汽车电气与电子系统8

第８章车身计算机介绍124335８.１概述８.２模拟与数字电路原理８.３二进制数字８.４信号调节与转换８.５中央处理器下一页返回第８章车身计算机介绍6793810８.６计算机内存８.７适应策略８.８信息处理上一页返回８.９逻辑门８.１０输入第８章车身计算机介绍111331214８.１１输出８.１２传感器８.１３“多路”系统８.１４小结上一页返回８.１概述当今的汽车已由简单的机械控制，发展为由几十台电脑、几百个传感器组成的集计算机技术、光纤传输技术、新材料技术为一体的高科技集成物，它从动力性、舒适性、安全性、经济性、排放性等各方面进入了智能化控制的高级阶段。突出表现在如下系统：①动力系统：采用怠速电子控制、点火电子控制、燃油电子控制、自动变速器电子控制、排放电子控制、故障诊断和自诊断电子控制、凸轮轴驱动系统智能化控制、可变配气相位智能控制、可变气缸压缩比智能控制、自动切断气缸技术、缸内喷射智能控制以及压缩比智能控制等技术。②信号系统：车载计算机、车载网络系统、多功能行车记录和处理、自动导航及信息处理、电子地图等网络技术。下一页返回８.１概述③舒适性系统：自适应电子空气悬挂、智能空调、人机工程智能座椅、智能后视镜、中央门控。④安全性系统：ＡＢＳ、ＥＢＤ、ＥＳＰ系统、测距报警、雷达智能控制刹车系统、智能助力刹车系统、自动充气轮胎气压监测、智能钥匙、网络防盗、驾驶员疲劳监测控制、夜视行车智能控制、环形安全气囊控制、智能安全带、行车事故报告技术、声控指令等安全电控技术。以上这些智能化技术使汽车的性能和质量发生了划时代的变化。这巨大的变化得益于计算机广泛应用于汽车技术。计算机简称为微机，俗称电脑，能根据需要把各种传感器输入的信号用内存的程序和数据进行运算处理，并把处理的结果输出给电路。微机内部由中央处理器（ＣＰＵ）、存储器及输入／输出（Ｉ／Ｏ）装置等组成，如图所示８－１所示。上一页下一页返回８.１概述微机本身有一套计算的规则，每一条规则就是一条“指令”，所有的指令构成了计算机的指令系统。计算机不同的控制功能由不同的指令组合实现，这种不同的指令组合就是不同的“程序”，所有的程序构成了计算机的“软件”，程序在中央处理器（ＣＰＵ）的“指挥”下完成计算和逻辑判断功能，中央处理器内的寄存器俗称“内存”可提供计算、逻辑运行、数据暂存和交换的空间。存储器和输入输出装置以ＣＰＵ为中心，利用信息传送通道连接起来。信息传送通道有几种：一种有进行数据互换的数据信息传送通道，一种是指定存储器和输入输出地址的信息传递通道，一种是控制系统工作的管理信息传递通道。另外，为了使控制同步，可以使用晶体管振荡器的基准信号发生器，实现微机总体同步控制。上一页下一页返回８.１概述１.中央处理器如图８－２所示，中央处理器（ＣＰＵ）由进行数据运算和逻辑运算的运算器、暂时存储数据的寄存器、按照程序进行各装置之间信号传递及控制任务的控制器等构成。２.存储器存储器具有记忆程序和数据的功能，分只读存储器（ＲＯＭ）和随机存储器（ＲＡＭ）。只读存储器（ＲＯＭ）是读出专用存储器，内容一次写入后不能变更，只可以调出使用。另外，即使切断电源，其记忆内容也不丢失，所以适用于对程序和数据的长期保留。上一页下一页返回８.１概述还有一种遇紫外线时其记忆内容便消失，而且内容也可以改写的存储器———ＥＰＲＯＭ。随机存储器（ＲＡＭ）既能读出，也能写入记忆在任意地址上的数据；但是，如果切断电源，记忆的数据就消失。所以，ＲＡＭ适用于对中途处理数据的暂时保留，如用于汽车故障码的储存。３.输入／输出装置输入／输出装置是根据ＣＰＵ的命令，在外部传感器和执行件之间执行数据传送任务的装置，称之为Ｉ／Ｏ。微机一般按数据的字长、芯片的构成进行分类。１）按字长及主频分类上一页下一页返回８.１概述字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。如一台计算机的字长为８，另一台的长为１６，那么１６位字长的计算机要比８位字长的计算机处理信息快。