ECU的定義

ECU原來(lái)指的是engine control unit，即發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，特指電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)。但是隨著汽車(chē)電子的迅速發(fā)展，ECU的定義也發(fā)生了巨大的變化，變成了electronic control unit即電子控制單元，泛指汽車(chē)上所有電子控制系統(tǒng)，可以是轉(zhuǎn)向ECU，也可以是調(diào)速ECU，空調(diào)ECU等，而原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU有很多的公司稱(chēng)之為EMS，engine management system。隨著汽車(chē)電子自動(dòng)化程度的越來(lái)越高，汽車(chē)零部件中也出現(xiàn)了越來(lái)越多的ECU參與其中，線路之間復(fù)雜程度也急劇增加。為了使電路簡(jiǎn)單化，精細(xì)化，小型化，汽車(chē)電子中引進(jìn)了CAN總線來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)镃AN總線能將車(chē)輛上多個(gè)ECU之間的信息傳遞形成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。有效的解決線路信息傳遞所帶來(lái)的復(fù)雜化問(wèn)題。

ECU的出現(xiàn)

在1967年之前，汽油機(jī)的供給系統(tǒng)是由化油器來(lái)供油的，這與今天的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)原理完全不同，化油器利用節(jié)氣門(mén)前后的壓力差吸油，不僅無(wú)法精準(zhǔn)地控制燃油補(bǔ)給量，更制約了汽車(chē)動(dòng)力性、環(huán)保性能的提升。一批企業(yè)因此開(kāi)發(fā)了電子燃油噴射系統(tǒng)，最早的電噴系統(tǒng)是D-Jetronic，后期發(fā)展出了K-Jetronic和L-Jetronic，在電子技術(shù)介入后，開(kāi)發(fā)了多套電子化管理的燃油噴射系統(tǒng)，其中KE-Jetronic就是今天被廣泛采用的電噴技術(shù)，雖然各家企業(yè)的商品名不盡相同，但在構(gòu)造上大同小異。

電噴系統(tǒng)的工作特性在于“定量、定時(shí)”噴射燃油，發(fā)動(dòng)機(jī)需要多少燃油，在什么時(shí)刻噴入，這與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、空氣流量等有著直接的關(guān)系，此外還牽涉到水溫、機(jī)油壓力等各種各樣的參數(shù)，這么多參數(shù)如何進(jìn)行處理，并向噴射系統(tǒng)發(fā)出噴油指令呢？這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的介入了，ECU應(yīng)運(yùn)而生。

ECU的基本組成

簡(jiǎn)單地說(shuō)，ECU由微機(jī)和外圍電路組成。而微機(jī)就是在一塊芯片上集成了微處理器（CPU），存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口的單元。ECU的主要部分是微機(jī)，而核心部件是CPU。輸入電路接受傳感器和其它裝置輸入的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理和放大，然后轉(zhuǎn)換成一定伏特的輸入電平。從傳感器送到ECU輸入電路的信號(hào)既有模擬信號(hào)也有數(shù)字信號(hào)，輸入電路中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳遞給微機(jī)。微機(jī)將上述已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理數(shù)據(jù)送至輸出電路。輸出電路將數(shù)字信息的功率放大，有些還要還原為模擬信號(hào)，使其驅(qū)動(dòng)被控的調(diào)節(jié)伺服元件工作。，例如繼電器和開(kāi)關(guān)等。因此，ECU實(shí)際上是一個(gè)“電子控制單元”（Electronic Control Unit），它是由輸入處理電路、微處理器（單片機(jī)）、輸出處理電路、系統(tǒng)通信電路及電源電路組成，的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

詳細(xì)的來(lái)說(shuō)，ECU一般由MCU，擴(kuò)展內(nèi)存，擴(kuò)展IO口，CAN/LIN總線收發(fā)控制器，A/D D/A轉(zhuǎn)換口（有時(shí)集成在CPU中），PWM脈寬調(diào)制，PID控制，電壓控制，看門(mén)狗，散熱片，和其他一些電子元器件組成，特定功能的ECU還帶有諸如紅外線收發(fā)器、傳感器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器，脈沖發(fā)生器，脈沖分配器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，放大單元，強(qiáng)弱電隔離等元器件。整塊電路板設(shè)計(jì)安裝與一個(gè)鋁質(zhì)盒內(nèi)，通過(guò)卡扣或者螺釘方便安裝于車(chē)身鈑金上。ECU一般采用通用且功能集成，開(kāi)發(fā)容易的MCU;軟件一般用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，并且提供了豐富的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)和函數(shù)庫(kù)，有編程器，仿真器，仿真軟件，還有用于calibration的軟件。下面的圖2是使用較普遍的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

