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2023/3/9汽车单片机及局域网技术（第2版）高等职业教育汽车运用与维修技术专业规划教材高等职业教育汽车运用与维修技术专业规划教材 2023/3/9汽车单片机的认识汽车单片机局域网基础汽车局域网中的总线车载网络系统通信动力CAN总线控制系统的维修学习任务1学习任务2学习任务3学习任务4学习任务5学习任务6学习任务7学习任务8舒适CAN总线控制系统的维修LIN总线控制系统的维修MOST总线控制系统的维修 学习任务一汽车单片机的认识 顾客反映其车辆发生无法起动，送至4S店进行维修。经车间相关人员鉴定后，发现按下起动按钮后，车辆无法起动，但能听到起动机工作的声音，车辆无着火。根据故障现象，结合故障代码，进行故障的分析，最终诊断出故障原因是汽车发动机ECU的损坏。工作情境描述通过本任务学习，应能：1.能够描述汽车单片机控制系统的类型及控制项目。2.能够描述汽车单片机的组成和工作必要条件。3.能够描述汽车单片机控制系统组成及各部分的功用。4.能够分析汽车发动机控制系统工作原理。5.能够对发动机控制系统故障码读取和故障分析。学习目标 学习时间10学时 学习引导知识准备任务实施学习评价拓展学习1234一、知识准备随着电子工业的发展，电子控制技术在汽车上的应用越来越广泛，如图1-1所示。图1-1汽车电控系统中单片机的应用（一）汽车单片机控制系统的应用一、知识准备（一）汽车单片机控制系统的应用汽车单片机控制系统种类繁多、形式各异，一般可按控制系统的控制目标和控制对象进行分类。1.按控制目标分类根据控制目标不同，汽车单片机控制系统可分为动力性、经济性与排放性、安全性、舒适性、操纵性和通过性控制系统等六种类型。其中，经济性与排放性控制系统具有双重功能，既能降低燃油消耗量，又能减少有害物质的排放量。2.按控制对象分类根据控制对象不同，汽车单片机控制系统可分为发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统三大类。汽车单片机控制系统为了能实现不同的控制功能，系统的组成不尽相同。图1-2所示是汽车单片机控制系统基本组成结构图，可见其共同特征都是由传感器(传感元件)与开关信号、电子控制单元(ECU)和执行器(执行元件)三部分组成。其中的电子控制单元就是以单片机为核心的ECU（ElectronicControlUnit）。各生产厂家所称名称有所不同，有的称做处理机控制装置MCU，有称电子控制组件ECM。在汽车修理行业，习惯上称为汽车电脑。一、知识准备（一）汽车单片机控制系统的应用图1-2所示是汽车单片机控制系统基本组成结构图，可见其共同特征都是由传感器(传感元件)与开关信号、电子控制单元(ECU)和执行器(执行元件)三部分组成。图1-2汽车单片机控制系统的基本组成 一、知识准备（二）汽车单片机概述 单片机SCMC（SingleChipMicroComputer）是单片微型计算机的简称，是微型计算机的一个重要分支。单片机是指将中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)、存储器(Memory)、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，基本结构如图1-3所示。图1-3单片机基本结构框图1.1.单片机基本概念单片机基本概念 一、知识准备（二）汽车单片机概述单片机体积小、质量轻、能耗低，广泛应用在家用电器、智能仪表、自动检测、机电设备和汽车等各个方面的自动控制中。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，所以又称为微控制单元MCU（Micro-ControllerUnit）。典型的单片机实物封装如图1-4的所示。图1-4单片机的实物封装 一、知识准备（二）汽车单片机概述 例如，一个学生某次考试中7门功课的成绩分别为：95分、80分、100分、78分、92分、88分、94分，现在要计算该学生的总分和平均成绩。第一步：将获取的成绩分数记在纸上，当作输入信息；第二步：根据题意想好计算方法和步骤，并记录下来；第三步：在算盘上根据想好的计算步骤进行计算，先将7门成绩分数求和为627分，记录总分数；然后再做除法运算得平均成绩；第四步：将算盘上的最后计算结果抄到纸上，作为输出信息。计算过程结束。分析以上过程，可知人们利用算盘进行计算时，必须具有：（1）运算装置：算盘。（2）记录（存放）计算步骤和计算结果的装置：纸张和笔。（3）控制装置：上述计算过程都是在人脑的控制下，由手去执行。（4）输入输出装置。2.2.单片机的工作原理单片机的工作原理 一、知识准备（二）汽车单片机概述计算机的计算过程与人用算盘计算的过程相类似，只不过是由机器代替了人。