3章汽车嵌入式系统基础

2022/10/191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2020-02-10现代汽车车电子技技术2第3章汽汽车嵌嵌入式系系统基础础汽车电子子控制系系统可概概括为传传感器、、控制器器、执行行器和通通信诊断断四个主主要部分分。传感器：：控制系系统首先先需要感感知外部部信号，，作为系系统控制制的依据据。这些些传感器器包括温温度、压压力、转转速等几几十种传传感器；；控制器：：核心器器件是微微控制器器，可以以完成采采集、控控制和通通信等功功能；执行器：：真正实实现控制制操作的的部件称称为执行行器，将将控制器器输出的的电信号号转换为为驱动功功率装置置的实际际动作;通信诊断断：包括括在电控控单元中中通信接接口电路路、汽车车的CAN、LIN等网络通通信协议议以及外外部通信信诊断装装置。汽车电子子控制系系统现代汽车车电子技技术2020-02-1032020-02-10现代汽车车电子技技术43.1嵌入式处处理器对信号进进行分析析、运算算和处理理，然后后输出控控制信号号经输出出信号接接口电路路到执行行器。按按功能可可分为以以下4种：1.微处理器器；2.微控制器器；3.嵌入式数数字信号号处理器器（DSP）4.片上系统统和可重重构硬件件a.片上系统统（SystemonChip）b.可重配置置硬件的的基本原原理2020-02-10现代汽车车电子技技术5嵌入式处处理器的的总线结结构：冯·诺依曼结结构；哈佛结构构；嵌入式处处理器的的选择：：1.低成本2.低功耗3.适当的处处理能力力4.合适的操操作系统统支持5.与原有产产品的兼兼容6.符合行业业应用的的编程语语言7.上市时间间2020-02-10现代汽车车电子技技术6单片机选选型基础础：1.中央处理理器CPU:对于发动动机等实实时控制制系统，，选择合合适的主主频速度度至关重重要，还还取决于于采样周周期，控控制速度度等诸多多因素。。2.存储器:分易失性性存储器器与非易易失性存存储器。。RAM:易失性存存储器ROM::只读存储储器PROM:程序一旦旦写入，，无法修修改。EPROM:擦写速度度较慢，，芯片的的石英窗窗口，防防止程序序丢失。。EEPROM::电可擦可可编程只只读存储储器一种种掉电后后数据不不丢失的的存储芯芯片。EEPROM可以在电电脑上或或专用设设备上擦擦除已有有信息，，重新编编程。一一般用在在即插即即用。Flash：快速擦擦写/写入的非非易失性性存储器器。2020-02-10现代汽车车电子技技术73.定时器定时计数数器：脉冲测量量功能：：输入扑扑捉，高高速输入入脉冲产生生功能：：定时输输出，高高速输出出脉冲累计计功能：：用于统统计外部部事件出出现的次次数4.A/D功能：选选择的主主要参数数、因素素：通道数目目：转换精度度：转换速度度：参考电压压：3.2传感器一、传感感器特性性传感器是是指能感感受规定定的物理理量，并并按一定定规律转转换成可可用输入入信号的的器件或或装置。。简单地地说，传传感器是是把非电电量转换换成电量量的装置置。传感器通通常由敏敏感元件件、转换换元件和和测量电电路三部部分组成成。1)、敏感元元件是指指能直接接感受（（或响应应）被测测量的部部分，即即将被测测量通过过传感器器的敏感感元件转转换成与与被测量量有确定定关系的的非电量量或其它它量。2）、转换换元件则则将上述述非电量量转换成成电参量量。3）、测量量电路的的作用是是将转换换元件输输入的电电参量经经过处理理转换成成电压、、电流或或频率等等可测电电量，以以便进行行显示、、记录、、控制和和处理的的部分。。2020-02-108现代汽车车电子技技术传感器的的静态特特性参数数指标1．灵敏度度灵敏度是是指稳态态时传感感器输出出量ｙ和和输入量量ｘ之比比，或输输出量ｙｙ的增量量和输入入量ｘ的的增量之之比，用用ｋ表示示为ｋ＝dY/dX2．分辨率率传感器在在规定的的测量范范围内能能够检测测出的被被测量的的最小变变化量称称为分辨辨率。3．测量范范围和量量程在允许误误差限内内，被测测量值的的下限到到上限之之间的范范围称为为测量范范围。4．