汽车单片机与车载网络-1概述.ppt

主讲：胡方信息工程系2013-2014第二学期,第1章概述,1.1汽车电工电子技术的发展1.2单片机的基础知识1.3数制与编码,什么是电控系统？,电控系统即是以电子控制单元（即ECU）为核心，以电源为必要工作条件，并外接输入设备（传感器）、输出设备（执行器）、必要的可靠导线连接、总线接口、诊断接口等为外部信息输入输出设备和接口的智能控制系统。,电控系统举例,电子控制单元（ECU）,电子控制单元（即ECU）是电控系统的核心。它对ECU外部的输入信息进行处理，并根据已经设定好的运行策略（即程序）进行输出动作。输入信息包括：传感器信息、总线信息、电源信号、诊断信息等。输出动作包括：执行器动作、总线信息、电源信号、诊断信息等。输入、输出的共同点：采用电信号！,电控单元举例,电源,电源是整个电控系统的动力源。没有电源供电，电控系统将不能工作；供电电源不稳定，将“可能”导致电控系统不能稳定工作。（为什么是“可能”，因为电源电压在要求的稳定工作范围之外，或者电源电压波动太频繁时，才会出现这种可能）汽车上的电源有两个，分别是：蓄电池发电机,输入设备（传感器）,输入设备是ECU收集外部信息的设备，ECU根据这些输入设备对外部信号的变化做出判断，并做出相应的判断处理，并决定是否有输出动作等（暂不考虑网络因素）。ECU的输入设备大致分为以下类型：传感器如水温传感器、爆震传感器开关如怠速开关、刹车开关、档位开关,输出设备（执行器）,输出设备是ECU执行外部动作的设备，ECU根据程序设定的运行策略，根据各种输入条件控制输出设备做出相应的动作。ECU的输出设备大致分为以下类型：开关动作输出设备如喷油嘴、点火线圈、车灯等连续动作输出设备如怠速马达、节气门电机、电子扇等,电控系统工作流程,电源供应ECU运行程序进行内部自检（电源电压、外部输入输出设备连接情况）ECU处理输入信息（如传感器、开关输入、网络信息等）ECU综合判断输入信息（如左后侧车门ECU综合处理本地升降开关、驾驶员侧车门ECU发出的“禁止升降”网络信息）ECU执行输出动作（如左后侧车门ECU输出车窗电机控制动作、发送车窗开关状态等信息到舒适系统CAN网络）反馈执行效果（可选动作）继续判断输入,电控系统与人比有何相似处,人：各种感觉、四肢、嘴巴等通过神经系统传输触觉、听觉大脑处理通过神经系统传输动作信号动作、说话电控系统：各种输入、输出设备信号、总线通过线缆传输采集到的信号、总线信号ECU单元处理运算（按照特定的程序运行）通过线缆传输控制信号执行动作、传输信息,汽车电子控制技术的发展历程,20世纪中期，微电子技术发展迅猛，这给汽车工业的发展带来了蓬勃的生机，可以说汽车电子控制技术的发展是由电子技术的发展而带动起来的。1948年晶体管问世，1955年晶体管收音机开始在汽车上投入使用；1960年硅二极管整流式交流发电机取代了直流发电机；1963年晶体管电压调节器和晶体管点火装置开始在汽车上安装使用，逐步实现集成化；1970年变速器的电子控制装置在汽车上投入使用。,1.1汽车电工电子技术的发展,20世纪70年代末到80年代中期主要是发展一些独立系统，汽车电子控制技术开始形成，大规模集成电路得到广泛的应用。1973年美国通用汽车公司采用IC点火装置并逐渐普及；1976年美国克莱斯勒公司首先研制出由模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的电子点火系统；1977年美国通用公司开始采用数字式点火时刻控制系统；1980年单点喷射式电子控制燃油喷射装置应用在汽车上，之后电喷技术逐渐成熟，并开始大规模使用。,汽车电子控制技术的发展历程,20世纪80年代中期到90年代末主要是开发各种车辆整体的电子控制系统，以微处理器为核心的微机控制系统在汽车上开始大规模地使用，其技术逐渐成熟完善，并向智能化发展，进入了汽车电子化的时代。2000年以后汽车电子控制系统进入智能化和网络化时代。汽车产品大量采用人工智能技术，并利用网络技术进行信息的传递与交换，汽车技术更加自动化、智能化。随着汽车电子控制技术的飞速发展，汽车电子设备的成本占汽车总成本的比重约来越大，其具体应用见表1-1。,汽车电子控制技术的发展历程,汽车电子控制系统的应用,汽车电子控制技术的发展历程,（一）汽车电子控制技术的发展概况,汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术结合的产物，并伴随着汽车油耗法规、排放法规、安全法规要求的提高和电子技术的进步而逐步发展到当今的水平。世界汽车电子控制技术的发展过程大致可分为分立电子元件控制、集成电路控制和微型计算机控制个阶段。,下一页,返回,（一）汽车电子控制技术的发展概况,第一阶段（年）：汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，从而揭开了汽车电子时代的序幕，并由分立电子元件产品向集成电路产品过渡。其主要产品有二极管整流式交流发电机、电子式电压调节器、电子式点火控制器、电子式闪光器、电子式间歇刮水控制器、晶体管收音机、数字时钟等。