因此，计算机也必须具有以下装置：（1）运算装置：运算器能进行数字运算，相当于上例中的算盘。（2）记录（存放）计算步骤和计算结果的装置：存储器能保存和记录原始数据、计算步骤、中间结果和最后结果，相当于纸和笔。（3）控制装置：控制器能根据人们预先编好的一系列计算命令（由编程软件编写），统一指挥计算机各部分的工作。（4）输入输出装置：输入/输出设备输入设备把要计算题目的计算步骤、原始数据等直接送到计算机的存储器内；输出设备则以人们能理解的形式，把计算结果从计算机内取出，例如显示在显示器上或者用打印机打印在纸上。因此，上述的运算器、存储器、控制器和输入/输出设备等就成为了单片机的基本结构。一、知识准备（二）汽车单片机概述 MCS-51单片机是指美国Intel公司生产的兼容的一系列单片机的总称，8051是MCS-51单片机中早期的典型产品，基本内部硬件结构如图1-5所示。3.3.单片机的组成单片机的组成图1-58051单片机的内部硬件结构 一、知识准备（二）汽车单片机概述1）中央处理器（CentralProcessingUnit，简称CPU）单片机解决任何问题，都要先把问题的解法分解为非常简单的一些步骤，再按这些步骤的规定去操作，最后得到问题的答案。通常要将指令和数据编写成一个相互联系的程序，在机器内部是以二进制编码形式表示的。单片机就是按程序执行相应的操作。CPU是单片机的控制核心，由运算器、控制器和寄存器组成，结构如图1-6所示。图1-6CPU结构框图 一、知识准备（二）汽车单片机概述2）存储器(Memory)在单片机中，存储器是用来存储程序指令和数据的部件。存储器是由许多具有记忆功能的存储电路构成的，每个记忆存储电路存储1个二进制信息（0或1），称为存储器的存储位(Bit)，每8个记忆存储电路构成存储器的个基本单元，存储8位二进制信息，称为存储字节(Byte)。存储器按读写操作原理可分为：只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)和随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)。存储器按功能可分为程序存储器和数据存储器。按构成材料可分为半导体存储器和磁质存储器。一、知识准备（二）汽车单片机概述（1）内部程序存储器（Read-OnlyMemory，简称ROM）指令下载到单片机后，就放在程序存储器ROM中。ROM又称为只读存储器，所谓只读，就是只可以从里面读出数据，而不能写进去，它类似于我们的书本，发到我们手里之后，我们只能读里面的内容，不可以随意更改书本上的内容。所以ROM用来存储固定数据，各种永久性的程序和永久性、半永久性的数据，如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油特点、点火控制特性以及其他特性数据等等。这些信息资料一般都是在制造时由厂家一次性存入，使用时无法改变其中的内容。单片机工作时，新的数据不能存入ROM中，需要时可读出存入的原始数据资料。当电源切断时，存入ROM的信息也不会丢失，通电后又可以立即使用。由于这种存储器多是在制造厂大批量生产，所以成本较低，价格便宜。8051内部共有4KB的掩膜ROM。一、知识准备（二）汽车单片机概述为便于使用，另外还设计有几种不同类型的可编程的ROM。应用在需要时常修改重要数据的场合，例如汽车里程表的数据存储，根据需要更改汽车里程数据时，需要将原来存储的数据擦掉，写入新的数据。PROM，称之为可编程存储器。就象练习本，买来的时候是空白的，可以写东西上去，可一旦写上去，就擦不掉了，所以它只能用写一次，要是写错了，就报销了。EPROM，称之为紫外线擦除的可编程只读存储器。它里面的内容写上去之后，如果觉得不满意，可以用一种特殊的方法去掉后重写，这就是用紫外线照射，紫外线就象“消字灵”，可以把字去掉，然后再重写，可以擦除的次数约为几百次。FLASH，称之为闪速存储器。它和EPROM类似，写上去的东西也可以擦掉重写，但它要方便，不需要光照了，只要用电学方法就可以擦除，而且允许擦写次数可达10万次。再次强调，这里的所有的写都不是指在正常工作条件下。不管是PROM、EPROM还是FLASHROM，它们的写都要有特殊的条件，用一种称之为“编程器”的设备来做这项工作，一旦把它装到它的工作位置，就不能随便改写了。一、知识准备（二）汽车单片机概述（2）内部数据存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）RAM是一种既可以随时改写，也可以随时读出里面数据的存储器，类似于我们上课用的黑板，可以随时写东西上去，也可以用黑板擦随时擦掉重写，它也是单片机中重要的组成部分，单片机中有很多的功能寄存器都与它有关。RAM在单片机中起暂时存储信息的作用，主要用来存储单片机操作时的可变数据，如用来存储单片机输入/输出数据和计算过程中产生的中间数据等。