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Chapter11.車用電腦()

 

 

11.1 ECU的介紹

 

 

 

11.2 訊號的種類

 

 

 

11.3 網路功能與總機系統

 

 

 

前言

 

自從 Intel 公司推出第一個微處理機 4004 後,也是全球第一款微處理器,就註定了電腦界即將進入蓬勃發展的命運。在短短的數年之間不斷有新的微處理發展出來,如今微電腦的應用日益突飛猛進,已不僅是電腦專業人員才有機會接觸。在各行各業中、在日常生活的各個角落裏均不難發現其蹤影

 

 

 

中央處理器是微電腦內部對數據進行處理並對處理過程進行控制的部件,伴隨著大規模集成電路技術的迅速發展,晶片集成密度越來​​越高,CPU可以集成在一個半導體晶片上,這種具有中央處理器功能的大規模集成電路器件,被統稱為微處理器

 

 

 

全球第一款微處理器

     Intel 4004 

     1971年11月15日上市

 

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車用電腦的現況

隨著汽車設計逐漸朝向個人化、舒適化與智慧化發展,車用電子系統從 1970 年代佔全車總成本的 2% 成長至 2004 年的 23% ,包括簡單的電動座椅控制、電動照後鏡、空調感應設備,以及複雜的引擎傳動、安全與煞車控制、駕駛感應等,都代表著車輛控制電子化時代的來臨

 

 

 

 

 

 

11.1 ECU(Electronic control units)介紹

 

 

ECU在車的電腦控制系統中扮演著相當於人類大腦的角色;不間斷地接收各感知器的訊號,並與永久記憶體(ROM)內的資料進行比對,進而對各元件做出相應的指令。
 
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A.ECU的記憶體

 

ECU的記憶體主要分成幾個部分:唯讀記憶體(ROM)、暫存記憶體(RAM)、磨損修正係數記憶體(KAM)與電子可編輯記憶體(EEPROM)

 

 

唯讀記憶體ROM(Read-only memory)

 

儲存ECU執行程式及龐大的比對資料(如:fuel map),該記憶體只能編輯一次,並將資料永久儲存,即使切斷ECU電源資料也不會消失。這種類型的記憶體能使ECU啟動時,立即開始在執行的程式。

 

 

暫存記憶體RAM(Read and write ,or random access memory)

 

暫時儲存ECU正在執行或是正在編輯的資料,一旦切除電源其內部資料就會消失。

 

 

一般個人電腦的ROM

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一般個人電腦的RAM

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磨損修正係數記憶體KAM(Keep-alive memory)

 

用來儲存ECU執行過程中曾發生過的錯誤指令;其需要電瓶持續供電才能保存其記憶體內容。

 

 

電子可編輯記憶體EEPROM(Electric erasable programmablememory)

 

其效果近似於永久記憶體,不同在於其可編輯內容,故適合用來儲存ECU的執行程式,以便日後調整便利。

 

 

M27C256M27C51219801996年間STMicroelectronics(意法半導體)所生產的,常使用在歐系車款的ROM,規格256kbit512kbitEPROM,有28個腳位

 

 

(M27C256)圖片7

 

(Porsche 930  1989年的引擎管理系統)

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記憶體單位

 

 

在電腦裡,能夠被電腦讀取與發送的訊息是數位資料,數位資料是以位元(bit)形式表示。其中個別位元的值是10。數位電路通常使用5Vdc代表邏輯10Vdc代表邏輯0

 

  八個位元稱為一個位元組(byte)。一個微處理器以字組(word)形式處理數位資料。所以CPU一次處理或搬動的資料位元數(Word的長度)並非固定的,而是視電腦而定的。例如一個64位元電腦,其Word的長度為64Bits

 

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B.中央處理器(Central Processing Unit,簡稱CPU)

 

中央處理器(CPU),是一個微處理器。它是一種積體電路。是一個極小的矽晶圓,由數千個電晶體和二極體組成。主要負責協調與指揮各單元間的資料傳送與運作,使得微電腦可依照指令的要求完成工作。CPU包括算術邏輯單(ALU),以及用於數據記憶的暫存器和控制部分。該矽晶片是裝在一個矩形,扁平封裝外殼中。有許多接腳使連接到外部電路。

 

 

 

中央處理器內部結構圖

 

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1971  220px-Intel_4004處理器

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1994 

陶瓷PGA封裝的Intel DX2 中央處理器

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微處理器(microcomputer)

為接收外部訊號經處理完後送出執行命令的元件。除了基本的運算功能外,最重要的就是輸入與輸出訊號處理的部分了,因為電腦所能接收的訊號只有數位訊號,即二進位經排列組合後所得的數列,通常以高電位表示“1”低電位表示“0”

