【正文】 汽車電子新技術(shù)講座 主講人：趙曉順 目 錄 一、 汽車電子技術(shù)的發(fā)展 二、各種汽車電子新技術(shù)的應用 三、福特汽車安全新技術(shù)介紹 一、 汽車電子技術(shù)的發(fā)展 1. 汽車電子化發(fā)展概況 2. 汽車電子控制理論發(fā)展概況 3. 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車中的應用 4. 汽車傳感器的發(fā)展趨勢 1. 汽車電子化發(fā)展概況 汽車電子化是建立在電子學的發(fā)展基礎之上 ， 真空管 → 晶體管 → 集成電路 → 大規(guī)模集成電路 → 超大規(guī)模集成電路 出現(xiàn)了計算機等各種各樣的電子裝置 ， 汽車電子化也隨著逐年的深化與發(fā)展 ， 而且有的汽車電子裝置占整車造價的 1／ 3， 高級轎車有的就裝幾十個微控器 、上百個傳感器 。 電子化的程度可以說是衡量汽車高檔與否的主要 標志 。 20世紀 50年代 ， 人們開始在汽車上安裝 電子管收音機 ， 這是電子技術(shù)在汽車上應用的雛形 。 1959年 晶體管收音機 問世后 ， 很快在汽車上得到了應用 。 60年代 ， 汽車上應用了硅整流交流發(fā)電機和晶體管調(diào)節(jié)器 ， 到 60年代中期 ， 汽車上開始采用晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點火裝置 。 但更多地應用電子技術(shù)則是在 70年代以后 ， 主要是為解決汽車 安全 、 污染和節(jié)油 3大問題 。 進入70年代后期 ， 電子工業(yè)有了長足的進步 ， 特別是集成電路 、 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)得到了巨大發(fā)展 ， 微機在汽車上的應用 ， 給汽車工業(yè)帶來了劃時代的變革 。 20世紀 90年代 ， 汽車電子技術(shù)進入了其發(fā)展的 第三個階段 ， 這是對汽車工業(yè)的發(fā)展最有價值 、最有貢獻的階段 ， 超微型磁體 、 超高效電機及集成電路的微型化 ， 為汽車上的集中控制提供了基礎 。 目前汽車電子技術(shù)已發(fā)展到 第四代 ， 即包括電子技術(shù) (含微機技術(shù) )、 優(yōu)化控制技術(shù) 、 傳感器技術(shù) 、 網(wǎng)絡技術(shù) 、 機電一體化耦合交叉技術(shù)等綜合技術(shù)的小系統(tǒng) ， 并且早巳從科研階段進入了商品生產(chǎn)的成熟階段 。 汽車電子技術(shù)主要包括 硬件 和 軟件 方面的內(nèi)容： 硬件包括微機及其接口 、 執(zhí)行部件 、 傳感器等； 軟件主要是以匯編語言及其他高級語言編制的各種數(shù)據(jù)采集 、 計算判斷 、 報警 、 程控 、 優(yōu)化控制 、 監(jiān)控 、 自診斷系統(tǒng)等程序 。 微機是整個系統(tǒng)的核心 ， 負責指揮其他設備工作 。目前汽車上用的微機以通用 單片機 和高抗干擾及耐振的 汽車專用微機 為主 ， 其速度和精度要求不像計算用微機高 ， 但抗干擾性能較強 ， 能適應汽車振動大等惡劣的工作環(huán)境 。 有的由 單機控制 (即一個微機控制一個項目 ， 如控制點火 )向 集中控制 發(fā)展 ， 而汽車集中控制也由原來的多個計算機通信向 網(wǎng)絡化 管理過渡 。 汽車電子技術(shù)的內(nèi)容 2 汽車電子控制理論發(fā)展概況 控制理論是編制應用和優(yōu)化控制軟件的理論基礎 ，是 “ 汽車電子技術(shù) ” 中的難點和重點 。 利用自動控制理論而建立的 開環(huán) 、 閉環(huán) 、 最優(yōu) 、自適應控制系統(tǒng) ， 在汽車優(yōu)化控制中都有采用 。 建立這些控制系統(tǒng)時 ， 首先對汽車某個系統(tǒng) ， 如點火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進行 系統(tǒng)辨識 ， 建立 數(shù)學模型 ， 然后采用相應的控制方法進行 優(yōu)化控制 。 