李添瑜

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，得益于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們的生活水平顯著提高，對(duì)汽車(chē)的需求也日益增多，科學(xué)技術(shù)，尤其是電子技術(shù)的發(fā)展，使得汽車(chē)的安全性和舒適性極大地提高，汽車(chē)電子已經(jīng)成為衡量汽車(chē)性能的重要標(biāo)志[1]。

1 汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展概況

汽車(chē)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的重要標(biāo)志，現(xiàn)在越來(lái)越多的消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的性能和功能的要求逐漸提高，汽車(chē)裝置系統(tǒng)正在逐漸由機(jī)械系統(tǒng)向電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，汽車(chē)電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。汽車(chē)電子是以電子學(xué)的發(fā)展而建立起來(lái)的一種新技術(shù)，真空管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路是汽車(chē)電子發(fā)展經(jīng)歷的四個(gè)階段。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的電子裝置，將這些電子設(shè)備以及裝置應(yīng)用到汽車(chē)上便促進(jìn)了汽車(chē)電子行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。其中一些汽車(chē)的電子設(shè)備和裝置約占汽車(chē)總成本的1/3，相對(duì)高級(jí)一些的轎車(chē)甚至配備了數(shù)十個(gè)甚至更多的微控器以及數(shù)百個(gè)傳感器，汽車(chē)上匹配電子化的程度已成為汽車(chē)是否高檔的重要標(biāo)志。

2 汽車(chē)電子發(fā)展經(jīng)歷的四個(gè)階段

在20世紀(jì)50年代，汽車(chē)電子發(fā)展的第一階段是安裝在汽車(chē)上的電子管收音機(jī)。晶體管收音機(jī)出現(xiàn)后，便迅速應(yīng)用在了汽車(chē)行業(yè)。60年代，在汽車(chē)上開(kāi)始使用了晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點(diǎn)火裝置，70年代以后，電子工業(yè)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，為了解決汽車(chē)的安全問(wèn)題、燃油經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題以及污染的問(wèn)題，電子技術(shù)便在汽車(chē)上得到了更廣泛的應(yīng)用，特別得益于集成電路的飛速發(fā)展，以及微型計(jì)算機(jī)在汽車(chē)行業(yè)方面的應(yīng)用，為汽車(chē)工業(yè)以及創(chuàng)新帶來(lái)了劃時(shí)代的變革，這是汽車(chē)電子發(fā)展的第二個(gè)階段[2]。20世紀(jì)90年代，汽車(chē)電子進(jìn)入了發(fā)展過(guò)程中的第三個(gè)階段，也是汽車(chē)電子發(fā)展歷史上最有價(jià)值最為寶貴的階段，超小型的磁體、超高效率的電機(jī)以及集成電路小型化，為汽車(chē)的集中控制技術(shù)提供了扎實(shí)有效的基礎(chǔ)。時(shí)至今日，汽車(chē)電子已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的第四個(gè)階段，即包括電子技術(shù)(如微計(jì)算機(jī)技術(shù))、優(yōu)化控制的技術(shù)、傳感器的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及機(jī)電一體化耦合交叉技術(shù)等集成技術(shù)的體系，從最初的對(duì)汽車(chē)電子的研究階段逐漸步入了商業(yè)化生產(chǎn)的成熟階段。

3 汽車(chē)電子技術(shù)簡(jiǎn)介

汽車(chē)電子技術(shù)，是通過(guò)將電子信息化技術(shù)與汽車(chē)制造技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)，是電子技術(shù)在汽車(chē)制造上的應(yīng)用，是汽車(chē)制造向智能化發(fā)展的一個(gè)重要體現(xiàn)。汽車(chē)電子是車(chē)身汽車(chē)電子控制裝置和汽車(chē)電子控制裝置的總稱(chēng)。

汽車(chē)電子技術(shù)其中包括了軟件技術(shù)和硬件技術(shù)。軟件技術(shù)主要包括了對(duì)各種汽車(chē)電子數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、判斷、預(yù)警、優(yōu)化系統(tǒng)控制、監(jiān)控、自動(dòng)診斷系統(tǒng)等匯編語(yǔ)言和其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。硬件主要包括了微機(jī)及其接口、傳感器以及執(zhí)行組件等[3]。

微型計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程的核心，主要工作任務(wù)是指導(dǎo)其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行。目前在汽車(chē)電子系統(tǒng)中使用的微型電腦主要是單片機(jī)以及高抗干擾和抗振動(dòng)的汽車(chē)專(zhuān)用微型計(jì)算機(jī)，其精度和速度雖然還都比不上計(jì)算用的微機(jī)，但它的抗干擾性能極強(qiáng)，可以適應(yīng)汽車(chē)大幅振動(dòng)以及行駛時(shí)的天氣等惡劣的工作環(huán)境。一些由一臺(tái)機(jī)器控制(即微電腦控制一個(gè)項(xiàng)目，如控制點(diǎn)火)以開(kāi)發(fā)集中控制，汽車(chē)的集中控制也從原始計(jì)算機(jī)通信轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)管理。

4 汽車(chē)電子控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傳感器、ECU及執(zhí)行元件這三部分組成了汽車(chē)電子控制系統(tǒng)。

4.1 傳感器簡(jiǎn)介

1) 傳感器的定義：一種能夠感測(cè)定義的測(cè)量并按照某些寫(xiě)入的特定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成為可以用于輸出信號(hào)的設(shè)備，通常由轉(zhuǎn)換組件以及敏感組件組成。

2) 傳感器的特點(diǎn)：MEMS技術(shù)的小型化、數(shù)字化、智能、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

