汽車單片機與車載網(wǎng)絡(luò)-1概述課件

1、 主講：胡方 信息工程系 2013-2014第二學(xué)期第1章 概述1.1 汽車電工電子技術(shù)的發(fā)展1.2 單片機的基礎(chǔ)知識 1.3 數(shù)制與編碼 什么是電控系統(tǒng)？ 電控系統(tǒng)即是以電子控制單元（即ECU）為核心，以電源為必要工作條件，并外接輸入設(shè)備（傳感器）、輸出設(shè)備（執(zhí)行器）、必要的可靠導(dǎo)線連接、總線接口、診斷接口等為外部信息輸入輸出設(shè)備和接口的智能控制系統(tǒng)。電子控制單元（ECU）電子控制單元（即ECU）是電控系統(tǒng)的核心。它對ECU外部的輸入信息進(jìn)行處理，并根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的運行策略（即程序）進(jìn)行輸出動作。輸入信息包括：傳感器信息、總線信息、電源信號、診斷信息等。輸出動作包括：執(zhí)行器動作、總線信息、電

2、源信號、診斷信息等。輸入、輸出的共同點：采用電信號！電控單元舉例電源電源是整個電控系統(tǒng)的動力源。沒有電源供電，電控系統(tǒng)將不能工作；供電電源不穩(wěn)定，將“可能”導(dǎo)致電控系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。（為什么是“可能”，因為電源電壓在要求的穩(wěn)定工作范圍之外，或者電源電壓波動太頻繁時，才會出現(xiàn)這種可能）汽車上的電源有兩個，分別是：蓄電池發(fā)電機輸入設(shè)備（傳感器） 輸入設(shè)備是ECU收集外部信息的設(shè)備，ECU根據(jù)這些輸入設(shè)備對外部信號的變化做出判斷，并做出相應(yīng)的判斷處理，并決定是否有輸出動作等（暫不考慮網(wǎng)絡(luò)因素）。ECU的輸入設(shè)備大致分為以下類型：傳感器如水溫傳感器、爆震傳感器開關(guān)如怠速開關(guān)、剎車開關(guān)、檔位開關(guān)電控系統(tǒng)

3、工作流程電源供應(yīng)ECU運行程序進(jìn)行內(nèi)部自檢（電源電壓、外部輸入輸出設(shè)備連接情況）ECU處理輸入信息（如傳感器、開關(guān)輸入、網(wǎng)絡(luò)信息等）ECU綜合判斷輸入信息（如左后側(cè)車門ECU綜合處理本地升降開關(guān)、駕駛員側(cè)車門ECU發(fā)出的“禁止升降”網(wǎng)絡(luò)信息）ECU執(zhí)行輸出動作（如左后側(cè)車門ECU輸出車窗電機控制動作、發(fā)送車窗開關(guān)狀態(tài)等信息到舒適系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)）反饋執(zhí)行效果（可選動作）繼續(xù)判斷輸入汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程20世紀(jì)中期，微電子技術(shù)發(fā)展迅猛，這給汽車工業(yè)的發(fā)展帶來了蓬勃的生機，可以說汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展是由電子技術(shù)的發(fā)展而帶動起來的。1948年晶體管問世，1955年晶體管收音機開始在汽車上投入使

4、用；1960年硅二極管整流式交流發(fā)電機取代了直流發(fā)電機；1963年晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點火裝置開始在汽車上安裝使用，逐步實現(xiàn)集成化；1970年變速器的電子控制裝置在汽車上投入使用。1.1汽車電工電子技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代中期到90年代末主要是開發(fā)各種車輛整體的電子控制系統(tǒng)，以微處理器為核心的微機控制系統(tǒng)在汽車上開始大規(guī)模地使用，其技術(shù)逐漸成熟完善，并向智能化發(fā)展，進(jìn)入了汽車電子化的時代。 2000年以后汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)入智能化和網(wǎng)絡(luò)化時代。汽車產(chǎn)品大量采用人工智能技術(shù)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞與交換，汽車技術(shù)更加自動化、智能化。隨著汽車電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子設(shè)備的成本占

5、汽車總成本的比重約來越大，其具體應(yīng)用見表1-1。 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程汽車電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程 （一）汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展概況汽車電子控制技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，并伴隨著汽車油耗法規(guī)、排放法規(guī)、安全法規(guī)要求的提高和電子技術(shù)的進(jìn)步而逐步發(fā)展到當(dāng)今的水平。世界汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展過程大致可分為分立電子元件控制、集成電路控制和微型計算機控制個階段。下一頁返回（一）汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展概況 第一階段（年）：汽車電子設(shè)備主要采用分立電子元件組成電子控制器，從而揭開了汽車電子時代的序幕，并由分立電子元件產(chǎn)品向集成電路產(chǎn)品過渡。其主要產(chǎn)品有二極管整流式交流發(fā)