计算机的速度主频指ＣＰＵ工作时的时钟脉冲频率，单位ＭＨｚ。主频反映计算机处理信息的速度，如上海桑塔纳２０００型轿车用的微机字长为３２位、主频为８ＭＨｚ。２）按芯片构成分类：分为单板机和单片机。①单板机单板机又称为多片微机，如图８－３所示。该种微机由各自独立的中央处理器（ＣＰＵ）、输入／输出装置（Ｉ／Ｏ）、存储器三种大规模集成电路构成。由于这些集成电路同装在一块元件板上，故称为单板机。上一页下一页返回８.１概述②单片机如图８－４所示把中央处理器（ＣＰＵ）、输入／输出装置（Ｉ／Ｏ）和存储器全部集成在一块大规模集成电路芯片上的微机称位单片机。由于单片机性能好、轻便、体积小、价格便宜，因此被广泛运用。计算机是存储并处理数据的电子设备，同时还能控制其他设备。本章将介绍用来控制汽车许多附属装置的数字计算机的基本理论和工作原理。在汽车上，计算机的使用已扩展到包括若干功能的控制和操作，如温度控制、照明电路、巡行车速控制、制动防抱死、电子悬架系统和电子传动等，它们中有些是被称为车身计算机模块（ＢＣＭ）的功能。上一页下一页返回８.１概述计算机处理仪表信号（数据）的物理状态。计算机的操作被分为四个基本功能为：①输入功能：传递来自输入装置的电压信号。输入装置通常是传感器或技术员（或驾驶员）启动的开关。②处理功能：计算机采集输入信号，并将它与程序指令比较，逻辑信号加工成输出指令。③存储功能：程序指令被存入电子存储器，也存储一些供以后处理的输入信号。④输出功能：计算机处理完传感器输入的信息，并核对其程序指令之后，便给各种输出装置发出控制指令。这些输出装置是仪表板显示器或系统执行器。一台计算机的输出还可以用作另一计算机的输入。了解这四项基本功能，有助于诊断故障的所在。上一页返回８.２模拟与数字电路原理电流之所以流过导体，是电压的“推动”作用。电压还能用作信号，例如电位差、频率变化、从正到负的切换都能被用来作信号之用。计算机只能读电压信号，计算机的程序是一套计算机必须遵循以获得期望结果的指令。是“烧制”入集成电路芯片（ＩＣ）的一串数字，这些数字代表不同电压的组合，计算机能识别这样的组合，输入计算机的电压信号，既可以是模拟的也可以是数字的，来自于传感器的信号大多数是模拟变量信号，例如气温传感器不会突然的改变，温度从低到高以无穷步变化。一些别的输入也是如此，例如发动机转速、汽车速度燃油流量等。与模拟电压信号表示方法相比，数字电压信号的图形是方形的，如图８－５所示，其原因是从一个电位到另一个电位的变化时突然的。下一页返回８.２模拟与数字电路原理数字电压信号由通／断或高／低电压不断产生的，最简单的数字信号发生器是一个开关，如图８－６所示。如果应用到电路的电压是５Ｖ，则在开关打开时，电压传感器读数接近５Ｖ（一个高电压值）；开关闭合，会导致电压传感器读数几乎为０Ｖ，这样进行的电压降测量，便把这数字信号发送给计算机。以一串数字代表此电压值，便产生二进制码。二进制码由数字１和０表示，任何数字或单词被译成二进制１和０的组合。计算机所指的“程序”是计算机必须遵循的过程，经过这些过程才能达到预期效果的一组指令。模拟信号是指在给定范围内是无穷可变或被改变的电压信号，数字信号是指一个电压信号通－断、有－无或高－低等两种状态。上一页下一页返回８.２模拟与数字电路原理电子计算机广泛地应用于汽车技术，如汽车发动机、底盘各系统、车身、用电设备及通信、信息等系统的控制。电子控制系统基本上由传感器、电子控制单元（ＥＣＵ）、执行器三大部分组成，如图８－７所示。现代汽车是以电控单元（ＥＣＵ）为控制中心，利用安装在汽车上不同部位的各种传感器，测出汽车运行中各种参数物理量，按照汽车制造厂在电控单元中设定的控制程序，根据该物理量精确的控制执行器，使汽车在各种工况下都能获得最佳的使用性能。上一页下一页返回８.２模拟与数字电路原理如汽油发动机（ＥＦＩ）控制系统能根据吸入发动机的空气量和发动机转速确定混合气的浓度，计算出基本的喷油时间和喷油量，再根据各传感器输入信号进行修正得出总的喷油时间和总的喷油量，最后向执行器即喷油器发出喷油指令，喷油器喷油，从而达到精确控制汽油喷射量的目的。