汽车电子控制技术概述

模块1车身计算机系统课题1.1车身计算机结构和原理课题1.2信号输入装置课题1.3执行器课题1.4车身计算机系统的诊断基础课题1.5计算机电源电压及接地线路的检测课题1.6执行器检测课题1.7传感器检测课题1.1车身计算机结构和原理计算机是存储并处理数据的电子设备，也用于控制其他部件的设备。车身计算机在汽车上的使用已十分广泛，包括温度控制、照明电路、巡行车速控制、制动防抱死和安全气囊等。在有些系统中，转向灯、后窗电子除雾器和间歇式刮水器系统等也被包括在车身控制器的功能之中。车身计算机系统主要由信号输入装置(传感器)、车身计算机(BCM)和执行器组成。下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理一、车身计算机的基本功能车身计算机是由输入/输出(I/0)接口、中央处理器(CPU)和存储器(又称“内存”)等组成，车身计算机所具有的基本功能如下。(1)输入:来自输入设备的电压信号。该设备可以是一个传感器或由驾驶员控制的开关;(2)处理:计算机使用输入的信息并把它与编程指令进行比较。逻辑电路把输入信号处理成输出需求;上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理(3)存储:程序指令存储在电子内存中。有些输入信号暂时存储，是为后面的处理做准备;(4)输出:计算机依据处理结果向输出设备发出控制指令。这些输出设备可能是仪表板显示器或者一个系统执行器。一台计算机的输出也可用做另一台计算机的输入。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理计算机接收到的电压信号有模拟信号和数字信号两类。许多来自传感器的输入是模拟变量。例如，温度从低到高的连续变化，温度传感器的输出也是连续变化。与模拟信号表示法相比，数字电压波形是方形的，从一个电位到另一个电位的变化是突然的，如图1-1所示。数字电压由通/断或高/低电压所产生，图1-2是一个最简单的数字电压产生器。电源参考电压是5V，开关打开时电压传感器会读出5V的高电压，开关闭合时电压传感器的读数接近为0V计算机包含一个由晶体振荡芯片构成的时钟电路，芯片产生了一系列非常规则的电压脉冲，并为每个脉冲发射一位二进制码，维持计算机中有秩序的信息流，如图1-3所示。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理二、输入/输出接口使用输入或输出信号时，可能要对之进行调节。这种调节可能包括信号放大和信号转换。有些输入传感器产生小于1V的低电压，这类信号在被发送到微处理器之前必须被放大。放大过程是由计算机内部的输入调节芯片中的放大电路完成的，如图1-4所示。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理为了让计算机从传感器接收信息并向执行器发出命令，必须设计接口电路，即输入接口电路和输出接口电路。接口被用来保护计算机免于过电位并转化输入和输出信号。数字计算机不能直接处理传感器的模拟信号，必须通过输入接口把模拟信号转换成数字信号。模/数(A/D)转换器持续地每隔一定时间扫描模拟信号。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(图1-5)。一些执行器可能要求模拟信号，输出接口中的数/模(D/A)转换器把微处理器输出的数字指令转换成模拟信号输出。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理三、中央处理器中央处理器(CPU)是计算机的“大脑”。CPU由数千个放在一块小的芯片上的晶体管组成。CPU把信息放进或从计算机内存中取出信息。输入信息在CPU中接受处理并与内存中的程序核对。CPU根据程序指令进行信息运算和逻辑判断。一旦完成了全部的计算，CPU就会发出命令，矫正或调整受控系统的运行，如图1-6所示。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理程序是一套计算机必须遵循的指令。计算机所使用的程序用一系列数字被“烧”进了集成电路(IC)芯片中。这些数字代表了计算机能理解的电压的不同组合。程序指导微处理器进行决策。