毕业设计论文浅谈电子技术在汽车上的应用 2.docx

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毕业设计论文浅谈电子技术在汽车上的应用2

摘要

随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车电子化的程度也越来越高。

汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。

可以说，今天的汽车已经进入电子控制的时代，而这一切都依赖于电子技术的发展。

技术创新能力成为竞争取胜的关键。

世界各大汽车公司已把主攻方向转向以微电子技术和信息技术为代表的高新技术，开发研制各种新车型，以此占领技术制高点。

国外专家预测，汽车上装备的电子装置成本将占汽车整车成本的15%以上。

汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，“电子汽车”走向未来。

关键词：

电子技术、装置、汽车

Abstract

Theautoindustryandelectronicindustrydevelopment,inthemodernbus,electronictechnologyusedmorewidely,automobileelectronicdegreemoreandmoreisalsohigh.Automobileelectronictechnologyisautotechnologyandelectronictechniques.Cansay,today'scarshaveenteredtheelectroniccontrolperiod,butitalldependsonthedevelopmentofelectronictechnology.Foreignexpertspredict,busequipmentelectronicdevicecostwillaccountformorethan15%oftheautocost.Carswillbemechanicalproductsfrompuretoadvancedmechtronieproductdirection,"electroniccar"intothefuture.

Keywords:

electronictechnology;device;vehicle

第一章设计总则

1.1汽车电子的介绍

汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。

车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统（车身电子ECU）。

汽车电子最重要的作用是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。

用传感器、微处理器CPU、执行器、数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统。

1.1．电子控制喷油装置

2.2．电子点火装置（ESA）

1．电控自动变速器（ECAT）

1.2．防抱死制动系统（ABS）

2.3．电子转向助力系统

3.4．适时调节的自适应悬挂系统

4.5．常速巡行自动控制系统（CCS）

汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。

汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。

据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16％增至23％以上。

一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50％以上，目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。

1.2类别

按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类：

一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。

例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等，另一类是车载汽车电子装置，车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。

它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

目前电子技术发展的方向集中综合控制发展：

将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制（PCM）；将制动防抱死控制系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和驱动防滑控制系统（ASR）综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。

控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统（UCC）。

由于汽车上的电子电器装置数量的急剧增多，为了减少连接导线的数量和重量，网络、总线技术在此期间有了很大的发展。

总线技术是将各种汽车电子装置连接成为一个网络，通过数据总线发送和接收信息。

电子装置除了独立完成各自的控制功能外，还可以为其它控制装置提供数据服务。

由于使用了网络化的设计，简化了布线，减少了电气节点的数量和导线的用量，使装配工作更为简化，同时也增加了信息传送的可靠性。

通过数据总线可以访问任何一个电子控制装置，读取故障码对其进行故障诊断，使整车维修工作变得更为简单。

1.3变化

汽车电子技术的应用将使汽车发生以下主要变化：

一、汽车的机械结构还将发生重大的变化，汽车的各种操纵系统向电子化和电动化发展，实现“线操控”。

用导线代替原来的机械传动机构，例如“导线制动”、“导线转向”、“电子油门”等。

二、汽车12伏供电系统向42伏转化。

随着汽车电子装置越来越多，消耗的电能正在大幅度地增加。

现有的12伏动力电源，已满足不了汽车上所有电气系统的需要。

今后将采用集成起动机－发电机42伏供电系统，发电机最大输出功率将会由目前的1千瓦提高到8千瓦左右，发电效率将会达到80％以上。

42伏汽车电气系统新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革，机械式的继电器、熔丝式保护电路将被淘汰。

三、汽车电子技术的应用将使汽车更加智能化。

智能汽车装备有多种传感器，能够充分感知驾车者和乘客的状况，交通设施和周边环境的信息，判断乘员是否处于最佳状态，车辆和人是否会发生危险，并及时采取对应措施。

今天，社会进入了信息网络时代，人们希望汽车不仅仅是一种代步工具，更希望在汽车是生活及工作范围的一种延伸，在汽车上就像呆在自己的办公室和家里一样，可以收听广播，打电话，上互联网，处理工作。