圖2

ECU的基本機(jī)構(gòu)體系

汽車(chē)電子控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件有電子控制單元（Electronic Control Unite）及其接口、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)等;軟件存儲(chǔ)在ECU中支配電子控制系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)測(cè)控功能。汽車(chē)上的大部分電子控制系統(tǒng)中的ECU電路結(jié)構(gòu)大同小異，其控制功能的變化主要依賴(lài)于軟件及輸入、輸出模塊的功能變化，隨控制系統(tǒng)所要完成的任務(wù)不同而不同， 而ECU的基本結(jié)構(gòu)體系包括輸入處理電路、微處理器、輸出處理電路、電源電路。

在輸入處理電路中，ECU的輸入信號(hào)主要有三種形式，模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)（包括開(kāi)關(guān)信號(hào)）、脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供給微處理器?？刂葡到y(tǒng)要求模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換具有較高的分辨率和精度（》10位）。為了保證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采樣間隔一般要求小于4ms。數(shù)字信號(hào)需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換，得到計(jì)算機(jī)接受的信號(hào)。對(duì)超過(guò)電源電壓、電壓在正負(fù)之間變化、帶有較高的振蕩或噪聲、帶有波動(dòng)電壓等輸入信號(hào)，輸入電路也對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

而微處理器首先完成傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、周期脈沖信號(hào)測(cè)量和其它有關(guān)汽車(chē)行駛狀態(tài)信號(hào)的輸入處理，然后計(jì)算并控制所需的輸出值，按要求適時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)。過(guò)去微處理器多數(shù)是8位和l 6位的，也有少數(shù)采用32位的?，F(xiàn)在多用16位和32位機(jī)。

在輸出電路中，微處理器輸出的信號(hào)往往用作控制電磁閥、指示燈、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行件。微處理器輸出信號(hào)功率小，使用+5v的電壓，汽車(chē)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源大多數(shù)是蓄電池，需要將微處理器的控制信號(hào)通過(guò)輸出處理電路處理后再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電源電路中，傳統(tǒng)車(chē)的ECU一般帶有電池和內(nèi)置電源電路，以保證微處理器及其接口電路工作在+5v的電壓下。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況等使汽車(chē)蓄電池電壓有較大波動(dòng)時(shí)，也能提供+5v的穩(wěn)定電壓，從而保證系統(tǒng)的正常工作，而電動(dòng)汽車(chē)一般由蓄電池供電。

在軟件方面，ECU的控制程序有以下幾個(gè)方面：計(jì)算、控制、監(jiān)測(cè)與診斷、管理、監(jiān)控。執(zhí)行如圖3的控制模式：

圖3

傳統(tǒng)汽車(chē)ECU與電動(dòng)汽車(chē)ECU的異同點(diǎn)

傳統(tǒng)汽車(chē)ECU主要用于以下的方面：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)控制，點(diǎn)火，氣門(mén)正時(shí)調(diào)節(jié)，節(jié)氣門(mén)調(diào)節(jié)，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)，啟動(dòng)離合調(diào)節(jié)，噴油調(diào)節(jié)等2.無(wú)極變速器控制，皮帶位置調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3.自動(dòng)變速箱控制，繼電器或電磁換向閥控制4.主動(dòng)懸架，空氣彈簧剛性和阻尼孔大小調(diào)節(jié)5.驅(qū)動(dòng)力以及防滑控制，包括：ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、EBD電子制動(dòng)力分配、EBA緊急制動(dòng)輔助裝置、ESP 電控行駛平穩(wěn)系統(tǒng)、TCS循跡控制系統(tǒng)、MSR發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩控制、EDS電子差速鎖、OBD車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)、DSC動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)6.車(chē)身控制BCM，包括車(chē)窗升降（包括力傳感-用于安全），天窗折疊、滑動(dòng)，座椅升降調(diào)制，雨刮，除霜器等。7.空調(diào)，采暖，通風(fēng)控制，包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器風(fēng)扇，膨脹閥等控制8.電子開(kāi)關(guān)和照明，包括大燈、尾燈、顯示背光，加減速，電臺(tái)，CD等9.ACC電子主動(dòng)巡航控制10.安全氣囊自診斷和點(diǎn)爆控制11.主動(dòng)式安全帶自診斷和點(diǎn)爆控制，回拉式安全帶點(diǎn)爆控制12.EPS轉(zhuǎn)向控制，HPS轉(zhuǎn)向控制13.TPC胎壓控制14.汽車(chē)儀表15.防盜報(bào)警16.車(chē)尾高度平衡系統(tǒng)17.智能傳感器，即帶ECU的傳感器