例如，程序可能在传感器信息应该取回时通知微处理器，然后告诉微处理器怎样解释该信息。最后，程序指导微处理器进行继电器和电磁阀等输出控制设备的激活。计算机内存中储存着微处理器要引用的程序和其他汽车数据。微处理器通过内存信息读写，执行计算和决策。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理CPU的主要元件如图1-7所示。所使用的寄存器包括累加器、数据计数器、程序计数器和指令寄存器等。算术逻辑单元(ALU)执行算术及逻辑的功能。计算机要求一种存储永久和临时数据的方法。内存包含许多不同的位置。这些位置类似文件柜中的文件夹，其每个位置包含一块信息。每个内存位置被分配给一个地址。该地址可以与文件夹上的字母或数字排列相比拟。每个地址用二进制码表示。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理当发动机正在运行时，发动机的计算机从传感器接收大量的信息。该计算机可能不会立即处理全部信息，而是通过指定某内存地址，并把信息写进内存之中。当需要被存储的信息时，微处理器指定存储信息的地址并请求该信息，内存把该信息的一份拷贝发送到微处理器。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理四、计算机常用的几种类型内存芯片如下(1)只读存储器(ROM)。用于存储永久的程序和数据。该信息被用来指导计算机响应输入数据时怎么做。CPU读出存储在ROM中的信息，但它不能向ROM中写入或改变信息。ROM是被编程的固定存储器。该内存在计算机掉电时不会丢失。ROM包含公式、标定等。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理(2)随机存取存储器(RAM)。用于存储由CPU读写的临时信息。RAM存储等待读取的输入信息以及等待发送到输出设备的输出信息。只要电流流经内存，数据就会被保存在RAM中。通过点火开关与蓄电池相连的RAM会在开关切断时丢失数据。(3)可编程序的只读存储器(PROM)。存储在PROM中的信息是全部计算机逻辑的基础，存储着特定汽车的控制数据和运行参数。许多情况下，在相同厂商的不同车型之间，计算机是可互换的，但PROM不可互换，每一型号的车型都对应特定的PROMO上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理(4)可擦可编程只读存储器(EPROM)oEPROM与PROM是相似的，其内存可被擦除以允许安装新的数据。当微电路被紫外线照射时，紫外线会擦除其内存。(5)电可擦除只读存储器(EEPROM)。允许用电每次改变一位信息。有些厂商利用这种类型的内存来存储关于里程、汽车识别号和选项的信息。EEPROM可以通过数据链路连接器(DLC)与了家的专门诊断设备相连接，进行重新编程。)上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理五、信息处理过程以进气温度(ACT)传感器的输入为例，说明计算机如何处理信息。如果空气温度低，则空气的密度高;空气温度高，则密度小。冷而稠的空气比较稀、较热空气需要更多的燃油。微处理器必须供应与空气温度和密度有关的正确量的燃油。上一页下一页返回课题1.1车身计算机结构和原理ACT传感器被放置在进气歧管里面以监测空气的温度。该传感器包含一个负温度系数的热敏电阻元件，电阻随着传感器温度的增加而减少。当ACT传感器温度低时，它向计算机发送一个高的模拟电压信号，同时A/D转换器把该信号转换成一个数字信号。当微处理器接收该ACT信号时，它调用ROM中的数据表。这些表为每个空气温度列出了空气密度。该密度的空气信息被中继到微处理器，并且微处理器操作输出激励器和喷油器以供应发动机需要的正确量的燃油，如图1-8所示。上一页返回课题1.2信号输入装置车身计算机输入信号可以来自其他计算机、驾驶员、技术员或各种传感器。驾驶员按动某个开关，提供一个输入信号，计算机接收该信号并执行特定的功能。例如，驾驶员希望重新设定在数字仪表板上的旅程计，按下复原按钮，该按钮会提供一个暂时的接地，计算机把该接地作为一个输入而接收，并把旅程计设为“0”。传感器是车身计算机最主要的输入装置，它把汽车的运行参数转换成电气信号输入计算机。传感器类型多种多样，有简单开关，也有物理的、化学的测量装置。