一文帶你全面了解汽車電腦ECU的內(nèi)部構(gòu)成、功能模塊

1. 常規(guī)功能模塊

△ ECU的功能模塊

① 電源：向ECU內(nèi)的各模塊提供穩(wěn)定的電壓(5V、3V等)，且與發(fā)動(dòng)機(jī)艙的12V電池連接;也可用于AD轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓，可實(shí)現(xiàn)較高精度。

② 輸入緩沖器：將數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可輸入至微控制器的信號(hào)級(jí)(信號(hào)電平)。

③ AD轉(zhuǎn)換器：將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可輸入至微控制器的數(shù)字值。

④ 微控制器：通過(guò)各種輸入信號(hào)算出控制量并輸出。

⑤EEPROM：即帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(Electronically Erasableand Programmable Read Only Memory)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)停止后電源不再供電，也能存儲(chǔ)應(yīng)記憶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。

⑥ 輸出驅(qū)動(dòng)器：依據(jù)微控制器的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器可驅(qū)動(dòng)的信號(hào)形態(tài)，或者增幅電壓。

⑦ 通信驅(qū)動(dòng)器/接收器：通信驅(qū)動(dòng)器是將微控制器的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足通信協(xié)議的通信信號(hào);通信接收器是將其他ECU發(fā)送的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可輸入至微控制器的信號(hào)級(jí)。

2. 輸入/輸出

ECU作為與外部通信的接口，為了通過(guò)微控制器運(yùn)算實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際狀態(tài)的最佳控制，需要檢測(cè)外部狀態(tài)的輸入手段及實(shí)際控制驅(qū)動(dòng)的輸出手段。近年來(lái)為了滿足多種ECU之間密切協(xié)同控制，在ECU中還設(shè)置了通信手段。

車載ECU模塊圖

輸入電路、輸出電路、通信電路的接口方法的代表示例如下。

01 輸入接口

下圖為通過(guò)用戶進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作等將ON/OFF狀態(tài)輸入至微控制器的電路示例。

開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，通過(guò)鎖相電阻確定輸入電壓。在電磁干擾大等使用環(huán)境惡劣的車載ECU中，需要設(shè)置合理的濾波電路等，以防電磁干擾。其次，通過(guò)在微控制器中預(yù)裝軟件等，也可防止電磁干擾導(dǎo)致的異常工作。

車載環(huán)境下，存在不同電壓(蓄電池電壓、ECU內(nèi)部電源的電壓)混合輸入的情況，需要對(duì)這些電源電壓進(jìn)行分離處理。ECU還需要控制許多ON/OFF信號(hào)的輸入，有的會(huì)組合多種輸入信號(hào)，通過(guò)串口通信輸入至微控制器。因此，將這些控制功能集合于IC(集成電路)中，實(shí)現(xiàn)ECU體積小型化。

下圖為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度、駕駛者對(duì)節(jié)氣門進(jìn)行的操作等將“程度”狀態(tài)輸入至微控制器的示例。

鎖相電阻的作用是確定傳感器的輸入電壓，在傳感器斷開(kāi)時(shí)也能確定輸入電壓，從而檢測(cè)出異常狀態(tài)。在ECU中，鎖相電阻具有檢測(cè)車輛異常狀態(tài)并向駕駛者發(fā)出警告的重要功能。

通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，模擬輸入被轉(zhuǎn)換為可通過(guò)微控制器操作的數(shù)字信號(hào)。近年來(lái)，隨著控制系統(tǒng)的精密化發(fā)展，逐步采用轉(zhuǎn)換性能(轉(zhuǎn)換速度及轉(zhuǎn)換精度)更高的AF轉(zhuǎn)換器。

02輸出接口

下圖為通過(guò)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射脈沖(由微控制器控制運(yùn)算確定)使驅(qū)動(dòng)噴油器通電的電路示例。

03 通信接口

下圖為將與其他ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信總線的通信信號(hào)輸入微控制器中，通過(guò)微控制器輸出CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)絡(luò))的通信電路示例。