线性度度（非线线性误差差）在规定条条件下，，传感器器校准曲曲线与拟拟合直线线间的最最大偏差差与满量量程输出出值的百百分比称称为线性性度或非非线性误误差。2020-02-109现代汽车车电子技技术5．迟滞迟滞是指指在相同同的工作作条件下下，传感感器的正正行程特特性与反反行程特特性的不不一致程程度。6．重复性性重复性是是指在同同一工作作条件下下，输入入量按同同一方向向在全测测量范围围内连续续变化多多次所得得特性曲曲线的不不一致性性。7．零漂和和温漂传感器在在无输入入或输入入为另一一值时，，每隔一一定时间间，其输输入值偏偏离原示示值的最最大偏差差与满量量程的百百分比为为零漂。。而温度度每升高高1℃，传感器器输出值值的最大大偏差与与满量程程的百分分比，称称为温漂漂。

2020-02-1010现代汽车车电子技技术二、发动动机常用用传感器器工作机机理1．磁电效效应根据法拉拉第电磁磁感应定定律，N匝线圈在在磁场中中运动，，切割磁磁力线（（或线圈圈所在磁磁场的磁磁通变化化）时，，线圈中中所产生生的感应应电动势势的大小小取决于于穿过线线圈的磁磁通的变变化率，，2020-02-1011现代汽车车电子技技术直线移动动式磁电电传感器器直线移动动式磁电电传感器器由永久久磁铁、、线圈和和传感器器壳体等等组成当当壳体随随被测振振动体一一起振动动且在振振动频率率远大于于传感器器的固有有频率时时，由于于弹簧较较软，运运动件质质量相对对较大，，运动件件来不及及随振动动体一起起振动（（静止不不动）。。此时，，磁铁与与线圈之之间的相相对运动动速度接接近振动动体的振振动速度度。2020-02-1012现代汽车车电子技技术转动式磁磁电传感感器软铁、线线圈和永永久磁铁铁固定不不动。由由导磁材材料制成成的测量量齿轮安安装在被被测旋转转体上，，每转过过一个齿齿，测量量齿轮与与软铁之之间构成成的磁路路磁阻变变化一次次，磁通通也变化化一次。。线圈中中感应电电动势的的变化频频率（脉脉冲数））等于测测量齿轮轮上的齿齿数和转转速的乘乘积。2020-02-1013现代汽车车电子技技术二、霍耳耳式传感感器1．霍耳效效应半导体或或金属薄薄片置于于磁场中中，当有有电流（（与磁场场垂直的的薄片平平面方向向）流过过时，在在垂直于于磁场和和电流的的方向上上产生电电动势，，这种现现象称为为霍耳效效应。2020-02-1014现代汽车车电子技技术2020-02-1015现代汽车车电子技技术2．霍耳元元件目前常用用的霍耳耳材料锗锗（Ge）、硅（（Si）、锑化化铟（InSb）、砷化化铟（InAs）等。。N型锗容易易加工制制造，霍霍耳系数数、温度度性能、、线性度度较好；；P型硅的线线性度最最好，霍霍耳系数数、温度度性能同同N型锗，但但电子迁迁移率较较低，带带负载能能力较差差，通常常不作单单个霍耳耳元件。。2020-02-1016现代汽车车电子技技术三、压电电式传感感器1．压电效效应对某些电电介质沿沿着一定定方向加加力而使使其变形形时，在在一定表表面上产产生电荷荷，当外外力撤除除后，又又恢复到到不带电电状态，，这种现现象称为为正压电电效应。。在电介介质的极极化方向向施加电电场，电电介质会会在一定定方向上上产生机机械变形形或机械械压力，，当外电电场去除除后，变变形或应应力随之之消失，，此现象象称为逆逆压电效效应。

2020-02-1017现代汽车车电子技技术2．压电元元件压电式传传感器是是物性型型的、发发电式传传感器。。常用的的压电材材料有石石英晶体体（SiO2）和人工工合成的的压电陶陶瓷。压电陶瓷瓷的压电电常数是是石英晶晶体的几几倍，灵灵敏度较较高。