根据需要RAM中的数据可随时调出或被新的数据代替（改写）。而且，当电源切断时，所有存入RAM的数据均完全消失。所以，在发动机电脑中，为了使存入发动机运行中的一些数据能较长期地保存，如故障代码、空燃比学习修正值等，防止点火开关关断时，因发断而造成数据丢失，一般这些RAM都通过专用电源后备电路与蓄电池直接连接，使它不受点火开关的影响。当然，如果电源后备专电路断开时或蓄电池上的电源线被拔掉时，存入RAM的数据就会丢失。8051内部共有256个RAM单元，其中高128个单元被特殊功能寄存器SFR分散占用，低128个单元才供用户使用，所以，通常所说的内部数据存储器就是指的低128个单元。一、知识准备（二）汽车单片机概述3）时钟电路（ClockCircuit）单片机执行指令的过程就是一条一条的顺序地从ROM中取出指令，然后进行一系列的微操作控制，来完成各种指定的动作。这一系列微操作控制信号在时间上要有一个严格的先后次序，这种次序就是单片机的时序。就好比学校上课时用的电铃，为了保证课堂秩序，学校就必须在铃声的统一协调下安排各个课程和活动。而为了保证单片机各动作的一个同步协作，电路就要在唯一的时钟信号控制下按时序进行工作。单片机内的时钟信号是由时钟电路来产生的，时钟电路就相当于是单片机的心脏。8051内部就有时钟电路，只需要外接石英晶体和微调电容即可，晶振的频率通常选择6MHz、12MHz、11.0592MHz。除了内部时钟方式外，单片机还可以采用外部引入时钟的振荡方式。当我们的系统由多片单片机组成时，为了保证各单片机之间时钟信号的同步，就应当引入唯一的公用的外部脉冲信号作为各单片机的的时钟脉冲信号。一、知识准备（二）汽车单片机概述4）输入/输出(I/O)接口接口是一种在单片机和外围设备之间控制数据流动和数据格式的电路。单片机要通过外部设备与外界联系。例如，在发动机的优化控制中，CPU要在极短的时间内对发动机的许多工况（通过传感器）进行巡回检测，另外CPU又要对点火提前角、燃油喷射、自动变速等进行自动控制和优化控制。这些传感器和控制设备与单片机连接时，必须有其专用的接口电路，才可以把输入/输出设备接收和发送的数据与单片机所能处理的数据格式匹配起来，同时还向单片机传送各种状态的信息，如“准备就绪”、“采样结束”、“繁忙”等等。另外，接口电路还要协调单片机和外围设备之前工作速度的差异。总之，外围设备必须通过各种接口和输入/输出总线与单片机相连接，而单片机对外围设备的控制和信息的交换也要通过接口来实现。不同的外部设备要求不同功能的接口，接口的结构多种多样，大致分为并行和串行两种。一、知识准备（二）汽车单片机概述（1）并行I/O口（ParallelInput/OutputPort）并行I/O口是指可以同时传输两位或两位以上的数据的接口。采用并行传输方式通信时，多位数据的各个位同时传送，如图1-7所示。单片机内部几乎都是采用并行传输方式。由于CPU与外部设备的速度不同，外部设备的数据线不能直接接到总线上。为使CPU与外部设备的动作匹配，两者之间需要缓冲器和锁存器用于暂时保存数据。8051共有4个8位的并行I/O口。图1-7并行数据传输 一、知识准备（二）汽车单片机概述（2）串行口串行传输是指一次传输一位数据，如图1-8所示。以串行传输方式通信时使用的接口叫串行接口，由接收器、发送器和控制器三部分组成。接收器把外部设备送来的串行数据变为并行数据送到数据总线；发送器把数据总线上的并行数据变为串行数据发送到外部设备去。控制器就是控制上述两种变换过程的电路。串行接口的主要用途就是进行串/并、并/串转换。8051内部有一个全双工异步串行口，可做全双工异步通信收发器的使用。图1-8串行数据传输 一、知识准备（二）汽车单片机概述5）定时/计数器单片机中的定时器和计数器其实是同一个物理的电子器件，都是对单片机中产生的脉冲进行计数。只不过计数器是单片机接收外部触发的脉冲，定时器是接收单片机内部在晶振的触发下产生的非常稳定的脉冲。8051内部有两个16位的定时/计数器，当定时器达到规定定时时间或计数器计数数时，相应的溢出标志将置位，产生内部中断。一、知识准备（二）汽车单片机概述6）中断系统什么是中断，我们从一个生活中的例程引入。你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。这就是生活中的“中断”的现象。从单片机的角度来描述，当CPU正在处理某项事务的时候，如果外部或内部发生了紧急事件，要求CPU暂停正在处理的工作而去处理这完后再回到原来中断的地方，继续执行原来被中断的程序，这个过程就叫做中断。引起中断的原因称之为中断源，8051内部一共有5个中断源：2个外部中断源，2个计数/定时器中断源，一个串行口中断源。当同时收到多个中断请求时，响应哪个中断请求要取决于内部规定的优先权顺序。