汽車電子控制單元ECU12024/5/6學習要求熟悉汽車電子控制單元ECU的基本功能和基本組成；熟悉瑪瑞利單點電腦的組成，掌握瑪瑞利單點電腦點火控制電路、點火監測電路和噴油控制電路的工作原理。22024/5/6以單片機為核心的汽車電子控制裝置，各生產廠家所稱名稱有所不同，有稱微處理機控制裝置─MCU，有稱電子控制組件─ECM，較多的是稱為汽車電子控制單元─ECU，簡稱電控單元。在汽車修理行業，習慣上稱為汽車電腦。32024/5/6一、ECU的基本功能ECU的主要功能在以下幾個方面：（1）接受傳感器、操作開關或其它裝置輸入的信息。給需要電源的傳感器提供工作電壓。（2）處理、存儲、計算、分析和判斷輸入信息數據及故障信息。（3）根據輸入的有關信息計算出輸出指令信號，放大指令信號至可以控制執行器。（4）當電控系統出現故障時，輸出故障信息。（5）實行學習控制，具有自我修正輸出值的功能。（6）在具有車載網絡的系統中，所有的ECU具有通信功能，相互間能進行數據交換。42024/5/6二、汽車電控單元ECU的基本組成由于汽車的配置不同，電控單元的數目也不同。低配置、手動變速器的轎車，一般只有一個發動機電控單元；中高配置的轎車，除發動機電控單元外，還有自動變速器電控單元、制動防抱死ABS電控單元、全自動空調電控單元、安全氣囊電控單元、智能座椅電控單元、中央門控等電控單元，多達十幾個，甚至幾十個電控單元。汽車上電控單元的組成模式是相同的，一般由傳感器、ECU、執行元件組成。52024/5/6圖2-1汽車電子控制單元ECU的組成示意圖62024/5/6三、輸入電路輸入電路的功能是接收和處理來自ECU外部的信號。實現外部傳感器與單片機之間的信息傳遞，即對傳感器輸入的信號進行預處理，使輸入信號變成微處理器可以接受的信號。來自ECU外部的信號分為兩類，一類是傳感器信號，一類是開關信號。72024/5/61.傳感器信號傳感器信號來自各個傳感器，又分為模擬信號和數字信號。對模擬信號，如空氣流量傳感器、溫度傳感器等緩慢變化的模擬信號，要先放大、濾波、然后對其進行模/數（A/D）轉換，轉換為數字信號。如果是脈沖信號和開關信號，如曲軸轉速傳感器的脈沖信號，將對其進行放大和整形處理，使其達到數字信號的要求。輸入電路將數字信號送至單片機的輸入接口。82024/5/62.開關信號開關信號分為操縱開關信號和自動開關信號。操縱開關信號是駕駛人操縱各種開關、操縱手柄、操縱桿、操縱踏板產生的信號。例如，啟動發動機時啟動開關產生的啟動信號傳送到發動機ECU，發動機電控ECU按啟動工況確定噴油量和點火提前角；操縱自動變速器手柄至D擋位置時，D擋位的開關觸點產生的開關信號傳送到自動變速器ECU，自動變速器ECU將按前進擋確定自動變速器內的離合器和執行器的工作狀態。自動開關信號是汽車內的自動裝置產生的開關信號，例如汽車空調的溫度控制器，當制冷溫度達到確定的溫度時，溫度控制器內部的開關觸點將產生開關信號，傳送的空調ECU，空調ECU控制空調壓縮機暫停工作。92024/5/63.模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務是把被控系統中多個傳感器輸出的模擬量轉換成數字量后輸入微型計算機，它的一般組成框圖如圖2-2所示，它由濾波和電平變換電路、多通道A/D轉換器等組成。圖2-2模擬量輸入通道組成框圖102024/5/6（1）濾波和電平變換電路濾波和電平變換電路包括信號濾波、電平變換等。傳感器測得的電信號受周圍電磁場干擾，一般都有高頻干擾電磁波，因此，要對傳感器信號先進行高頻濾波。傳感器信號電壓信號一般很小，電壓通常為0—40mV，而A/D轉換器所能處理的電壓范圍為5V、10V、±5V等，故必須進行電平變換后再輸給A/D轉換器，這樣可提高模擬信號測量系統的精度。（2）多通道A/D轉換器目前的A/D轉換器多為多輸入通道的，有8通道和16通道的，可以同時輸入8路或16路模擬信號。經A/D轉換后送入單片機的I/O接口電路。112024/5/6

