汽车最强大脑ECU和单片机是什么关系

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当前新能源汽车热潮如火如荼,对于整个产业来说,都需要认真思考如何用技术创新去赋能。12月2日即将举行的 “2021国际汽车电子创新发展论坛”,邀请上汽智己、大陆集团、Infineon、瑞萨电子、江波龙、思特威、Valens Semiconductor 、芯海科技、纳芯微、Power Integrations、大唐恩智浦、均胜、顺络等整车厂商、Tier 1零部件供应商、汽车半导体厂商,共同探讨汽车电子的设计、供应链、测试及质量控制等热点。


本期,我们来学习一些汽车电子方面的知识。


下图,据说这是某个F1赛车的动力总成ECU。



ECU的定义

ECU原来指的是engine control unit,即发动机控制单元,特指电喷发动机的电子控制系统。但是随着汽车电子的迅速发展,ECU的定义也发生了巨大的变化,变成了electronic control unit即电子控制单元,泛指汽车上所有电子控制系统,可以是转向ECU,也可以是调速ECU,空调ECU等,而原来的发动机ECU有很多的公司称之为EMS,engine management system。随着汽车电子自动化程度的越来越高,汽车零部件中也出现了越来越多的ECU参与其中,线路之间复杂程度也急剧增加。为了使电路简单化,精细化,小型化,汽车电子中引进了CAN总线来解决这个问题。因为CAN总线能将车辆上多个ECU之间的信息传递形成一个局域网络。有效的解决线路信息传递所带来的复杂化问题。

ECU的出现

在1967年之前,汽油机的供给系统是由化油器来供油的,这与今天的电喷发动机原理完全不同,化油器利用节气门前后的压力差吸油,不仅无法精准地控制燃油补给量,更制约了汽车动力性、环保性能的提升。一批企业因此开发了电子燃油喷射系统,最早的电喷系统是D-Jetronic,后期发展出了K-Jetronic和L-Jetronic,在电子技术介入后,开发了多套电子化管理的燃油喷射系统,其中KE-Jetronic就是今天被广泛采用的电喷技术,虽然各家企业的商品名不尽相同,但在构造上大同小异。

电喷系统的工作特性在于“定量、定时”喷射燃油,发动机需要多少燃油,在什么时刻喷入,这与发动机的转速、空气流量等有着直接的关系,此外还牵涉到水温、机油压力等各种各样的参数,这么多参数如何进行处理,并向喷射系统发出喷油指令呢?这就需要发动机控制单元的介入了,ECU应运而生。

ECU的基本组成

简单地说,ECU由微机和外围电路组成。而微机就是在一块芯片上集成了微处理器(CPU),存储器和输入/输出接口的单元。ECU的主要部分是微机,而核心部件是CPU。输入电路接受传感器和其它装置输入的信号,对信号进行过滤处理和放大,然后转换成一定伏特的输入电平。从传感器送到ECU输入电路的信号既有模拟信号也有数字信号,输入电路中的模/数转换器可以将模拟信号转换为数字信号,然后传递给微机。微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理,并将处理数据送至输出电路。输出电路将数字信息的功率放大,有些还要还原为模拟信号,使其驱动被控的调节伺服元件工作。,例如继电器和开关等。因此,ECU实际上是一个“电子控制单元”(Electronic Control Unit),它是由输入处理电路、微处理器(单片机)、输出处理电路、系统通信电路及电源电路组成,的结构如图1所示。


图1

详细的来说,ECU一般由MCU,扩展内存,扩展IO口,CAN/LIN总线收发控制器,A/D D/A转换口(有时集成在CPU中),PWM脉宽调制,PID控制,电压控制,看门狗,散热片,和其他一些电子元器件组成,特定功能的ECU还带有诸如红外线收发器、传感器、DSP数字信号处理器,脉冲发生器,脉冲分配器,电机驱动单元,放大单元,强弱电隔离等元器件。整块电路板设计安装与一个铝质盒内,通过卡扣或者螺钉方便安装于车身钣金上。ECU一般采用通用且功能集成,开发容易的MCU;软件一般用C语言来编写,并且提供了丰富的驱动程序库和函数库,有编程器,仿真器,仿真软件,还有用于calibration的软件。下面的图2是使用较普遍的一种结构类型。


图2



ECU的基本机构体系

汽车电子控制系统包括硬件和软件两部分,硬件有电子控制单元(Electronic Control Unite)及其接口、传感器、执行机构、显示机构等;软件存储在ECU中支配电子控制系统完成实时测控功能。汽车上的大部分电子控制系统中的ECU电路结构大同小异,其控制功能的变化主要依赖于软件及输入、输出模块的功能变化,随控制系统所要完成的任务不同而不同, 而ECU的基本结构体系包括输入处理电路、微处理器、输出处理电路、电源电路。

在输入处理电路中,ECU的输入信号主要有三种形式,模拟信号、数字信号(包括开关信号)、脉冲信号。模拟信号通过A/D转换为数字信号提供给微处理器。控制系统要求模数信号转换具有较高的分辨率和精度(>10位)。为了保证测控系统的实时性,采样间隔一般要求小于4ms。数字信号需要通过电平转换,得到计算机接受的信号。对超过电源电压、电压在正负之间变化、带有较高的振荡或噪声、带有波动电压等输入信号,输入电路也对其进行转换处理。