单片机的中断系统是其重要的组成部分，实时控制、故障自动处理、单片机与外转设备间传送数据及实现人机联系都常采用中断方式。中断系统的应用可以使单片机的功能更强、效率更高，使用更加方便灵活。一、知识准备（二）汽车单片机概述7）总线总线是微机内部传递信息的电路连线。在单片机内部，CPU、ROM、RAM与I/O接口之间的信息交换都是通过总线来实现。按传递信息不同，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线三种。（1）数据总线。它主要用于传送数据与指令。数据总线的导线数与数据的位数一一对应。例如，16位微机，其数据总线就有16根导线。（2）地址总线。它用于传递地址数码。在微机内，各器件之间的通信主要是靠地址数码进行联系。例如，当需要存人或读出存储器中某个单元的数据时，必须先将该单元的地址数码送到地址总线上，然后才能送出读取指令或写入指令完成读出或写入操作。地址总线的导线数与地址数码的位数及地址数码的传送方式（并行或串行传送）有关。（3）控制总线。微机中的器件都与控制总线连接，CPU可以通过控制总线随时掌握各个器件的状态，并根据需要随时向某个器件发出控制指令。一、知识准备（二）汽车单片机概述8051作为早期典型的51单片机，采用标准的40引脚双列直插式封装，其外形和引脚排列如图1-9所示，引脚功能见表1-2。4.514.51单片机的外部引脚单片机的外部引脚图1-98051单片机的引脚示意图 一、知识准备（二）汽车单片机概述8051单片机的引脚功能表1-2 一、知识准备（二）汽车单片机概述由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限的。为了满足实际需要，部分信号引脚被赋予双重功能，即第一功能和第二功能。最常用的是8条P3口线所提供的第二功能，如表1-3所示。P3口的功能表1-3 一、知识准备（二）汽车单片机概述单片微型计算机系统要真正能够运行起来，需要硬件系统和软件系统的支持。单片微型计算机系统结构框图如图1-10所示。图1-10单片微型计算机系统结构框图5.5.单片机工作额必要条件单片机工作额必要条件 一、知识准备（二）汽车单片机概述1）单片机硬件系统在单片机的应用中，以单片机芯片为核心组建的一个能完成特定应用功能的硬件组合实体，它能在我们为它所编制的程序下完成预定的任务，称为单片机的硬件系统，如图1-11。2）单片机软件系统软件是相对硬件而言的，它是指由单片机硬件执行，用来完成一定任务的所有程序及数据，即为运行、管理和维护单片机所编制的程序的总和。软件系统包括系统软件、应用软件和程序设计语言，例如WindowsXP、OfficeXP和C语言等。单片机应用系统有三种编程方式：机器语言、汇编语言和高级语言。图1-11单片机硬件系统实例 一、知识准备（二）汽车单片机概述3）单片机的最小系统电路单片机的工作就是执行用户程序、指挥各部分硬件完成既定任务。如果一个单片机芯片没有烧录用户程序，显然它就不能工作。可是，一个烧录了用户程序的单片机芯片，给它上电后就能工作吗？也不能。原因是除了单片机外，单片机能够工作的最小电路还包括时钟和复位电路，通常称为单片机最小系统电路。时钟电路为单片机工作提供基本时钟，如图1-12所示。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到初始值，如图1-13。图1-14电路中包含了典型的单片机最小系统电路。图1-12时钟振荡电路 一、知识准备（二）汽车单片机概述a)上电复位电路b)按键复位电路图1-13复位电路 一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-14典型的单片机最小系统电路 一、知识准备（二）汽车单片机概述6.6.集成集成CANCAN控制器的单片机控制器的单片机P87C591P87C591P87C591是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，是MCS-51微控制器家族中非常优秀的一员。它采用了MCS一51指令集，并成功地包含了Philips半导体SJAl000CAN控制器强大的PeliCAN功能。P87C591全静态内核提供了扩展的节电方式，振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。P87C591微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计广泛应用于汽车和通用的工业中。除了MCS-51系列单片机的标准特性之外，器件还为这些应用提供了许多专用的硬件功能。