第三節 電子控制器

汽車電子控制系統中的電子控制器（Electric Control Unit，ECU），其作用是對各傳感器及開關的輸入信號進行預處理、分析、判斷，并按信號處理的結果輸出控制信號并控制執行器工作，將被控制對象調整到設定的狀態。ECU由微處理器、輸入電路、輸出電路等組成，如圖1-65所示。

一、輸入電路

電子控制器內的輸入電路包括信號處理電路和傳感器電源，其作用是：將各傳感器及開關輸入的數字信號、模擬信號及開關信號進行預處理，轉換為計算機可接受的數字信號；向傳感器提供電壓穩定的電源，確保各傳感器正常工作。

1. 數字信號預處理電路

（1）數字信號輸入電路的作用

數字信號輸入電路的作用就是將這些數字信號和開關信號進行預處理，轉變成能被微處理器接收的數字信號。

（2）數字信號處理方法

對于可能包含有雜波的脈沖信號，需經過輸入電路的濾波、整形和電平轉換等預處理（圖1-66）。磁感應式轉速傳感器信號電壓隨轉速而變，輸入電路還包括信號放大和穩壓電路。

對于已由傳感器內部測量電路預處理的矩形波信號和開關信號，輸入電路通常只需對其進行電平轉換。

2. 模擬信號預處理電路

（1）模擬信號處理電路的作用

模擬信號是一個連續變化的電量，以電信號的幅值來表示信息的量值。在汽車電子控制系統中，輸出模擬信號的傳感器有冷卻液溫度傳感器、節氣門位置傳感器、量板式和熱式空氣流量傳感器等。模擬信號預處理電路的作用是對模擬信號進行模/數（A/D）轉換，將其轉換為能被微處理器接受的數字信號。

（2）模擬信號處理的方法

A/D轉換主要包括采樣、量化及編碼等過程，如圖1-67所示。采樣過程是A/D轉換器以一固定的時間間隔對模擬信號進行掃描，取得一系列離散的采樣幅值。量化過程是對采樣所獲得的離散數據通過求其平均值或取中間值的方法求得一個具體的數值，再通過舍入或去尾的方法將其變為一個有限有效數字的數。編碼就是將這些代表各采樣幅值的有效數字變為二進制數。比如，模擬輸入信號的某一個采樣幅值量化后的數為5，A/D便會輸出“0101”這個微處理器可接受的二進制代碼。

3. 傳感器電源電路

除了可通過自身發電產生電信號的磁感應式傳感器、氧化鋯型傳感器等發電型傳感器外，其他傳感器均需要有一個電壓穩定的電源。電子控制器由內部穩壓電路產生5V穩壓電源，通過輸入電路輸送給各傳感器，使各傳感器能正常工作。

傳感器電源除向傳感器提供產生電信號所需的電能、向傳感器測量電路提供工作電流外，對于諸如熱敏電阻式傳感器（發動機溫度傳感器、進氣溫度傳感器等）、電位計式傳感器（節氣門位置傳感器、量板式空氣流量傳感器等），傳感器電源電壓還是信號的基準電壓，傳感器電源電路如圖1-68所示。

二、微處理器

1. 微處理器的作用與基本組成

（1）微處理器的作用

微處理器是ECU的核心，它接受輸入電路送來的各傳感器及開關電信號，再根據存儲器中的控制程序和標準數據進行運算、分析與判斷后，輸出控制指令，通過輸出電路控制執行器工作。

（2）微處理器的基本組成

微處理器主要由中央微處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入/輸出接口（I/O）等組成，各組成部件用總線連接，如圖1-69所示。

2. 組成部件的作用原理

（1）中央微處理器

中央微處理器包含運算器、控制器、寄存器等部件，這些部件也是通過總線連接，如圖1-70所示。

運算器：主要由算術邏輯運算部件、累加器、暫存器、程序狀態字寄存器、通用寄存器及相應的邏輯電路等組成，用于對數據的算術運算和邏輯運算。

控制器：主要由指令譯碼器、指令寄存器IP、控制矩陣（邏輯電路）等組成，其作用是將控制程序中的指令，按時鐘節拍轉換為相應的控制脈沖，以控制計算機系統的各部件自動協調地工作。