随着数字技术的进步，汽车也将步入多媒体时代。

利用w1ndows操作系统开发的车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能。

可以预见到的将来，汽车装置自动导航和辅助驾驶系统，驾驶员可把行车的目的地输入到汽车电脑中，汽车就会沿着最佳行车路线行驶到达目的地。

人们可以通过语言识别系统操纵着车内的各种设施，一边驾驶着汽车，一边欣赏着音乐电视，还可上网预定饭桌、机票等。

1.4我国汽车电子行业呈现的七大特点分析

汽车电子信息产品是一大市场，市场将年增7%，车载远程信息处理系统市场达到200亿美元。

据汽车用品之家社区，专家介绍随着我国汽车业发展迅速，目前我国汽车电子业呈现出七大发展特点：

一、汽车工业正处于科技创新时代，传统机电产品成为高新技术产品，汽车产业已成为高新技术装备起来的产业。

二、法规和市场推动着汽车电子信息技术的发展，能源、排放、噪声、安全法规日趋严格，客户对舒适性的要求不断提高，推动着汽车电子信息技术的发展。

我国也将实施欧Ⅲ排放标准，欧洲将实施欧Ⅳ排放标准，德国已开发出百公里油耗一升的汽车。

提升汽车安全性的安全带、安全气囊、ABS、ASR等都已智能化。

三、汽车和发动机系统微处理器的规模越来越大。

汽车微处理器越来越多，有的车型达60个，并采用LIN、CAN网络控制，汽车电子产品已占汽车总成本的1/3，软件部分占4%，这一两年预计将超过10%。

IC也将不断趋于集成化，如今的一个IC可实现相当于以前多个IC的功能。

为适应电子系统发展需求，汽车供电系统将从12V发展到42V。

四、将普及电控电喷系统，提高动力系统效率，可以看出所有发动机已采用了电子技术，厂商也正在普及和提高：

电控高压共轭柴油机正大量研究，电力电子模块混合动力驱动系统成驱动主力，氢燃料电池混合动力汽车商业化取得新进展，电控复合火花点火发动机迅速普及，高级电控均匀充气压燃发动机正加紧研究。

五、线控或驱动系统迅速发展，线控转向、线控制动正加紧研究，线控将取代机械系统，汽车底盘将发生革命性变化。

六、ITS正迅速兴起，包括汽车的智能化、公路的自动化和导航系统等。

七、综合控制成为汽车电子信息技术发展趋势，包括动力传动系统、底盘与安全系统、车身与防盗系统等，远程信息处理系统将使蓝牙技术广泛应用于汽车，汽车智能化将不断升级。

第二章汽车电子系统开发方案的介绍

车控电子产品是软硬件结合的嵌入式系统。

为了节约资源，缩短产品开发周期，一般应采取软硬件同步开发的方案。

2.1车控电子产品的开发流程

车控电子产品是软硬件结合的嵌入式系统。

为了节约资源，缩短产品开发周期，一般应采取软硬件同步开发的方案。

车控电子产品的开发工具对软硬件的同步开发、调试提供了很好的支持。

车控电子产品的软件开发分为功能描述、软件设计、代码生成、操作系统环境下高级调试等步骤。

车控电子产品的硬件开发分为硬件描述、硬件设计、硬件调试等步骤。

当软件设计完成后，通过使用相应的工具，完成在虚拟ECU平台上的验证。

当硬件设计完成后，与硬件一起进行软硬件集成调试。

通过这种开发方式，缩短了产品上市的时间。

2.2车控电子产品软件开发流程

汽车车控电子产品软件开发流程是“V”形开发流程。

“V”形开发流程分为五个阶段，即功能设计、原型仿真、代码生成、硬件在回路仿真－HIL、标定。

如图3.1所示。

在功能设计阶段使用的主要工具是MATLAB。

通过使用MATLAB提供的Simulink、Stateflow等工具，完成控制方案的设计、功能模块的设计、控制算法的设计等任务，并进工行初步的仿真模拟工作。

在原型仿真阶段使用的主要工具是DSPACE。

使用DSPACE提供的快速控制原型－RCP工具完成离线的仿真工作。

在开始该阶段之前，需要使用RealTimeWorkshop、Targetlink等工具完成由Simulink、Stateflow等产生的代码向标准C代码的转换工作。