,上一页,下一页,返回,（一）汽车电子控制技术的发展概况,第二阶段（年）：汽车电子设备广泛采用集成电路和位微处理器进行控制，主要开发研究专用的独立控制系统。其主要产品有电子燃油喷射系统、空燃比反馈控制系统、电子控制自动变速系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、座椅安全带收紧系统、车辆防盗系统、巡航控制系统、车辆导航系统、车身高度自动控制系统、故障自诊断系统等。第三阶段（年）：汽车电子设备广泛应用位或位字长的微处理器进行控制，控制技术向智能化方向发展。其主要产品有发动机燃油喷射与点火综合控制系统、牵引力控制系统、区域网络通信系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、自动防追尾碰撞系统和自动驾驶系统等。,汽车电子控制系统的优越性,电子技术在汽车发动机及整车上的广泛应用，使得汽车在各种工况下始终处于最佳的工作状态，各项性能指标都获得了较大改善，例如燃油消耗降低、动力性提高、排气污染减少，并大大提高了汽车工作的可靠性、安全性和乘员舒适性。电子技术可使汽车、道路、环境和乘员之间形成一个完整的系统网络，这是采用任何机械的办法都无法达到的。电子装置运行极为精确，并且本身不会磨损。若把电子技术应用于汽车控制与监测，利用其自学习功能和一些闭环控制，使生产中、运行中产生的一些误差受到严格控制，这将改善汽车的功能效用，并能延长汽车的维修周期和使用寿命。,汽车网络化的诞生,汽车线束重量每增加50kg，百公里油耗就会增加0.2L,汽车网络化的诞生,常见汽车车载网络的开发年份、采用厂家与发表年份：,一、什么是单片机,单片机是将中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、存储器（Memory）、定时器/计数器、输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，基本结构如图（a）所示。虽然单片机只是一块芯片，但其已经具有微型计算机的组成与功能，故称之为单片微型计算机，简称单片机或微机。目前，汽车电控系统采用的单片机均为数字式单片机。,1.2单片机基础知识,单片机基本结构框图,二、单片机的组成,中央处理器（CPU）是具有译码指令和数据处理能力的电子部件，是汽车电子控制单元的核心，基本结构如图（b）所示，由运算器（Calculator）、寄存器（Register）和控制器（Controller）组成。运算器是计算机的运算部件，用于实现数学运算和逻辑运算。汽车上各种电控系统（燃油喷射系统EFI、防抱死制动系统ABS、安全气囊系统SRS、自动变速器ECT控制系统）ECU内部的数据运算与逻辑判断都在这里进行。寄存器用于暂时存储数据或程序指令。控制器是计算机的指挥控制部件，其功用是按照监控程序和应用程序使计算机各部分动协助调工作。,1中央处理器（CPU）,在单片机或微型计算机中，存储器是用来存储程序指令和数据的部件。存储器是由许多具有记忆功能的存储电路构成的，每个记忆存储电路存储1个二进位信息（0或1），称为存储器的存储位（Bit）。每8个记忆存储电路构成存储器的一个基本单元，存储8位二进制信息，称为存储字节（Byte）。存储器按读写操作原理可分为：只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）和随机存取储存器RAM（RandomAccessMemory）。按功能可分为程序存储器和数据存储器。按构成材料可分为半导体存储器和磁质存储器。（1）只读存储器（ROM）掩膜ROM可编程ROM（即PROM）可改写ROM（即EROM）（2）随机存储器（RAM）,2存储器（Memory）,I/O（Input/Output）接口是CPU与传感器或执行器之间进行数据交换和下达控制指令的通道。由于传感器和执行器种类繁多，它们的信号速度、频率、电平、功率和工作时序等都不可能与CPU完全匹配，因此必须根据CPU的指令，通过I/O接口进行协调和控制。,3输入输出（I/O）接口4总线（BUS）,总线是微机内部传递信息的电路连线。在单片机内部，CPU、ROM、RAM与I/O接口之间的信息交换都是通过总线来实现。按传递信息不同，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线三种。数据总线主要用于传送数据与指令。地址总线用来传递地址数码。微机中的器件都与控制总线连接，CPU可通过控制总线随时掌握各个器件的状态，并根据需要随时向某个器件发出控制指令。,输出回路是单片机与执行器之间的中继站，其功用是根据微机发出的指令，控制执行器动作。微机对采样信号进行分析、比较、运算后，由预定的程序形成控制指令并通过输出端子输出。下图所示为MCS-51单片机的基本结构。,5输出回路,三、单片机的分类,单片机分为通用型单片机和专用型单片机，我们通常所说的单片机就是指通用型单片机。