喷油器精确喷油是由ＥＣＵ控制的输出电流的时间和脉冲的宽度来决定的，通电的时间长，电脉冲的宽度宽，喷油量就多，反之则少。ＥＣＵ除了控制燃油喷射外，还控制点火时间和怠速控制等多种功能。计算机ＥＣＵ由输入电路、数模转换器、计算机、输出电路等部分组成，如图８－８所示。上一页下一页返回８.２模拟与数字电路原理如前所述，输入ＥＣＵ的传感器信号有两种：一种是模拟信号，例如翼板式空气流量计的输出信号和水温传感器的输出信号等；另一种是数字信号，例如节气门位置传感器的输出信号和转速传感器信号等。从传感器输来的信号输入ＥＣＵ时，先通过输入电路除去杂波并把正弦波转变为矩形波后，再转换成输入电信号，如图８－９所示。数字信号直接输入ＥＣＵ，模拟信号由Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号之后再输入ＥＣＵ。如图８－１０所示。ＥＣＵ输出的数字信号电压较低，不能驱动执行器，需要采用输出驱动电路，如图８－１１所示，将之转换成可以驱动执行器的功率输出信号上一页返回８.３二进制数字计算机中的计算机参数或物理量通常采用二进制数，因为电子元器件最容易实现的是电路的通断、电位的高低、电极的正负，在逻辑学中也常常用到二值逻辑，而且两状态的系统具有稳定性以及抗干扰性等特性。另外，采用二进制数可以保证在计算机中进行数据传递时不产生差错同时减少计算机硬件的成本。二进制数只有“０”和“１”两个数码、而且由低位向高位进位逢二进一。充当继电器作用的晶体管是数字计算机的基础，当输入信号由断开变为接通时，晶体管输出便从截止变成饱和。“通”和“断”的输出信号，代表二进制数１和０。计算机将数字信号转化成二进制码，过程是把高于某定值的电压转换成１而把低于某定值的电压转换０，再把这数字电压转换成二进制代码，如图８－１２所示。下一页返回８.３二进制数字当开关打开并且测得５Ｖ电压时，该电压值被转换成１（高电压）。当开关闭合时，测得的电压值是０Ｖ，每个１或０代表一位信息。二进制系统整个数字从右到左而排列，由于系统只使用两个数字，所以第一部分必须是１或０。要写数值２，必须用第二位。按二进制数值２就用１０表示（一个１和一个０）依此类推，数值３就用１１表示（一个１和一个１）。表８－１列出了二进制数与十进制数的转换。例如热敏电阻检测得到的温度是１５０℃，那么二进制码便是１００１０１１０，如果温度升到了１５１℃，二进制码变为１００１０１１１上一页下一页返回８.３二进制数字计算机装有一个能发出恒定时间脉冲的晶体振荡器（或时钟）或能释放不变的时间脉冲的时钟电路。时钟是在一定的电位处经受电流时电动振动的晶体。结果芯片产生了一系列非常规则的电压脉冲，每个脉冲传递一位二进制数，如图８－１３所示。上一页返回８.４信号调节与转换输入或输出信号因使用需要进行调节，调节的目的是放大或转换信号。有些输入传感器产生非常低的电压（小于１Ｖ），该信号也有极低的电流。因此，这类信号在被送到微处理器（ＣＰＵ）之前必须放大（或者增加），放大是通过在计算机内部输入的调节芯片中的放大电路完成的，如图８－１４所示。为了计算机能接收来自传感器的信息和向执行器发送指令，需要有接口。计算机有两种接口电路：输入和输出。接口电路用来保护计算机免于出现过电压并转化输入和输出信号，数字计算机不能接收来自传感器的模拟信号，需要通过输入接口将模拟信号转换成数字信号。下一页返回８.４信号调节与转换同时，有些受控的执行器也许需要模拟信号，在此情况下要用到模数（Ｄ／Ａ）转换器。模数（Ａ／Ｄ）转换器持续地每隔一定的时间扫描模拟信号。例如，如果Ａ／Ｄ转换器扫描ＴＰＳ信号并发现信号在５Ｖ处，则Ａ／Ｄ转换器给该特定的电压分配一个数字值，然后Ａ／Ｄ转换器把该数字值变成一个二进制码，如图８－１５所示。上一页返回８.５中央处理器中央处理器（ＣＰＵ）是计算机的大脑，ＣＰＵ由数千个晶