6、電機、電子式電壓調(diào)節(jié)器、電子式點火控制器、電子式閃光器、電子式間歇刮水控制器、晶體管收音機、數(shù)字時鐘等。 上一頁下一頁返回（一）汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展概況 第二階段（年）：汽車電子設(shè)備廣泛采用集成電路和位微處理器進(jìn)行控制，主要開發(fā)研究專用的獨立控制系統(tǒng)。其主要產(chǎn)品有電子燃油噴射系統(tǒng)、空燃比反饋控制系統(tǒng)、電子控制自動變速系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、座椅安全帶收緊系統(tǒng)、車輛防盜系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、車身高度自動控制系統(tǒng)、故障自診斷系統(tǒng)等。 第三階段（年）：汽車電子設(shè)備廣泛應(yīng)用位或位字長的微處理器進(jìn)行控制，控制技術(shù)向智能化方向發(fā)展。其主要產(chǎn)品有發(fā)動機燃油噴射與點火綜合控制系統(tǒng)、牽

7、引力控制系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、輪胎氣壓控制系統(tǒng)、聲音合成與識別系統(tǒng)、自動防追尾碰撞系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)等。 汽車網(wǎng)絡(luò)化的誕生發(fā)動機儀表板防盜裝置空調(diào)系統(tǒng)變速器三元催化ABS汽車線束重量每增加50kg，百公里油耗就會增加0.2L發(fā)動機儀表板防盜裝置空調(diào)系統(tǒng)變速器三元催化ABSCAN控制器 汽車網(wǎng)絡(luò)化的誕生一、什么是單片機 單片機是將中央處理器CPU（Central Processing Unit）、存儲器（Memory）、定時器/計數(shù)器、輸入/輸出（I/O）接口電路等主要計算機部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，基本結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。雖然單片機只是一塊芯片，但其已經(jīng)具有

8、微型計算機的組成與功能，故稱之為單片微型計算機，簡稱單片機或微機。目前，汽車電控系統(tǒng)采用的單片機均為數(shù)字式單片機。1.2單片機基礎(chǔ)知識單片機基本結(jié)構(gòu)框圖在單片機或微型計算機中，存儲器是用來存儲程序指令和數(shù)據(jù)的部件。存儲器是由許多具有記憶功能的存儲電路構(gòu)成的，每個記憶存儲電路存儲1個二進(jìn)位信息（0或1），稱為存儲器的存儲位（Bit）。每8個記憶存儲電路構(gòu)成存儲器的一個基本單元，存儲8位二進(jìn)制信息，稱為存儲字節(jié)（Byte）。存儲器按讀寫操作原理可分為：只讀存儲器ROM（Read Only Memory）和隨機存取儲存器RAM（Random Access Memory）。按功能可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)

9、存儲器。按構(gòu)成材料可分為半導(dǎo)體存儲器和磁質(zhì)存儲器。（1）只讀存儲器（ROM） 掩膜ROM 可編程ROM（即PROM） 可改寫ROM（即EROM）（2）隨機存儲器（RAM）2存儲器（Memory）I/O（Input/Output）接口是CPU與傳感器或執(zhí)行器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和下達(dá)控制指令的通道。由于傳感器和執(zhí)行器種類繁多，它們的信號速度、頻率、電平、功率和工作時序等都不可能與CPU完全匹配，因此必須根據(jù)CPU的指令，通過I/O接口進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。3輸入輸出（I/O）接口4總線（BUS）總線是微機內(nèi)部傳遞信息的電路連線。在單片機內(nèi)部，CPU、ROM、RAM與I/O接口之間的信息交換都是通過總線來實

10、現(xiàn)。按傳遞信息不同，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三種。數(shù)據(jù)總線主要用于傳送數(shù)據(jù)與指令。地址總線用來傳遞地址數(shù)碼。微機中的器件都與控制總線連接，CPU可通過控制總線隨時掌握各個器件的狀態(tài)，并根據(jù)需要隨時向某個器件發(fā)出控制指令。輸出回路是單片機與執(zhí)行器之間的中繼站，其功用是根據(jù)微機發(fā)出的指令，控制執(zhí)行器動作。微機對采樣信號進(jìn)行分析、比較、運算后，由預(yù)定的程序形成控制指令并通過輸出端子輸出。下圖所示為MCS-51單片機的基本結(jié)構(gòu)。5輸出回路三、單片機的分類根據(jù)工作溫度單片機可分為：。1民用級（商業(yè)級）單片機 0 702工業(yè)級單片機-40853軍用級單片機-55125微處理器、微型計算機與單

