第三节 电子控制器

汽车电子控制系统中的电子控制器（Electric Control Unit，ECU），其作用是对各传感器及开关的输入信号进行预处理、分析、判断，并按信号处理的结果输出控制信号并控制执行器工作，将被控制对象调整到设定的状态。ECU由微处理器、输入电路、输出电路等组成，如图1-65所示。

一、输入电路

电子控制器内的输入电路包括信号处理电路和传感器电源，其作用是：将各传感器及开关输入的数字信号、模拟信号及开关信号进行预处理，转换为计算机可接受的数字信号；向传感器提供电压稳定的电源，确保各传感器正常工作。

1. 数字信号预处理电路

（1）数字信号输入电路的作用

数字信号输入电路的作用就是将这些数字信号和开关信号进行预处理，转变成能被微处理器接收的数字信号。

（2）数字信号处理方法

对于可能包含有杂波的脉冲信号，需经过输入电路的滤波、整形和电平转换等预处理（图1-66）。磁感应式转速传感器信号电压随转速而变，输入电路还包括信号放大和稳压电路。

对于已由传感器内部测量电路预处理的矩形波信号和开关信号，输入电路通常只需对其进行电平转换。

2. 模拟信号预处理电路

（1）模拟信号处理电路的作用

模拟信号是一个连续变化的电量，以电信号的幅值来表示信息的量值。在汽车电子控制系统中，输出模拟信号的传感器有冷却液温度传感器、节气门位置传感器、量板式和热式空气流量传感器等。模拟信号预处理电路的作用是对模拟信号进行模/数（A/D）转换，将其转换为能被微处理器接受的数字信号。

（2）模拟信号处理的方法

A/D转换主要包括采样、量化及编码等过程，如图1-67所示。采样过程是A/D转换器以一固定的时间间隔对模拟信号进行扫描，取得一系列离散的采样幅值。量化过程是对采样所获得的离散数据通过求其平均值或取中间值的方法求得一个具体的数值，再通过舍入或去尾的方法将其变为一个有限有效数字的数。编码就是将这些代表各采样幅值的有效数字变为二进制数。比如，模拟输入信号的某一个采样幅值量化后的数为5，A/D便会输出“0101”这个微处理器可接受的二进制代码。

3. 传感器电源电路

除了可通过自身发电产生电信号的磁感应式传感器、氧化锆型传感器等发电型传感器外，其他传感器均需要有一个电压稳定的电源。电子控制器由内部稳压电路产生5V稳压电源，通过输入电路输送给各传感器，使各传感器能正常工作。

传感器电源除向传感器提供产生电信号所需的电能、向传感器测量电路提供工作电流外，对于诸如热敏电阻式传感器（发动机温度传感器、进气温度传感器等）、电位计式传感器（节气门位置传感器、量板式空气流量传感器等），传感器电源电压还是信号的基准电压，传感器电源电路如图1-68所示。

二、微处理器

1. 微处理器的作用与基本组成

（1）微处理器的作用

微处理器是ECU的核心，它接受输入电路送来的各传感器及开关电信号，再根据存储器中的控制程序和标准数据进行运算、分析与判断后，输出控制指令，通过输出电路控制执行器工作。

（2）微处理器的基本组成

微处理器主要由中央微处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O）等组成，各组成部件用总线连接，如图1-69所示。

2. 组成部件的作用原理

（1）中央微处理器

中央微处理器包含运算器、控制器、寄存器等部件，这些部件也是通过总线连接，如图1-70所示。

运算器：主要由算术逻辑运算部件、累加器、暂存器、程序状态字寄存器、通用寄存器及相应的逻辑电路等组成，用于对数据的算术运算和逻辑运算。

控制器：主要由指令译码器、指令寄存器IP、控制矩阵（逻辑电路）等组成，其作用是将控制程序中的指令，按时钟节拍转换为相应的控制脉冲，以控制计算机系统的各部件自动协调地工作。

寄存器：除了配合运算器和控制器工作的专用寄存器外，CPU中还有其他的专用寄存器。例如：程序计数器、缓冲寄存器、地址指针寄存器及程序地址寄存器等，用于程序地址和运算数据的存储和缓冲。

CPU在其控制器控制脉冲的控制下，按控制器时钟脉冲的频率（节拍），自动、协调地进行数据的运算、寄存、传送等操作。

（2）存储器

存储器包含只读存储器和随机存储器，用于存储数据和程序。

1）只读存储器。只读存储器（Read Only Memory，ROM）用于存储计算机的控制程序、实施各项控制所需的标准参数等一些固定信息，因此，也叫程序存储器。ROM中所存储的信息（控制程序和标准参数等）在制造芯片时写入，这些信息不能更改，工作时只供读取，电源切断时其存储的信息也不会消失。

随着计算机存储技术的发展，汽车电子控制系统中所用的程序存储器也了经历从ROM到PROM、EPROM、EEPROM这样一个逐步发展过程，充分满足了汽车电子控制技术的使用、研究与开发的要求。

相比于ROM，PROM、EPROM、EEPROM的特点如下：

PROM：可编程只读存储器（Programable ROM），这种只读存储器可由用户根据需要自行编程，一次写入。PROM给用户根据需要写入不同的信息资料，以使微处理器适用于不同车型、不同控制项目提供了方便。

EPROM：可擦除可编程只读存储器（Erasable Programable ROM），与PROM不同的是存储的信息可通过芯片顶部窗口用紫外线照射的方法全部清除，然后通过编程器写入新的信息。EPROM是可反复擦写和使用的只读存储器。

EEPROM：电可擦只读存储器（Electrically Erasable Programable ROM），可在通电的情况下改写部分信息，使微处理器的使用更为方便灵活。在电子控制器中使用EEPROM后，可通过专用的汽车故障诊断仪器对EEPROM中的程序和数据进行修改，从而实现了汽车电子控制系统的就车技术升级。EEPROM在现代汽车上已经得到了广泛的应用。

2）随机存储器。随机存储器（Read Access Memory，RAM）在控制器工作时，随时对RAM进行信息的存入或读取。因此，RAM也被称之为数据存储器。RAM中所存储的信息在电源切断后会随即消失。

（3）输入/输出接口

输入/输出接口（Input/Output，I/O），它是CPU与外部设备进行数据传送的通道。从输入电路送来的传感器、开关信号及某些执行器的反馈信号，经输入接口送入CPU；CPU的控制指令则通过输出接口传送到输出电路。I/O在CPU与外围设备之间起着缓冲数据、匹配电平和时序等作用。

三、输出电路

电子控制器输出电路的作用是按照微处理器输出的控制信号进行工作，进而控制执行器按照微处理器的指令动作。

1. 输出电路的组成

微处理器经输出接口输出的控制信号是以8位或16位二进制数表示的控制代码，不能直接控制执行器，需由信号处理电路将微处理器的控制指令转换为相应的控制脉冲，再经驱动电路控制执行器工作。输出电路由信号处理电路和驱动电路组成，如图1-71所示。

2. 驱动电路的类型

输出电路驱动执行器的方式大致有两种（图1-72），一种是执行器直接连接车载电源，由控制器驱动电路提供接地通路而使执行器通电工作，喷油器、点火线圈、怠速控制电磁阀等以车载电源电压为工作电压的执行器均采用这种驱动方式。另一种是执行器本身接地，由控制器内部电源向执行器提供电流，这种驱动方式通常应用于发光二极管、晶体管等工作电压较低的执行器。