《汽车单片机及车载总线技术》-12

第一节概述汽车电子技术在汽车技术进步的过程中始终走在前列:汽油机电控喷射技术结合三元催化器、柴油机燃油喷射系统、自动变速器(AutomaticTransmission、智能可变气门正时与升程技术(i一VTEC)和混合动力技术(HPS)等许多机、电、液紧密结合的技术使汽车的性能指标日益提高，特别是电子控制技术伴随着微电子工业的迅猛发展而迅速提高。返回下一页第一节概述汽油机电子控制最基本的控制内容包括点火系统的电子控制和燃油系统的电子控制。首先是从汽油机的电子控制开始的，最早出现的是晶体管辅助触点点火系统。这种点火系统仍采用断电触点产生的电流脉冲，但是通过触点的只是晶体管的控制电流，这一电流经功率晶体管放大后作为点火线圈的初级电流。后来在这种点火系统的基础上，断电触点被霍耳或磁电式的传感器所取代，出现了所谓的无触点电子点火系统，这种点火系统的控制单元中往往还具有对初级回路闭合角控制的硬件电路。下一页返回上一页第一节概述在晶体管点火系统中分电器分电作用和点火提前角的控制机构仍然存在。随后出现了微处理器控制的点火系统，控制器除接收汽油机点火的触发信号外，还同时接收汽油机进气压力、转速、冷却水温和负荷等多个信号，并根据这些信号控制点火提前角和闭合时间。随着汽油机电控技术的发展，出现了无分电器的点火系DIS。这种点火系取消了任何机械装置，没有任何运动件，直接由点火控制器输出多个脉冲电流，并驱动几个点火线圈直接向各气缸火花塞输出高压电脉冲。这种点火系目前在汽车上得到了广泛的应用。而汽车的其他系统如底盘、悬挂和车身等系统的电控技术，也像发动机的电控技术一样随半导体和微电子技术的飞速发展而进步。上一页返回第二节汽车发动机的电子控制一、汽油机的电子控制目前汽油机电控系统一般包括3大部分:传感器部分、电子控制单元(ECU)和执行器部分，如图12一1所示。其以ECU为中心，包括前置的A/D转换器、数字信号缓冲器以及后置的信号放大器等，微机运算速度快、精度高，能实时控制，并具备多中断响应等功能。目前除了8位、16位微机外，32位特别是64位微机已开始逐步使用，而且不仅有通用型微机和单片机，专用的汽车微机也已研制出来。正是微机技术突飞猛进的发展促进了汽车电控技术的不断完善，可以说，当前ECU的发展总趋势是从单系统单机控制向多系统集中控制过渡。下一页返回第二节汽车发动机的电子控制不久以后，汽车电控系统将采用计算机网络技术，把发动机电控系统、车身电控系统、底盘电控系统及信息与通信系统等各系统的ECU相连接，形成机内分布式计算机网络，实现汽车电子综合控制。传感器中汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传感器能否精确可靠地工作至关重要。近年来在该领域中，理论研究及材料应用发展较为迅速，半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等迅猛发展。毋庸置疑，智能化、集成化和数字化将是传感器未来的发展趋势。执行器用来精确无误地执行ECU发出的命令信号。因此，执行器工作的精确与否将最终影响电控的成败，正因如此，其工作可靠性和精确性一直作为研究重点而备受关注。目前，汽车电控系统的执行器类型繁多，有电磁阀、电动机、压电元件、点火器、电磁继电器和热电偶等，结构与功能不尽相同。执行器的发展方向是智能化执行器和固态智能动力装置。发动机电控技术可分为电控汽油喷射、电子点火、怠速控制、排气再循环控制、增压控制、故障自诊断、故障保险、备用控制以及其他控制技术。上一页下一页返回第二节汽车发动机的电子控制二、柴油机的电子控制随着时代的发展，位置控制式的电控系统将逐渐被淘汰。本书在这里介绍时间控制式的柴油机电控系统的控制方法。在芯片上采用了犯位的处理器，这一种模块化设计的MCU每一个模块都有其较为独立的功能，其中这些模块有:中央处理器单元(CPU32)、定时处理器(PPU、队列式A/D转换模块(QADG)、队列串行模块(QSM)、系统集成模块(SIM)以及片内存储器(SRAM)，柴油机电控单元结构如图12一2所示。