4.數字量輸入通道在汽車電控系統中，傳感器采集的還有數字信號，比如來自曲軸轉速傳感器的轉速信號與上止點參考信號，它們都是脈沖信號。脈沖信號經放大和整形電路處理后，變成矩形波，通過I/O接口可直接送入單片機。122024/5/6

5.光電隔離器對可能受到強干擾的輸入信號，要考慮增加光電隔離電路。圖2-3為常用的光電隔離器及電平轉換電路，圖中G為發光二極管和光電三極管集成的光電隔離器，輸入信號經濾波、放大，驅動發光二極管按信號電流強弱發光，光電三極管將接受的光再轉換為電信號，實現了信號傳送過程完全電的隔離，起到很好的抗干擾作用。三極管VT1和VT2組成電平轉換電路，使輸出信號達到所需要的電壓值。光電隔離器不但適用輸入電路，也適用輸出電路，可以隔離輸出電路到執行器之間的電磁干擾。132024/5/6

圖2-3光電隔離器及電平轉換電路

142024/5/6四、單片機單片機是汽車電子控制單元ECU的控制中樞。它的功能是根據所存程序，對各種傳感器送來的信號進行運算和判斷，把處理結果，如噴油指令信號、點火指令信號等，送至輸出電路，從而控制執行器。汽車電控單元使用的單片機是汽車專用增強型單片機，是針對汽車較為復雜的震動、高溫、低溫和惡劣的電磁環境而設計的。有的汽車單片機芯片內已包含A/D轉換、D/A轉換和其他專用電路，152024/5/6五、輸出電路輸出電路是根據所控制的執行器的類型而設計的，汽車上執行器的按負載類型可分為電阻類，如照明燈和信號燈；電磁線圈類，如繼電器、電磁閥，噴油器；電動機類，如直流電動機、步進電動機等。按控制信號可分為模擬量輸出通道和數字量輸出通道。162024/5/61.模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務是把計算機的離散數字量輸出變成連續的模擬量輸出，以控制執行機構。圖2-4是一個多輸出的模擬量輸出通道，一個通道使用一個D/A轉換器，轉換速度快且工作可靠。圖2-4模擬量輸出通道172024/5/62.數字量輸出通道數字量輸出通道的任務是將單片機的I/O接口輸出的數字量轉換成執行機構（如繼電器、電磁閥、步進電機等）需要的脈沖信號。數字量輸出通道有以下三種形式：（1）由單片機的輸出口直接控制執行機構。（2）通過半導體開關管控制執行機構。（3）通過繼電器控制執行機構。數字量輸出通道的終末負載常常是繼電器、電磁閥的電磁線圈和步進電機的電磁線圈，它們與單片機中間需要放大、隔離和驅動電路。

182024/5/6圖2-5控制噴油器的輸出電路192024/5/6圖2-5是控制噴油器的輸出電路。單片機根據空氣流量傳感器的傳入信號，計算出進入氣缸中的空氣質量，然后按理想空燃比計算出應噴的汽油量，使汽油的混合氣體達到最佳燃燒。噴油器是一個典型的小型電磁閥，通電時線圈產生磁力，吸引閥針向上開閥，汽油在一定壓力下，噴射入氣缸；斷電時閥針在復位彈簧的作用下，向下關閥。在油壓和噴油器噴孔一定的條件下，控制噴油時間就可控制噴油量。202024/5/6單片機輸出的噴油脈沖，經放大器放大，驅動光電隔離器G中的發光二極管發光，光電三極管將接收到的光信號轉為電信號，經三極管VT1放大，驅動大功率三極管VT2導通接地，噴油器電磁線圈通電開閥，達到控制噴油的目的。精確控制噴油脈沖的脈沖寬度（例如某種發動機的噴油脈寬可在1.72ms～8.45ms間控制），是電控燃油噴射的主要功能。212024/5/6六、電源電路現代汽車ECU的電源電路一般有兩路。一路來自點火開關控制的主繼電器，它是ECU的主電源。打開點火開關后，主繼電器觸點閉合，電源送入ECU內部的處理電路，使ECU進入工作狀態；關閉點火開關后，主繼電器觸點斷開，ECU的工作電源被切斷從而停止工作。另一路直接來自蓄電池，直接接單片機的備用電源引腳（MCS-51單片機的VPD引腳），在點火開關關閉及發動機熄火后，該電路仍然保持蓄電池電壓，使單片機的故障自診斷電路所測得的故障碼及其他有關數據可長期保存在單片機的存儲器內，為故障檢修提供依據，該電路稱為ECU的備用電源電路。除此之外，對有些具有防盜功能的ECU或不能停止某些監控功能的ECU，其喚醒電路也用備用電源電路。222024/5/6七、ECU的可靠性要求汽車ECU工作在較為復雜的震動、高溫、低溫和惡劣的電磁環境中，需要在不同的道路和氣候條件下行駛，這些環境因素往往造成汽車電子控制裝置的性能下降，甚至不能完成規定的功能或損壞，因此汽車ECU需要很高的可靠性和對環境的耐久性。