2020-02-1018现代汽车车电子技技术四、光电电式传感感器1．光电效效应当光线照照射物体体时，可可看作一一串具有有能量E的光子轰轰击物体体，如果果光子的的能量足足够大，，物质内内部电子子吸收光光子能量量后，摆摆脱内部部力的约约束，发发生相应应电效应应的物理理现象，，称为光光电效应应。1）在光线线作用下下，电子子逸出物物体表面面的现象象，称为为外光电电效应，，如光电电管、光光电倍增增管等。。2）在光线线作用下下，物体体的电阻阻率改变变的现象象，称为为内光电电效应，，如光敏敏电阻、、光敏二二极管、、光敏三三极管、、光敏晶晶闸管等等。3）在光线线作用下下，物体体产生一一定方向向电动势势的现象象，称为为光生伏伏特现象象，如光光电池（（属于对对感光面面入射光光点位置置敏感的的器件））等。2020-02-1019现代汽车车电子技技术2．光敏电电阻光敏电阻阻受到光光线照射射时，电电子迁移移，产生生电子—空穴对，，使电阻阻率变小小。光照照越强，，阻值越越低。入入射光线线消失，，电子—空穴对恢恢复，电电阻值逐逐渐恢复复原值。。3．光敏管管光敏管（（光敏二二极管、、光敏三三极管、、光敏晶晶闸管等等）属于于半导体体器件。。2020-02-1020现代汽车车电子技技术4．电致发发光固体发光光材料在在电场激激发下产产生的发发光现象象称为电电致发光光。电致致发光是是将电能能直接转转换成光光能的过过程。发发光二极极管(LED)是以特殊殊材料掺掺杂制成成的半导导体电致致发光器器件。当当其PN结正向偏偏置时，，由于电电子—空穴复合合时产生生过剩能能量，该该能量以以光子形形式放出出而发光光。2020-02-1021现代汽车车电子技技术五、热电电式传感感器1．热电效应应将两种不不同性质质的金属属导体A、B接成一个个闭合回回路，如如果两接接合点温温度不相相等（T0≠T），则在在两导体体间产生生电动势势，并且且回路中中有一定定大小的的电流存存在，此此现象称称为热电电效应。。2020-02-1022现代汽车车电子技技术2．热电阻阻传感器器热电阻材材料通常常为纯金金属，广广泛使用用的是铂铂、铜、、镍、铁铁等3．热敏电电阻传感感器热敏电阻阻用半导导体制成成，与金金属热电电阻相比比有以下下特点：：1）电阻温温度系数数大，灵灵敏度高高；2）结构简简单，体体积小，，易于点点测量；；3）电阻率率高，且且适合动动态测量量；4）阻值与与温度变变化的关关系是非非线性的的；5）稳定性性较差。。2020-02-1023现代汽车车电子技技术第二节空空气流量量计一、叶片片式空气气流量计计空气流量量计的结结构简单单，可靠靠性高；；但进气气阻力大大，响应应较慢且且体积较较大2020-02-1024现代汽车车电子技技术二、卡门门旋涡式式空气流流量计所谓卡门门旋涡，，是指在在流体中中放置一一个圆柱柱状或三三角状物物体时，，在这一一物体的的下游就就会产生生的两列列旋转方方向相反反，并交交替出现现的旋涡涡2020-02-1025现代汽车车电子技技术光学式卡卡门旋涡涡空气流流量计在产生卡卡门旋涡涡的过程程中，旋旋涡发生生器两侧侧的空气气压力会会发生变变化，通通过导孔孔作用在在金属箔箔上，从从而使其其振动，，发光二二极管的的光照在在振动的的金属箔箔上时，，光敏三三极管接接收到的的金属箔箔上的反反射光是是被旋涡涡调制的的光，其其输出经经解调得得到代表表空气流流量的频频率信号号。2020-02-1026现代汽车车电子技技术超声波式式卡门旋旋涡空气气流量计计在卡门涡涡流发生生器下游游管路两两侧相对对安装超超声波发发射探头头和接收收探头。。因卡门门涡流对对空气密密度的影影响，就就会使超超声波从从发射探探头到接接收探头头的时间间较无旋旋涡变晚晚而产生生相位差差。对此此相位信信号进行行处理，，就可得得到旋涡涡脉冲信信号，2020-02-1027现代汽车车电子技技术三、热线线式空气气流量计计1．工作原原理当无空气气流动时时，电桥桥处于平平衡状态态，控制制电路输输出某一一加热电电流至热热线电阻阻RH；当有空空气流动动时，由由于RH的热量被被空气吸吸收而变变冷，其其电阻值值发生变变化，电电桥失去去平衡，，如果保保持热线线电阻与与吸入空空气的温温差不变变并为一一定值，，就必须须增加流流过热线线电阻的的电流IH。因此，，热线电电流ＩＨ就是空气气质量流流量的函函数。2020-02-1028现代汽车车电子技技术四、热膜膜式空气气流量计计膜式空气气流量计计的工作作原理与与热线式式空气流流量计类类似，都都是用惠惠斯登电电桥工作作的。所所不同的的是：热热膜式不不使用白白金丝作作为热线线，而是是将热线线电阻、、补偿电电阻及桥桥路电阻阻用厚膜膜工艺制制作在同同一陶瓷瓷基片上上构成的的。