从基本操作处理的数据来看，单片机又可分为4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。目前汽车上用的主要是8位单片机和16位单片机，也有一些轿车上开始使用32位单片机。14位单片机28位单片机316位单片机432位单片机,三、单片机的分类,根据工作温度单片机可分为：。1民用级（商业级）单片机0702工业级单片机-40853军用级单片机-55125,微处理器、微型计算机与单片机,典型的微型计算机，包括运算器、控制器、存储器、输入输出接口四个基本组成部分。如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上，则称该芯片为微处理器（MPU,MicroProcessingUnit）或称中央处理器（CPU,CentralProcessingUnit）。如果在一块芯片上，集成了一台微型计算机的四个基本组成部分，则这种芯片就被称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称单片机。,计算机发展与组成,1946-1958第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台数字计算机ENIAC。,发展概况,1958-1964第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。,1964-1971第三代集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。,1971-第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。,1981-第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。,计算机发展趋势,微型化便携式、低功耗巨型化尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化网络计算机和信息高速公路多机系统大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享),微型计算机组成结构,微型计算机的基本结构,单片机的结构与组成,单片机的内部基本组成,单片机技术的特点纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。,1.单片机应用周期长与微处理器相比，其应用周期更长。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。,2.应用领域广据统计我国的单片机年容量已达13亿片且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步有着广阔的前景3.体积小4.内部存储量较小,I/0功能控制性强，但具有局限性。,5.借助专门的开发系统进行开发。6功耗低。7价格低。以2002年的市场价为例,89C51的单价为人民币7元,单片机的类型国际上比较流行的单片机有以下几种Intel系列Motorola系列.NEC系列Philip系列.NS系列(美国国家半导体公司生产.Zilog系列(美国Zilog公司生产ATMEL系列(美国ATMEL公司生产.MSP430系列(TI).ARM系列,典型单片机生产厂家及性能概览,美国IntelMotorolaZilogNSMicrochipAtmelTI日本NECToshibaFujitsuHitachi,荷兰Philips英国Inmos德国Siemens(Infineon)中国台湾Acer宏基Winbond华邦Holtek合泰凌阳,典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。MCS-51为主流产品。MSP430为低功耗产品，功能较强。EM78为低功耗产品，价格较低。PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品。Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。,典型单片机性能概览,Intel单片机,TI公司MSP430单片机,美国德州仪器1996年推出MSP430，这款单片机以它的高性能逐渐被广大单片机设计者接受，MSP430目前的型号已达到100多种，使用的技术包括超低功耗、FLASH在线编程、数控振荡器(DCO)、FFL倍频、硬件乘法器、JTAG调试等微控制器领域的先进技术产品种类齐全，既有能够通用类型的单片机，也有具有一定专用性能的单片机，如MSP430FE42x、MSP430FW42x，可以适合不同的产品开发需要MSP430单片机的设计充分考虑了设计者对功能模块的需求，功能模块比较适合设计的需要，很多设计可以达到一片设计，比如MSP430FE427一片即可设计多功能电表MSP430已经被广泛用于家用仪表（水表、