一、車用電腦的重要性

 

房車(Motor home),移動住家的概念,現代汽車的發展,已經不僅只是代步的交通工具而已,而是朝向與生活更緊密的結合,當高科技電子產品走向汽車產業,傳統的汽車工業也逐漸蛻變成「便利」、「娛樂」與「智慧」的結合體。

汽車電子最重要的作用是提高汽車的安全性、舒適性、經濟性和娛樂性。用傳感器、微處理器、執行器、數十甚至上百個電子元器件及其零部件組成的電控系統。

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汽車電子可分為兩大類:

 

1. 汽車電子控制裝置,包括動力總成控制、底盤和車身電子控制、舒適和防盜系統。

2. 車載汽車電子裝置,包括汽車信息系統(車載電腦)、汽車胎壓監測系統、導航系統、汽車視聽娛樂系統、車載通信系統、車載網絡等。

 

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汽車電子系統與產品魚骨圖

 

 

車用電子的成長

2010年,一台汽車價值的35%是電子商品,系統軟體達到500萬到800萬行程式碼,每台汽車超過70ECU

 

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軟體度量(software metric是一個對於軟體性質及其規格的量測。軟體度量的目的是獲得客觀、可以複製及量化的量測結果,依軟體度量性質及特性的不同,可以分別應用在軟體開發的時程及預算規劃、成本估算、品質保證測試、軟體偵錯、軟體效能最佳化或專案人員配置的最佳化等領域。

用另一句話說,軟件品質和軟體度量成直對關係。這是軟體度量的根本理念。

源代碼行數簡稱SLOC,是最簡單的一種軟體度量,我們看下圖來比較一下

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維持一個工廠運作大約需要十萬行源代碼,一台飛機飛行需要650萬行源代碼,一台汽車卻可以用到超過2000萬行源代碼,可知汽車電腦的發展程度極高。

 

 

ECU有什麼用?

 

發動機控制器通過傳感器監控引擎來決定注油量、點火時間和其他參數。

在發動機控制器出現前,大多數引擎參數都是固定的,每個引擎周期每個氣缸的注油量是由化油器或注油泵來決定的。

 

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現代汽車透過ECU控制注油量與空氣閥門

 

沒有ECU的汽車

駕駛人排檔與踩下油門踏板時,以機械式的方式控制引擎噴油與變速箱換檔。

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ECU的汽車

駕駛人排檔與踩下油門踏板時,將訊號傳至ECU,由ECU計算過後決定引擎的噴油量與檔位。

 

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二、ECU的硬體架構

 

ECUElectronic Control Unit)電子控制單元,又稱「行車電腦」、「車載電腦」等。從用途上講則是汽車專用微機控制器。它和普通的電腦一樣,由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數轉換器(A/D)以及整形、驅動等大規模集成電路組成。用一句簡單的話來形容就是「ECU就是汽車的大腦」。

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ECU的硬體架構

 

 

ECU的電壓工作範圍一般在6.5-16V(內部關鍵處有穩壓裝置)、工作電流在0.015-0.1A、工作溫度在-40~80℃。能承受1000Hz以下的振動,因此ECU損壞的概率非常小,在ECUCPU是核心部分,它具有運算與控制的功能,發動機在運行時,它採集各傳感器的信號,進行運算,並將運算的結果轉變為控制信號,控制被控對象的工作。

 

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ECU與各感測器相連,採集訊號

 

存儲器ROM中存放的程序是經過精確計算和大量實驗取得的數據為基礎編寫出來的,這個固有程序在發動機工作時,不斷地與採集來的各傳感器的信號進行比較和計算。把比較和計算的結果用來對發動機的點火、空燃比、怠速、廢氣再循環等多項參數的控制

 

 

自診斷功能

 

ECU一般都具備故障自診斷和保護功能,當系統產生故障時,它還能在RAM中自動記錄故障代碼並採用保護措施從上述的固有程序中讀取替代程序來維持發動機的運轉。同時這些故障信息會顯示在儀表盤上並保持不滅,可以使車主及時發現問題並將汽車能開到修理廠。

 

 

 

自適應功能

 

正常情況下,RAM也會不停地記錄你行駛中的數據,是成為ECU的學習程序,為適應你的駕駛習慣提供最佳的控制狀態,這個程序也叫自適應程序。

 

 

 

網絡

在一些中高級轎車上,不但在發動機上應用ECU,在其它許多地方都可發現ECU的蹤影。例如防抱死制動系統、四輪驅動系統、電控自動變速器、主動懸架系統、安全氣囊系統、多向可調電控座椅等都配置有各自的ECU。隨著轎車電子化自動化的提高,ECU將會日益增多,線路會日益複雜。為了簡化電路和降低成本,汽車上多個ECU之間的信息傳遞就要採用一種稱為多路復用通信網絡技術,將整車的ECU形成一個網絡系統,也就是CAN數據總線。

 

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三、軟體體系,功能與實現

 

汽車功能越來越多,連網的軟體數量也不斷增加,由於軟體架構沒有一個標準,每家公司都有自己的方案,我們用AUTOSAR做為範例來解釋ECU內的程式是如何運作的。

AUTOSARAUTomotive Open System Architecture(汽車開放系統架構)的首字母縮寫,是一家致力於制定汽車電子軟件標準的聯盟。AUTOSAR是由全球汽車製造商、部件供應商及其他電子、半導體和軟件系統公司聯合建立,各成員保持開發合作夥伴關係。自2003年起,各夥伴公司攜手合作,致力於為汽車工業開發一個開放的、標準化的軟件架構。

 

一般的軟體架構如下圖,由應用軟件、基本軟件、硬體組成。

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為了重用應用軟件,它必須能夠與指定此軟件運行的硬件平台分開獨立使用。這個目標可以通過為介於軟件硬件之間的界面(叫做運行時間環境RTE)開發一個適用的標準來實現。

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ECU的程式運作

 

我們以開啟前大燈做為例子解釋,首先參考下圖

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打開大燈開關ECU接收開關訊號要求開大燈通過網路(CAN)確認鑰匙插入大燈就位確認開啟大燈透過基本軟件將訊號轉為PWM類比訊號前大燈亮起

 

 

 

再舉一個例子,ECU如何讀取油們踏板的值,決定引擎輸出的轉矩

 

步驟:

 

  1. 讀取連線的油門踏板通過類比數為轉換器的數據
  2. 利用這些數據,比對内建圖表
  3. 比對後輸出的值乘以校正因素
  4. 計算引擎的輸出轉矩
  5. 20毫秒重複一次

 

 

 

 

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曾教授與古董保時捷

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