第一百二十九章 行车电脑ECU设计

    PS：祝书友们新年快乐，万事如意！节后再见！

    首先，前世的汽车都是电子与机械完美的结合体，机械方面就不用多说了，重点在于电子部分，电子部分分为很多种，有动力部分的、安全部分、舒适部分的、显示部分的、影音娱乐部分的等等。

    而动力部分的发动机的电子部分尤其重要，只要把这部分的电子设计完成，那么其它部分的电子就可以轻车熟路的完成了，发动机的电子部分又叫做电控单元。

    电控单元是电子控制单元(ECU)的简称。

    电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量。电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路等组成。

    因此，ECU又称“行车电脑”、“车载电脑”等。

    从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它和普通的单片机一样,由微处理器（CPU）、存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。

    ECU的电压工作范围一般在6.5－16V（内部关键处有稳压装置）、工作电流在0.015－0.1A、工作温度在零下40－80度。

    能承受1000Hz以下的振动，因此ECU损坏的概率非常小，在ECU中CPU是核心部分，它具有运算与控制的功能，发动机在运行时，它采集各传感器的信号，进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。

    它还实行对存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）和其它外部电路的控制；存储器ROM中存放的程序是经过精确计算和大量实验取的数据为基础，这个固有程序在发动机工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。

    然后，把比较和计算的结果控制发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。它还有故障自诊断和保护功能，当系统产生故障时，它还能在RAM中自动记录故障代码并采用保护措施从上述的固有程序中读取替代程序来维持发动机的运转，使汽车能开到修理厂。

    正常情况下，RAM也会不停地记录你行驶中的数据，成为ECU的学习程序，为适应你的驾驶习惯提供最佳的控制状态，这个程序也叫自适应程序。但由于是存储于RAM中，就象错误码一样，一但去掉电瓶而失去供电，所有的数据就会丢失。

    在前世的ECU成熟期的中高级轿车上，不但在发动机上应用ECU，在其它许多地方都可发现ECU的踪影。

    例如防抱死制动系统、4轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电控座椅等都配置有各自的ECU。

    这些都表明前世成熟时期的汽车都是以计算机为控制中心的高度自动化控制系统，这些系统随着汽车功能的不断增加而日渐完善和复杂，为汽车所面临的安全、能源和污染这三大问题上起着重要的作用，甚至可以说，汽车的自动化控制就是以这三大问题为中心和目的而发展起来的。

    杨小乐知道一辆汽车里需要用到ECU的地方有很多，但是目前最重要的还是发动机的行车电脑最为重要。

    前世，杨小乐对这套系统了解得并不深入，当时只是出于好奇，对ECU的硬件，也就是电路板进行过研究，因此，他知道很多汽车ECU的电路结构。

    一块发动机的ECU的电路板里，通常包括控制整个行车电脑的CPU、存放发动机点火、喷油脉谱图、控制参数以及运行程序的数据存储器、用来存放CPU运算时的可变数据的随机存储器、点火信号芯片、喷油控制芯片、节气门定位电机驱动芯片、爆震信号处理芯片、氧传感处理芯片、空调压缩机驱动芯片、防盗电路以及12V稳压及电源芯片等等。

    以上这些芯片就构成了发动机的ECU电路，那么其工作原理顺势也就出来了：当电源接通后，电源芯片输出复位信号送入CPU，CPU开始启动，首先对自身内部电路进行复位，然后引导程序启动，将外部数据存储器里的主程序载入CPU内部的RAM电路里，CPU开会时正常工作，通过外接的传感器检测各控制部件的工作状态，并经过计算后，通过各控制芯片使发动机处于最佳工作状态。

    由此，可以看出这块电路板中最重要的就是CPU和程序以及数据，其它芯片相当于人的躯干，而这块CPU内部，除了要有指令集以外，还得有RAM和ROM。

    可是，按照现在的光刻机的发展程度，要在CPU里面集成RAM和ROM是有相当大的困难的，因为，与随身听里面的微处理器内的ROM和RAM的空间来说，复杂程度不是一般的大。