一、知识准备（二）汽车单片机概述1）P87C591特性：（1）16K字节内部OTP程序存储器ROM，512字节片内数据RAM；（2）3个16位定时计数器T0、T1和T2(捕获和比较)，1个片内看门狗定时器T3；（3）带6路模拟输入的10位ADC，可选择快速8位ADC；（4）增强性能的6CLK加速指令周期500ns(12MHz时钟)；（5）2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)；（6）具有32个可编程I/O口；（7）带硬件I2C总线接口；（8）全双工增强型UART带有可编程波特率发生器；（9）双DPTR；（10）可禁止ALE实现降低EMI；（11）低电平复位信号；（12）增强型PeliCAN内核；（13）增强的温度范围：-40+85；（14）提供PLCC44和QFP44封装，见图1-15。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-15P87C591管脚图 一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-16P87C591方框图图1-16所示为P87C591的方框图，P87C591除了包含标准的外围功能以外，还包含了一个强大的CAN控制器模块。一、知识准备（二）汽车单片机概述2）该嵌入式CAN控制器包括了下列功能模块：（1）CAN内核模块根据CAN2.0B规范控制CAN帧的发送和接收；（2）CAN接口包含5个实现CPU与CAN控制器连接的特殊功能寄存器。对重要CAN寄存器的访问通过快速自动增加的寻址特性和对特殊功能寄存器的位寻址来实现；（3）CAN控制器的发送缓冲区能够保存一个完整的CAN信息(扩展或标准帧格式)。只要通过CPU启动发送，信息字节就从发送缓冲区传输到CAN内核模块。当接收一个信息时，CAN内核模块将串行位流转换成并行数据输人到接收滤波器，通过该可编程滤波器P87C591确定实际接收到的信息。所有由接收滤波器接收的数据都保存在接收FIFO中。取决于操作模式和数据长度的不同，最多可保存21个CAN信息。这使用户在指定系统的中断服务和中断优先级时有更多的灵活性，因为数据溢出的可能性大大降低了。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-17所示为将P87C591设计成在最少数量的外部元件下工作。图中P87C591的CAN节点电路所需要的外部元件，仅仅是一个晶振加两个电容驱动片内振荡器，一个连接到复位脚的电容(使用片内复位电路)，以及一个收发器用于将P87C591连接到CAN总线。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-17P87C591典型CAN应用原理图 一、知识准备（二）汽车单片机概述单片机分为通用型单片机和专用型单片机。专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。通用型单片机是把片内的所有资源全部提供给用户使用,用途很广泛，使用不同的接口电路和编制不同的应用程序就可实现不同的功能。通常所说的都是通用型单片机。世界上的单片机生产厂商很多，各厂家的芯片名称、性能指标等也不尽相同。从基本操作处理的数据来看，单片机又可分为4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。目前，汽车上用的主要是8位单片机和16位单片机，也有一些轿车上开始使用32位单片机。7.7.汽车单片机的类型及应用汽车单片机的类型及应用 一、知识准备（二）汽车单片机概述1）摩托罗拉8位单片机MC68HCllFl摩托罗拉公司的M68HCllFl型单片机，为8位汽车专用单片机。它是摩托罗拉公司的早期产品，是高性能闪存技术的低成本芯片。MC68HCllFl的主要特征：有两种省电模式停止和等待；3.05.5V电压均可正常工作；0、256B、512B或768B片内RAM，RAM数据在待机时保留；0、12KB或20KB片内ROM或EPROM；异步串行通信接口SCI，同步串行外设接口(SPI)8通道A/D转换器；16位定时器系统；8位脉冲累加器，实时中断电路等。封装形式有68针的PLCC和80针的QFP封装，图1-18为80针的QFP封装示意图。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-18MC68HCllFl80针的QFP封装示意图 一、知识准备（二）汽车单片机概述2）摩托罗拉8位单片机MC68HC711K4五菱之光等车型发动机电脑的CPU是摩托罗拉公司MC68HCllK家族的MC68HC711K48位单片机，采用的是80脚的QFP封装。3）摩托罗拉16位单片机MC9S12DP256MC9S12DP256是基于16位HCSl2CPU及025m微电子技术的高速、高性能、带50VFlash存储器的16位微控制器。