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1、汽车 ECU 电路分析 ECU 电路解析正如在本章开始时我们讲到的，不同厂商的汽车电脑在功能上不是完全相同的，但结构组成和主要功能是基本一样的，因此我们以有代表性的 BOSCH MOTRONIC 系统为例进行 ECU 的电路分析。1、BOSCH MOTRONIC 系统结构图BOSCH MOTRONIC 系统在电子燃油喷射系统中极具代表性，国内生产的大部分车型采用的都是 BOSCH 电子喷射系统。图 5.11 为 MOTRONIC 系统框图，在此图中介绍了曲型电子燃油喷射系统的组成，各部分的联系情况，对于更好的了解电脑的工作过程，以至于分析故障与维修都是大有帮助的。图 11 Motronic 系
2、统框图1燃油箱；2燃油泵；3燃油滤清器；4燃油压力调节器；5燃油脉动衰减器；6电子控制单元；7分电器；8喷油嘴；9冷起动喷油嘴；10节气门；11节气门开关门；12空气流量计；13氧传感器；14热敏开关；15水温传感器；16辅助空气阀；17曲轴位置传感器；18主继电器；19燃油泵继电器在图 11 中，电子控制单元作为电控发动机的核心部分，由一 8 位/16 位单片微机、集成电路和相关电子元件组成，英文表示为 Electric control unit 简称ECU。其作用是接收各种传感器送来的信息，以它们进行运算、处理、判断后再发出指令信号，经输出电路进行功率放大后驱动想应的执行单元，从而实现对发
3、动机的各种工况的控制。这里提级的 ECU 是各种控制单元的统称，ECM/PCM 则是发机控制模组或动力控制模组的缩写，是包含于 ECU 范围之内的。2、BOSCH MOTRONIC1.3 电路分析汽车电子控制单元（ECU） ，不论是 BOSCH 的 MOTRONIC，福特的EEC IV、V，通用的 P4、P6 等，其最终的目的只有一个，让发动机工作的更出色，表现为动力更强劲，噪声小，污染低。这是针对发动机系统而言，其他系统也是一样，每个系统都有自己的目标，这就好像是电视机一样，世界各国生产的电视机，无论是哪个厂家的，都是要以接收电视节目为目的。基于这样一种认识，我们可以把 ECU 抽样化的分成
4、几个部分，见图 12 所示。从图中我们可以看到，ECU 由 MCU（微处理器） 、输入电路、输出电路、A/D 转换器及部分组成，各部分功能描述如下：（1）输入电路从传感器来的信号，首先进入输入回路，对于模拟信号，去除杂波干扰，把小信号进行放大，把正弦波变成矩形波；对于数字信号，进行缓冲后可直接与 MCU 或 I/O 扩展电路连接。同时输入电路还将电源电压转换成适合微机使用的工作晓以大义。即输入电路是对信号进行整形同时提供系统各部分所需要的不现的工作电压。（2）A/D 转换器输入 ECU 的传感器信号有两种：一种是模拟信号，另一种是数字信号。信号的形态不同，输入 ECU 内的处理方法也不一样。数
5、字信号可直接送入微处理器，模拟信号则要经过 A/D 转换器（模拟/数字转换器）转换成数字信号才送入微处理器。早期的 MCU 自身没有 A/D 转换器功能，为完成这样的转换，可以通过扩展 A/D 转换器来实现。如奔驰的 CISE 系统的就是通过 A/D0809这样一个 A/D 转换器来实现的。较新类型的 MCU 由于自身具有 A/D 转换功能，已不需要进行外部扩展了。（3）输出电路它是微机与执行器之间的联系电路。由于微机输出的是数字信号，而且电流很小，一般是不能驱 执行器工作的。经过输出回路后，通过其中功率三极管或功率 MOS 管的放大作用，提供足够的驱动电流，大部分的负载工作于开关状态下。在汽