这些模块通过内部总线(IMB)相连，外扩的存储器通过外部总线接口(EBI)与SIM模块相连。在前向通道中，通过接口电路模拟信号进入QADC模块，数字信号进入TPU。在后向通道中，TPU输出各种执行机构的控制信号，通过驱动电路作用于执行元件上;监控模块通过QSM对整个ECU进行在线监控。在控制系统中，可以运行各种功能专一的程序，也可以加载具有更高性能的实时操作系统(RTOS)上一页下一页返回第二节汽车发动机的电子控制柴油机的启动状态有冷启动和热启动两种，冷启动特别是低温冷启动比较困难，这主要是因为低温时燃油雾化不好、壁面温度较低，同时机油豁度大、曲轴转动阻力矩相对较大等。柴油机电控单元对启动过程采用一定的控制策略。通常采用的控制策略是开环控制，即以发动机的冷却液表示环境状态和机器本身的状态，以发动机的转速信号表征启动控制的进程。冷启动时燃油的雾化不好，所以需要喷入相对较多的燃油，随冷却液温度的升高，这种情况将会有所改善，油量降低。另一方面，压缩温度较低导致燃烧滞燃期较长，需要适当地增加喷油提前角。喷油量从发动机启动到点火，最终转速稳定一直保持在较高的水平，然后从转速稳定点开始逐渐减少进入暖车工况。上一页下一页返回第二节汽车发动机的电子控制对油量的限制工况一般有两种情况，一种是用户自己定义的外特性曲线，另一种是各个工况点的冒烟极限油量。发动机可以达到的运行区域内可以根据使用场合的不同自己定义外特性曲线。而冒烟极限油量的限制一般发生在发动机的低速大负荷区或者是瞬态工况。对于外特性限制油量往往在标定工作结束后就确定下来，但如果需要，在具体使用过程中仍然可以实时修改。冒烟极限油量的确定有两种方法，一是采用基于模型的控制，认为冒烟极限油量与发动机的转速和进气压力存在直接关系;二是通过查表获得。上一页下一页返回第二节汽车发动机的电子控制发动机在调试过程以及实际运行中都会出现一些意外情况，比如负载的突卸导致转速升高、机油的泄漏或消耗导致压力过低等，这时操作人员往往来不及做出什么动作，发动机就已经进入一种非常恶劣的状况，所以在ECU的设计过程中需要将保护工况考虑在内。通常的保护形式有以下几种:超速保护、机油压力过低的保护、冷却液温度过高的保护以及因增压器超速而引起的增压压力过高的保护。其他的工况下则按照预先设计的调速特性来执行。对于不同的调速特性也有不同的控制方法，另外柴油机的动态过程控制也很重要，在这里不详述。上一页返回第三节电子控制自动变速器一、概述汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。1939年，美国通用汽车公司首先在其生产的OLDSMOBILE轿车上采用了液力变矩器一行星齿轮组成自动变速器。自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期，法国雷诺公司于1968年率先在自动变速器上使用电子元件。1981年起，美国、日本等一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统。电子控制自动变速器的真正飞跃发展是1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制。丰田公司首先将自动变速器应用于豪华型皇冠牌轿车上，并实现了最佳的换挡规律，换挡精确性好，具有良好的燃料经济性、动力性和排放效果。下一页返回第三节电子控制自动变速器AMT既具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。它揉合了二者优点，是非常适合我国国情的机电一体化高新技术产品。它是在现生产的机械变速器上进行改造的，保留了绝大部分原总成部件，只改变其中手动操作系统的换挡杆部分，生产继承性好，改造的投入费用少，非常容易被生产厂家接受。它的缺点是非动力换挡，这可以通过电控软件方面来得到一定弥补。