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1、汽車電子控制核心-ECU,1、ECU的基本結(jié)構(gòu)與功能 2、汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3、 ECU的檢測(cè)與評(píng)估,1.ECU的基本結(jié)構(gòu)與功能,1.ECU的基本結(jié)構(gòu)與功能,電源電路,輸出處理電路,微處理器,輸入處理電路,ECU的基本體系結(jié)構(gòu),1.ECU的基本結(jié)構(gòu)與功能,汽車電子控制系統(tǒng)：硬件有電子控制單元(ECUElectronic Control Unit)及其接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等；軟件存儲(chǔ)在ECU中，支配電控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理、輸出控制、系統(tǒng)監(jiān)控與自診斷等。 大部分ECU的電路結(jié)構(gòu)大同小異，控制功能的變化則依賴于軟件及輸入輸出模塊的變化，隨控制系統(tǒng)所完成任務(wù)的不同而不同。,1.1 輸入處理電

2、路,ECU的輸入信號(hào)主要有三種形式，模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)(包括開關(guān)信號(hào))、脈沖信號(hào)。 模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供給微處理器?？刂葡到y(tǒng)要求模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換具有較高的分辨率和精度(10位)。為了保證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采樣間隔一般要求小于4ms。 數(shù)字信號(hào)需要通過電平轉(zhuǎn)換，得到計(jì)算機(jī)接受的信號(hào)。對(duì)超過電源電壓、電壓在正負(fù)之間變化、帶有較高的振蕩或噪聲、帶有波動(dòng)電壓等輸入信號(hào)，輸入電路也對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。,都是計(jì)數(shù)器，只不過在定時(shí)時(shí)是對(duì)微機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，作計(jì)數(shù)器時(shí)是對(duì)微機(jī)外部輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。,1.2 微處理器,Analog-Digital模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,Pulse Width Modul

3、ation，脈沖寬度調(diào)制。調(diào)整脈沖信號(hào)的占空比，從而控制充電電流。,Serial Interface I/O串行輸入輸出。通信使用3根線完成：地線、發(fā)送、接收。通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。,中斷，具有對(duì)外部異步事件的處理能力。,微處理器首先完成傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、周期脈沖信號(hào)測(cè)量和其它有關(guān)汽車行駛狀態(tài)信號(hào)的輸入處理，然后計(jì)算并控制所需的輸出值，按要求適時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)。 過去微處理器多數(shù)是8位和l 6位的，也有少數(shù)采用32位的?，F(xiàn)在多用16位和32位機(jī)。,1.2 微處理器,1.2 微處理器,1.3 輸出處理電路,微處理器輸出的信號(hào)往往用作控制

4、電磁閥、指示燈、步進(jìn)電機(jī)等。 微處理器輸出信號(hào)功率小，使用+5v的電壓，汽車上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源大多數(shù)是蓄電池，需要將微處理器的控制信號(hào)通過輸出處理電路處理后再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,1.3 輸出處理電路,ECU一般帶有電池和內(nèi)置電源電路，以保證微處理器及其接口電路工作在+5v的電壓下。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況等使汽車蓄電池電壓有較大波動(dòng)時(shí)，也能提供+5v的穩(wěn)定電壓，從而保證系統(tǒng)的正常工作。,1.4 電源電路,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流程,整體性原則：考慮機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)、液壓、氣動(dòng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，先進(jìn)性與可靠性結(jié)合。 協(xié)調(diào)性原則：使汽車各子系統(tǒng)滿足整車控制水平，并對(duì)各自不同的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束。 適應(yīng)性原

5、則：對(duì)汽車行駛的各種條件和工況能有好的適應(yīng)能力，承受各種干擾；能主動(dòng)適應(yīng)條件的變化。 可靠性原則：能抵御污染物侵蝕破壞；能耐受負(fù)荷突變或過載；能抵御電磁和環(huán)境干擾。 低成本原則：良好的性價(jià)比。,明確設(shè)計(jì)要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制模型 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)試 反饋設(shè)計(jì)信息,修改模型 系統(tǒng)測(cè)試,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流程,包括所要具有的功能和配置，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等輸入輸出環(huán)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制電路的操作步驟。,明確設(shè)計(jì)要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制模型 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)試 反饋設(shè)計(jì)信息,修改模型 系統(tǒng)測(cè)試,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流

6、程,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)需要完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合描述，建立詳細(xì)的系統(tǒng)需求模型。,明確設(shè)計(jì)要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制模型 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)試 反饋設(shè)計(jì)信息,修改模型 系統(tǒng)測(cè)試,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流程,軟、硬件設(shè)計(jì)平行、交叉進(jìn)行。有的功能既可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件完成。因此，需要分析比較兩者之間的得失，才能最后確定。,明確設(shè)計(jì)要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制模型 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)試 反饋設(shè)計(jì)信息,修改模型 系統(tǒng)測(cè)試,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流程,進(jìn)行系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)，確定輸入輸出處理方法，估計(jì)所需ROM和RAM的容量等;同時(shí)