 

二進位

二進位法顧名思義即是數字加到2就要進位,跟我們日常生活用的十進位法是同樣的道理,以二進位法的1010對應十進位法的10為例。

 

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11.2訊號的種類

 

所謂的訊號並不僅僅是只有我們手機或是無線網路等,其實我們日常的所見、所聽甚至是所聞都是訊號;眼睛看的是接收了光的波長給我們的訊號;耳朵是接收了震動帶給我們的訊號;而香味則是化學物質刺激我們的鼻子後送給大腦的訊號。然而如此多樣的訊號被我們分成兩部分:一個是數位訊號,另一個是類比訊號

 

 

 

 

數位訊號(Digital Signal)

 

 

數位訊號是離散時間訊號(discrete-time signal)意即訊號彼此會有一定的時間間隔不連續,是電腦可以讀取與記憶的訊號型式。如:曲軸位置感知器、凸輪位置感知器所發的訊號為數位訊號。

 

 

 

類比訊號(Analog Signal)

 

 

類比訊號是一組隨時間改變的資料,如某地方的溫度變化,汽車在行駛過程中的速度,或電路中某節點的電壓振幅等。有些類比訊號可以用數學函數來表示,其中時間是自變數而訊號本身則作為應變數。

 

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數位與類比訊號的轉換

 

 

在各電子系統裡常常會需要仰賴電腦同時大量地接收及處理各種訊號,但剛剛前面有提到,我們的電腦只能夠讀取數位的訊號,所以如何把訊號轉換成電腦能處理的訊號又是另一門學問了。

 

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類比訊號轉換成數位訊號

 

 

利用週期性的脈衝S(t)與輸入訊號Ui(t)做合成後所得的輸出訊號Uo(t)即為所求。再決定脈衝週期Ts時,為了減少訊號失真太多,故脈衝週期Ts必須小於等於輸入訊號週期的一半,且取越小越接近原訊號,脈衝的作用時間τ越小越好。

 

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數位訊號轉換成類比訊號

 

 

輸出的數位訊號是一系列的脈衝函數,且脈衝寬度τ很短暫,故在下一個脈衝出現前,需要有個保持電路來維持所取得的脈衝高度。

 

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比較一般電腦與車用ECU

 

 

 

針對使用ECU與使用個人電腦時的訊號輸入與輸出接腳進行型比較,電腦的轉換卡方面,我們使用研華公司生產的 PCL-818H 轉換卡與Bosch L-Jetronic所使用的ECU來配合進行解說。

 

 

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1:PCL-818H 轉換卡

 

 

 

     PCL-818H是一款100KHz的多功能卡,能夠提供最常用的五種測量和控制功能,這些功能包括:A/D 轉換器、D/A 轉換器、數位输入、數位输出及計數器/定時器功能,其實體圖及插角架構如下圖所示。

 

 

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輸入

輸出圖片21

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PCL-818HI/O接頭特性

 

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2.ECU的接腳(L-Jetronic)

 

 

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類比輸出

 

 

 

     如下一頁圖所示為燃油泵分別連接ECU與個人電腦的接線比較,其中連接個人電腦進行輸出的方式時,電腦訊號會流入介面卡的CN2後進行訊號轉換,再由CN4輸出類比訊號進入制動器。

 

 

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數位輸出

 

 

如下圖所示為噴油嘴分別連接ECU與個人電腦的接線比較,其中連接個人電腦進行輸出的方式時,電腦訊號會流入介面卡的CN2後進行訊號轉換,再由CN1輸出數位訊號進入制動器。

 

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類比輸入

 

 

如下一頁圖所示為翼板流量計分別連接ECU與個人電腦的接線比較,其中連接個人電腦進行讀取的方式時,感測器訊號會流入介面卡的CN3後進行訊號轉換,再由CN1輸出數位訊號進入電腦。

 

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數位輸入

 

 

 

     如下一頁圖所示為開關式節器門感知器分別連接ECU與個人電腦的接線比較,其中連接個人電腦進行讀取的方式時,感測器訊號會流入介面卡的CN2後進行訊號轉換,再由CN1輸出數位訊號進入電腦。

 

 

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11.3網路功能與總機系統

 

 

一般電腦控制的系統,為了能達到最佳地運作效果,各元件間必須大量地流通資料,為了在短時間內達成該目的,最好的方法就是將各元件像網路一樣連接起來,再由一個總機整理並發送指令。

 

 

總機(Bus)

 

 