寄存器：除了配合運算器和控制器工作的專用寄存器外，CPU中還有其他的專用寄存器。例如：程序計數器、緩沖寄存器、地址指針寄存器及程序地址寄存器等，用于程序地址和運算數據的存儲和緩沖。

CPU在其控制器控制脈沖的控制下，按控制器時鐘脈沖的頻率（節拍），自動、協調地進行數據的運算、寄存、傳送等操作。

（2）存儲器

存儲器包含只讀存儲器和隨機存儲器，用于存儲數據和程序。

1）只讀存儲器。只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）用于存儲計算機的控制程序、實施各項控制所需的標準參數等一些固定信息，因此，也叫程序存儲器。ROM中所存儲的信息（控制程序和標準參數等）在制造芯片時寫入，這些信息不能更改，工作時只供讀取，電源切斷時其存儲的信息也不會消失。

隨著計算機存儲技術的發展，汽車電子控制系統中所用的程序存儲器也了經歷從ROM到PROM、EPROM、EEPROM這樣一個逐步發展過程，充分滿足了汽車電子控制技術的使用、研究與開發的要求。

相比于ROM，PROM、EPROM、EEPROM的特點如下：

PROM：可編程只讀存儲器（Programable ROM），這種只讀存儲器可由用戶根據需要自行編程，一次寫入。PROM給用戶根據需要寫入不同的信息資料，以使微處理器適用于不同車型、不同控制項目提供了方便。

EPROM：可擦除可編程只讀存儲器（Erasable Programable ROM），與PROM不同的是存儲的信息可通過芯片頂部窗口用紫外線照射的方法全部清除，然后通過編程器寫入新的信息。EPROM是可反復擦寫和使用的只讀存儲器。

EEPROM：電可擦只讀存儲器（Electrically Erasable Programable ROM），可在通電的情況下改寫部分信息，使微處理器的使用更為方便靈活。在電子控制器中使用EEPROM后，可通過專用的汽車故障診斷儀器對EEPROM中的程序和數據進行修改，從而實現了汽車電子控制系統的就車技術升級。EEPROM在現代汽車上已經得到了廣泛的應用。

2）隨機存儲器。隨機存儲器（Read Access Memory，RAM）在控制器工作時，隨時對RAM進行信息的存入或讀取。因此，RAM也被稱之為數據存儲器。RAM中所存儲的信息在電源切斷后會隨即消失。

（3）輸入/輸出接口

輸入/輸出接口（Input/Output，I/O），它是CPU與外部設備進行數據傳送的通道。從輸入電路送來的傳感器、開關信號及某些執行器的反饋信號，經輸入接口送入CPU；CPU的控制指令則通過輸出接口傳送到輸出電路。I/O在CPU與外圍設備之間起著緩沖數據、匹配電平和時序等作用。

三、輸出電路

電子控制器輸出電路的作用是按照微處理器輸出的控制信號進行工作，進而控制執行器按照微處理器的指令動作。

1. 輸出電路的組成

微處理器經輸出接口輸出的控制信號是以8位或16位二進制數表示的控制代碼，不能直接控制執行器，需由信號處理電路將微處理器的控制指令轉換為相應的控制脈沖，再經驅動電路控制執行器工作。輸出電路由信號處理電路和驅動電路組成，如圖1-71所示。

2. 驅動電路的類型

輸出電路驅動執行器的方式大致有兩種（圖1-72），一種是執行器直接連接車載電源，由控制器驅動電路提供接地通路而使執行器通電工作，噴油器、點火線圈、怠速控制電磁閥等以車載電源電壓為工作電壓的執行器均采用這種驅動方式。另一種是執行器本身接地，由控制器內部電源向執行器提供電流，這種驅動方式通常應用于發光二極管、晶體管等工作電壓較低的執行器。