计算机控制技术在汽车行业的应用PPT

汽车计算机控制系统★汽车计算机控制是指汽车中借助微处理器实现的控制，是汽车、机电、计算机、控制、传感器、执行器、网络等方面理论与技术的高度结合★汽车中以计...

汽车计算机控制系统★汽车计算机控制是指汽车中借助微处理器实现的控制，是汽车、机电、计算机、控制、传感器、执行器、网络等方面理论与技术的高度结合★汽车中以计算机作为控制与管理核心并能够实现特定功能的系统称为汽车计算机控制系统★汽车计算机控制系统分为动力与传动、安全性、舒适性、通信和多媒体四个集★汽车计算机控制系统的基本功能是信息和能量的传递、加工和比较，并根据信息改变控制系统的状态，达到预期的控制目标控制单元★控制单元是汽车计算机控制系统的重要组成部分，是控制系统的核心，对控制系统的控制效果起着至关重要的作用，也称为电控单元（ECU)或电控模块（ECM)★控制单元的主要任务是实时地采集数据、控制决策和控制输出★控制单元由硬件和软件构成。硬件是计算机控制系统的基础，软件则是计算机控制的灵魂硬件的实体结构★控制单元的实体结构可以分为壳体、插座、电路板和电子元器件等部分,典型的实体结构如图所示硬件的功能结构★不同控制单元的功能组成都是相似的，都可以分为电压调节器、微型计算机、输入信号处理电路和输出信号处理电路等，其结构如图所示电压调节器★电压调节器的作用是将汽车蓄电池电压转变为保证控制单元正常工作所需的恒定电压★电压调节器不仅必须具有高质量的电压调节和稳定能力，还必须具有可靠的保护和抗干扰能力微型计算机★微型计算机是控制单元的核心，微型计算机的硬件系统由微处理器（MPU）配以一定容量的随机存储器（RAM)、只读存储器(ROM)和输入输出接口(I1/O）电路等组成★汽车计算机控制单元中，微型计算机是单片机,单片机具有体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、系统设计灵活、使用方便、价格低廉、维护方便等优点★微型计算机构成图1）微处理器★微处理器由中央处理器（CPU)、存储器组和外设构成，它们之间通过总线进行联系2）存储器★存储器用于存储程序指令和数据，由许多具有记忆功能的存储电路组成，每个记忆存储电路称为一个存储位，可以存储一个二进制信息，每八个存储位构成为一个存储字节的基本存储单位3）输入输出（I/O）接口★输入输出接口是中央处理器与外部进行数据交换和下达控制指令的通道，是一类中间电路★对输入或输出信号进行缓冲、锁存和变换，使输入或输出信号在速度、频率、电平和时序等方面与中央处理器的工作相协调4）总线（BUS)★总线是单片机内部CPU、ROM、RAM和/O接口之间进行信息传递的连接电路★根据所传递的信息分为数据总线、地址总线和控制总线5）时钟发生器★时钟发生器是由石英晶体和电容组成并联谐振回路，所产生的时钟脉冲用于保证计算机的工作节拍6)计时器★计时器用于完成与时间有关的各种任务，诸如事件定时和计数、脉冲宽度和占空比测定等7）监测定时器★监测定时器也称看门狗，是一种以计数方式工作的定时器，用做监测微处理器的运行情况8）中断控制器★为了能够处理外界的异步事件，微处理器都设有中断控制器★在微处理器处理某事件的过程中，如果外界发生的事件具有优先处理权，将使微处理器中断当前所处理的事件，转而对紧急事件优先响应，待处理完紧急事件后再继续处理被中断的事件输入信号接口★输入信号接口也称为输入信号处理电路，是微处理器与外界联系的通道，如图所示1）模拟信号输入通道★模拟信号输入通道的任务是将传感器产生的模拟信号转换为数字信号后输入微处理器★模拟信号输入通道主要由信号处理器、多路选择开关、采样保持器和模数(A/D)）转换器组成2）数字信号输入通道★在汽车计算机控制系统中，尽管各种开关和许多传感器产生的是数字信号，但是，这些信号通常并不能直接由微处理器进行处理，还需要数字信号输入通道进行电平转换和去噪等处理输出信号接口★输出信号接口的作用是联系协调微处理器和执行器，由于微处理器形成的控制指令是低压脉冲信号，一般不能直接驱动执行器，需要通过输出信号接口将控制指令进行译码或数模转换和功率放大1）模拟信号输出通道★模拟信号输出通道主要由数模（DIA)转换器、多路选择开关和采样保持器等组成★模拟信号输出通道的作用是将微处理器产生的数字控制信号转变为能够驱动执行器的模拟信号2）数字信号输出通道★数字信号输出通道的作用是将微处理器产生的数字控制信号传输给由数字信号控制的执行器★数字信号输出通道分为由微处理器输出接口直接控制执行器、通过半导体开关元件控制执行器和通过继电器控制执行器等三种形式软件的功能结构★软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统★软件是计算机控制系统的灵魂和神经中枢，整个控制系统在软件的指挥下才能协调工作。