    在光刻机还没有发展到足以将符合字节的RAM和ROM集成到CPU的地步的时候，杨小乐只能将这两个部分放在CPU的外面，于是，杨小乐开始绘制ECU的电路框图了。

    很快，电路框图就被杨小乐三下五除二的绘制出来了，重点就到了CPU这一块了，前世大家耳熟能想的汽车CPU芯片还没有发展起来，但是，公司早就成立起来了，他们关于CPU的架构或许已经设计出来了，或许应用在其它地方去了，要知道这三个国家的自动化可是很发达的，自动化离不开CPU的支持的。

    这三家公司就是西门子、摩托罗拉和电装，完全没有必要在以后为了专利和他们扯皮，自己不是有PRM架构的芯片吗？从里面在单独分离一支出来不就可以了？

    现在，自己有了桌面级芯片、微控器芯片、现在更拥有了汽车级芯片，将来还有移动芯片，未来的电子产业，自己将不再有枷锁。

    CPU的问题解决了，其它芯片呢？杨小乐想了想，决定为了项目的保密，还是放在香港的芯片工厂制造。

    反正，这个研究是很费时间的，等拥有了成熟的电路设计以后，才考虑芯片工厂放在哪里合适。

    当芯片和电路都设计成功后，最重要的数据采集将是最大的难关，首先需要确定ECU使用什么样的算法，然后将这种算法作为内部控制的基准，将最后计算出的算法输出值查表得到喷油量。

    同时，在这一基础上，还需要检测发动机的各项运行参数，比如海拔高度（大气压力）、进气温度、冷却水温、废气的排放情况、空调和其他附件对算法的消耗、发动机处于启动、正常运行还是AfterRun（钥匙断电）模式、轨压、高压泵流量限制、发动机机械保护等但是各种用途的算法限制就有十几个，并以此做出喷油量修正。

    在某些工况下，为了降低汽油机工作噪声和排放，同一个工作循环可能还要进行多次喷射，这些喷油量也需要ECU来计算。

    喷油量计算好后，还需要计算喷射时间，以及为了达到目标喷油量需要如何调整喷油器电磁阀的占空比。有的发动机使用了EGR和/或VGT，那么ECU还需要根据当前工况调整EGR和/或VGT阀门开度，并对喷油进行修正。

    同时，ECU还要通过汽车总线和其他设备如变速器、ESP进行数据交换，并在满足优先级的条件下接受这些设备的扭矩和转速控制。所有这些控制首先要保证驾驶的安全性，所以ECU还需要对发动机工作状态、传感器工作状态进行监测，在发生错误时还要有相应的策略进行控制，OBD模块负责记录发动机故障原因，保存故障代码。

    这其中就涉及到大量的经验数据，需要建立如同博世这样的百年企业一样，有自己庞大的数据库。

    而这样的数据库，需要无数人日以继夜的在发动机面前，记录着一个个枯燥无比的数字，然后，利用这些数字建立起庞大的数据库，为以后为各种发动机的ECU建立差异化的数据表打下坚实的基础。

    当发动机的数据库建立以后，还有其它ECU需要建立数据库，当这些数据库都建立以后，就标志着汽车各部分的机械和电子已经完美的结合起来了，要将他们完美的组装在一起成为一辆完美的汽车，还需要进行发动机匹配项目设计计算。

    发动机匹配项目设计计算的目的，是根据汽车要求的性能确定发动机和变速器等部件的类型和参数，它有手工计算和仿真计算两种。

    手工计算主要是根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力，从而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响，确定发动机和变速器的参数。这种方法计算繁琐，结果不够准确。

    仿真计算在设计汽车和各部件模型的基础上，输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数，指定要求的行驶循环，最后计算出汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能。它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果，计算快速准确，能反映汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。