7、還要考慮到開發(fā)時(shí)間、費(fèi)用、ECU的結(jié)構(gòu)形式和尺寸等情況。,明確設(shè)計(jì)要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和控制模型 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)試 反饋設(shè)計(jì)信息,修改模型 系統(tǒng)測(cè)試,2.1 汽車電子總體設(shè)計(jì)流程,盡可能采用集成器件代替分離元件，以及使用軟件功能代替硬件功能，這樣可以使系統(tǒng)的可靠性增加，成本降低和靈活性增強(qiáng)。,汽車ECU中微處理器經(jīng)常要進(jìn)行大量的I/O操作，而要實(shí)現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)控制，能夠同時(shí)進(jìn)行多種獨(dú)立的控制操作。 為此，微處理器必須具有高速計(jì)算、高速實(shí)時(shí)輸入和輸出、高速A/D和D/A轉(zhuǎn)換、多中斷響應(yīng)等持性。 綜合考慮成本等因素，不應(yīng)片面地追求微處理器的高速和高位數(shù)。,2.2

8、 微處理器的選擇,I/O 接口數(shù)量多； 處理高速度，能力強(qiáng)； 具有A/D、D/A功能； 有處理“死機(jī)”的能力； 有強(qiáng)大的中斷處理能力。,按功能分類 通用單片機(jī) 通用可編程DSP 專用DSP 按位處理能力分類 4位機(jī) 8位機(jī) 16位機(jī) 32位機(jī),2.2 微處理器的選擇,ECU本身沒有開發(fā)編程能力，通過開發(fā)工具將應(yīng)用系統(tǒng)與開發(fā)系統(tǒng)聯(lián)系起來，充分發(fā)揮開發(fā)系統(tǒng)的功能，對(duì)其進(jìn)行仿真； 應(yīng)用時(shí)，把開發(fā)成功的控制程序固化在程序存儲(chǔ)器中。,2.3 控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā),用流程圖給出開發(fā)步驟，并檢查確認(rèn)與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)不存在相抵觸的地方。 按流程圖編寫源代碼，編譯成目標(biāo)程序。 編程后進(jìn)行仿真模擬，以檢驗(yàn)?zāi)芊裾_運(yùn)行

9、。,2.3 控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā),在實(shí)際的電路系統(tǒng)中進(jìn)行硬件和軟件的綜合調(diào)試。 系統(tǒng)調(diào)試好以后，就把開發(fā)好的程序固化在程序存儲(chǔ)器中。,2.3 控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā),程序組成模塊 計(jì)算 控制 檢測(cè)與診斷 管理 監(jiān)控,編程所用語言 匯編語言 ASM 高級(jí)語言 控制用高級(jí)語言 C語言、VB、VC 多任務(wù)操作系統(tǒng),2.4 ECU的控制程序,控制模式：開環(huán)控制及閉環(huán)控制,2.4 ECU的控制程序,最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制,滑模控制,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,控制理論：,PID控制,P-比例 I-積分 D-微分 PID控制理論是經(jīng)典的控制理論，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，是實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制最簡(jiǎn)單的算法。 PID控制方

10、法在汽車動(dòng)力傳動(dòng)控制中得到應(yīng)用。,2.4 ECU的控制程序,自適應(yīng)控制,滑?？刂?模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,最優(yōu)控制,PID控制,最優(yōu)控制法是求解在約束條件下的極值問題。 使得評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能的二次型目標(biāo)函數(shù)為最小。 最優(yōu)控制法在汽車懸架控制中得到應(yīng)用。,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,滑?？刂?模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,自適應(yīng)控制,隨被控對(duì)象模型的變化自動(dòng)變化。 自動(dòng)測(cè)量和分析輸入信號(hào)及受控對(duì)象特性，計(jì)算系統(tǒng)的變化情況。 計(jì)算出相應(yīng)的控制或調(diào)整策略。 優(yōu)化模型參數(shù)，是模型逐步完善。 在汽車主動(dòng)懸架上的到應(yīng)用。,

11、控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,滑?？刂?是一種非線性控制系統(tǒng)的控制方法 它根據(jù)系統(tǒng)的即時(shí)狀態(tài)、偏差及其導(dǎo)數(shù)，在不同的控制區(qū)域，以理想開關(guān)的方式，切換控制量的大小和方向，使系統(tǒng)狀態(tài)在切換線附近區(qū)域來回運(yùn)動(dòng)（變更運(yùn)動(dòng)方向），即沿切換線上滑動(dòng)。 在汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)上應(yīng)用,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制,滑模控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,模糊控制,模糊控制是對(duì)變工況非線性控制模式。模糊控制不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性。 它的控制算法是基

12、于模糊數(shù)學(xué)若干條控制規(guī)則，算法非常簡(jiǎn)潔。 在汽車自動(dòng)離合器上應(yīng)用。,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制,滑?？刂?模糊控制,預(yù)測(cè)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是仿真人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人工智能的一種途徑。它具有記憶經(jīng)驗(yàn)和識(shí)別環(huán)境的能力，并能按一定的規(guī)律改變自己的結(jié)構(gòu)或工作程序。即具有比較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力。它的學(xué)習(xí)過程是由前向計(jì)算過程、誤差計(jì)算和誤差反向過程組成。 在汽車四輪轉(zhuǎn)向控制中應(yīng)用。,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制,滑?？刂?模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,預(yù)測(cè)控制,基于模型的控制算法，預(yù)測(cè)模型是在對(duì)象運(yùn)行過程中直接獲得，只強(qiáng)