但是發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)比較復雜 ， 影響點火的因素較多 ， 理論推導優(yōu)化點火狀態(tài)下的數(shù)學模型比較困難 。 因此 ， 一般采用 實驗方法 找出各種工況下的最佳點火提前角 ， 然后存入微機內(nèi)存 。 在實行控制過程中 ，微機不斷檢測發(fā)動機的工況 ， 用查表的方法 ， 查出該工況下的最佳點火提前角 ， 進行修正后再通過微機接口 、 放大電路去控制點火 ， 這是目前國外應用較多的優(yōu)化控制方法 。 此外 ， 目前應用較成熟的另一種方法為 自適應在線搜索法 ：他包括 頂點保持法 和 登山法2種 。 該方法并不需要知道模型的原型 ， 而是由微機在汽車運行中自行搜索最優(yōu)工況 ， 使控制接近或達到最優(yōu)化 。 模糊控制 是近年來出現(xiàn)的新的控制理論 ，在汽車中也有所應用 。 模糊控制系統(tǒng)也是一種自動控制系統(tǒng) ， 他是以 模糊數(shù)學 、 模糊語言 形式的知識表示和 模糊邏輯推理 為理論基礎 ， 采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng) 。 模糊邏輯從含義上比其他傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和自然語言 。 3 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車中的應用 ? 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車內(nèi)部的應用 ? 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車外部的應用 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車內(nèi)部的應用 比較高級的汽車上裝有幾十個微機控制器 、 上百個傳感器 。 這就給汽車進行網(wǎng)絡應用提供了條件 ，而且解決了汽車一直存在 集中控制 和 分散控制 的矛盾 。 所謂分散控制就是汽車上的一個部件如點火或噴油 ， 用一個微控器進行控制 ， 這是微機在汽車上應用的起始 。 后來發(fā)展到汽車集中控制系統(tǒng) ， 包括 完全集中控制系統(tǒng) ， 如美國的通用汽車公司采用一個微機系統(tǒng)分別控制汽車防滑制動 、 牽引力控制 、 優(yōu)化點火 、超速報警 、 自動門鎖和防盜等； 分級控制系統(tǒng) ， 如日產(chǎn)公司的分級控制系統(tǒng) ， 用 1臺中央控制計算器分別指揮 4臺微機 ， 分別控制防滑制動 、 優(yōu)化點火 、 燃油噴射 、 數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋? 分布集中控制系統(tǒng) ， 他是根據(jù)汽車的各大部分而進行分塊集中控制 ， 如發(fā)動機 、 底盤 、 信息 、 顯示和報警等幾大件控制系統(tǒng) ， 如日本五十鈴生產(chǎn)的汽車 ITEC系統(tǒng) ， 他對發(fā)動機的點火 、 燃油噴射 、 怠速及廢氣再循環(huán)進行集中控制 。 上述各種類型的控制都有優(yōu)缺點 ， 但網(wǎng)絡在汽車上應用后 ， 就可發(fā)揮各型控制的優(yōu)點 ， 克服了他們的缺點 。 例如集中控制和分散控制的最大問題是可靠性問題 ， 如完全集中控制 ， 一旦微機出現(xiàn)故障全車癱瘓 。 采用網(wǎng)絡技術(shù)后 ， 不但共用所有傳感器 ，還可以共用其他設備 ， 如進行了環(huán)形網(wǎng)控制 ， 幾十個微機 ， 就是個別出現(xiàn)問題 ， 整車還可以正常運行 。所以網(wǎng)絡在汽車應用中不但增加了許多功能 ， 而且還大大增加了可靠性 。 為適應汽車網(wǎng)絡控制的需要 ， 更好地在各控制系統(tǒng)之間完成交流信息 、 協(xié)調(diào)控制 、 共享資源及標準化與通用化 ， 世界各國都在積極合作 ， 進行 汽車局域網(wǎng) 的研究與開發(fā) 。 