汽车电子简介及网络在汽车上的应用

2019-02-13李添瑜

山西电子技术 2019年1期

关键词：集中控制控制器传感器

李添瑜

(山西省电子工业科学研究所有限公司，山西太原 030006)

0 引言

进入21世纪以来，得益于科学技术的不断进步，国民经济迅速发展，人们的生活水平显著提高，对汽车的需求也日益增多，科学技术，尤其是电子技术的发展，使得汽车的安全性和舒适性极大地提高，汽车电子已经成为衡量汽车性能的重要标志[1]。

1 汽车电子技术的发展概况

汽车的智能化、网络化、信息化是现代汽车发展的重要标志，现在越来越多的消费者对汽车的性能和功能的要求逐渐提高，汽车装置系统正在逐渐由机械系统向电子系统转变，汽车电子技术应运而生。汽车电子是以电子学的发展而建立起来的一种新技术，真空管、晶体管、集成电路、大规模集成电路是汽车电子发展经历的四个阶段。进入新世纪以来，计算机技术的飞速发展，出现了各种各样的电子装置，将这些电子设备以及装置应用到汽车上便促进了汽车电子行业的持续发展。其中一些汽车的电子设备和装置约占汽车总成本的1/3，相对高级一些的轿车甚至配备了数十个甚至更多的微控器以及数百个传感器，汽车上匹配电子化的程度已成为汽车是否高档的重要标志。

2 汽车电子发展经历的四个阶段

在20世纪50年代，汽车电子发展的第一阶段是安装在汽车上的电子管收音机。晶体管收音机出现后，便迅速应用在了汽车行业。60年代，在汽车上开始使用了晶体管电压调节器和晶体管点火装置，70年代以后，电子工业有了长足进步，为了解决汽车的安全问题、燃油经济性的问题以及污染的问题，电子技术便在汽车上得到了更广泛的应用，特别得益于集成电路的飞速发展，以及微型计算机在汽车行业方面的应用，为汽车工业以及创新带来了划时代的变革，这是汽车电子发展的第二个阶段[2]。20世纪90年代，汽车电子进入了发展过程中的第三个阶段，也是汽车电子发展历史上最有价值最为宝贵的阶段，超小型的磁体、超高效率的电机以及集成电路小型化，为汽车的集中控制技术提供了扎实有效的基础。时至今日，汽车电子已经进入发展的第四个阶段，即包括电子技术(如微计算机技术)、优化控制的技术、传感器的技术、网络技术以及机电一体化耦合交叉技术等集成技术的体系，从最初的对汽车电子的研究阶段逐渐步入了商业化生产的成熟阶段。

3 汽车电子技术简介

汽车电子技术，是通过将电子信息化技术与汽车制造技术相结合而产生的一种新技术，是电子技术在汽车制造上的应用，是汽车制造向智能化发展的一个重要体现。汽车电子是车身汽车电子控制装置和汽车电子控制装置的总称。

汽车电子技术其中包括了软件技术和硬件技术。软件技术主要包括了对各种汽车电子数据的采集、计算、判断、预警、优化系统控制、监控、自动诊断系统等汇编语言和其他高级语言编写的程序。硬件主要包括了微机及其接口、传感器以及执行组件等[3]。

微型计算机是整个系统运作过程的核心，主要工作任务是指导其他电子设备的正常运行。目前在汽车电子系统中使用的微型电脑主要是单片机以及高抗干扰和抗振动的汽车专用微型计算机，其精度和速度虽然还都比不上计算用的微机，但它的抗干扰性能极强，可以适应汽车大幅振动以及行驶时的天气等恶劣的工作环境。一些由一台机器控制(即微电脑控制一个项目，如控制点火)以开发集中控制，汽车的集中控制也从原始计算机通信转换到网络管理。