1．能適應較大的電源電壓波動以12V電源為例，正常的電源電壓波動范圍為10～15V，發動機低溫啟動時，蓄電池電壓可降至約為6-8V，啟動完成后，發電機開始發電，在很短的時間內，電源電壓就會升高超過12V。

232024/5/6此外，ECU還要承受瞬變電壓的沖擊，瞬變電壓是指由于電磁感應在短時間內產生的較高的脈沖電壓。較大的電感性負載，在電流通斷的瞬間都能產生很高的自感電動勢，有的可達幾百伏。因此，ECU的電源電路必須具有很好的抗干擾能力和穩壓作用。

2．硬件抗干擾措施汽車電磁設備對ECU的干擾，一般都是以脈沖的形式進入的，抗干擾措施主要有以下幾點：（1）消除電源電壓波動干擾。采用穩壓電源使汽車電源經過穩壓后再送給ECU；可在直流穩壓器的進、出端連接濾波器，以減小浪涌電壓的干擾。242024/5/6（2）消除過程通道和空間干擾。過程通道是指單片機與傳感器及執行機構之間進行信息傳輸的路徑，其干擾因素是傳輸線路長，積累干擾量大。可采用光電隔離器、雙絞線、同軸電纜、光纖等傳輸方式消除干擾。同時要對干擾源進行屏蔽，減小干擾源對外電磁輻射。（3）消除接地系統干擾。接地系統干擾主要是由于多點接地，使得兩接地點的電位不為零，這個電位差對電路的輸入輸出電壓產生干擾。對于汽車以金屬車身為負極和地線的情況，預防措施可采用：與車身連接的接地點一定要連接可靠；重要的地線可以用銅線作專用地線；大電流和弱信號電路的地線分開走線。252024/5/6

3．軟件抗干擾措施采用硬件抗干擾措施可以提高系統的可靠性，但是會使系統成本相應提高，而且并非所有的干擾或故障都能夠通過這種方法得到完全解決。為彌補硬件抗干擾的不足，還必須增加軟件抗干擾的方法。（1）數據采集中的軟件抗干擾措施在檢測汽車緩慢變化的信號時，如果某時刻只把一次采集到的數據作為該參數的真實數據，往往會由于某種偶然因素使數據失真，造成誤差或錯誤。在這種情況下可采用數字濾波。比如，連續采集數據3—5次取其平均值，或去掉最大值、最小值后取其平均值；根據控制系統所采集的數據的大小范圍，通過編程判別采樣值是否超出正常值的范圍來判斷是否是干擾值。262024/5/6（2）程序運行失常的抗干擾措施系統受到干擾后，致使程序計數器的值改變，導致程序運行失常，對此可采取以下措施及時引導系統恢復原始狀態：①啟動監視定時器。監視定時器是一個計數器，啟動后，會根據ECU內部的時鐘信號自動計數，當計數器溢出時，系統即進入強制復位，并重新初始化。②設置軟件陷阱。當程序指針失控時，程序跑飛，有時會進入各種非程序區，造成嚴重的后果。為盡量避免出現上述現象，提高系統的監控能力，可在所有的非程序區設置系統復位指令，這樣一旦程序跑飛進入非程序區，就可以立即迫使程序進入初始狀態。272024/5/6八、ECU的可靠性設計汽車電子控制單元在總體設計時應著重考慮以下幾個方面：（1）盡量用軟件代替硬件。系統中的任何硬件都有失效問題，硬件電路越復雜可靠性越差，而軟件易于修改且處理速度快。（2）盡可能采用定型的標準化單元電路。因為定型的標準化電路