國外在網(wǎng)絡標準的制定以及符合網(wǎng)絡通信標準的微處理器 、 通信協(xié)議等方面都已經(jīng)有了成果 。 網(wǎng)絡標準方面有Bosch公司制定的控制器局域網(wǎng)絡 (CAN)協(xié)議和Intel推出的 SAEJ 18065網(wǎng)絡標準 。 又如 Philips，Intel， Motorola等公司推出了符合網(wǎng)絡相關(guān)協(xié)議的微處理器產(chǎn)品 。 同時 ， 為整合各種標準 ， 一份有關(guān)汽車網(wǎng)絡的國際標準正在國際標準化組織起草 。 網(wǎng)絡技術(shù)在汽車外部的應用 汽車上網(wǎng)系統(tǒng) ， 是一種無線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 。 通過他 ，人們在駕駛汽車時就可以像在家一樣進行上網(wǎng) 、 發(fā)Email等所有網(wǎng)上操作 。 目前不少公司在進行這方面的工作 ， 如 IBM公司和 Motorola公司已合作開發(fā)車用無線 Inter技術(shù) ， 這項技術(shù)將使駕駛員和乘客能夠在車上發(fā)送電子郵件以及從事網(wǎng)上各種活動 ， 如電子商務和網(wǎng)上購物 、 查看股市行情和天氣預報等 。另外 Microsoft公司新推出了專門為 車上網(wǎng) 設計的AutoPC軟件 ， 采用 Windows CE操作系統(tǒng) ， 他具有交互式語言識別等各種多媒體功能 。 這種功能能夠有效地保障汽車行車安全 ， 因為他可以讓汽車駕駛員在手不離方向盤 、 眼不離行駛前方的情況下 ， 與 PC機系統(tǒng)交換各種信息 ， 例如行車前方的交通狀況有無塞車 ， 最短時間導航等；也可以通過他在車上收發(fā) Email、 打網(wǎng)絡電話和其他上網(wǎng)活動 。 通用公司不但開發(fā)了 車上網(wǎng) 系統(tǒng) ， 而且還裝有車載自動化辦公系統(tǒng) 。 由于該系統(tǒng)采用了超高速光纖串行數(shù)據(jù)通道 (MML)， 因此具有多路的數(shù)字式影音能力 ， 可以有效地調(diào)控多信道大容量的輸入 、輸出信號 ， 例如 CD、 DVD、 顯示器 、 電視接收天線 、 音響和全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)都可以和該系統(tǒng)交換信息 。 4 汽車傳感器的發(fā)展趨勢 車用傳感器是促進汽車高檔化 、 電子化 、自動化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一 ， 世界各國對車用傳感器的研究開發(fā) 、 提高性價比都非常重視 。 沒有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代汽車 的觀點現(xiàn)在已被全世界所公認 。 汽車電子化越發(fā)達 ，自動化程度越高 ， 對傳感器依賴性就越大 ，所以 ， 國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展的高技術(shù) 。 汽車現(xiàn)代傳感器總的發(fā)展趨勢是：多功能化 、 集成化 、 智能化 、 微型化 ，其技術(shù)的發(fā)展方向是： (1)開展基礎研究 ， 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象 、 采用新原理 、 開發(fā)新材料和采用新工藝； (2)擴大傳感器的功能與應用范圍 。 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象 利用物理現(xiàn)象 、 化學反應和生物效應等是各種傳感器的基本原理 ， 所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎 。 功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的另一個重要基礎 。