上一页下一页返回第三节电子控制自动变速器如上所述，虽然在客车上AT比较适合于高级旅游客车，而一般城市公共汽车在装用进口的Allison自动变速器时，其价格每台在16万元左右，已大大超过与其配套的康明斯、玉柴等发动机的价格。这也是国外如日野的兰带客车和伊顿等重型载货汽车多用AMT的原因。对于轿车，近年来瑞典的SAAB和大众的路波轿车已向人们证明，要想今后达到3L/100km的油耗目标，只有用AMT或手动变速，AT很可能无法实现。在几种自动变速器中，AMT的性能价格比最高，其在中、低档轿车，城市客车，军用车辆和载货车等方面应用前景较广阔。上一页下一页返回第三节电子控制自动变速器二、自动变速器的电子控制单元电子控制单元依据所接收到的各输入传感器及开关电信号，视汽车行驶工况和发动机运转工况的不同，精确地控制自动变速器的换挡正时、闭锁时刻以及执行机构的动作液压和换挡时的发动机扭矩等。电子控制单元的另一功能是对作为自动变速器电子控制系统输入装置的车速传感器和输出装置的电磁阀工作是否正常进行自诊断。若车速传感器和电磁阀发生故障，可通过超速挡分离指示灯或故障显示屏以故障代码的形式输出自诊断信息。电子控制单元还具有在电子控制系统出现某些故障时执行失效保护功能的作用，使汽车得以继续行驶。上一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统一、汽车制动系的概述和防抱死装置常规的汽车制动器，无论是盘式的还是鼓式的，都是用气压或油压作为制动动力。汽车的制动过程，实际上是以制动力驱动制动蹄片，与安装于轮毅内同车轮一起旋转的盘式制动装置摩擦，对旋转着的车轮施加摩擦力的过程。此外还有在制动力作用下，轮速减缓后产生的轮胎与路面的滑移摩擦过程。汽车通过这些摩擦过程，将自身动能转换成热能消耗掉，才能平稳地停下来。下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统当制动力小于车轮附着力时，摩擦力和滑移摩擦随制动力的增长而增长;当制动力等于车轮附着力时，摩擦力和滑移摩擦力最大;当制动力超过车轮附着力时，车轮会抱死，摩擦力作用消失，仅靠轮胎与路面的滑移摩擦制动，制动效能骤降，易出现危险情况。把制动力控制在车轮附着力范围内，又能保持最大的制动力，就可以充分利用车轮附着力，大大提高制动效能。有经验的驾驶员在制动时，特别是在恶劣的路况和较高车速条件下制动时，都采用“点制动”的方法，达到安全停车的目的，而不是采用一脚把制动踏板踩到底的全制动方式就是这个道理。上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统二、ABS装置的发展史和分类ABS刹车防抱死系统的历史可以追溯到20世纪20年代，1928年就有人提出了ABS理论。20世纪30年代，机械式ABS开始应用于火车和飞机上。电子控制式ABS的历史开于1936年，当时德国博世(BOSCH)公司成功地研制出带有电磁感应式车轮转速传感器的ABS，该技术在汽车上的应用主要从20世纪50年代开始，当时只是少数生产厂家，如美国的福特、克莱斯勒等公司开始在个别车型上试装;到20世纪60年代末期，由于得到日益发展的电子技术的支持，ABS技术在安全性和可靠性方面取得重大发展，这个时期ABS技术才算基本成熟。上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统1978年，博世公司成功地研制出数字式电子控制的BOSCH-ABS2，这种技术利用数字式电子技术和集成电路技术，与原来的模拟式电子控制ABS相比，数字式电子控制的ABS在反应速度、控制精度以及可靠性等方面都有显著提高。这种装置被装在奔驰高级豪华轿车上以后，证明其控制效果空前理想。在我国1998年上海大众汽车公司率先在其生产的桑塔纳2000型汽车上装备了ABS。我国的两个新的汽资项目上海别克和广州本田也相继于1998年和1999年正式生产的别克世纪和本田98款雅阁新车型将ABS作为标准配备，随后一汽大众和神龙也在其生产的捷达和富康汽车上装备了ABS上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统