6、车这个特定的工作环境，大部分的执行器/驱劝器都与线圈有关，从电磁喷油器到电磁阀、各种马达、继电器、包括点火线圈，等等，因此有人夸张的说，汽车的输出电路的任务实质就是驱动线圈工作。我们不管这样的结论是不是太武断，但这种描述的确比较容易理解。（4）微处理器（MCU）它是 ECU 的核心部分，由中央处理器（CPU） 、存储器（ROMRAM） 、输入/输出口（I/O）等组成。它能根据需要，用内存的程序和数据对各种传感器送来的信号进行比较、运算和修正，并将处理结果以指令的形式送至输出电路。驱动相关元件，完成控制功能。图 13、图 14 为德国宝马汽车所采用的 Motronic M1.3 系统电子控制单元
7、的内部原理图。（3）输出电路它是微机与执行器之间的联系电路。由于微机输出的是数字信号，而且电流很小，一般是不能驱 执行器工作的。经过输出回路后，通过其中功率三极管或功率 MOS 管的放大作用，提供足够的驱动电流，大部分的负载工作于开关状态下。在汽车这个特定的工作环境，大部分的执行器/驱劝器都与线圈有关，从电磁喷油器到电磁阀、各种马达、继电器、包括点火线圈，等等，因此有人夸张的说，汽车的输出电路的任务实质就是驱动线圈工作。我们不管这样的结论是不是太武断，但这种描述的确比较容易理解。（4）微处理器（MCU）它是 ECU 的核心部分，由中央处理器（CPU） 、存储器（ROMRAM） 、输入/输出口（
8、I/O）等组成。它能根据需要，用内存的程序和数据对各种传感器送来的信号进行比较、运算和修正，并将处理结果以指令的形式送至输出电路。驱动相关元件，完成控制功能。图 13、图 14 为德国宝马汽车所采用的 Motronic M1.3 系统电子控制单元的内部原理图。图 13BMW Motronic M1.3图 14 BMW Motronic M1.3在 BMW MotronicM1.3 系统中，其核心器件是 SIMENS 公司的 SAB 80C515，SAB 80C515 是一 8 位单片机，有关详细情况请参阅第三章的第二节。只读存储器 S701 作为 SAB80C515（S700）的扩展程序存储器
9、，构成 16K ROM，同样 S703 作为扩展数据存储器，以此来弥补微处理器本身程序存储器和数据存储器空间不足，这样做的好处是程序可以根据需要进行调整，避免工厂掩膜后 ROM 内容无法更改的状况。只读存储器（ROM）S701 数据线 DOD7 直接与微处理器 S700 的 P0 口连接，数据线以上拉连接到 5V 电源。同时 P0 口还直接连接到数据存储器 S703 的DOD7、S702 的 BUS 口。S701 的高位地址线 A8A14 直接同 S700 的 P2 口连接，而低 8 位地址线A0A7 并没有直接连接到 S700 上，而是连接到 S702 的 P3 口。在这里，S702 的这种
10、接法用以实现地址锁存器的功能，解决了 P0 地址/数据复用的问题。S700输出的地址信号低 8 位经过 S702 锁存，高 7 位直接输出到 S701，同样，对于数据存储器（RAM）S703 也是一样。8 根数据线每次可守成一个字节数据的传输，15 根地址线，可实现21532768 字节即 32K（32768/10232）的程序存储空间寻址。实际采用的ROM 芯片存储容量的大小依据程序的多少而定，对于数据存储器 S703 来讲，A0A12 计 13 根地址线，可实现 2138192 字节即 8K 数据存储空间寻址。SC 作为片选信号，当些线为低电平时，S701 被选中，OE 作为读、写允许控制
11、线，低电平时有效。S703 的用法与之类似。OE、WR 用来决定 RAM 芯片处在读或写的状态，二者均为低电平有效，CS 为芯片选中信号，低电平时有效，S701 与 S703 的片选信号均出自 S550 BOSCH 30106 专用芯片，S550 在完成片选信号输出的同时，已经对芯片的地址进行了译码。S800、S801 作为开关（数字）信号输入缓冲电路。与发动机运行状态相关的开关（数字）信号输入到 ECU 中，包括空调请求信号、停车/空档信号、节气门全闭信号、压缩机运转信号、点火提前角信号等。经 S800、S801 缓冲后送入S702 可编程并行口扩展芯片，CPU 经数据总线读取外部相关开关量