由于材料科學的進步 ， 在制造各種材料時 ， 人們可以任意控制他的成份 ， 從而可以設計與制造出各種用于傳感器的功能材料 。 例如控制 半導體氧化物 的成份 ， 可以制造出各種氣體傳感器； 光導纖維 用于傳感器是傳感器功能材料的一個重大發(fā)現(xiàn)； 有機材料 作為功能材料 ， 正引起國內(nèi)外汽車電子化專家的極大關(guān)注 。 開發(fā)新材料 傳感器的敏感元件性能除了由其功能材料決定外 ， 還與其加工工藝有關(guān) 。 隨著半導體 、 陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件 ， 許多現(xiàn)代先進制造技術(shù)也引入汽車傳感器制造技術(shù) ， 例如集成技術(shù) ， 微細加工技術(shù) ， 離子注入技術(shù) ， 薄膜技術(shù)等 ， 能制作出性能穩(wěn)定 、 可靠性高 、體積小 、 重量輕的微型化敏感元件 。 近年來從半導體集成電路技術(shù)發(fā)展而來的微電子機械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)日漸成熟 ， 利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測力學量 、磁學量 、 熱學量 、 化學量和生物量的微型傳感器 ， 這些傳感器的體積和能耗小 ， 可實現(xiàn)許多全新的功能 ， 便于大批量和高精度生產(chǎn) ， 單件成本低 ， 易構(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列 ， 這些特點使得他們非常適合于汽車方面的應用 。 采用新工藝 20世紀 80年代初 ， 微型壓阻式多路絕對壓力傳感器開始大批量生產(chǎn) ， 取代了早期采用 LVDT技術(shù)的壓力傳感器 。80年代中期微型加速度傳感器開始用于汽車安全氣囊 ， 他們是到目前為止大量生產(chǎn)的 、 并在汽車中得到廣泛應用的微型傳感器 。 然而微型傳感器的大規(guī)模應用勢必將不限于發(fā)動機燃燒控制和安全氣囊 ， 在未來 57年內(nèi)包括發(fā)動機運行管理 、 廢氣與空氣質(zhì)量控制 、 ABS、車輛動力的控制 、 自適應導航 、 車輛行駛安全系統(tǒng)在內(nèi)的應用將為 MEMS技術(shù)提供廣闊的市場 。 研究多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個重要方向 ， 即在一個芯片上集成多種功能敏感組件和同一功能的多個敏感組件 。 例如日本研制出復合壓阻傳感器 ， 一個芯片可同時檢測汽車壓力與溫度 。 研究多功能集成傳感器 智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測 、 判斷 、 信息處理等功能的傳感器 。 與傳統(tǒng)傳感器相比 ， 他具有很多特點 。 例如 ， 他可以確定傳感器工作狀態(tài) ， 對測量資料進行修正 ， 以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差；用軟件解決硬件難以解決的問題；完成資料計算與處理工作等等 。世界各國都在車用傳感器硬件的基礎上 ， 努力用軟件來解決汽車電氣干擾大 、 環(huán)境差 (溫度高 、 溫度梯度大 、 污染厲害等 )等問題造成的對汽車參數(shù)測量的影響 。 而且智能式傳感器精度高 、 量程覆蓋范圍大 、 輸出信號大 、 信噪比高 、 抗干擾性能好 ， 有的還帶有自檢功能 。 不少汽車大公司在該方面進行研制與開發(fā) ， 并取得了成就和應用 。 研究智能式傳感器 二、各種汽車電子新技術(shù)的應用 從 90年代起 ， 全球汽車電子產(chǎn)品的生產(chǎn)持續(xù)高速增長 。 到 1999年 ， 全球汽車電子產(chǎn)品的銷售額已達 600億美元以上 ， 計算機技術(shù) 、 集成電路技術(shù) 、 數(shù)字電路技術(shù)以及通信技術(shù)等電子技術(shù)在汽車上的應用已占整車成本的 30％ 以上