2.3车控电子产品代码生成过程

在进行向标准C代码的转换的过程中，可以根据需要加入符合OSEK规范的嵌入式实时操作系统。

在代码生产阶段使用的主要工具是CodeWarrior。

通过使用CodeWarrior提供的编译器、调试器等工具，完成从标准C代码向目标硬件平台上的产品代码的转换工作。

下图表示了车控电子产品的代码生成过程。

如图3.2所示。

2.4汽车电子系统划分

汽车电子产品可分为两大类：

1.汽车电子控制装置，包括动力总成控制、底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统。

2.车载汽车电子装置，包括汽车信息系统（车载电脑）、汽车胎压监测系统、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络等。

汽车电子系统的划分示意图。

图

第三章现在汽车电子技术在汽车上的应用

3.1在发动机上的应用：

3.1.1电子控制喷油装置

在现代汽车上，机械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。

电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。

经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中，当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的运算程序进行运算、然后和内存中的最佳工况的参数进行比较和判断再调整供油量。

这样就能够使发动机一直处于最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。

下图为电子控制式燃油喷射系统图。

3.1.2电子点火装置（ESA）

它由微机、传感器及其接口、执行机构等几部分构成。

该装置可根据传感器送来的发动机各种参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，这样可以节约燃料，减少空气污染。

此外，新型发动机电子控制装置还有自适应控制、智能控制及自诊断操作等。

一般认为，发动机电子控制装置的节能效果在15%以上，而效果更明显的则是在环境保护方面。

下图为电子点火控制图。

3.1.3动力传动电子控制系统

主要包括发动机电子控制（包括汽油机和柴油机）、自动变速器控制（ECT、CVT/ECVT等）以及动力传动总成的综合电子控制等。

控制系统主要由各种传感器、执行机构和电控单元（ECU）组成。

其主要是保证汽车在不同的工况下均能处在最佳状态下运行，并简化驾驶员的有关操作，从而降低油耗和排放，减少动力传动系统的冲击，减轻驾驶人员的劳动强度，提高汽车的动力性、经济性和舒适性。

下图为中华汽车的动力传动图示。

3.1.4车身电子控制系统

主要包括安全气囊（SRS）、自动座椅、自动空调控制、车内噪音控制、中央防盗门锁、视野照明控制、自动刮水器、自动门窗、自动防撞系统以及满足不同用电设备的电源管理系统。

主要是用来增强汽车的安全性、舒适性和方便性。

3.1.5多媒体娱乐、通讯系统

主要包括车载多媒体系统、驾驶员信息系统、语音系统、智能交通系统（ITS）、车辆导航系统（GPS/DGPS等）、计算机网络系统、状态监测与故障诊断系统等。

用于联结“人—车—外界环境信息”，以及协调整车各部分的电子控制功能。

除此之外，在发动机部分利用电子技术的内容还有：

废气再循环（EGR）、怠速控制（ISC）、电动油泵、发电机输出、冷却风扇、发动机排量、节气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油汽蒸发及系统自我诊断功能等，它们在不同的车型上都或多或少地被应用。

3.2电子技术在底盘上的应用：

3.2.1电控自动变速器（ECAT）

ECAT可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经过计算机的计算、判断后自动地改变变速杆的位置，从而实现变速器换挡的最佳控制，即可得到最佳挡位和最佳换挡时间。

它的优点是加速性能好、灵敏度高、能准确地反映行驶负荷和道路条件等。

传动系统的电子控制装置，能自动适应瞬时工况变化，保持发动机以尽可能低的转速工作。

电子气动换挡装置是利用电子装置取代机械换挡杆及其与变速机构间的连接，并通过电磁阀及气动伺服阀汽缸来执行。

它不仅能明显地简化汽车操纵，而且能实现最佳的行驶动力性和安全性。

3.2.2防抱死制动系统（ABS）

汽车制动时，ABS通过安装在汽车上的车速传感器、减速度传感器或各车轮上的轮速传感器，检测汽车的行驶速度、车轮的转速、加速度或减速度。

微处理器根据这些传感器的信号，计算出汽车的瞬时滑移率和汽车加速或减速度是否达到控制门限值，以决定增大、保持或降低制动轮缸内制动液的制动压力，随即发出指令使执行机构及时调整制动压力，保持所有车轮有10％～15％的理想滑移率，即车轮始终维持在微弱滑移的滚动状况下制动，防止车轮被完全制动抱死。