其较高的性价比非常适合于一些中高档汽车控制系统，较简单的背景开发模式也会使开发成本进一步降低，同时也使现场开发与系统升级变得更加方便。MC9S12DP256的主频高达25MHz，片内还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/0口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、兼容CAN2.0A/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块；片内拥有256KB的FlashEEPROM、12KB的RAM、4KB的EEPROM。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-19所示为典型的汽车车门控制系统示意图。其中央微控制器选用MC9S12DP256单片机MC33389A、MC33884、MC33887、MC33486等均为摩托罗拉智能模拟器件。其中，MC33389A为开关电源芯片，为CPU提供工作电压(5V)；可将点火开关信号、车门开关信号及面板开关信号由SPI接入微控制器，进行唤醒、复位和中断等工作；还具有有容错功能的CAN物理层驱动器；可将系统接人整车网络中。MC33884的主要作用是实时监测面板开关的状态并驱动面板的照明灯。MC33887是一个驱动电路芯片，可用于后视镜位置电动机、后视镜折叠电动机及门锁电动机的驱动，该功能也可选用MC33884配合独立的MOS驱动管来完成。MC33290主要用于整个系统的诊断。一、知识准备（二）汽车单片机概述图1-19由MC9S12DP256单片机为核心构成的车门控制电路示意图 一、知识准备（二）汽车单片机概述4）摩托罗拉32位单片机MPC500MPC500系列单片机经专门设计，满足了高速行驶汽车所需的严格工作环境要求。整个产品系列包括无闪存的MPC561和内置1MB闪存的MPC566等，以针对多种不同的应用环境，可应用于汽油机管理、直接燃油喷射、电子传动控制等动力传输系统及稳定控制系统和悬架应用系统。MPC500系列MCU还具有浮点单元和智能时钟等功能，能满足控制速度和精度的要求。MPC500内包含一个系统集成模组(SIM)、一个时间处理单元(TPU)、一个队列串行接口模组(QSM)、2KB静态随机存储器，带有TPU仿真能力(TPURAM)。它采用HCMOS技术，可进一步降低产品功耗，同时指令系统包含专用低功耗指令LP2STOP。系统时钟停止状态下，功率消耗最低。一、知识准备（二）汽车单片机概述MPC500主要应用于新型汽车发动机管理系统中，如通用的P5、P6系列发动机管理系统。图1-20所示是基于32位MPC500单片机的发动机管理系统组成框图。图1-20由MPC500为核心单片机的发动机管理系统组成框图 一、知识准备（二）汽车单片机概述MPC500主要应用于新型汽车发动机管理系统中，如通用的P5、P6系列发动机管理系统。图1-20所示是基于32位MPC500单片机的发动机管理系统组成框图。图1-20由MPC500为核心单片机的发动机管理系统组成框图 一、知识准备现代发动机电控系统中，由于使用了ECU，信号处理的速度和存储信息的容量都大大提高。因此，可以实现多功能的高精度的集中控制；ECU不仅用来进行燃油喷射控制，同时还用来进行点火控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、故障自诊断、失效保护和后备系统启用等。ECU的主要功能有以下几个方面：（1）接收传感器、操作开关或其他装置输入的信息给需要电源的传感器提供工作电压。（2）处理、存储、计算、分析和判断输入信息数据及故障信息。（3）根据输入的有关信息计算出输出指令信号，放大指令信号至可以控制执行器。（4）当电控系统出现故障时，输出故障信息。（5）实行学习控制，具有自我修正输出值的功能。（6）在具有车载网络的系统中，所有的ECU具有通信功能，相互间能进行数据交换。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备下面以发动机单片机控制系统为例，介绍汽车单片机控制系统的组成和工作原理。图1-21所示为汽车发动机单片机控制单元ECU的典型组成图，图中的大方框内是ECU。图1-21发动机单片机控制单元ECU的典型组成图（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备ECU主要由输入电路、单片机、输出电路组成，此外还有电源电路、备用电路和软件等。1）输入电路输入电路的功能是接收和处理来自ECU外部的信号。实现外部传感器与单片机之间的信息传递，即对传感器输人的信号进行预处理，使输入信号变成单片机可以接收的信号。来自ECU外部的信号分为两类。一类是传感器信号，一类是开关信号。传感器信号来自各个传感器，又分为模拟信号和数字信号。