★汽车计算机控制系统所要实现的控制功能决定了软件的结构，软件分为程序和数据两部分，结构如图所示程序结构★控制单元的结构、控制任务和控制策略决定了程序结构★汽车计算机控制系统的的程序一般包括匹配、控制、诊断、安全等功能部分★每一部分又由一系列用于完成特定任务的子程序构成，如控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测及报警程序等1）匹配部分★匹配部分的任务是保证控制系统内部能够正常协调地工作，一般包括微处理器和控制单元初始化、微处理器与外围设备的内部服务、输入输出信号的调制和滤波、驱动功率放大等2）控制部分★控制部分的任务是使汽车计算机控制系统实现其控制功能，是程序的主体部分，其结构由控制系统的控制任务和控制策略决定3）诊断部分★诊断与通信部分的任务是通过交互式通信对系统进行自检和对环境进行测试，用于确定系统的状态，判定故障的类型4）安全部分★安全部分的任务是监测控制系统的状态，在确定系统产生故障时，保证控制系统处于一定的安全水平，防止发生严重的后果★安全部分一般包括软件检测程序和异常处理程序⒉数据结构★数据是软件的支撑部分，是程序运行的基础，并与程序的特定部分相联系★汽车计算机控制系统软件中的数据可以分为固定数据和校正数据两类1）固定数据★在汽车计算机控制系统中，与系统固定特性相关的数据称为固定数据★固定数据是汽车计算机控制系统自身确定的特性参数，如系统中的执行器数量、受控对象的结构参数等2）校正数据★在汽车计算机控制系统中，与系统可变特性相关的数据称为校正数据★校正数据必须根据控制系统所装用的具体车型进行设定控制单元基本工作原理★控制单元的主要任务是按照软件的规定对输入信号进行处理，按照控制策略形成相应的控制指令，再向执行器输出驱动信号★控制单元的主要工作过程由微处理器完成，而微处理器是通过读取和执行一系列指令进行工作的，微处理器的工作原理如图所示执行器的定义★在汽车计算机控制系统中，执行器一般仅指由电控单元直接控制的作动元件，而不包括由作动元件控制的其他部分执行器的组成★执行器一般由信号转换部分、执行部分和动力部分构成执行器的分类按功能用途分以执行器在控制系统中的功能用途进行分类，一般以其功能作用命名，如喷油器、汽油泵、调压器、继电器、控制阀等⒉按能量形式分以执行器作动所需的能量形式分类，可以分为电磁式、电动式、压电式、磁致式、液压式、气压式、气动式、真空式、机械式、热能式和复合式等，如电动机、电磁阀、液压缸等按结构形式分按执行器的结构形式分类一般以能量分类为前提，例如，对于液压式执行器可以分为活塞式、膜片式、叶片式、齿轮式等，对于电动机可以分为串激式、并激式和永磁式等按作动形式分按执行器输出机构的运动形式可以分为直线式、转角式和旋转式等，如线性电磁阀、旋转电磁阀、步进电动机等按功能特性分在以功能用途或能量形式等分类的前提下，可以对执行器按其功能特性进行分类,如二位二通电磁阀、三位三通控制阀、通断电磁阀、比例电磁阀、步进电动机等总线通信与控制器区域网络★汽车计算机控制系统组成的控制器区域网络由总线在控制单元之间传输数据，可以使各个控制系统能够更好地匹配和协调，有利于改善控制系统的灵活性。控制器区域网络的结构★按照一定的通信协议通过数据总线和网络接口将汽车的电控单元、智能传感器、智能仪表等连接起来，就构成了车载控制器区域网络系统，网络中各节点之间可以进行安全、迅捷和高效的数据传输和共享★控制器区域网络主要由数据总线类型、拓扑结构和访问控制协议决定，其中数据总线和拓扑结构在很大程度上决定了可以传输的数据类型、通信速度、效率以及网络能够提供的应用种类CAN网络★控制器区域网CAN属于总线式串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性★CAN网络是一种多主总线、支持分布式实时控制的通信网络★CAN网络上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个多网络系统★汽车的不同计算机控制系统对于数据传输速率的要求也是不同的，而不同总线系统的性能和成本也是不同的★为了提高汽车计算机控制系统网络的性价比，汽车上经常并存着不同的总线控制器区域网络，将各计算机控制系统对数据传输速率的要求分类挂接在不同的总线网络中★为了在不同总线的网络之间实现信息共享，就需要在多个网络之间建立通信联系，为了使不同总线的网络之间实现无差错数据传输，就需要在不同的网络之间设置网关，如图所示为一种汽车的多网络互联系统无线通信网络★将汽车计算机控制网络与蓝牙技术结合，可以实现低成本的近距离无线连接，使各种计算机控制系统在无线状态下相互连接传递数据。