11、片機典型的微型計算機，包括運算器、控制器、存儲器、輸入輸出接口四個基本組成部分。 如果把運算器與控制器封裝在一小塊芯片上，則稱該芯片為微處理器（MPU, Micro Processing Unit）或稱中央處理器（CPU, Central Processing Unit）。 如果在一塊芯片上，集成了一臺微型計算機的四個基本組成部分，則這種芯片就被稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機。 計算機發(fā)展與組成1946-1958 第一代電子管計算機。磁鼓存儲器，機器語言、匯編語言編程。世界上第一臺數(shù)字計算機ENIAC。 發(fā)展概況1958-1964 第二代晶

12、體管計算機。磁芯作主存儲器, 磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。1964-1971 第三代集成電路計算機。使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)。1971- 第四代大規(guī)模集成電路計算機。出現(xiàn)微型計算機、單片微型計算機，外部設(shè)備多樣化。1981- 第五代人工智能計算機。模擬人的智能和交流方式。1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），運算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2 ，造價100萬美元。計算機發(fā)展趨勢微型化 便攜式、低功耗巨型化 尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需

13、要超大容量、高速度智能化 模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化 便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)計算機和信息高速公路多機系統(tǒng) 大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享) 微型計算機組成結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器 (CPU)軟件外圍設(shè)備運算器控制器存儲器 (內(nèi)存)RAMROM外部設(shè)備輔助設(shè)備 輸入設(shè)備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀) 輸出設(shè)備(顯示器、打印機、繪圖儀、) 輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口) 總線 (AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯

14、程序，故障診斷,監(jiān)控程序)應(yīng)用軟件(科學(xué)計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理)程序設(shè)計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路微型計算機的基本結(jié)構(gòu) 單片機的結(jié)構(gòu)與組成單片機的內(nèi)部基本組成 單片機技術(shù)的特點 縱觀20年來單片機發(fā)展歷程可以看出，單片機技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。1. 單片機應(yīng)用周期長 與微處理器相比，其應(yīng)用周期更長。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU 更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短的時間內(nèi)就被淘汰出局， 而傳統(tǒng)的單片機如68HC0 5、8051等

15、年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。 2. 應(yīng)用領(lǐng)域廣 據(jù)統(tǒng)計我國的單片機年容量已達(dá)1 3 億片且每年以大約16%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1% 。這說明單片機應(yīng)用在我國才剛剛起步有著廣闊的前景3. 體積小4. 內(nèi)部存儲量較小, I/0功能控制性強，但具有局限性。5. 借助專門的開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。6 功耗低。7 價格低。以2002年的市場價為例, 89C51的單價為人民幣7元,單片機的類型國際上比較流行的單片機有以下幾種Intel系列Motorola系列.NEC系列Philip系列.NS系列(美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn).Zilog系列(美國Zilog公司生產(chǎn)ATMEL系列(美國AT

16、MEL公司生產(chǎn).MSP430系列(TI ).ARM系列典型單片機生產(chǎn)廠家及性能概覽美國IntelMotorolaZilogNSMicrochipAtmelTI日本NECToshibaFujitsuHitachi荷蘭Philips英國Inmos德國Siemens (Infineon)中國臺灣Acer 宏基Winbond 華邦Holtek 合泰凌陽 典型單片機有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。 MCS-51為主流產(chǎn)品。 MSP430為低功耗產(chǎn)品，功能較強。 EM78為低功耗產(chǎn)品，價格較低。 PIC為低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動、低價格產(chǎn)品。 Motor

17、ola是世界上最大的單片機生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其特點是噪聲低，抗干擾能力強，比較適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。 AVR為高速、低功耗產(chǎn)品，支持ISP、IAP，I/O口驅(qū)動能力較強。 典型單片機性能概覽 Intel 單片機TI公司MSP430單片機美國德州儀器1996年推出MSP430，這款單片機以它的高性能逐漸被廣大單片機設(shè)計者接受，MSP430目前的型號已達(dá)到100多種，使用的技術(shù)包括超低功耗、FLASH在線編程、數(shù)控振蕩器(DCO)、FFL倍頻、硬件乘法器、JTAG調(diào)試等微控制器領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品種類齊全，既有能夠通用類型的單片機，也有具有一定專用性能的單片機，如MS

18、P430FE42x、MSP430FW42x，可以適合不同的產(chǎn)品開發(fā)需要MSP430單片機的設(shè)計充分考慮了設(shè)計者對功能模塊的需求，功能模塊比較適合設(shè)計的需要，很多設(shè)計可以達(dá)到一片設(shè)計，比如MSP430FE427一片即可設(shè)計多功能電表MSP430已經(jīng)被廣泛用于家用儀表（水表、氣表、熱表、電表等）、家用電器、熱工儀表、醫(yī)療儀器、安保產(chǎn)品、無線通訊等許多產(chǎn)品中TI公司MSP430單片機極低功耗，支持電池工作數(shù)據(jù)保持模式0.1uA，2.2V 能夠響應(yīng)來自外部的中斷信號時鐘運行模式0.8uA, 2.2V 內(nèi)部定時器繼續(xù)工作活動模式200 A, 1MHz, 2.2V 正常處理、復(fù)雜運算等MSP430 是工業(yè)