对模拟信号，如空气流量传感器、水温传感器、进气温度传感器、线性输出式节气门位置传感器等缓慢变化的模拟信号，要先放大、滤波然后对其进行模/数(A/D)转换，转换为数字信号后处理后才能被单片机所接收。如果是脉冲信号和开关信号，如曲轴转速传感器的脉冲信号，将对其进行放大和整形处理，使其达到数字信号的要求，通过I/O接口送入单片机。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备开关信号分为操纵开关信号和自动开关信号。操纵开关信号是驾驶人操纵各种开关、操纵手柄、操纵杆、操纵踏板产生的信号。例如，启动发动机时启动开关产生的启动信号传送到发动机ECU，发动机电控ECU按启动工况确定喷油量和点火提前角；操纵自动变速器手柄至D挡位置时，D挡位的开关触点产生的开关信号传送到自动变速器ECU，自动变速器ECU将按前进挡确定自动变速器内的离合器和执行器的工作状态。自动开关信号是汽车内的自动装置产生的开关信号，例如汽车空调的温度控制器，当制冷温度达到确定的温度时，温度控制器内部的开关触点将产生开关信号，传送给空调ECU空调ECU控制空调压缩机暂停工作。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备（1）模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是把被控系统中多个传感器输出的模拟量转换成数字量后输入单片机，它的一般组成框图如图1-22所示，它由滤波和电平变换电路、多通道A/D转换器等组成。图1-22模拟量输入通道组成框图（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备滤波和电平变换电路滤波和电平变换电路包括信号滤波、电平变换等。传感器测得的电信号受周围电磁场干扰，一般都有高频干扰电磁波。因此，要对传感器信号先进行高频滤波。传感器信号电压信号一般很小，电压通常为040mV，而A/D转换器所能处理的电压范围为5V、10V、5V等，故必须进行电平变换后再输给A/D转换器，这样可提高模拟信号测量系统的精度。目前的A/D转换器多为多输入通道的，有8通道和16通道的，可以同时输入8路或16路模拟信号。经A/D转换后送入单片机的I/O接口电路。（2）数字量输入通道在汽车电控系统中，传感器采集的还有数字信号，比如来自曲轴转速传感器的转速信号与上止点参考信号它们都是脉冲信号。脉冲信号经放大和整形电路处理后，变成矩形波，通过I/O接口可直接送入单片机。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备（3）光电隔离器对可能受到强干扰的输入信号，要考虑增加光电隔离电路。图1-23为常用的光电隔离器及电平转换电路。图1-23光电隔离器及电平转换电路（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备图1-23，G为发光二极管和光电三极管集成的光电隔离器，输入信号经滤波、放大，驱动发光二极管按信号电流强弱发光，光电三极管将接受的光再转换为电信号，实现了信号传送过程完全电的隔离。起到很好的抗干扰作用。三极管VTl和VT2组成电平转换电路，使输出信号达到所需要的电压值。光电隔离器不但适用输入电路，也适用输出电路，可以隔离输出电路到执行器之间的电磁干扰。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备2）单片机单片机是汽车电子控制单元ECU的控制中枢。它的功能是根据所存程序，对各种传感器送来的信号进行运算和判断，把处理结果，如喷油指令信号、点火指令信号等，送至输出电路，从而控制执行器。汽车电控单元使用的单片机是汽车专用增强型单片机是针对汽车较为复杂的振动、高温、低温和恶劣的电磁环境而设计的。有的汽车单片机芯片内已包含A/D转换，D/A转换和其他专用电路。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备3）输出电路输出电路是根据所控制的执行器的类型而设计的。汽车上执行器按负载类型可分为电阻类，如照明灯和信号灯；电磁线圈类，如继电器、电磁阀，喷油器；电动机类，如直流电动机、步进电动机等。输出电路按控制信号可分为模拟量输出通道和数字量输出通道。（1）模拟量输出通道。模拟量输出通道的任务是把单片机的数字量输出变成连续的模拟量输出，以控制执行机构。图1-24是一个多输出的模拟量输出通道。每个通道都有D/A转换器，转换速度快且工作可靠。图1-24模拟量输出通道（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备（2）数字量输出通道。