下图为防抱死制动原理图。

3.2.3电子转向助力系统

电子转向助力系统是用一部直流电机代替传统的液压助力缸、用蓄电池和电动机提供动力。

这种微机控制的转向助力系统和传统的液压助力系统比起来具有部件少、体积小、重量轻的特点，最优化的转向作用力、转向回正特性，提高了汽车的转向能力和转向响应特性，增加了汽车低速时的机动性以及调整行驶时的稳定性。

3.2.4适时调节的自适应悬挂系统

自适应悬挂系统能根据悬挂装置的瞬时负荷，自动地适时调节悬架弹簧的刚度和减震器的阻尼特性，以适应当时的负荷，保持悬挂的既定高度。

这样就能够极大地改进车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。

3.2.5常速巡行自动控制系统（CCS）

在高速长途行驶时，可采用常速巡行自动控制系统，恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度，驾驶员不必经常踏油门以调整车速。

若遇爬坡，车速有下降趋势，微机控制系统则自动加大节气门开度；在下坡时，又自动关小节气门开度，以调节发动机功率达到一定的转速。

当驾驶员换低速挡或制动时，这种控制系统则会自动断开。

随着世界各大汽车产家对汽车安全问题的高度重视，安全气囊系统、行驶动力学调节系统（FDR或VDC）、防撞系统、安全带控制、照相控制等方面已大量采用了电子新技术。

第四章汽车电子技术发展的趋势

随着更加先进的灵巧型传感器、快速响应的执行器、高性能ECU、先进的控制策略、计算机网络技术、雷达技术、第三代移动通讯技术在汽车上的广泛应用，现代汽车正朝着更加智能化、自动化和信息化的机电一体化产品方向发展，以达到“人—汽车—环境”的完美协调。

4.1传感器

随着汽车电子化发展，自动化越高，对传感器的依赖程度也就越大。

汽车用传感器的种类多样化和使用数量的增加，使得传感器朝着多功能化、集成化、智能化和微型化方向发展。

这些将使未来的智能化集成传感器不仅能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大等处理；同时它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度；另外，它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。

4.2微处理器（ECU）

自从1976美国通用汽车公司成功的将ECU应用到汽车发动机的控制系统中后，汽车电子控制系统进入到了新的高速发展阶段，随后ECU被应用到动力传动、车身、安全等控制系统中。

由于汽车用ECU对可靠性、信息处理能力、实时控制能力及成本上的特殊要求，基于通用芯片开发出的ECU已经很难满足汽车电子控制系统的要求，因此，开发出具有多路同步实时控制、自带A/D与D/A、自我诊断、高输人/输出等功能的汽车专用ECU系统具有很高的现实意义。

随着汽车电子控制日趋集中化，ECU需要处理的信息量不断增加，因此，16位和32位ECU将成为未来汽车用ECU的首选。

预计在今后几年需求量将增加50%以上、逐步成为车用ECU的主流。

4.3执行器

目前，汽车上所使用的执行器主要有电磁式、电动式和气动／液动式。

电磁和电动式的执行器是以电为动力的操作机构，具有体积小、重量轻、响应速度快、耗能小的特点，但、是，与气动／液动式执行器相比，输出驱动能力则不足；无法满足未来汽车控制领域大驱动输出的需要。

但是，随着新材料、新工艺、新机构设计的采用，电磁和电动式执行器将逐渐取代气动／液动执行器，尤其是在未来汽车普遍更换42V新型电源系统之后，输出驱动能力将大幅度提升，完全可以取代传统的气动／液动系统。

4.4控制策略

目前在汽车电子控制系统中广泛采用的是PID控制理论，是一种使用于单输入/输出、线性定常系统的经典控制理论。

但由于汽车中需要控制的对象往往具有很强的时变和非线性，控制系统的输入和输出参数也越来越多，采用以状态空间为基础、适用于多输入/输出、非线性时变系统的现代控制理论已成必然，如最优控制、自适应控制、模糊控制等。