3. 微控制器

01 功能

車載ECU中的微控制器雖然是用于車載，但其基本構(gòu)成與普通的微控制器相同。

為了應(yīng)對(duì)近年來(lái)的法規(guī)制度，ROM(ReadOnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器)逐漸改變?yōu)殚W存類型，可更改ROM內(nèi)以模塊單位記憶的內(nèi)容。

時(shí)序控制器是與時(shí)間及時(shí)刻相關(guān)的控制裝置。設(shè)定時(shí)刻與內(nèi)部時(shí)序(計(jì)時(shí)器的數(shù)值)一致時(shí)，具有使既定輸出改變的匹配功能、記憶外部信號(hào)的邊緣輸入時(shí)刻的捕獲功能。匹配功能用于確定噴油信號(hào)輸出正時(shí)等。捕捉功能與中斷控制器配合，用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出等。

通信接口是與ECU內(nèi)部的輸入/輸出擴(kuò)展IC及其他ECU進(jìn)行通信的裝置。近年，為了應(yīng)對(duì)車內(nèi)LAN(LocalAreaNetwork，局域網(wǎng))，內(nèi)置CAN功能的微控制器逐漸增多。

02 性能

為了應(yīng)對(duì)各種法規(guī)對(duì)微控制器的增加及強(qiáng)化等要求，其ROM容量呈幾何系數(shù)增加。今后這種趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)，相應(yīng)的精細(xì)化、高速化要求也會(huì)不斷提高。作為法規(guī)中高速化要求的應(yīng)對(duì)措施，微控制器的種類也有所變化，從8bit變?yōu)?6bit，之后升級(jí)為32bit等。隨著ROM開(kāi)發(fā)速度的加快，要求更多種類的ROM能夠快速投放到市場(chǎng)中，從MASKROM到OTP(One Time Programming，一次編程)ROM，之后升級(jí)為閃存。

4. 軟件

△ 軟件的結(jié)構(gòu)

5. ECU及控制器的搭載位置

△ 常見(jiàn)ECU的構(gòu)成(防水型)

ECU根據(jù)在車輛內(nèi)搭載的位置不同，其實(shí)際采用的形態(tài)也各種各樣。ECU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要與其搭載環(huán)境相對(duì)應(yīng)。

汽車剛開(kāi)始電子化時(shí)，由于電子元件承受熱、濕度、振動(dòng)等惡劣環(huán)境的能力較弱，所以將ECU搭載于環(huán)境條件較好的車室內(nèi)。之后，隨著包括電路板在內(nèi)的電子元件的可靠性及安裝技術(shù)的提升，ECU開(kāi)始逐步搭載于環(huán)境條件較惡劣的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，有些甚至直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。從設(shè)計(jì)層面考慮，ECU的硬件必須能夠適于安裝在車輛的任何位置，也就是“自由搭載”的概念。

另外，ECU、傳感器及執(zhí)行器之間需要使用線束進(jìn)行電氣連接，如果這些相互連接的線束能夠盡可能縮短，將會(huì)帶來(lái)以下益處：

① 材料費(fèi)用減少，線束成本降低。

② 銅的使用量減少，為車輛輕量化做出貢獻(xiàn)。

③ 可減小線束的電壓，減輕供電負(fù)荷。

④ 在指定信號(hào)頻率的條件下，不易受到線束阻抗導(dǎo)致的感應(yīng)噪聲的影響，且不易產(chǎn)生噪聲。

因此，有的變速器ECU搭載于變速器附近或內(nèi)置于變速器。而且，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)電子產(chǎn)品直接安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的情況逐漸增多。點(diǎn)火器直接搭載于火花塞孔上，可以盡量縮短高壓線束的長(zhǎng)度，減少點(diǎn)火噪聲。相反，汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中驅(qū)動(dòng)噴油器的EDU(ElectricDriverUnit)不但電流大，而且工作速度受到線束阻抗的制約。因此，為了盡可能縮短線束長(zhǎng)度，ECU的搭載位置要選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)且接近發(fā)動(dòng)機(jī)。

△ ECU的搭載位置及形態(tài)

△ 不同搭載位置的ECU示例

審核編輯：湯梓紅