(1)四传感器四通道式根据两个传感器信号分别控制汽车两前轮，后轮可采用两种方式进行控制。一是分别控制方式，另一个是将后轮的两个传感器的信号加以综合处理后同时进行控制的同步控制方式。(2)三传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，用一个传感器(装于差速器上)和同一条液压管路控制两后轮。(3)四传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，把后轮的两个传感器信号加以综合处理后，用同一条液压管路控制两后轮。上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统(4)四传感器二通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，根据后轮的两个传感器信号计算出基准速度，利用对角前轮的制动液压力控制后轮。(5)二传感器二通道式摩托车采用这种方式，因为摩托车前后轮具有独立的液压系统。这种方式没有电子控制器，属于机械式ABS。(6)一传感器一通道式采用一个传感器、同一条液压管路只控制后轮。上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统三、ABS装置的工作原理和电子控制单元电子控制防抱死制动系统一般由车轮转速传感器、电子控制器、压力调节器、ABS报警灯和一些继电器等组成，如图12一5所示。车轮转速传感器一般为电磁感应式，通常安置在被控车轮上。压力调节器既可以设置在制动总泵至制动分泵的制动管路中形成分离结构，也可与制动总泵合为一体形成整体结构，对制动压力进行调节可以采用流通方式或变容方式。压力调节器中的电磁阀有三位三通和二位二通两种结构。ABS的ECU系统通过指令来控制液压控制装置从而达到制动器制动力的合理调节而使车轮防抱死。制动液压控制装置一般由真空助力器、制动总泵、储油箱、制动分泵与液压管路以及电动泵、储压器、主控制阀和电磁控制阀等元件构成。常规制动过程在没有ABS参与工作时，电磁阀没有通电，主缸与轮缸是相通的，其轮缸压力由司机直接控制。上一页下一页返回第四节

汽车制动系防抱死电子控制系统

1)轮速传感器的输入放大电路由安装在各车轮的轮速传感器根据轮速输出交流信号，输入放大电路，将交流信号放大成矩形波并整形后送往运算电路。不同的ABS系统中轮速传感器的数量是不一样的。每个车轮都装轮速传感器时，需要四个;当只在左右前轮和后轴差速器安装轮速传感器时，只需要三个。但是，要把后轮的一个信号当作左右轮的两个信号送往运算电路。2)运算电路包括控制运算电路和安全运算电路，主要进行车轮线速度、初始速度、滑移率、加减速度的运算，以及电磁阀的开启控制运算和监控运算。安装在车轮上的传感器齿圈随车轮旋转，轮速传感器便输出信号，车轮线速度运算电路接收信号并进行车轮的瞬时线速度、初始速度、滑移率及加减速度运算。电磁阀开启控制运算电路是根据滑移率和加减速度控制信号，对电磁阀控制电路输出减压、保压或增压的信号。上一页返回第五节汽车电子安全气囊当汽车发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞，一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降，一般降到速度为0的时间在150ms左右。由于惯性的作用，当汽车急剧降速时，乘员要保持原来的速度向前运动，于是就发生了乘员和方向盘、仪表板、挡风玻璃等之间的碰撞，从而造成乘员的伤亡，乘员和汽车内部结构之间的碰撞称为二次碰撞。汽车安全气囊的基本思想是:在发生一次碰撞后二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，使乘员扑在气袋上，避免或减缓二次碰撞，从而达到保护乘员的目的。