4.5总线技术

利用总线技术将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成汽车内部局域网，实现各系统间的信息资源共享。

其优点主要有：

（1）大大减少线束数量、连接点及体积，提高系统的可靠性和可维护性；

（2）采用通用传感器，达到数据信息共享的目的；（3）改善系统的灵活性，即通过系统的软件可实现系统功能的变化。

根据侧重功能的不同，SAE将总线划分为A、B、C三大类：

A类是面向传感器和执行器的一种低速网络，主要用于后视镜调整、灯光照明控制、电动车窗等控制等。

目前，A类的主流是LIN；B类是应用于独立模块间的数据共享中速网络，主要用于汽车舒适性、故障诊断、仪表显示及四门中央控制等，其目前主流是低速CAN（又称车身CAN）；C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，主要用于发动机、ABS和自动变速器、安全气囊等的控制，目前C类主流是高速CAN（又称动力CAN），但是随着下一代高速、具有容错能力的时间触发方式的“X-by-Wire”线控技术的发展，将逐渐代替高速CAN在C类网中的位置，力求在未来5~10年之内使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通讯总线与高性能CPU相连的百分之百的电控系统，完全不需要后备机械系统的支持，其主要代表有TTP/C和FlexRayo而在多媒体与通讯系统中，MOST、IDB-1394和“蓝牙”技术成为了今后的发展主流。

另外，光纤凭借其高传输速率和抗干扰能力，越来越广泛的用作高速信号传输介质。

4.6智能汽车及智能交通系统（ITS）的研究及应用

汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商们的高度重视。

其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现。

智能交通系统（ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，它能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。

它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。

自动筛选出最佳行车路线。

未来的某天，路上行驶的都会是由计算机控制的智能汽车。

第五章汽车电子技术的代表性产品

5.1巡航控制系统

每天世界上有很多人遭受汽车事故的伤害,由事故造成的经济损失难以计数。

汽车生产商不断开发出新的产品来避免事故的发生,或至少减轻其影响。

实际行车情况表明,通过开发出的新产品应用到汽车上后,一些意外是可以避免的。

汽车巡航系统就是其中的一项发明,汽车电子巡航系。

5.1.1巡航控制系统的工作原理：

车电子巡航控制系统原理框图。

由图5.2可知，控制器的输入是以下两个车速信号的差：

一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号；另一个是实际车速的反馈信号。

ECU将这两种信号进行比较，得出误差信号，经放大、处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，以修正实际车速，从而将实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并保持恒定。

5.2防盗点火锁系统

为了防止汽车被盗造成的经济损失，目前最先进且国际上最流行的是采用防盗点火锁系统，如果再在汽车转向盘上加锁，则防盗安全性能会更高。

电子防盗控制系统使盗车人无法用通常的机械或电器方法起动发动机，同时防盗代码可随机产生。

由于采用特别的通信手段，每次传递的信息不同，因此用先进的电子扫描方法来破解防盗代码也较困难。

现以桑塔纳2000GSi型轿车（时代超人）来说明汽车的电子防盗系统，该系统是一种在点火开关接通后开始工作的防盗控制系统。

图5.3为该系统的基本组成，它主要由脉冲转发器、识读线圈、防盗系统ECU、有可变代码功能的发动机ECU和防盗报警灯等零部件组成。

脉冲转发器是不需要电源就可驱动的感应和发射器件，该器件安装在汽车钥匙手柄内。

在汽车出厂时，防盗器ECU给车钥匙配备好该车的防盗识别代码，故每辆汽车的防盗控制代码是不同的。

当用车钥匙打开点火开关时，来自于防盗器ECU的电源能量通过识读线圈，以感应方式传递给脉冲转发器。

被激励的脉冲转发器立即发射出该车钥匙的识别代码，再通过识读线圈返回到防盗器ECU。

ECU判别该钥匙是否为该车的合法钥匙，并将汽车点火和供油系统接通或不予接通。

较早的防盗系统还可发出盗劫报警声光信号，有效防止汽车的被盗。

汽车钥匙丢失重配或增配汽车钥匙，都必须与防盗器ECU的识别代码进行匹配处理。