而微处理器首先完成传感器信号的A/D转换、周期脉冲信号测量和其它有关汽车行驶状态信号的输入处理,然后计算并控制所需的输出值,按要求适时地向执行机构发送控制信号。过去微处理器多数是8位和l 6位的,也有少数采用32位的。现在多用16位和32位机。

在输出电路中,微处理器输出的信号往往用作控制电磁阀、指示灯、步进电机等执行件。微处理器输出信号功率小,使用+5v的电压,汽车上执行机构的电源大多数是蓄电池,需要将微处理器的控制信号通过输出处理电路处理后再驱动执行机构。
电源电路中,传统车的ECU一般带有电池和内置电源电路,以保证微处理器及其接口电路工作在+5v的电压下。即使在发动机启动工况等使汽车蓄电池电压有较大波动时,也能提供+5v的稳定电压,从而保证系统的正常工作,而电动汽车一般由蓄电池供电。

在软件方面,ECU的控制程序有以下几个方面:计算、控制、监测与诊断、管理、监控。执行如图3的控制模式:


图3

传统汽车ECU与电动汽车ECU的异同点

传统汽车ECU主要用于以下的方面:

1.发动机控制,点火,气门正时调节,节气门调节,启动电机调节,启动离合调节,喷油调节等
2.无极变速器控制,皮带位置调节,转速调节
3.自动变速箱控制,继电器或电磁换向阀控制
4.主动悬架,空气弹簧刚性和阻尼孔大小调节
5.驱动力以及防滑控制,包括:ABS 防抱死制动系统、EBD电子制动力分配、EBA紧急制动辅助装置、ESP 电控行驶平稳系统、TCS循迹控制系统、MSR发动机阻力矩控制、EDS电子差速锁、OBD车载自动诊断系统、DSC动态稳定控制系统
6.车身控制BCM,包括车窗升降(包括力传感-用于安全),天窗折叠、滑动,座椅升降调制,雨刮,除霜器等。
7.空调,采暖,通风控制,包括压缩机、冷凝器、蒸发器风扇,膨胀阀等控制
8.电子开关和照明,包括大灯、尾灯、显示背光,加减速,电台,CD等
9.ACC电子主动巡航控制
10.安全气囊自诊断和点爆控制
11.主动式安全带自诊断和点爆控制,回拉式安全带点爆控制
12.EPS转向控制,HPS转向控制
13.TPC胎压控制
14.汽车仪表
15.防盗报警
16.车尾高度平衡系统
17.智能传感器,即带ECU的传感器

电动汽车的ECU控制与传统相比有以下不同:

1.去除了发动机控制,添加进了电机及其控制系统
2.电池及其管理系统
3.车载充电机
4.车身低速总线控制系统
5.车载记录仪及运行分析系统
6.故障诊断及安全管理系统
7.车辆安全运行监控系统
8.车俩动力综合控制系统
9.应用于AMT的TCU控制

ECU的未来发展

我们不妨掰着手指头数数,到底有多少个系统需要控制系统。自动变速箱、ABS系统、车载娱乐影音系统、四轮驱动扭矩分配系统、主动悬挂系统、安全气囊+安全带系统等等 这么多系统,都有自己的传感器和处理器,进行单独的运算,井水不犯河水肯定不行。像AMT与电机之间是需要配合的,换挡过程需要VCU的配合,大脚油门时需要变速箱的降挡等等多种状态下,二者是需要共享一大堆数据的,例如电机的转速控制,自动变速箱重新建立一套传感器会造成成本浪费,而且也是不切实际的。最好的办法就是变速箱与发动机ECU共享数据,这就催生了ECU之间的信息网络系统——CAN数据总线。同样的CAN数据总线也在底盘电子设备上采用,例如ABS共享了底盘的诸多传感器参数。


图4

由图4可以知道,随着汽车电子的高度电子化,自动化,集成化,会有越来越多的ECU系统构建成一个汽车电子的局域网络CAN总线。集中综合控制、总线技术、汽车智能控制是未来汽车电子控制技术重点发展方向。集中综合控制指的是单片机的类型将会启用更高位数的,各系统ECU向综合一体发展,互联网技术将可能切入,车载PC融入等等。其中总线技术指的是各个ECU通过局域网技术实现车内互联,各ECU间信息共享。汽车智能控制指的是传感技术,图像识别技术,导航技术,将使汽车智能控制得到发展。CAN数据总线的发展必然将所有的控制系统集为一体。未来的ECU将会是强大的电脑系统,将整合电机及控制系统、自动变速箱、ABS系统、车载娱乐影音系统、四轮驱动扭矩分配系统、主动悬挂系统、安全气囊+安全带系统等等所有需要管理的部件,我们可以享受汽车影音系统,可以玩PC-Game,可以接受GPS信号,甚至连一个杯架都会处于ECU的管理之中。所以说ECU是汽车电子控制系统的核心技术。

最后说说ECU中的各种MCU

8位MCU:主要应用于车体的各个次系统,包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。

16位MCU:主要应用为动力传动系统,如引擎控制、齿轮与离合器控制,和电子式涡轮系统等;也适合用于底盘机构上,如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制,和电子帮浦、电子刹车等。

32位MCU:主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统(TelemaTIcs)、引擎控制,以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统,如预碰撞(Pre- crash)、自适应巡航控制(ACC)、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能,以及复杂的X-by-wire等传动功能。


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