4 汽车电子控制系统简介

传感器、ECU及执行元件这三部分组成了汽车电子控制系统。

4.1 传感器简介

1) 传感器的定义：一种能够感测定义的测量并按照某些写入的特定规则将其转换成为可以用于输出信号的设备，通常由转换组件以及敏感组件组成。

2) 传感器的特点：MEMS技术的小型化、数字化、智能、多功能化、系统化和网络化。

3) 传感器的特性：静态特性、动态特性、迟滞性。

4) 传感器的指标：灵敏度、分辨力。

5) 传感器的输出：数字信号、模拟信号。

4.2 ECU简介

ECU的作用就是把输入信号经过处理，通过一定的逻辑计算出结果，输出指令操作执行部件。控制器的内部工作就是二进制数据的运算，这种运算是离散的，按步长进行的，一般要几个毫秒进行一次。由于一般输入信号是连续的(CAN除外)，所以输入数据需要经过处理，转化成离散数据，例如电压信号需要经过AD转化成二进制数据，存放在寄存器中，大概需要100微秒左右的时间，ECU需要时就去这个地址里面提取[4]。由于信号传输时会不可避免地受到干扰，因此信号在接收前需要经过滤波处理以排除干扰。ECU运算完成后，需要由DA将二进制数据转换成信号，控制执行元件工作，输出信号有开关量(高低电平)、PWM信号。

很多控制系统要有休眠功能，如车身控制器、整车控制器等，这会导致整车下电后依然存在静态电流，另外控制器还具有故障诊断功能。

4.3 执行元件

汽车电子的执行元件即被控对象主要有电磁阀、继电器、电机等。

5 网络技术在汽车中的应用

随着计算机技术的迅速发展，汽车电子技术也在渐渐地向网络化的方向发展，目前网络技术在汽车电子上的使用已渐渐成熟。

5.1 网络技术在汽车内部结构中的应用

目前，一些先进的汽车已经配备了数十个以上的微型电脑控制器以及数百个传感器。这就为网络技术在汽车上的应用创造了条件，并解决了汽车电子技术中一直存在的集中控制和分散控制之间的矛盾。人们一般所说的分散控制指的是汽车上的某一个部件或器械。例如，点火装置或者燃油喷射装置由微型控制器进行控制，这是微型计算机在汽车电子技术上应用的开始。然后慢慢发展成为汽车的集中控制系统，这其中包括了一个完全集中的控制系统，来保证汽车每一环节的自动控制功能。例如我们熟知的日产分级控制系统，使用中央控制器命令四台微型计算机控制防滑制动、优化点火、燃油喷射、数据传输等。后来它发展成为一个分布式集中控制系统，它是基于对汽车的各大部分进行集中控制的块，如发动机、底盘、信息、显示和报警等主要控制系统。

以上集中控制系统各有优缺点，但网络应用于汽车后就可以发挥各型控制的优点，克服了他们的缺点。例如可靠性问题一直是集中控制和分散控制最大弊端，如完全集中控制，一旦微机失效，整个车辆就会瘫痪。网络技术应用后，不但可以共享所有传感器，而且可以共享其他设备，因此将网络应用于汽车中，对汽车功能的增加尤其是可靠性的增加起到了非常重要的作用。为了能满足汽车的网络化控制的需要，能更好的在各个控制系统之间完成信息交流、协调控制、共享资源及标准化与通用化，世界上所有国家都在积极合作开发和研究汽车局域网。

5.2 网络技术在汽车外部系统的应用

汽车的互联网接入系统可以说是一种无线的网络结构。有了这项技术人们在开车时可以自由地上网、收发邮件以及进行汽车导航。现在国际上很多研发汽车电子的公司都在努力进行这方面技术的研发和创新，如摩托罗拉公司和IBM公司联合开发的无线互联网技术，该技术使驾驶员和乘客能够发送电子邮件并参与汽车中的各种在线活动，如淘宝购物、购买股票和收听天气预报等。此外，微软公司还推出了专门为“移动互联网”设计的AutoPC软件，该软件采用了Windows CE作为操作系统，具有许多多媒体功能[5]。这些功能可以有效保障驾驶员的安全，因为它允许司机将手放在方向盘并将眼睛保持在前方，与PC系统交换各种信息，例如，道路前面的交通状况，最短的时间导航等。

综上所述，汽车网络的使用使得汽车电子具有良好的应用和发展前景，为人们的生活带来了极大的便利。