汽車電子簡介及網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用

李添瑜

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，得益于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們的生活水平顯著提高，對汽車的需求也日益增多，科學(xué)技術(shù)，尤其是電子技術(shù)的發(fā)展，使得汽車的安全性和舒適性極大地提高，汽車電子已經(jīng)成為衡量汽車性能的重要標(biāo)志[1]。

1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展概況

汽車的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志，現(xiàn)在越來越多的消費者對汽車的性能和功能的要求逐漸提高，汽車裝置系統(tǒng)正在逐漸由機(jī)械系統(tǒng)向電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，汽車電子技術(shù)應(yīng)運而生。汽車電子是以電子學(xué)的發(fā)展而建立起來的一種新技術(shù)，真空管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路是汽車電子發(fā)展經(jīng)歷的四個階段。進(jìn)入新世紀(jì)以來，計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的電子裝置，將這些電子設(shè)備以及裝置應(yīng)用到汽車上便促進(jìn)了汽車電子行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。其中一些汽車的電子設(shè)備和裝置約占汽車總成本的1/3，相對高級一些的轎車甚至配備了數(shù)十個甚至更多的微控器以及數(shù)百個傳感器，汽車上匹配電子化的程度已成為汽車是否高檔的重要標(biāo)志。

2 汽車電子發(fā)展經(jīng)歷的四個階段

在20世紀(jì)50年代，汽車電子發(fā)展的第一階段是安裝在汽車上的電子管收音機(jī)。晶體管收音機(jī)出現(xiàn)后，便迅速應(yīng)用在了汽車行業(yè)。60年代，在汽車上開始使用了晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點火裝置，70年代以后，電子工業(yè)有了長足進(jìn)步，為了解決汽車的安全問題、燃油經(jīng)濟(jì)性的問題以及污染的問題，電子技術(shù)便在汽車上得到了更廣泛的應(yīng)用，特別得益于集成電路的飛速發(fā)展，以及微型計算機(jī)在汽車行業(yè)方面的應(yīng)用，為汽車工業(yè)以及創(chuàng)新帶來了劃時代的變革，這是汽車電子發(fā)展的第二個階段[2]。20世紀(jì)90年代，汽車電子進(jìn)入了發(fā)展過程中的第三個階段，也是汽車電子發(fā)展歷史上最有價值最為寶貴的階段，超小型的磁體、超高效率的電機(jī)以及集成電路小型化，為汽車的集中控制技術(shù)提供了扎實有效的基礎(chǔ)。時至今日，汽車電子已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的第四個階段，即包括電子技術(shù)(如微計算機(jī)技術(shù))、優(yōu)化控制的技術(shù)、傳感器的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及機(jī)電一體化耦合交叉技術(shù)等集成技術(shù)的體系，從最初的對汽車電子的研究階段逐漸步入了商業(yè)化生產(chǎn)的成熟階段。

3 汽車電子技術(shù)簡介

汽車電子技術(shù)，是通過將電子信息化技術(shù)與汽車制造技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)，是電子技術(shù)在汽車制造上的應(yīng)用，是汽車制造向智能化發(fā)展的一個重要體現(xiàn)。汽車電子是車身汽車電子控制裝置和汽車電子控制裝置的總稱。

汽車電子技術(shù)其中包括了軟件技術(shù)和硬件技術(shù)。軟件技術(shù)主要包括了對各種汽車電子數(shù)據(jù)的采集、計算、判斷、預(yù)警、優(yōu)化系統(tǒng)控制、監(jiān)控、自動診斷系統(tǒng)等匯編語言和其他高級語言編寫的程序。硬件主要包括了微機(jī)及其接口、傳感器以及執(zhí)行組件等[3]。

微型計算機(jī)是整個系統(tǒng)運作過程的核心，主要工作任務(wù)是指導(dǎo)其他電子設(shè)備的正常運行。目前在汽車電子系統(tǒng)中使用的微型電腦主要是單片機(jī)以及高抗干擾和抗振動的汽車專用微型計算機(jī)，其精度和速度雖然還都比不上計算用的微機(jī)，但它的抗干擾性能極強(qiáng)，可以適應(yīng)汽車大幅振動以及行駛時的天氣等惡劣的工作環(huán)境。一些由一臺機(jī)器控制(即微電腦控制一個項目，如控制點火)以開發(fā)集中控制，汽車的集中控制也從原始計算機(jī)通信轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)管理。

4 汽車電子控制系統(tǒng)簡介

傳感器、ECU及執(zhí)行元件這三部分組成了汽車電子控制系統(tǒng)。

4.1 傳感器簡介

1) 傳感器的定義：一種能夠感測定義的測量并按照某些寫入的特定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成為可以用于輸出信號的設(shè)備，通常由轉(zhuǎn)換組件以及敏感組件組成。

2) 傳感器的特點：MEMS技術(shù)的小型化、數(shù)字化、智能、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

