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1、汽車電子控制核心-ECU,1、ECU的基本結構與功能 2、汽車電子系統(tǒng)設計 3、 ECU的檢測與評估,1.ECU的基本結構與功能,1.ECU的基本結構與功能,電源電路,輸出處理電路,微處理器,輸入處理電路,ECU的基本體系結構,1.ECU的基本結構與功能,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)行機構、傳感器等；軟件存儲在ECU中，支配電控系統(tǒng)完成數(shù)據采集、計算處理、輸出控制、系統(tǒng)監(jiān)控與自診斷等。 大部分ECU的電路結構大同小異，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)所完成任務的不同而不同。,1.1 輸入處理電

2、路,ECU的輸入信號主要有三種形式，模擬信號、數(shù)字信號(包括開關信號)、脈沖信號。 模擬信號通過A/D轉換為數(shù)字信號提供給微處理器。控制系統(tǒng)要求模數(shù)信號轉換具有較高的分辨率和精度(10位)。為了保證測控系統(tǒng)的實時性，采樣間隔一般要求小于4ms。 數(shù)字信號需要通過電平轉換，得到計算機接受的信號。對超過電源電壓、電壓在正負之間變化、帶有較高的振蕩或噪聲、帶有波動電壓等輸入信號，輸入電路也對其進行轉換處理。,都是計數(shù)器，只不過在定時時是對微機內部時鐘脈沖進行計數(shù)，作計數(shù)器時是對微機外部輸入的脈沖進行計數(shù)。,1.2 微處理器,Analog-Digital模數(shù)轉換單元,Pulse Width Modul

3、ation，脈沖寬度調制。調整脈沖信號的占空比，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)據同時在另一根線上接收數(shù)據。,中斷，具有對外部異步事件的處理能力。,微處理器首先完成傳感器信號的A/D轉換、周期脈沖信號測量和其它有關汽車行駛狀態(tài)信號的輸入處理，然后計算并控制所需的輸出值，按要求適時地向執(zhí)行機構發(fā)送控制信號。 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。,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往往用作控制

4、電磁閥、指示燈、步進電機等。 微處理器輸出信號功率小，使用+5v的電壓，汽車上執(zhí)行機構的電源大多數(shù)是蓄電池，需要將微處理器的控制信號通過輸出處理電路處理后再驅動執(zhí)行機構。,1.3 輸出處理電路,ECU一般帶有電池和內置電源電路，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)動機啟動工況等使汽車蓄電池電壓有較大波動時，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 汽車電子總體設計流程,整體性原則：考慮機械設計和電子設計、液壓、氣動設計的特點，先進性與可靠性結合。 協(xié)調性原則：使汽車各子系統(tǒng)滿足整車控制水平，并對各自不同的系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的約束。 適應性原

5、則：對汽車行駛的各種條件和工況能有好的適應能力，承受各種干擾；能主動適應條件的變化。 可靠性原則：能抵御污染物侵蝕破壞；能耐受負荷突變或過載；能抵御電磁和環(huán)境干擾。 低成本原則：良好的性價比。,明確設計要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結構模型和控制模型 系統(tǒng)結構設計 軟件設計 系統(tǒng)調試 反饋設計信息,修改模型 系統(tǒng)測試,2.1 汽車電子總體設計流程,包括所要具有的功能和配置，傳感器和執(zhí)行機構等輸入輸出環(huán)節(jié)，控制結構和系統(tǒng)控制電路的操作步驟。,明確設計要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結構模型和控制模型 系統(tǒng)結構設計 軟件設計 系統(tǒng)調試 反饋設計信息,修改模型 系統(tǒng)測試,2.1 汽車電子總體設計流

6、程,在進行系統(tǒng)設計時，首先根據需要完成系統(tǒng)結構的綜合描述，建立詳細的系統(tǒng)需求模型。,明確設計要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結構模型和控制模型 系統(tǒng)結構設計 軟件設計 系統(tǒng)調試 反饋設計信息,修改模型 系統(tǒng)測試,2.1 汽車電子總體設計流程,軟、硬件設計平行、交叉進行。有的功能既可由硬件實現(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。,明確設計要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結構模型和控制模型 系統(tǒng)結構設計 軟件設計 系統(tǒng)調試 反饋設計信息,修改模型 系統(tǒng)測試,2.1 汽車電子總體設計流程,進行系統(tǒng)硬件的總體設計，確定輸入輸出處理方法，估計所需ROM和RAM的容量等;同時

7、還要考慮到開發(fā)時間、費用、ECU的結構形式和尺寸等情況。,明確設計要求 建立系統(tǒng)需求模型 建立系統(tǒng)結構模型和控制模型 系統(tǒng)結構設計 軟件設計 系統(tǒng)調試 反饋設計信息,修改模型 系統(tǒng)測試,2.1 汽車電子總體設計流程,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。,汽車ECU中微處理器經常要進行大量的I/O操作，而要實現(xiàn)高精度和實時控制，能夠同時進行多種獨立的控制操作。 為此，微處理器必須具有高速計算、高速實時輸入和輸出、高速A/D和D/A轉換、多中斷響應等持性。 綜合考慮成本等因素，不應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； 具有A/D、D/A功能； 有處理“死機”的能力； 有強大的中斷處理能力。,按功能分類 通用單片機 通用可編程DSP 專用DSP 按位處理能力分類 4位機 8位機 16位機 32位機,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，對其進行仿真； 應用時，把開發(fā)成功的控制程序固化在程序存儲器中。,2.3 控制程序的設計開發(fā),用流程圖給出開發(fā)步驟，并檢查確認與系統(tǒng)總體設計不存在相抵觸的地方。 按流程圖編寫源代碼，編譯成目標程序。 編程后進行仿真模擬，以檢驗能否正確運行

