一文帶你全面了解汽車電腦ECU的內部構成、功能模塊
汽車ECU從用途上講ECU是汽車專用微機控制器。它和普通的電腦一樣,由微處理器、存儲器、輸入/輸出接口、模數轉換器以及整形、驅動等大規(guī)模集成電路組成。
從目前主流車企配套情況來看，大部分ECU電路結構大同小異，控制功能的變化主要依賴于軟件及輸入輸出模塊的變化，隨控制系統(tǒng)完成任務的不同而存在差異
1. 常規(guī)功能模塊
△ ECU的功能模塊
① 電源：向ECU內的各模塊提供穩(wěn)定的電壓(5V、3V等)，且與發(fā)動機艙的12V電池連接;也可用于AD轉換器的標準電壓，可實現較高精度。
② 輸入緩沖器：將數字輸入信號轉換為可輸入至微控制器的信號級(信號電平)。
?、?AD轉換器：將模擬輸入信號轉換為可輸入至微控制器的數字值。
?、?微控制器：通過各種輸入信號算出控制量并輸出。
?、?EEPROM：即帶電可擦可編程只讀存儲器(Electronically ErasableandProgrammable Read Only Memory)，即使發(fā)動機停止后電源不再供電，也能存儲應記憶數據的存儲器。
?、?輸出驅動器：依據微控制器的輸出信號，轉換為執(zhí)行器可驅動的信號形態(tài)，或者增幅電壓。
?、? 通信驅動器/接收器：通信驅動器是將微控制器的輸出數據轉換為滿足通信協議的通信信號;通信接收器是將其他ECU發(fā)送的信號轉換為可輸入至微控制器的信號級。
2. 輸入/輸出
ECU作為與外部通信的接口，為了通過微控制器運算實現符合實際狀態(tài)的最佳控制，需要檢測外部狀態(tài)的輸入手段及實際控制驅動的輸出手段。近年來為了滿足多種ECU之間密切協同控制，在ECU中還設置了通信手段。
車載ECU模塊圖
輸入電路、輸出電路、通信電路的接口方法的代表示例如下。
01 輸入接口
下圖為通過用戶進行開關操作等將ON/OFF狀態(tài)輸入至微控制器的電路示例。
開關打開時，通過鎖相電阻確定輸入電壓。在電磁干擾大等使用環(huán)境惡劣的車載ECU中，需要設置合理的濾波電路等，以防電磁干擾。其次，通過在微控制器中預裝軟件等，也可防止電磁干擾導致的異常工作。
車載環(huán)境下，存在不同電壓(蓄電池電壓、ECU內部電源的電壓)混合輸入的情況，需要對這些電源電壓進行分離處理。ECU還需要控制許多ON/OFF信號的輸入，有的會組合多種輸入信號，通過串口通信輸入至微控制器。因此，將這些控制功能集合于IC(集成電路)中，實現ECU體積小型化。
下圖為發(fā)動機冷卻水溫度、駕駛者對節(jié)氣門進行的操作等將“程度”狀態(tài)輸入至微控制器的示例。
鎖相電阻的作用是確定傳感器的輸入電壓，在傳感器斷開時也能確定輸入電壓，從而檢測出異常狀態(tài)。在ECU中，鎖相電阻具有檢測車輛異常狀態(tài)并向駕駛者發(fā)出警告的重要功能。
通過AD轉換器，模擬輸入被轉換為可通過微控制器操作的數字信號。近年來，隨著控制系統(tǒng)的精密化發(fā)展，逐步采用轉換性能(轉換速度及轉換精度)更高的AF轉換器。
02 輸出接口
下圖為通過進入發(fā)動機的燃油噴射脈沖(由微控制器控制運算確定)使驅動噴油器通電的電路示例。
03 通信接口
下圖為將與其他ECU進行數據交換的通信總線的通信信號輸入微控制器中，通過微控制器輸出CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域網絡)的通信電路示例。
3. 微控制器
01 .功能
車載ECU中的微控制器雖然是用于車載，但其基本構成與普通的微控制器相同。
為了應對近年來的法規(guī)制度，ROM(ReadOnlyMemory，只讀存儲器)逐漸改變?yōu)殚W存類型，可更改ROM內以模塊單位記憶的內容。
時序控制器是與時間及時刻相關的控制裝置。設定時刻與內部時序(計時器的數值)一致時，具有使既定輸出改變的匹配功能、記憶外部信號的邊緣輸入時刻的捕獲功能。匹配功能用于確定噴油信號輸出正時等。捕捉功能與中斷控制器配合，用于檢測發(fā)動機轉速信號輸出等。
通信接口是與ECU內部的輸入/輸出擴展IC及其他ECU進行通信的裝置。近年，為了應對車內LAN(LocalAreaNetwork，局域網)，內置CAN功能的微控制器逐漸增多。
02 性能
為了應對各種法規(guī)對微控制器的增加及強化等要求，其ROM容量呈幾何系數增加。今后這種趨勢還會繼續(xù)，相應的精細化、高速化要求也會不斷提高。作為法規(guī)中高速化要求的應對措施，微控制器的種類也有所變化，從8bit變?yōu)?6bit，之后升級為32bit等。隨著ROM開發(fā)速度的加快，要求更多種類的ROM能夠快速投放到市場中，從MASKROM到OTP(One Time Programming，一次編程)ROM，之后升級為閃存。
4. 軟件
△ 軟件的結構
5. ECU及控制器的搭載位置
△ 常見ECU的構成(防水型)
ECU根據在車輛內搭載的位置不同，其實際采用的形態(tài)也各種各樣。ECU的結構設計需要與其搭載環(huán)境相對應。
汽車剛開始電子化時，由于電子元件承受熱、濕度、振動等惡劣環(huán)境的能力較弱，所以將ECU搭載于環(huán)境條件較好的車室內。之后，隨著包括電路板在內的電子元件的可靠性及安裝技術的提升，ECU開始逐步搭載于環(huán)境條件較惡劣的發(fā)動機艙內，有些甚至直接安裝在發(fā)動機上。從設計層面考慮，ECU的硬件必須能夠適于安裝在車輛的任何位置，也就是“自由搭載”的概念。
另外，ECU、傳感器及執(zhí)行器之間需要使用線束進行電氣連接，如果這些相互連接的線束能夠盡可能縮短，將會帶來以下益處：
?、?材料費用減少，線束成本降低。② 銅的使用量減少，為車輛輕量化做出貢獻。③ 可減小線束的電壓，減輕供電負荷。④ 在指定信號頻率的條件下，不易受到線束阻抗導致的感應噪聲的影響，且不易產生噪聲。
因此，有的變速器ECU搭載于變速器附近或內置于變速器。而且，控制發(fā)動機的相關電子產品直接安裝于發(fā)動機上的情況逐漸增多。點火器直接搭載于火花塞孔上，可以盡量縮短高壓線束的長度，減少點火噪聲。相反，汽油直噴發(fā)動機中驅動噴油器的EDU(ElectricDriverUnit)不但電流大，而且工作速度受到線束阻抗的制約。因此，為了盡可能縮短線束長度，ECU的搭載位置要選擇在發(fā)動機艙內且接近發(fā)動機。
△ ECU的搭載位置及形態(tài)
△ 不同搭載位置的ECU示例
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