其名的由來是像巴士一樣將資料交換或是牽引至各系統,協助各系統與ECU間互動,最常見於防鎖死煞車系統(Anti-lock braking system)與引擎管理系統(Engine management system)

 

 

區域網路CAN(Controller-Area Network)

 

CAN系統是利用網路訊號來進行資料的交換,最早是由Rober Bosch GmbH1980年代所發展出來的,現今被廣泛利用在各自動系統中。

 

 

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Robert Bosch StiftungGmbH

 

 

根據CAN data bus的資料傳輸速度可以分成兩部分:

 

 

1.Low-speed CAN 2.High-speed CAN

 

Low-speed CAN

 

 

最大的傳輸速度達125kbaud,適合用在椅座調整馬達或是空調等系統

 

 

High-speed CAN

 

 

其最大的傳輸速度可達1Mbaud,適合用在引擎管理系統、牽引力控制系統及傳動系統

 

 

1(波特)baud=1bit/s

 

 

 

Node

每個Node中都有一個微處理器,使得每個Node都具有傳送與接收訊息的功能。然而每個Node都是獨立與Bus傳遞訊息,所以難免會有兩個以上的訊息同時傳給Bus,此時就需要用到位元仲裁來決定其處理順序

 

 

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位元仲裁

 

 

下表中,NodeA先對Bus提出傳輸檔案的要求,然而在傳輸過程中,NodeBNodeC也提出傳輸檔案的要求,但式由於Node的辨識碼(ID)較小,所以即使他較晚提出要求,Bus還是會優先NodeB的要求。

 

 

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資料的最大傳輸速度取決於CANbus的長度,下表為ISO 11898的規範標準

 

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錯誤訊息

 

 

CANBus在統合大量資料的過程中,難免會接收到一些錯誤的訊號,所以系統必須判斷該錯誤是暫時的還是永久的,若是是永久的則CANBus將切斷其連接,其餘的將繼續運作;判斷的依據將用環性多餘檢查決定之。

 

 

 

環性多餘檢查 (cyclic-redundancy-check  簡稱CRC)

 

 

要傳送信息的電腦從要傳遞的信息中計算測試位元,同時把計算出來的測試位元加入傳遞的信息組中的CRC信息組內,而接收的電腦從接收的信息測試位元中,加以計算並比較來得知是否正確無誤接收。

 

 

 

CANBus線路的演進

 

 

傳統的標準線路中並沒有總機(Bus)的概念,所以每個電腦(ECU)都需要其感知器及作動器並與它們直接連接。若一個信號需要數次,則這些功能必須綜合在一個電腦或是相同的信號必須由數個感知器作重複多次的記錄。

 

 

傳統標準線路

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CAN的標準線路中所有的電腦(ECU)都是經由資料匯流排(bus)接在一起,在匯流排系統中每一個獨立的電腦是連結在一起並能交換資訊;來自一個感知器的信號傳送到最近的電腦後,信號經電腦處理並轉成資料碼後傳送至資料匯流排,在這資料匯流排上的每個電腦都可以讀取並處理這資料碼。

 

 

CAN標準線路

 

 

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最常見的例子就是含氧感知器EGO回饋給ECU訊號,使得空燃比盡可能維持在理想的狀態,即是讓引擎提供最佳效率。

 

 

 

含氧感知器(EGO)

 

 

氧感測器(Exhaust gas oxygen sensorEGO)可以用來檢測廢氣中的含氧量來向ECM回饋混合氣的濃度資訊。當EGO測得的氧氣含量多時表示空燃比太稀,引擎燃燒不完全;反之氧氣含量少,則空燃比高。

 

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現代車輛上一般會裝有兩個含氧感測器,其位置如圖所示,分別安裝在觸媒催化劑之前和之後的排氣管上。其中一個EGO主要是測量廢氣中的含氧量以確定實際空燃比與所需的值較大還是小,並向ECU回饋相應的電壓信號,而後面的EGO感測器則是來測量觸媒轉換器是否正常工作用,故其正常工作時回傳的電壓應為一定值,表示從觸媒轉換器通過後的氧氣含量正常。

 

 

圖片46擷取  

 

廢氣循環系統(EGR)

 

 

廢氣循環(Exhaust Gas Recirculation 簡稱EGR指在引擎排氣過程中,將一部分廢氣引入進氣管油氣混合氣混合後進入氣缸燃燒。由於燃燒過程中會吸收熱量所以降低了引擎溫度廢氣中的氮氧化物(NOx)主要是在高溫富條件下生成的,因而廢氣再循環再降低引擎溫度的同時也減少NOx的生成,但是如果廢氣再循環若過度則會影響正常運行。

 

 

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eatontseng

曾教授與古董保時捷

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