9、。,2.3 控制程序的設計開發(fā),在實際的電路系統(tǒng)中進行硬件和軟件的綜合調試。 系統(tǒng)調試好以后，就把開發(fā)好的程序固化在程序存儲器中。,2.3 控制程序的設計開發(fā),程序組成模塊 計算 控制 檢測與診斷 管理 監(jiān)控,編程所用語言 匯編語言 ASM 高級語言 控制用高級語言 C語言、VB、VC 多任務操作系統(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,自適應控制,滑?？刂?模糊控制,神經網絡控制,預測控制,控制理論：,PID控制,P-比例 I-積分 D-微分 PID控制理論是經典的控制理論，技術成熟，應用廣泛，是實現(xiàn)連續(xù)控制最簡單的算法。 PID控制方

10、法在汽車動力傳動控制中得到應用。,2.4 ECU的控制程序,自適應控制,滑?？刂?模糊控制,神經網絡控制,預測控制,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。 使得評價控制系統(tǒng)性能的二次型目標函數(shù)為最小。 最優(yōu)控制法在汽車懸架控制中得到應用。,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,神經網絡控制,預測控制,自適應控制,隨被控對象模型的變化自動變化。 自動測量和分析輸入信號及受控對象特性，計算系統(tǒng)的變化情況。 計算出相應的控制或調整策略。 優(yōu)化模型參數(shù)，是模型逐步完善。 在汽車主動懸架上的到應用。,

11、控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應控制,模糊控制,神經網絡控制,預測控制,滑?？刂?是一種非線性控制系統(tǒng)的控制方法 它根據系統(tǒng)的即時狀態(tài)、偏差及其導數(shù)，在不同的控制區(qū)域，以理想開關的方式，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)域來回運動（變更運動方向），即沿切換線上滑動。 在汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)上應用,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應控制,滑模控制,神經網絡控制,預測控制,模糊控制,模糊控制是對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)學模型，而對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，具有很強的魯棒性。 它的控制算法是基

12、于模糊數(shù)學若干條控制規(guī)則，算法非常簡潔。 在汽車自動離合器上應用。,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應控制,滑?？刂?模糊控制,預測控制,神經網絡控制,神經網絡是仿真人的神經網絡，實現(xiàn)人工智能的一種途徑。它具有記憶經驗和識別環(huán)境的能力，并能按一定的規(guī)律改變自己的結構或工作程序。即具有比較強的自學習能力。它的學習過程是由前向計算過程、誤差計算和誤差反向過程組成。 在汽車四輪轉向控制中應用。,控制理論：,2.4 ECU的控制程序,PID控制,最優(yōu)控制,自適應控制,滑?？刂?模糊控制,神經網絡控制,預測控制,基于模型的控制算法，預測模型是在對象運行過程中直接獲得，只強

13、調功能而不強調其結構形式，所以模型的形式可以多種類型。預測模型可以像系統(tǒng)仿真時一樣，任意的制定控制策略，通過不斷觀察對象在不同控制策略下輸出的變化進行自動優(yōu)化。 在汽車發(fā)動機怠速控制中應用。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,輸入系統(tǒng)受干擾，使模擬信號失真，數(shù)字信號出錯。 輸出系統(tǒng)受干擾，使各輸出信號混亂，不能正常反應ECU的真實輸出。 微處理器受干擾，使三總線上數(shù)字信號錯亂，程序失控、死機 抗干擾設計中，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，使A/D轉換結果偏離真實值。經過多次采樣后得到一個A/D轉換的數(shù)據系列，經過數(shù)據分析處理后得到可信度較高的結果。這種從數(shù)據系列中提取逼近真值數(shù)據的軟件算法，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機時。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,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,是一個定時器電路, 一般有一個輸入,叫喂狗,一個輸出到CPU的RST端。 CPU正常工作時,每隔一段時間輸出一個信號到喂狗端,給 WDT 清零，如果超過規(guī)定的時間不喂狗

15、,(一般在程序跑飛時)，WDT 定時超過,就回給出一個復位信號到CPU，使CPU復位。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硬件抗干擾設計,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，進行特定的處理。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,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，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時性。 選用優(yōu)良的器件，對系統(tǒng)可靠性有很大的意義。 繼電器、接觸器等感性負載生產的反電勢可用并

16、聯(lián)二極管，或外接如RC電路的辦法加以抑制。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,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/電感和電容構成的網絡，把疊加在有用信號上的噪聲(干擾信號)分離出來。抗干擾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期值。濾波器對感性負載瞬變噪聲干擾有很好的效果，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硬件抗干擾設計,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、金屬殼盒式等實心型屏蔽，也有金屬網式非實心屏蔽等。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,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重要措施。導線的種類、線徑的粗細、走線的方式、線間的距離、導線的長短、捆扎或紋合、布線的對稱性等都對線路中的電感、電阻和噪聲耦合有直接影響。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,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)結構設計、電路設計、器件組裝及現(xiàn)場安裝等過程中的一個重要環(huán)節(jié)

18、，是實時系統(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、機殼地(屏蔽地)、數(shù)字地和模擬地等。,2.5 ECU硬件抗干擾設計,接地技術：,在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHs時，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)流對干擾影響很大，因而屏蔽線采用一點接地； 當信號的工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應用就近多點接地方法。,1）單點接地與多點接地的選擇,接地技術,電路板上既有高速邏輯電路又有線性電路，應使它們盡可能分開，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：,接地用線細，接地電位則隨電流的變化而變化，使微處理器的定時信號電平不平穩(wěn)，抗干擾性能變壞。 應將地線加粗，使它能通過三倍干印刷電路板上的允許電流。,3）接地線應盡量加粗,接地技術：,對于只有數(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