2.2.2 ECU的逻辑结构
电控单元(ECU)的逻辑结构框图如图2⁃5所示。
图2⁃5 电控单元(ECU)逻辑结构示意图
① 模拟量输入。模拟量指的是连续变化的电压信号,相关传感器(如温度传感器、压力传感器、位置传感器等)输出的信号都是模拟量。模拟量传感器需要由外加电源提供工作条件。这类工作条件由ECU中的“输入服务”部分来满足,也就是对相关传感器的工作需求提供合适电源。此服务还包括对输入信号提供某些保护,限制过高或过低的电平和硬件滤波等。完成输入处理的信号将传到ECU(单片机)的模拟量输入端口。
② 脉冲量输入。所谓的脉冲量,是指连续变化的开关信号,其信号幅值的精确度不是最重要的,如某些ECU将脉冲信号高于2.7V的电平认为是高电平,低于0.4V认为是低电平。
实际使用的脉冲信号通常都具有如图2⁃6所示的图形。在使用时通常只注意脉冲信号周期Ti。当脉冲信号为温度时,Ti为常数。信号为脉冲信号的传感器是曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器,当需要将车速信号接入ECU时,如果车速信号传感器采用电磁式或霍尔式传感器,则车速信号也是脉冲信号。
图2⁃6 脉冲信号及脉冲信号周期
对于不规则的脉冲信号,通常都要经过整形处理,将其转变为规则的(矩形)脉冲信号,如图2⁃7所示。脉冲信号只能输入单片机的特定的输入端口,此类端口处理脉冲信号的信息并具有对信号跳变沿时刻进行捕获的能力。
图2⁃7 波形整形
③ 开关量输入。开关量只有高、低电位两种输入状态,其信号源一般为一个开关,如点火开关、照明开关及空调开关等。开关信号一般为光耦隔离输入,这可以保护系统内部的元器件。同时,硬件系统还可以完成对开关信号的消颤处理,处理后的开关信号被送入单片机特定的输入端口。开关信号的作用是通知单片机处理器相关外部设备的状态,处理器根据这种状态执行相应的处理逻辑。例如:当开启车辆空调开关时,系统将会自动适量增加柴油机的循环供油量,使柴油机原有的操作状态不受影响。
④ 电源输入和服务。ECU的电源通常来源于车用蓄电池,车用蓄电池的最大特点是允许瞬间的大工作电流(最高可达100多安)。ECU对电源的要求与车辆的电源系统的电压有关,多数为12V或24V。由于用于大多数芯片和传感器的驱动电压为5V,用于个别元器件和传感器的驱动电压为12V,用于高速电磁阀的驱动电压为高压(60~90V)电源,所以电源供电进入ECU后需要进行电压变换,以满足不同元器件对不同驱动电压的需求。为适合应用环境,要求ECU对电源的要求有一个适应范围,一般为9~40V(动态)。
⑤ 通信总线。早期的车用电控柴油机ECU一般都有串行通信导线或K线接口,用于在ECU调试时与计算机(PC)之间进行通信。随着电子技术在车辆上的普及应用,越来越多的车用设备需要使用ECU来控制,如车辆刹车防抱死系统、安全系统、自动变速器系统等。这些系统的同时应用提出了对车辆信息的共同需要,例如:上述三个系统与柴油机控制都需要柴油机转速信号,所以实现车辆与柴油机信息共享显得尤为重要;CAN总线就是这样一种信息共享技术。目前在用ECU的单片机芯片都有CAN总线的通道,在ECU主板上都有CAN总线接插端口;有的ECU上同时还有K线通道,这些通道在ECU调试和标定阶段用作与PC的通信路径;但在使用CAN总线技术协调整车信息时,CAN总线接口则提供专用的连接通道。
⑥ 供油驱动。电控柴油机的电控单元(ECU)要为各缸提供各路供油驱动;对于电控单体泵系统而言,是驱动高压油泵的泄油阀;而对于共轨系统则是驱动喷油器的回油阀。这两种阀都是高速电磁阀,工作时需要很大的瞬间驱动电流。高速电磁阀的驱动方法是电控柴油机(ECU)设计的难点之一,要实现较大的启动动作电流和较小的动作维持电流,才能在保证所有动作效果的前提下减少驱动功耗。
⑦ 脉宽调制驱动。ECU对模拟器件的驱动,一般都是采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)方式实现的,主要原因是数字系统较易实现PWM且效果较好。PWM是在保持频率不变的条件下,通过调节输出脉冲中相对于固定时间段内高电平占空比来调节输出有效电压的控制方式;对于有一定工作惯性的载荷,这种控制手段很实用。如ECU对废气再循环(EGR)阀和可调增压器喷嘴环(VNT)的控制就是通过PWM方式实现的。EGR阀是由比例电磁铁驱动的,比例电磁铁的性能与其位移与线圈两端电压的有效值成正比,通过PWM控制,可以有效地实现对EGR的控制。
⑧ 开关驱动。ECU上的开关输出功能,可以通过控制过程直接操作受控对象的电路通道,也可以通过驱动继电器之类的设备,间接地操控一些大电流设备。例如:ECU可以根据冷却液温度的变化,打开或关闭冷却风扇,或增加和降低冷却风扇转速,以调节冷却液温度在合适的范围内,保证冷却系统始终处于良好状态。
⑨ 片外Flash存储器。所谓Flash存储器也就是闪存,它的特点是可以在停电后保存已存入的数据,目前在ECU中使用的单片机一般都有Flash存储器。但对于某些ECU,其性能要求可能会因紧靠单片机内的Flash存储器容量不足而无法实现,此时可以在电路板上设置附加的Flash内存芯片。附加的内存芯片除了在存取速度上低于单片机内的Flash存储器和读写操作方式有所不同外,其余功能基本相似。