下一页返回课题1.2信号输入装置一、热敏电阻器热敏电阻器用于传感发动机冷冻剂或环境的温度。它是一种固态可变电阻器，该电阻器由相对于温度的变化而改变电阻的半导体材料制成。通过监测热敏电阻器的电阻值，计算机可观察非常小的温度变化。计算机发送一个参考信号经一固定电阻器到热敏电阻器(通常是5V)。随着电流经热敏电阻器接地，电压感应电路测量热敏电阻上的电压降，如图1-9所示，其电压降会随着热敏电阻器电阻的改变而改变，计算机将该电压降编译成一个温度值。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置热敏电阻器有两种类型:负温度系数(NTC)热敏电阻器和正温度系数(PTC)热敏电阻器。NTC热敏电阻器随着温度的增加而减少其电阻，而PTC热敏电阻器随着温度的增加而增加其电阻。NTC较为常用。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置二、惠斯通电桥如图1-10所示，惠斯通电桥是一种在一个输入接线柱和接地之间串并联排列的电阻器。通常其中三个电阻器完全相同，第四个是传感电阻器。当全部电阻器的电阻相同时，桥是平衡的，电压传感器会指示0V。例如，假设参考电压是5V,电阻器有相同的电阻值，那么每个电阻器上的电压降是2.5V，此时，电压表的读数为0V。如果传感电阻器的电阻值发生变化，则电桥平衡就会发生改变。该传感电路会收到一个与电阻改变量成比例的电压读数。如果利用惠斯通电桥测量温度，则温度的变化被传感电路表示成一个电压的变化。惠斯通电桥也可用来测量压力和机械的应变。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置惠斯通电桥常用于热线式空气流量(MAF)传感器。该传感器由热线式电阻、固定电阻和电子信号处理电路组成。热线和固定电阻形成了惠斯通电桥，传感电压取决于热敏电阻器的温度。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置三、压电器件压电器件常用于测量流体、空气或振动的压力。例如，发动机爆震传感器，该传感器测量发动机的敲缸、或者振动，并把振动转换成电压信号。爆震传感器由压电器件和一个与之串联的电阻器组成，电阻器用于保护传感器免于过电流。压电器件是一块薄的附属于金属膜片的陶瓷盘。当发动机发生敲缸时，噪声的振动对膜片陶瓷盘中的压电晶体上施加压力，陶瓷盘产生一个与压力成正比的电压，电压产生的范围从0～1V或更大。每次发动机敲缸，传感器产生电压尖峰。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置四、压阻器件压阻器件与压电器件在结构上很类似，但工作原理完全不同。在压阻器件中的传感器像一个可变电阻器。其电阻值随着施加在晶体上的压力大小而改变。计算机向传感器电路提供了一个恒定的参考电压。传感器上的电压降会随着电阻的变化而变化，因此，控制模块能通过测量传感器的电压降而确定施加在晶体上的压力。压阻器件通常用于仪表的传感器。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置五、电位计如图1-11所示，电位计是一种可变直流分压器，由可移动滑动片和一个线绕电阻器组成。接线柱A是计算机提供的恒定的参考电压(通常为5V)。如果滑动片位于靠近该接线柱的位置，接线柱B提供给计算机的高电压信号。随着滑动片朝C接线柱移动，接线柱B的传感器信号电压减小。电位计用于测量线性的或旋转的运动，计算机将这些不同的电压值编译成不同的运动位置。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置六、磁脉冲信号发生器磁脉冲信号发生器是利用磁感应原理来产生电压信号，常用于监测元件的转例如，磁脉冲式车轮传感器，向计算机提供车轮速度信息，控制仪表、巡防抱死制动、速度感应式转向和行驶平顺性等自动控制系统。磁脉冲信号发速行生器也用于监测元件的位置，例如，在发动机控制中，计算机需要知道曲轴的精确转角位置。上一页下一页返回课题1.2信号输入装置如图1-12所示，磁脉冲信号发生器由定时盘、拾取线圈、永久磁铁等组成。安装在旋转轴上的定时盘有若干个凸齿，齿数由制造商随应用而定。永久磁铁上的拾取线圈由细金属丝缠绕而成。在定时盘和拾取线圈之间留有很小的空