微控制器的组成及功能

微控制器是以汽车单片机为核心器件的单片机系统，该系统不是以几个部件的形式出现在汽车上，而是将几乎所有的硬件集中装配在一块印制电路板上，然后用一个金属外壳封装起来，有的为了防潮、防振还在壳体内部灌注树脂胶。在汽车上我们看到的微控制器是由金属外壳封装、具有各种功能的控制单片机系统，也就是所谓的汽车电子控制单元ECU（Electronic Control Unit）。

装在外壳下和汽车凹槽深处的微控制器可以收集并交换信息，实现控制、优化和监测等功能，其基本构成见图1－1。

图1－1　汽车电子控制单元（ECU）的基本构成

1.中央处理器CPU （Central Processing Unit）

CPU 是微控制器内部的核心部件，它决定微控制器的主要功能和特性。CPU 由两部分组成：一是控制器，简写为CU，它控制各部分协调工作。二是算术逻辑运算器，简写为ALU，它负责算术和逻辑运算，核心为一个运算器。

2.输入电路

输入电路是把传感器输入的各种信号进行放大、滤波、整形、变换等一系列的处理，转换为计算机可以识别的标准信号。一般分为模拟信号输入电路和数字信号输入电路。（1）模拟信号输入电路

模拟信号输入电路是单片机将控制对象的各种被测参数，如水温、空气流量、气温等都通过传感器变成模拟电信号，然后经过A/D 转换器变成数字量进入ECU 的电路。

（2）数字信号输入电路

数字量输入装置多是产生离散信号，通常这些信号代表两种状态，如开和关、限内与限外、高电平与低电平等。例如：发动机曲轴转速传感器就是一种数字传感器，它可以产生和曲轴转角速度成正比频率脉冲信号。在防滑制动中的轮胎转速传感器也是一种数字传感器，它产生的信号经过预处理成ECU 要求的标准脉冲后，进入ECU 控制的计数器，通过测频或测周期的算法求出相应的转速值。上止点的脉冲信号发生器在曲轴转到上止点之前的某个位置时，产生一个窄脉冲，作为点火喷油的基准信号。以上装置都是数字量输入装置。

3.输出电路

输出电路是把计算机发出的控制指令信号，经过放大、变换等处理转换成可以驱动各执行器工作的电信号。一般分为模拟信号输出电路和数字信号输出电路。

（1）模拟信号输出电路

模拟量输出装置多是执行机构，例如控制空燃比用的节气门开度控制器，就是把ECU送来的数字信号通过步进电机变成机械转动量（模拟量）。

（2）数字信号输出电路

数字量输出装置是汽车自动控制的输出机构的一种，例如电子喷油器的电磁线圈、点火系统的点火线圈等都是数字量输出装置。喷油的自动控制主要解决两个问题：一是喷油量的多少，主要是由ECU 给喷油器电磁线圈脉冲的宽度来决定的；二是在什么时间开始喷油，由发动机曲轴转角大小（由上止点到开始喷油的转角大小）来决定。当然，ECU 输出要通过接口、光电隔离及功率放大后才能控制执行机构。

4.A/D 转换器

A/D 转换器是将模拟信号转换成数字信号的装置。

5.存储器(www.xing528.com)

存储器一般分为两种，能读出也能写入的存储器称为随机存储器，简称RAM。只能读出的存储器称为只读存储器，简称ROM。

(1)RAM

RAM 主要用来存储计算机操作时的可变数据，如用来存储计算机输入/输出数据和计算过程中产生的中间数据等。根据需要，RAM 中的数据可随时调出或被新的数据代替（改写）。RAM 在计算机中起暂时存储信息的作用。当电源切断时，所有存入RAM 的数据均完全消失。在发动机运行中，为了存入RAM 中的一些数据，如故障代码、空燃比学习修正值等能较长期地保存，防止点火开关断开时因电源被切断而造成数据丢失，一般这些RAM 都通过专用电源后备电路与蓄电池直接连接，使它不受点火开关的影响。当然，当电源后备专用电路断开或蓄电池上的电源线被拔掉时，存入RAM 的数据就会丢失。

(2)ROM

ROM 用来存储固定数据，即存放各种永久性的程序和永久性或半永久性的数据，如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油特性、点火控制特性以及其他特性数据等。这些信息资料一般都是在制造时由厂家一次性存入，使用时无法改变其中的内容，即计算机工作时，新的数据不能存入，需要时，可读出存入的原始数据资料。当电源切断时，存入ROM 的信息不会丢失，通电后可以立即使用。这种存储器多由制造厂大批量生产，其成本较低、价格便宜。

为便于使用，另外还设计有几种不同类型的只读存储器，如PROM、EPROM 和EEPROM 等。PROM 为可编程只读存储器；EPROM 为可擦除、可编程只读存储器；EEPROM 为电力擦除可编程只读存储器。EEPROM 是上述几种只读存储器中价格最贵的一种，如果在使用过程中需要修改重要数据，应使用这类存储器，如汽车里程表的数据存储就常用这种存储器。汽车里程数据根据需要更改时，应将原来存储的数据擦掉，写入新的数据。当电源切断时，存入以上4 种只读存储器的信息都不会丢失。

6.接口

接口是一种在微处理器和外围设备之间控制数据流动和数据格式的电路。简单地说，接口就是连接两个电子设备单元的部件。微处理器要通过外部设备与外界联系，例如在发动机的优化控制中，CPU 要在极短的时间内对发动机的许多工况（通过传感器）进行巡回检查，另外，CPU 还要对点火提前角、燃油喷射、自动变速等进行自动控制或优化控制。许多输入/输出（I/O）设备与微机连接时，必须有其专用的接口电路。接口电路可以把输入/输出设备接收和发送的数据与微机所能处理的数据格式匹配起来，同时，接口电路还向微机传送各种状态的信息。另外，微机的运算处理速度和信息传输速度很快，而输入/输出设备的工作速度相对较慢，也需要用接口电路来协调。就是说，外部设备必须通过各种接口和输入/输出总线与微机相连接，而微机对外部设备的控制和信息交换也要通过接口来实现。不同的外部设备要求不同功能的接口，所以接口的结构多种多样。接口可分为并行和串行两种。

（1）串行接口

一次传输一位数据称为串行传输，如图1－2所示。以串行传输方式通信时，使用的接口称为串行接口，它由接收器、发送器和控制器三部分组成。接收器把外部设备送来的串行数据变为并行数据送到数据总线，发送器把数据总线上的并行数据变为串行数据发送到外部设备。控制器是控制上述两种变换过程的电路。串行接口的主要用途是进行串/并、并/串转换。

图1－2　串行数据的传输

（2）并行接口

同时传输两位或两位以上的数据称为并行传输。以并行传输方式通信时，是把多位数据（如8 位数据）的各个位同时传送，如图1－3所示。微机内部几乎都采用并行传输方式。由于CPU 与外部设备的速度不同，所以外部设备的数据线不能直接接到总线上。为使CPU 与外部设备的动作匹配，两者之间需要有缓冲器和锁存器。缓冲器和锁存器用于暂时保存数据，具有暂时保存数据并以并行方式传输的功能接口称为并行接口。串行接口和并行接口统称为输入/输出接口。

图1－3　并行数据的传输

随着汽车电子技术的发展，单片机在车上的应用基本上分成三类，即动力系统控制、舒适系统控制、信息娱乐系统控制，如图1－4所示。

图1－4　单片机在汽车电子控制系统中的应用