断观察对象在不同控制策略下输出的变化进行自动优化。在汽车发动机怠速控制中应用。2.5 ECU硬件抗干扰设计输入系统受干扰，使模拟信号失真，数字信号出错。输出系统受干扰，使各输出信号混乱，不能正常反应ECU的真实输出。微处理器受干扰，使三总线上数字信号错乱，程序失控、死机抗干扰设计中，综合采用硬件和软件措施。硬件将绝大多数干扰拒之门外，但不可避免有少数干扰窜入ECU中，故软件抗干扰措施也是必不可少的。数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 干扰作用于模拟信号，使A/D转换结

16、果偏离真实值。经过多次采样后得到一个A/D转换的数据系列，经过数据分析处理后得到可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波。采用数字滤波处理方法具有硬件的功效，且算法灵活，但需要占用一定的CPU机时。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 又叫WatchDog Timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到CPU的RST端。CPU正常工作时,每隔一段时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零，如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时)，WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到

17、CPU，使CPU复位。作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 英文为TRAP，捕捉故障现象，进行特定的处理。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 软件抗干扰以CPU的开销为代价，如果没有硬件抗干扰措施消除绝大多数干扰。CPU将为处理干扰影响到实时性。选用优良的器件，对系统可靠性有很大的意义。继电器、接触器等感性负载生产的反电势可用并联二极管，或外接如RC电路的办法加以抑制。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件

18、优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 采用集成或分离器件的电阻/电感和电容构成的网络，把叠加在有用信号上的噪声(干扰信号)分离出来。抗干扰措施中用得最多是低通滤波器注意电容、电感元件的寄生特性，以避免滤波特性偏离预期值。滤波器对感性负载瞬变噪声干扰有很好的效果，电源输入端接入滤波器后能降低来自供电系统的干扰。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 用屏蔽物体，吸收或反射外来的干扰(主要是电磁干扰)，防止其侵入。导体适用于电屏蔽；电磁材料适用于电磁屏蔽。屏蔽体的类型有金属隔板式、金属壳盒式等实心型屏蔽，也有金属网式非实心屏蔽等。2.

19、5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 合理的布线是抗干扰的一项重要措施。导线的种类、线径的粗细、走线的方式、线间的距离、导线的长短、捆扎或纹合、布线的对称性等都对线路中的电感、电阻和噪声耦合有直接影响。2.5 ECU硬件抗干扰设计数字滤波 看门狗；故障陷阱器件优良；滤波电路；屏蔽；布线；良好接地等。 接地是系统结构设计、电路设计、器件组装及现场安装等过程中的一个重要环节，是实时系统中抑制干扰的重要和有效方法，正确接地与屏蔽相结合可以解决大部分干扰问题。汽车电子系统中大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地和模拟地等。2.5 ECU硬件抗干

20、扰设计接地技术：在低频电路中，信号的工作频率小于1MHs时，它的布线和元器件之间的电感很小，而接地电路形成的环流对干扰影响很大，因而屏蔽线采用一点接地；当信号的工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应用就近多点接地方法。1）单点接地与多点接地的选择接地技术电路板上既有高速逻辑电路又有线性电路，应使它们尽可能分开，两者的地线也不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。2）数字、模拟电路地线分开接地技术：接地用线细，接地电位则随电流的变化而变化，使微处理器的定时信号电平不平稳，抗干扰性能变坏。应将地线加粗，使它能通过三倍干印刷电路板上的允许电流。3

21、）接地线应尽量加粗接地技术：对于只有数字电路组成的印刷电路板，将其外围用地线做成闭环回路、大都可以明显地提高抗干扰能力。4）接地电路形成闭环回路实验室检测：ISOSAE工作环境检测：实验场检测恶劣条件检测3. ECU的检测发动机周围的温度变化，最高可超过100C。ECU放置在潮湿空气中时，水分被空调冷却后会很快凝结在ECU上。汽车的某些部分，振动加速度可能高达20g。发动机启动时，电压变化非常大，可能会由12V降至8V；汽油发动机用火花塞点火，点火线圈产生的电压可能会超过20kV，从而在电气导线束和电子设备中产生电感干扰。电机、线圈、继电器、电磁阀等设备，在工作或开关时产生的电磁或静电感应，通

22、常也会在临近的ECU或电气导线周围产生电磁干扰。3. ECU的检测单片机主要组成 中央处理器 CPU 存储器 （数据存储器RAM 程序存储ROM ） 输入 /输出接口 定时器 / 计数器单片机体系结构 单片机的体系结构有两种，一是传统的冯诺依曼（John Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。 1冯诺依曼结构 2哈佛结构 数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。哈佛结构的数据总线和指令传输总线完全分开。其与常见的冯诺依曼结构不同点是：A .程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位

23、。B.由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 周期0周期1周期2周期3周期4取指0执行0取指1执行1取指2执行2取指3执行3指令流水线结构示意图 1. CPU 中央处理器CPU是单片机的核心，是单片机的大脑和心脏。它由运算器和控制器等部件组成。作用：主要完成运算和控制功能。 MCS-51 CPU是字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是以字节为单位进行的。（1） 运算器 运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW以及十进制调整电路和

24、布尔处理器等许多部件组成的。1）算术逻辑单元（ ALUArithmetic Logic Unit） 可以对4位（半字节）8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。作用：完成算术四则运算和逻辑运算、位操作及循环移位等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器（PSW）。2）累加器ACC，在指令中用助记符A来表示 A是一个8位寄存器，是CPU中工作最繁忙的寄存器。作用：在算数逻辑运算中，用来存放一个操作数或运算结果（包括中间结果）。在与外部存储器和I/O接口打交道时，完成数据传送。3）寄存器 B作用：可作通用寄存器。在乘、除运算中使用。作乘法运算时，寄存器B用来存放乘数以及积的高位字节；作除法

25、运算时，寄存器B用来存放除数以及余数；不作乘、除运算时，寄存器B可作通用寄存器使用。4）程序状态字寄存器PSW（程序状态标志寄存器）8位寄存器。作用：存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便下一条指令的执行提供依据。程序状态字PSW各位标志的含义CYACF0RS1RS0OV-P PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 CY (PSW.7) 进位标志位 AC（PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志F0（PSW.5） 用户标志位 RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2） 溢出标志位 PSW.1 未定义位 P（PSW.0） 奇偶标志位 CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。*在字节运算时： 它表示运算结果是否有进位（或借位）。 加法时：有进位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1； 无进位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。 减法时：有借位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1； 无借位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。*在位操作（布尔操作）时： CY作为累加器使用，其作用相当于字节操作的累加器ACC。CyAC（PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志。 当执行加减