数字量输出通道的任务是将单片机的I/O接口输出的数字量转换成执行机构(如继电器、电磁阀、步进电动机等)需要的脉冲信号。数字量输出通道以下有三种形式：由单片机的输出口直接控制执行机构。通过半导体开关管控制执行机构。通过继电器控制执行机构。数字量输出通道的终末负载常常是继电器、电磁阀的电磁线圈和步进电动机的电磁线圈，它们与单片机中间需要放大、隔离和驱动电路。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备喷油器是一个典型的小型电磁阀，其控制电路见图1-25。单片机根据空气流量传感器的传入信号，计算出进入气缸中的空气质量，然后按理想空燃比计算出应喷的汽油量。使汽油的混合气体达到最佳燃烧。喷油器是一个小型电磁阀，通电时线圈产生磁力，吸引阀针向上开阀，汽油在一定压力下，喷射入气缸；断电时阀针在复位弹簧的作用下，向下关阀。在油压和喷油器喷孔一定的条件下，控制喷油时间就可控制喷油量。图1-25控制喷油器的输出电路（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备单片机输出的喷油脉冲，经放大器放大，驱动光电隔离器G中的发光二极管发光。光电三极管将接收到的光信号转为电信号，经三极管VT1放大，驱动大功率三极管VT2导通接地，喷油器电磁线圈通电开阀，达到控制喷油的目的。精确控制喷油脉冲的脉冲宽度(例如某种发动机的喷油脉宽可在1.728.5ms间控制)，是电控燃油喷射的主要功能。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备4）电源电路现代汽车ECU的电源电路一般有两路。一路来自点火开关控制的主继电器，它是ECU的主电源。打开点火开关后，主继电器触点闭合，电源送入ECU内部的处理电路，使ECU进入工作状态；关闭点火开关后，主继电器触点断开，ECU的工作电源被切断从而停止工作。另一路直接来自蓄电池，直接接单片机的备用电源引脚(MCS一5l单片机的VPD引脚)，在点火开关关闭及发动机熄火后，该电路仍然保持蓄电池电压，使单片机的故障自诊断电路所测得的故障码及其他有关数据可长期保存在单片机的存储器内，为故障检修提供依据，该电路称为ECU的备用电源电路。除此之外，对有些具有防盗功能的ECU或不能停止某些监控功能的ECU，其唤醒电路也用备用电源电路。（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备图1-26是玛瑞利单点电喷发动机ECU实物图，图1-27是玛瑞利单点电喷发动机ECU外部接线图。图1-28是玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图。图1-26玛瑞利单点电喷发动机ECU实物图（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备图1-27是玛瑞利单点电喷发动机ECU外部接线图。图1-27玛瑞利单点电喷发动机ECU外部接线图（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备图1-28是玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图。图1-28玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图（三）汽车发动机单片机控制系统 一、知识准备（三）汽车发动机单片机控制系统玛瑞利单点电脑是一种典型的集中喷射电脑，该电脑成本低廉、简单实用，目前在国产微型汽车和低档轿车中采用。玛瑞利单点电脑点火控制电路中，曲轴位置传感器信号转子上大齿缺产生的信号为基准信号，ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺产生的信号为基准进行控制的。当ECU接收到大齿缺产生的信号后，再根据小齿缺信号来控制点火线圈一次电流接通时间、点火时间和喷油时间。点火监测电路监测到点火电路故障时，产生故障码并报警。同时由单片机控制停止喷油，防止燃油流失和污染。玛瑞利单点电脑喷油控制中，CPU首先根据点火频率确定喷油频率(单点喷油频率为点火频率的一半)，由CPU输出喷油驱动脉冲信号至喷油模块。经喷油模块放大后输出到喷油器，在喷油过程中，CPU还要根据AD转换器送来的各种传感器信号，判断当前的工况。并根据工况信息调整喷油驱动脉冲信号的脉冲宽度。脉冲的宽度决定喷油器的开阀时问，从而决定喷油量。精确控制喷油脉宽，可以满足发动机在各种工况时的燃油需要。二、任务实施项目 定时延时电路实训1.项目说明定时延时电路采用经典的NE555定时器电路，电路能通过调节电位器，能够实现短时间范围内的定时延时功能。电路原理图如图1-29：图1-29定时延时电路图 二、任务实施项目 定时延时电路实训