19、級16 bit RISC MCU-40 85 C 工作在各種復(fù)雜工作環(huán)境成為可能運行速度快指令周期125ns,8MHz晶振6 s 從備用模式喚醒 喚醒過程的功耗極低FLASH支持在線編程支持FLASH保存數(shù)據(jù)支持程序在線升級,程序修改方便內(nèi)部資源豐富、功能模塊強一片解決方案:許多產(chǎn)品中一片MSP430完成Motorola微控制器概況使用原因：在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的工作環(huán)境汽車運行的惡劣環(huán)境。全球最大的汽車電子零部件供應(yīng)商Delphi公司將Motorola的微控制器作為車用控制系統(tǒng)的主芯片。表1-1 19

20、99 年世界上排名前10名的MCU主要供應(yīng)商市場份額1999 年全世界主要廠商8位MCU銷量90年代中期，Motorola 在我國天津設(shè)廠生產(chǎn)芯片。到90年代末期又在蘇州建立了芯片設(shè)計中心。這樣，從設(shè)計、生產(chǎn)到銷售逐漸實現(xiàn)了本土化。這無疑對我國半導(dǎo)體工藝是一促進(jìn)。Motorola MCU 命名法MC 68 HC 081 2 3 4 51、PC質(zhì)量不保證，用于測試的器件；MC質(zhì)量保證的正規(guī)產(chǎn)品；XC有限質(zhì)量保證，用于性能評估的器件;2、由于歷史原因，Motorola 的MCU 類產(chǎn)品都冠以68;3、速度/供電電壓：H高速；C5.5V；L2.0V;4、片內(nèi)存儲器類型：Blank-沒有掩膜型；7EP

21、ROM/OTP；8EEPROM；9Flash5、CPU 類型：08單片機技術(shù)的應(yīng)用遍布國民經(jīng)濟與人民生活的各個領(lǐng)域1.3.1 數(shù)制（進(jìn)位計數(shù)制） 使用有限個基本數(shù)碼來表示數(shù)據(jù)，按進(jìn)位的方法進(jìn)行計數(shù)稱為進(jìn)位計數(shù)制。包含兩大要素：基數(shù)和位權(quán)基數(shù)：用來表示數(shù)據(jù)基本數(shù)碼的個數(shù)J，此數(shù)后必須進(jìn)位。 位權(quán)：數(shù)碼在表示數(shù)據(jù)時所處的數(shù)位所具有的固定值J i。 簡稱“權(quán)”。1.3數(shù)制與編碼1. 十進(jìn)制十個數(shù)符：09，逢十進(jìn)一。加權(quán)展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為09。一般表達(dá)式：ND= Kn-110n-1+Kn-210n-2 +K0100 +K-110-+ 1234.5=1103 +2102 +3101 +41

22、00 +5101 2. 二進(jìn)制兩個數(shù)符：0、1, 逢二進(jìn)一。加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。一般表達(dá)式： NB =Kn-12n-1 + Kn-22n-2 +K020 +K-12-1+1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 3. 十六進(jìn)制十六個數(shù)符09、AF，逢十六進(jìn)一。展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為09，AF。一般表達(dá)式：NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+ DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-11、十進(jìn)制用于計算機輸入輸出，人機交互。 二進(jìn)制為機器中的數(shù)據(jù)形式。 十六進(jìn)制用于表示二進(jìn)

23、制數(shù)。2、不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。 如:101、101D、101B、101H、101H進(jìn)位計數(shù)制的說明進(jìn)位計數(shù)制的一般表達(dá)式： N= an-1Rn-1+an-2Rn-2+ +a1R1a0R0 a-1R-1a-mR-m 一種進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成另一種進(jìn)制數(shù)的方法： 按權(quán)展開，求和計算。4. 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù) 按權(quán)展開，然后按照十進(jìn)制運算法則求和。 舉例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3 =11.625DFC.8H=13162+15161+12160+816-1 = 3580.5（2）二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)

24、換24=16 ，四位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)。3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C（3）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù) 整數(shù)、小數(shù)分別轉(zhuǎn)換 整數(shù)轉(zhuǎn)換法 “除基取余”：十進(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。小數(shù)轉(zhuǎn)換法 “乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。1、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù)1. 39轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)39 =100111B 2. 208轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù) 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 =DH 0練習(xí)2. 0.625轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù) 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3. 208.625 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)208.625 = D0.AH1. 0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3)0.625 = 0.101B例：求十進(jìn)制數(shù)876的BCD碼 8