3) 傳感器的特性：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、遲滯性。

4) 傳感器的指標(biāo)：靈敏度、分辨力。

5) 傳感器的輸出：數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)。

4.2 ECU簡(jiǎn)介

ECU的作用就是把輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)一定的邏輯計(jì)算出結(jié)果，輸出指令操作執(zhí)行部件。控制器的內(nèi)部工作就是二進(jìn)制數(shù)據(jù)的運(yùn)算，這種運(yùn)算是離散的，按步長(zhǎng)進(jìn)行的，一般要幾個(gè)毫秒進(jìn)行一次。由于一般輸入信號(hào)是連續(xù)的(CAN除外)，所以輸入數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)化成離散數(shù)據(jù)，例如電壓信號(hào)需要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，存放在寄存器中，大概需要100微秒左右的時(shí)間，ECU需要時(shí)就去這個(gè)地址里面提取[4]。由于信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)不可避免地受到干擾，因此信號(hào)在接收前需要經(jīng)過(guò)濾波處理以排除干擾。ECU運(yùn)算完成后，需要由DA將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，控制執(zhí)行元件工作，輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)量(高低電平)、PWM信號(hào)。

很多控制系統(tǒng)要有休眠功能，如車(chē)身控制器、整車(chē)控制器等，這會(huì)導(dǎo)致整車(chē)下電后依然存在靜態(tài)電流，另外控制器還具有故障診斷功能。

4.3 執(zhí)行元件

汽車(chē)電子的執(zhí)行元件即被控對(duì)象主要有電磁閥、繼電器、電機(jī)等。

5 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車(chē)電子技術(shù)也在漸漸地向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)電子上的使用已漸漸成熟。

5.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

目前，一些先進(jìn)的汽車(chē)已經(jīng)配備了數(shù)十個(gè)以上的微型電腦控制器以及數(shù)百個(gè)傳感器。這就為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，并解決了汽車(chē)電子技術(shù)中一直存在的集中控制和分散控制之間的矛盾。人們一般所說(shuō)的分散控制指的是汽車(chē)上的某一個(gè)部件或器械。例如，點(diǎn)火裝置或者燃油噴射裝置由微型控制器進(jìn)行控制，這是微型計(jì)算機(jī)在汽車(chē)電子技術(shù)上應(yīng)用的開(kāi)始。然后慢慢發(fā)展成為汽車(chē)的集中控制系統(tǒng)，這其中包括了一個(gè)完全集中的控制系統(tǒng)，來(lái)保證汽車(chē)每一環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制功能。例如我們熟知的日產(chǎn)分級(jí)控制系統(tǒng)，使用中央控制器命令四臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制防滑制動(dòng)、優(yōu)化點(diǎn)火、燃油噴射、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取：髞?lái)它發(fā)展成為一個(gè)分布式集中控制系統(tǒng)，它是基于對(duì)汽車(chē)的各大部分進(jìn)行集中控制的塊，如發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、信息、顯示和報(bào)警等主要控制系統(tǒng)。

以上集中控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車(chē)后就可以發(fā)揮各型控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了他們的缺點(diǎn)。例如可靠性問(wèn)題一直是集中控制和分散控制最大弊端，如完全集中控制，一旦微機(jī)失效，整個(gè)車(chē)輛就會(huì)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用后，不但可以共享所有傳感器，而且可以共享其他設(shè)備，因此將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車(chē)中，對(duì)汽車(chē)功能的增加尤其是可靠性的增加起到了非常重要的作用。為了能滿(mǎn)足汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò)化控制的需要，能更好的在各個(gè)控制系統(tǒng)之間完成信息交流、協(xié)調(diào)控制、共享資源及標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，世界上所有國(guó)家都在積極合作開(kāi)發(fā)和研究汽車(chē)局域網(wǎng)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)外部系統(tǒng)的應(yīng)用

汽車(chē)的互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)可以說(shuō)是一種無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有了這項(xiàng)技術(shù)人們?cè)陂_(kāi)車(chē)時(shí)可以自由地上網(wǎng)、收發(fā)郵件以及進(jìn)行汽車(chē)導(dǎo)航?，F(xiàn)在國(guó)際上很多研發(fā)汽車(chē)電子的公司都在努力進(jìn)行這方面技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，如摩托羅拉公司和IBM公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)使駕駛員和乘客能夠發(fā)送電子郵件并參與汽車(chē)中的各種在線活動(dòng)，如淘寶購(gòu)物、購(gòu)買(mǎi)股票和收聽(tīng)天氣預(yù)報(bào)等。此外，微軟公司還推出了專(zhuān)門(mén)為“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”設(shè)計(jì)的AutoPC軟件，該軟件采用了Windows CE作為操作系統(tǒng)，具有許多多媒體功能[5]。這些功能可以有效保障駕駛員的安全，因?yàn)樗试S司機(jī)將手放在方向盤(pán)并將眼睛保持在前方，與PC系統(tǒng)交換各種信息，例如，道路前面的交通狀況，最短的時(shí)間導(dǎo)航等。

綜上所述，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的使用使得汽車(chē)電子具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景，為人們的生活帶來(lái)了極大的便利。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了汽車(chē)電子的發(fā)展概況和汽車(chē)電子發(fā)展經(jīng)歷的四個(gè)階段并簡(jiǎn)要介紹了汽車(chē)電子技術(shù)，詳細(xì)描述了汽車(chē)電子的控制系統(tǒng)的構(gòu)成即傳感器、ECU及執(zhí)行元件，最后闡述了網(wǎng)絡(luò)在汽車(chē)內(nèi)部及外部的應(yīng)用，汽車(chē)電子使人們的生活更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化和舒適。