12、的状态，了解发动机的运行条件，包括负荷、工况等及时对点火和喷油进行调整，以保证发动机的运转处于最佳状态。发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、空气流量传感器这几个发动机动转的关键性模拟信号，经阻容元件缓冲后，直接送入 CPU 的 8 路复用模拟/数字信号输入口，在 CPU 内部直接完成 A/D 转换，将模拟量转换为数字量后参与运算、处理。S600 作为 BOSCH 的专用芯片，内部零件号为 30015，在一个芯片的内部同时完成几个功能，第一、完成发动机转速的运算处理、处理后一方面送 CPU，另外经 17 脚输出，送入仪表，用以显示发机的转速；第二、完成氧传感器信号接口功能，氧传感器作为一个特
13、殊元件，其输出晓以大义的变化反映出比的大小，为使其正常工作，需要专用电路接口，而 30015 内部集成有这种功能。同时 S600（30015）还完成串行数据转换任务，用来同外部设备（扫描仪）进行连接，读取 ECU 中储存的故障码，测量车辆运行中主要元件的数据流，MCU的串行接口无法同诊断设备直接相连接，必须要进行转，把 MCU 的串行通信信号转换成为汽车通信的标准格式。S300 作为 ECU 内部数字电路电源供应电路，输出两路 5V 直流电压，在保证输出稳压电压的同时，具有软起动功级，RES 为控制端。S220（LM2903）为一双比较器，与外围阻容元件一起构成上电复位及电源异常复位电路。S7
14、02（TA13225）为可编程并行 I/O 接口，前面已经提到的是，配合 MCU 完成访问外部存储器时低 8 位地址信号的锁存，同时接收开关（数字）信号的输入，扩展 MCU 资源。S450 为 BOSCH 的功率半导体器件，在此完成怠速电机控制、碳罐净化电磁阀控制、燃油泵继电器控制、发动机故障灯控制等功能。其输入端直接同内部端口相连，因驱动电机、电磁阀等需要较大驱动电流，所以此种芯片一般带有较大散热片。芯片背面的金属部分直接同散热片相接触，可以将芯片本身在工作过程中产生的热量通过热片带走，从而降低自身温度，保证正常工作。同样 S400 与 S450 结构、功能、型号完全相同，不现的是所控制的对
15、象不同，S400 将元件自身提供的 6 路输入、输出，分成两组，即输入 E1、E2、E3连到一起，输出 A1、A2、A3 连到一起；E4、E5、E6 连接到一起，A4、A5、A6连接到一起。这样并接的作用是可以提供更大的驱动电流，因为这时是用于喷油嘴的驱动。因车型的不同，可能需要驱动四个/六个/八个喷油嘴，在Mortnic M1.3 系统中，采用分组喷射形式，这样每组要驱动的喷嘴数量为二个/三个/四个，因此需要更大的驱动电流，这样连的目的就在于此。BOSCH MotronicM1.3 实物见图 15 所示。在图 4.17 中，左面的 S400 和右面的 S450 就是我们前面介绍的电机、电磁阀
16、、喷油嘴驱动用的芯片，BOSCH 内部号码为 30080 4192/BA560.1，外形见图16 芯片后面的铝片即为散热片，在图 18 中的芯片是负责驱动怠速电机和电磁阀的 S450，喷油嘴驱动芯片 S400 在线路板的外一侧。图 15 BOSCH Motronic M1.3 控制单元线路板 图 16 怠速电机、电磁阀驱动芯片线路板图与电原理图纸对照着看，可以让我们更清楚的认识每个元件，包括元件外部形状，封装形式，在电路板上的具体位置，这样不仅有利于了解电脑的内部构成，而且对于分析线路，进而作到维修故障都是大有益处的。通过前面对于 BOSCH Motronic M1.3 系统电路原理的分析，使得我们对，子控制单元有了更新的认识，那种宰秘感随着我们对其了解逐渐深入而减弱了。图 17 是 Motronic 系统外部路图，把内部图同外部图贯穿起来看，对线路的理解会进一步加强，因为这时候你会清楚的看到各个传感器的连接情况，从外至内，对 BOSCH 的系统有一个完整而详细的了解。图 17Motronic 系统外部线路图