3) 傳感器的特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性、遲滯性。

4) 傳感器的指標(biāo)：靈敏度、分辨力。

5) 傳感器的輸出：數(shù)字信號、模擬信號。

4.2 ECU簡介

ECU的作用就是把輸入信號經(jīng)過處理，通過一定的邏輯計算出結(jié)果，輸出指令操作執(zhí)行部件。控制器的內(nèi)部工作就是二進(jìn)制數(shù)據(jù)的運算，這種運算是離散的，按步長進(jìn)行的，一般要幾個毫秒進(jìn)行一次。由于一般輸入信號是連續(xù)的(CAN除外)，所以輸入數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)化成離散數(shù)據(jù)，例如電壓信號需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，存放在寄存器中，大概需要100微秒左右的時間，ECU需要時就去這個地址里面提取[4]。由于信號傳輸時會不可避免地受到干擾，因此信號在接收前需要經(jīng)過濾波處理以排除干擾。ECU運算完成后，需要由DA將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號，控制執(zhí)行元件工作，輸出信號有開關(guān)量(高低電平)、PWM信號。

很多控制系統(tǒng)要有休眠功能，如車身控制器、整車控制器等，這會導(dǎo)致整車下電后依然存在靜態(tài)電流，另外控制器還具有故障診斷功能。

4.3 執(zhí)行元件

汽車電子的執(zhí)行元件即被控對象主要有電磁閥、繼電器、電機(jī)等。

5 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車電子技術(shù)也在漸漸地向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車電子上的使用已漸漸成熟。

5.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

目前，一些先進(jìn)的汽車已經(jīng)配備了數(shù)十個以上的微型電腦控制器以及數(shù)百個傳感器。這就為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，并解決了汽車電子技術(shù)中一直存在的集中控制和分散控制之間的矛盾。人們一般所說的分散控制指的是汽車上的某一個部件或器械。例如，點火裝置或者燃油噴射裝置由微型控制器進(jìn)行控制，這是微型計算機(jī)在汽車電子技術(shù)上應(yīng)用的開始。然后慢慢發(fā)展成為汽車的集中控制系統(tǒng)，這其中包括了一個完全集中的控制系統(tǒng)，來保證汽車每一環(huán)節(jié)的自動控制功能。例如我們熟知的日產(chǎn)分級控制系統(tǒng)，使用中央控制器命令四臺微型計算機(jī)控制防滑制動、優(yōu)化點火、燃油噴射、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。后來它發(fā)展成為一個分布式集中控制系統(tǒng)，它是基于對汽車的各大部分進(jìn)行集中控制的塊，如發(fā)動機(jī)、底盤、信息、顯示和報警等主要控制系統(tǒng)。

以上集中控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，但網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車后就可以發(fā)揮各型控制的優(yōu)點，克服了他們的缺點。例如可靠性問題一直是集中控制和分散控制最大弊端，如完全集中控制，一旦微機(jī)失效，整個車輛就會癱瘓。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用后，不但可以共享所有傳感器，而且可以共享其他設(shè)備，因此將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車中，對汽車功能的增加尤其是可靠性的增加起到了非常重要的作用。為了能滿足汽車的網(wǎng)絡(luò)化控制的需要，能更好的在各個控制系統(tǒng)之間完成信息交流、協(xié)調(diào)控制、共享資源及標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，世界上所有國家都在積極合作開發(fā)和研究汽車局域網(wǎng)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車外部系統(tǒng)的應(yīng)用

汽車的互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)可以說是一種無線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有了這項技術(shù)人們在開車時可以自由地上網(wǎng)、收發(fā)郵件以及進(jìn)行汽車導(dǎo)航?，F(xiàn)在國際上很多研發(fā)汽車電子的公司都在努力進(jìn)行這方面技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，如摩托羅拉公司和IBM公司聯(lián)合開發(fā)的無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)使駕駛員和乘客能夠發(fā)送電子郵件并參與汽車中的各種在線活動，如淘寶購物、購買股票和收聽天氣預(yù)報等。此外，微軟公司還推出了專門為“移動互聯(lián)網(wǎng)”設(shè)計的AutoPC軟件，該軟件采用了Windows CE作為操作系統(tǒng)，具有許多多媒體功能[5]。這些功能可以有效保障駕駛員的安全，因為它允許司機(jī)將手放在方向盤并將眼睛保持在前方，與PC系統(tǒng)交換各種信息，例如，道路前面的交通狀況，最短的時間導(dǎo)航等。

綜上所述，汽車網(wǎng)絡(luò)的使用使得汽車電子具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景，為人們的生活帶來了極大的便利。

6 結(jié)束語

本文介紹了汽車電子的發(fā)展概況和汽車電子發(fā)展經(jīng)歷的四個階段并簡要介紹了汽車電子技術(shù)，詳細(xì)描述了汽車電子的控制系統(tǒng)的構(gòu)成即傳感器、ECU及執(zhí)行元件，最后闡述了網(wǎng)絡(luò)在汽車內(nèi)部及外部的應(yīng)用，汽車電子使人們的生活更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化和舒適。