電動(dòng)汽車(chē)的ECU控制與傳統(tǒng)相比有以下不同：

1.去除了發(fā)動(dòng)機(jī)控制，添加進(jìn)了電機(jī)及其控制系統(tǒng)2.電池及其管理系統(tǒng)3.車(chē)載充電機(jī)4.車(chē)身低速總線控制系統(tǒng)5.車(chē)載記錄儀及運(yùn)行分析系統(tǒng)6.故障診斷及安全管理系統(tǒng)7.車(chē)輛安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)8.車(chē)倆動(dòng)力綜合控制系統(tǒng)9.應(yīng)用于AMT的TCU控制

ECU的未來(lái)發(fā)展

我們不妨掰著手指頭數(shù)數(shù)，到底有多少個(gè)系統(tǒng)需要控制系統(tǒng)。自動(dòng)變速箱、ABS系統(tǒng)、車(chē)載娛樂(lè)影音系統(tǒng)、四輪驅(qū)動(dòng)扭矩分配系統(tǒng)、主動(dòng)懸掛系統(tǒng)、安全氣囊+安全帶系統(tǒng)等等 這么多系統(tǒng)，都有自己的傳感器和處理器，進(jìn)行單獨(dú)的運(yùn)算，井水不犯河水肯定不行。像AMT與電機(jī)之間是需要配合的，換擋過(guò)程需要VCU的配合，大腳油門(mén)時(shí)需要變速箱的降擋等等多種狀態(tài)下，二者是需要共享一大堆數(shù)據(jù)的，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，自動(dòng)變速箱重新建立一套傳感器會(huì)造成成本浪費(fèi)，而且也是不切實(shí)際的。最好的辦法就是變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU共享數(shù)據(jù)，這就催生了ECU之間的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——CAN數(shù)據(jù)總線。同樣的CAN數(shù)據(jù)總線也在底盤(pán)電子設(shè)備上采用，例如ABS共享了底盤(pán)的諸多傳感器參數(shù)。

圖4

由圖4可以知道，隨著汽車(chē)電子的高度電子化，自動(dòng)化，集成化，會(huì)有越來(lái)越多的ECU系統(tǒng)構(gòu)建成一個(gè)汽車(chē)電子的局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線。集中綜合控制、總線技術(shù)、汽車(chē)智能控制是未來(lái)汽車(chē)電子控制技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向。集中綜合控制指的是單片機(jī)的類(lèi)型將會(huì)啟用更高位數(shù)的，各系統(tǒng)ECU向綜合一體發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將可能切入，車(chē)載PC融入等等。其中總線技術(shù)指的是各個(gè)ECU通過(guò)局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)互聯(lián)，各ECU間信息共享。汽車(chē)智能控制指的是傳感技術(shù)，圖像識(shí)別技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)，將使汽車(chē)智能控制得到發(fā)展。CAN數(shù)據(jù)總線的發(fā)展必然將所有的控制系統(tǒng)集為一體。未來(lái)的ECU將會(huì)是強(qiáng)大的電腦系統(tǒng)，將整合電機(jī)及控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱、ABS系統(tǒng)、車(chē)載娛樂(lè)影音系統(tǒng)、四輪驅(qū)動(dòng)扭矩分配系統(tǒng)、主動(dòng)懸掛系統(tǒng)、安全氣囊+安全帶系統(tǒng)等等所有需要管理的部件，我們可以享受汽車(chē)影音系統(tǒng)，可以玩PC-Game，可以接受GPS信號(hào)，甚至連一個(gè)杯架都會(huì)處于ECU的管理之中。所以說(shuō)ECU是汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。

最后說(shuō)說(shuō)ECU中的各種MCU

8位MCU：主要應(yīng)用于車(chē)體的各個(gè)次系統(tǒng)，包括風(fēng)扇控制、空調(diào)控制、雨刷、天窗、車(chē)窗升降、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門(mén)控模塊等較低階的控制功能。

16位MCU：主要應(yīng)用為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統(tǒng)等;也適合用于底盤(pán)機(jī)構(gòu)上，如懸吊系統(tǒng)、電子式動(dòng)力方向盤(pán)、扭力分散控制，和電子幫浦、電子剎車(chē)等。

32位MCU：主要應(yīng)用包括儀表板控制、車(chē)身控制、多媒體信息系統(tǒng)（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新興的智能性和實(shí)時(shí)性的安全系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)，如預(yù)碰撞（Pre- crash）、自適應(yīng)巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復(fù)雜的X-by-wire等傳動(dòng)功能。

審核編輯 ：李倩