气表、热表、电表等）、家用电器、热工仪表、医疗仪器、安保产品、无线通讯等许多产品中,TI公司MSP430单片机,极低功耗，支持电池工作数据保持模式0.1uA，2.2V能够响应来自外部的中断信号时钟运行模式0.8uA,2.2V内部定时器继续工作活动模式200A,1MHz,2.2V正常处理、复杂运算等MSP430是工业级16bitRISCMCU-4085C工作在各种复杂工作环境成为可能运行速度快指令周期125ns,8MHz晶振6s从备用模式唤醒唤醒过程的功耗极低FLASH支持在线编程支持FLASH保存数据支持程序在线升级,程序修改方便内部资源丰富、功能模块强一片解决方案:许多产品中一片MSP430完成,Motorola微控制器概况,使用原因：在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的工作环境汽车运行的恶劣环境。全球最大的汽车电子零部件供应商Delphi公司将Motorola的微控制器作为车用控制系统的主芯片。,表1-11999年世界上排名前10名的MCU主要供应商市场份额,1999年全世界主要厂商8位MCU销量,90年代中期，Motorola在我国天津设厂生产芯片。到90年代末期又在苏州建立了芯片设计中心。这样，从设计、生产到销售逐渐实现了本土化。这无疑对我国半导体工艺是一促进。,MotorolaMCU命名法,MC68HC08,12345,1、PC质量不保证，用于测试的器件；MC质量保证的正规产品；XC有限质量保证，用于性能评估的器件;2、由于历史原因，Motorola的MCU类产品都冠以68;3、速度/供电电压：H高速；C5.5V；L2.0V;4、片内存储器类型：Blank-没有掩膜型；7EPROM/OTP；8EEPROM；9Flash5、CPU类型：08,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域,1.3.1数制（进位计数制）使用有限个基本数码来表示数据，按进位的方法进行计数称为进位计数制。包含两大要素：基数和位权基数：用来表示数据基本数码的个数J，此数后必须进位。位权：数码在表示数据时所处的数位所具有的固定值Ji。简称“权”。,1.3数制与编码,1.十进制十个数符：09，逢十进一。加权展开式以10称为基数，各位系数为09。一般表达式：ND=Kn-110n-1+Kn-210n-2+K0100+K-110-+1234.5=1103+2102+3101+4100+5101,2.二进制两个数符：0、1,逢二进一。加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。一般表达式：NB=Kn-12n-1+Kn-22n-2+K020+K-12-1+1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3,3.十六进制十六个数符09、AF，逢十六进一。展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。一般表达式：NH=hn-116n-1+hn-216n-2+h0160+h-116-1+DFC.8=13162+15161+12160+816-1,1、十进制用于计算机输入输出，人机交互。二进制为机器中的数据形式。十六进制用于表示二进制数。2、不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。如:101、101D、101B、101H、101H,进位计数制的说明,进位计数制的一般表达式：N=an-1Rn-1+an-2Rn-2+a1R1a0R0a-1R-1a-mR-m一种进制的数转换成另一种进制数的方法：按权展开，求和计算。,4.数制之间的转换,（1）二进制、十六进制数转换成十进制数按权展开，然后按照十进制运算法则求和。举例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625DFC.8H=13162+15161+12160+816-1=3580.5,（2）二进制与十六进制数之间的转换24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。,3AF.2H=001110101111.0010=1110101111.001B3AF21111101.11B=01111101.1100=7D.CH7DC,（3）十进制数转换成二、十六进制数整数、小数分别转换整数转换法“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。,小数转换法“乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。,1、十进制数转换成二、十六进制数,1.39转换成二进制数39=100111B,2.208转换成十六进制数208=D0H16208余01613余13=DH0,练习,2.0.625转换成十六进制数