13、調(diào)功能而不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式，所以模型的形式可以多種類型。預(yù)測(cè)模型可以像系統(tǒng)仿真時(shí)一樣，任意的制定控制策略，通過不斷觀察對(duì)象在不同控制策略下輸出的變化進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制中應(yīng)用。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),輸入系統(tǒng)受干擾，使模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)出錯(cuò)。 輸出系統(tǒng)受干擾，使各輸出信號(hào)混亂，不能正常反應(yīng)ECU的真實(shí)輸出。 微處理器受干擾，使三總線上數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂，程序失控、死機(jī) 抗干擾設(shè)計(jì)中，綜合采用硬件和軟件措施。硬件將絕大多數(shù)干擾拒之門外，但不可避免有少數(shù)干擾竄入ECU中，故軟件抗干擾措施也是必不可少的。,數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好

14、接地等。,干擾作用于模擬信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。經(jīng)過多次采樣后得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)系列，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后得到可信度較高的結(jié)果。這種從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波。 采用數(shù)字濾波處理方法具有硬件的功效，且算法靈活，但需要占用一定的CPU機(jī)時(shí)。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,又叫WatchDog Timer,是一個(gè)定時(shí)器電路, 一般有一個(gè)輸入,叫喂狗,一個(gè)輸出到CPU的RST端。 CPU正常工作時(shí),每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端,給 WDT 清零，如果超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗

15、,(一般在程序跑飛時(shí))，WDT 定時(shí)超過,就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到CPU，使CPU復(fù)位。作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,英文為TRAP，捕捉故障現(xiàn)象，進(jìn)行特定的處理。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,軟件抗干擾以CPU的開銷為代價(jià)，如果沒有硬件抗干擾措施消除絕大多數(shù)干擾。CPU將為處理干擾影響到實(shí)時(shí)性。 選用優(yōu)良的器件，對(duì)系統(tǒng)可靠性有很大的意義。 繼電器、接觸器等感性負(fù)載生產(chǎn)的反電勢(shì)可用并

16、聯(lián)二極管，或外接如RC電路的辦法加以抑制。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,采用集成或分離器件的電阻/電感和電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，把疊加在有用信號(hào)上的噪聲(干擾信號(hào))分離出來?？垢蓴_措施中用得最多是低通濾波器 注意電容、電感元件的寄生特性，以避免濾波特性偏離預(yù)期值。濾波器對(duì)感性負(fù)載瞬變?cè)肼暩蓴_有很好的效果，電源輸入端接入濾波器后能降低來自供電系統(tǒng)的干擾。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,用屏蔽物體，吸收或反射外來的干擾(主要是電磁干擾)，

17、防止其侵入。 導(dǎo)體適用于電屏蔽；電磁材料適用于電磁屏蔽。 屏蔽體的類型有金屬隔板式、金屬殼盒式等實(shí)心型屏蔽，也有金屬網(wǎng)式非實(shí)心屏蔽等。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,合理的布線是抗干擾的一項(xiàng)重要措施。導(dǎo)線的種類、線徑的粗細(xì)、走線的方式、線間的距離、導(dǎo)線的長(zhǎng)短、捆扎或紋合、布線的對(duì)稱性等都對(duì)線路中的電感、電阻和噪聲耦合有直接影響。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),數(shù)字濾波 看門狗； 故障陷阱 器件優(yōu)良； 濾波電路； 屏蔽； 布線； 良好接地等。,接地是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、器件組裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝等過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)

18、，是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中抑制干擾的重要和有效方法，正確接地與屏蔽相結(jié)合可以解決大部分干擾問題。 汽車電子系統(tǒng)中大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地和模擬地等。,2.5 ECU硬件抗干擾設(shè)計(jì),接地技術(shù)：,在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHs時(shí)，它的布線和元器件之間的電感很小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響很大，因而屏蔽線采用一點(diǎn)接地； 當(dāng)信號(hào)的工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)用就近多點(diǎn)接地方法。,1）單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的選擇,接地技術(shù),電路板上既有高速邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡可能分開，兩者的地線也不要相混，分別與電源端地線相連。 要盡量加大線性電路的接地面積。,2）數(shù)字、模擬電路地線分開,接地技術(shù)：,接地用線細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，使微處理器的定時(shí)信號(hào)電平不平穩(wěn)，抗干擾性能變壞。 應(yīng)將地線加粗，使它能通過三倍干印刷電路板上的允許電流。,3）接地線應(yīng)盡量加粗,接地技術(shù)：,對(duì)于只有數(shù)字電路組成的印刷電路板，將其外圍用地線做成閉環(huán)回路、大都可以明顯地提高抗干擾