2020-02-1029现代汽车车电子技技术第三节压压力传感感器半导体应应变式进进气压力力传感器器是利用用压阻效效应原理理工作的的。2020-02-1030现代汽车车电子技技术第四节节节气气门位置置传感器器一、开关关式节气气门位置置传感器器传感器由由与节气气门轴联联动的凸凸轮、动动触点、、怠速触触点、满满负荷触触点等组组成。动动触点接接微机电电源，当当节气门门全关闭闭时，怠怠速触点点与动触触点接通通；当节节气门开开度达50%以上时，，满负荷荷触点与与动触点点接通；；而当节节气门开开度在全全闭至50%之间时，，动触点点悬空。。2020-02-1031现代汽车车电子技技术二、线性性节气门门位置传传感器线性节气气门位置置传感器器采用线线性电位位计，由由节气门门轴带动动电位计计的滑动动触点，，在不同同的节气气门开度度下，接接入回路路的电阻阻不同2020-02-1032现代汽车车电子技技术第五节氧传感器器氧传感器器安装在在排气管管内。由由于排气气中的氧氧气浓度度可以反反映空燃燃比的大大小，所所以，在在电子控控制燃油油喷射系系统中广广泛使用用氧传感感器。氧氧传感器器随时将将检测的的氧气浓浓度反馈馈给ECU，ECU据此判断断空燃比比是否偏偏离理论论值，一一旦偏离离，就调调节喷油油量，以以控制空空燃比收收殓于理理论值。。2020-02-1033现代汽车车电子技技术一、二氧氧化钛（（ＴiＯ2）氧传感感器二氧化钛钛氧传感感器是利利用半导导体材料料二氧化化钛的电电阻值，，随排气气中氧含含量的变变化而改改变的特特性制成成的，是是一种电电阻型氧氧传感器器。2020-02-1034现代汽车车电子技技术二、二氧氧化锆（（ＺrＯ2）氧传感感器二氧化锆锆氧气传传感器的的基本元元件是二二氧化锆锆（ＺrＯ2）陶瓷，，因其为为固定电电解质管管，亦称称锆管。。锆管固固定在带带有安装装螺丝的的固定套套内，锆锆管内表表面与大大气相通通，外表表面与排排气相通通，其内内外表面面都覆盖盖着一层层多孔性性的铂膜膜作为电电极。2020-02-1035现代汽车车电子技技术第六节温度传感感器为了解发发动机的的热状态态，计算算进气的的质量流流量及进进行排气气净化处处理，需需要有能能够连续续、精确确地测量量冷却液液温度、、进气温温度与排排气温度度的传感感器。温温度传感感器的种种类很多多，如热热敏电阻阻式、半半导体二二极管式式、热电电偶式等等。2020-02-1036现代汽车车电子技技术热敏电阻阻式冷却却液温度度传感器器一般安安装在发发动机缸缸体、缸缸盖的水水套或节节温器壳壳内并伸伸入水套套中2020-02-1037现代汽车车电子技技术第七节爆爆震传传感器爆震传感感器用来来检测发发动机有有无爆震震发生，，检测方方法有三三种：一一是检测测气缸压压力；二二是检测测发动机机振动；；三是检检测燃烧烧噪声。。目前常常用检测测发动机机振动的的方法来来判断有有无爆震震。爆震震传感器器有磁致致伸缩式式和压电电式两种种。2020-02-1038现代汽车车电子技技术一、磁致致伸缩式式爆震传传感器2020-02-1039现代汽车车电子技技术其工作原原理是:当发动机机的气缸缸体出现现振动时时，该传传感器在在7kHz左右处与与发动机机产生共共振，强强磁性材材料铁心心的导磁磁率发生生变化，，致使永永久磁铁铁穿过铁铁心的磁磁通密度度也变化化，从而而在铁心心周围的的绕组中中产生感感应电动动势，并并将这一一电信号号输入ECU。二、压电电式爆震震传感器器2020-02-1040现代汽车车电子技技术其工作原原理是:当发动机机的气缸缸体出现现振动且且振动传传递到传传感器外外壳上时时，外壳壳与配重重块之间间产生相相对运动动，夹在在这两者者之间的的压电元元件所受受的压力力发生变变化，从从而产生生电压。。ECU检测出该该电压，，并根据据其值的的大小判判断爆震震强度。。第八节曲曲轴位位置传感感器曲轴位置置传感器器亦称点点火信号号发生器器，用于于点火正正时控制制。传统统点火系系统中的的曲轴位位置传感感器是分分电器凸凸轮轴和和断电器器。2020-02-1041现代汽车车电子技技术一、磁脉脉冲式曲曲轴位置置传感器器20