由于乘员和气袋相碰时，会由于振荡造成乘员伤害，所以一般在气囊的背面开两个直径25mm左右的圆孔，这样，当乘员和气囊相碰时，由于圆孔的放气而减轻了振荡，同时由于放气过程是一个释放能量的过程，因此可以很快地吸收乘员的动能，有助于保护乘员。下一页返回第五节汽车电子安全气囊安全气囊防护系统一般由传感器、控制器(ECU),气体发生器和气囊等组成，通常气体发生器和气囊等一起构成气囊模块，如图12-6所示。碰撞传感器是安全气囊中用来检测碰撞强度的传感器，其安装位置依厂家设计而定，一般安装在汽车前方左右两侧，以分别检测前方左右两侧纵向30。范围内的撞击。碰撞传感器种类很多，有偏心锤式、应变片式和永磁式等。中央传感器装在中央控制器内，用来感测发生高速碰撞的信息，并将其输送到CPU，引爆气囊电雷管，使气囊张开。同时前方传感器也引爆了预紧器的电雷管，即安全带预紧器和气囊同时起作用。上一页返回第六节车载定位和汽车的信息化一、车载全球定位系统GPS车载全球定位系统又称GPS(GlobalPositionSystem)，是近年来开发的最具开创意义的高新技术之一。GPS车载导航技术在国外的应用已经比较普遍，但在国内则刚刚起步，配备导航系统的汽车寥寥无几，车载导航产品在我国有着巨大的市场发展空间和潜力。GPS车载导航系统是GPS应用的一个领域，是伴随着GPS系统的发展而出现的。为了充分利用导航系统的主机运算能力，目前开发商已经在强化系统与多媒体如音响和影像等设备的集成，并打算加入车辆故障监测与诊断功能，它能够在监测到车辆存在安全隐患时发出警示，并为驾驶者直接提供维修地点的指引，利用其自身的导航资源为驾驶员提供更多的相关服务。GPS技术的成熟给车载导航系统的发展注入了活力。GPS车载导航与人、车和路都有关系。随着生活水平的提高，人们将越来越会享受生活。未来的车载GPS导航系统将集众多功能于一身，满足客户更高的需求。车载GPS系统的原理如图12一7所示。下一页返回第六节车载定位和汽车的信息化二、汽车的网络化与多媒体系统汽车正在向网络化和信息化发展，其中尤以CAN和LIN总线在车辆上的广泛使用为主要体现。CAN总线在前面的章节已经进行了详细的介绍，这里介绍的LIN(LocalInterconnectNetwork,LIN)总线是一种低成本的串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN总线的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。因此，LIN总线是一种辅助的串行通信总线网络。在不需要CAN总线带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通信，使用LIN总线可大大节省成本。LIN技术规范中，除定义了基本协议和物理层外，还定义了开发工具和应用软件接口。LIN通信是基于SCI(UART)数据格式，采用单主控制器/多从设备的模式，仅使用一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。上一页返回第七节智能化的雨刷控制模块目前，国内轿车使用的雨刷大多数为机械雨刷，并没有电子控制。这样的雨刷有以下的缺点:1)雨刷的速度手动调节，但由于雨下落速度与雨量以及车速相关，雨刷的速度通常是不适用的，不是太快就是太慢。2)机械雨刷在关闭时刻无法自动归零，驾驶员需要判断雨刷位置进行关闭，不然有些时候雨刷会停留在挡风玻璃上，阻挡视线。3)雨刷电动机由于没有电子控制，上电电流冲击大，极易损坏。下一页返回第七节智能化的雨刷控制模块为了最大利用资源，结合器件特点和应用需要，系统程序实施了以下有效控制:1)通过霍尔传感器，对电机堵停及电机速度进行判断，形成闭环控制;2)在整体系统层面，通过雨量传感器收集雨量信息，进行计算，然后控制雨刷电机达到合理的速度，最终满足驾驶的舒适性。上一页返回第八节

新型智能芯片在汽车上的应用一、车用新型智能