單片機(jī)技術(shù)在新型汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

周 杰，張礦偉

（1.周口技師學(xué)院機(jī)械工程系，河南 周口 466000；2.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 周口 466000）

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾代版本的更新，現(xiàn)在已發(fā)展到數(shù)字化和智能化，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)代新型汽車的發(fā)展更多考慮安全性、舒適性和智能性，因此汽車制造商引入智能控制技術(shù)來提高汽車的安全性和智能性，其中控制核心使用的是單片機(jī)。單片機(jī)控制能很好地提高汽車的各項(xiàng)性能，例如電路系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)及遙控系統(tǒng)等[1]。單片機(jī)技術(shù)在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用大大提高了操控性能，極大地降低了對(duì)駕駛員的駕駛技術(shù)要求，例如倒車?yán)走_(dá)技術(shù)、倒車影像技術(shù)、自動(dòng)泊車技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)等。為了使單片機(jī)更好地應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，本文闡述了我國汽車領(lǐng)域應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題，梳理和分析了單片機(jī)在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)。

1 汽車單片機(jī)的特點(diǎn)和組成

單片機(jī)是一個(gè)小微型控制器，以集成電路為控制芯片，是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，主要包括三大模塊：電源模塊、復(fù)位模塊和時(shí)鐘模塊[2]。它具有體積小、易于布置和安裝、可靠性高、維護(hù)方便、處理信息能力強(qiáng)、速度快且成本低等特點(diǎn)[3]。此外，它具有較高的性價(jià)比，控制能力強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單、開發(fā)較容易，有利于推廣普及，尤其善于實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，能適應(yīng)汽車工作狀況復(fù)雜多變的特點(diǎn)。單片機(jī)在國外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于汽車產(chǎn)品。

汽車單片機(jī)的控制通道主要包括兩類，分別是轉(zhuǎn)發(fā)通道和后向通道。轉(zhuǎn)發(fā)通道主要作為系統(tǒng)的信號(hào)采集通道，信號(hào)調(diào)控電路主要處理車載的所有傳感器信息，包括溫度、壓力、電流、電壓等信號(hào)，將采集到的模擬變量通過轉(zhuǎn)換通道傳送到單片機(jī)，通過接收來自傳感器的信息，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地掌握車輛的狀態(tài)[4]。后向通道的主要作用是根據(jù)接收到的車載傳感器信號(hào)，由單片機(jī)的控制單元對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)值分析采集到的信息，從而作出判斷，并將分析判斷結(jié)果以控制量發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照各項(xiàng)指標(biāo)完成控制要求。汽車控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括液壓閥、電磁閥等。汽車單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 控制結(jié)構(gòu)原理圖

在控制系統(tǒng)實(shí)施控制的過程中，操作人員可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行變量的設(shè)置，改變汽車運(yùn)行的實(shí)際效果，汽車控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)置是其中的一部分，操作人員可以使用人機(jī)交互系統(tǒng)來設(shè)置相關(guān)變量。汽車的人機(jī)交互界面比較簡(jiǎn)單，類似于嵌入式系統(tǒng)，主要是通過觸摸屏與單片機(jī)進(jìn)行通信，上位設(shè)置參數(shù)，控制器分析執(zhí)行控制信號(hào)。

2 單片機(jī)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的具體應(yīng)用

2.1 單片機(jī)在提升汽車安全性能方面的應(yīng)用

單片機(jī)在提升汽車安全性能方面的應(yīng)用主要包括制動(dòng)防抱死系統(tǒng) （Antilock Brake System，ABS）、安全氣囊、汽車自診斷系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)等。

ABS主要是由單個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)。汽車在行駛過程中遇到突發(fā)緊急事件時(shí)，根據(jù)操作人員使用緊急剎車的情況，車輪轉(zhuǎn)速突然降低直至抱死，車輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)信息出現(xiàn)突變，會(huì)將檢測(cè)信息通過轉(zhuǎn)發(fā)通道迅速傳遞給單片機(jī)控制單元；單片機(jī)控制單元快速作出分析判斷，對(duì)比傳感器接收的信息與設(shè)定值是否一致，從而確定車輪抱死的情況。接著，汽車按照單片機(jī)控制單元編寫好的控制程序來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以有效防止制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛的沖擊，從而減少了因車輪抱死導(dǎo)致車輛側(cè)滑的現(xiàn)象。ABS大大減輕了車輪制動(dòng)力，有效減少了輪胎與地面之間的摩擦力，使駕駛過程更加安全。

汽車安全氣囊控制的核心是單片機(jī)。安全氣囊是汽車安全保障的重要組成部分，它能在汽車發(fā)生緊急碰撞時(shí)起到保護(hù)乘客和司機(jī)的作用。安全氣囊的控制主要表現(xiàn)在汽車快速行駛過程中突然劇烈碰撞、車速驟減，安全氣囊彈出。單片機(jī)的控制單元是控制安全氣囊彈出的核心，通過碰撞氣囊傳感器檢測(cè)汽車行駛過程中的車速驟減，然后傳感器將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送給控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)信號(hào)作出判斷，單片機(jī)分析碰撞程度，根據(jù)碰撞程度決定是否彈出安全氣囊。如果需要打開，燃?xì)獍l(fā)生器發(fā)出點(diǎn)火指令，瞬間產(chǎn)生大量氣體，充入氣囊，使安全氣囊瞬間彈出，彈出時(shí)間約為幾十毫秒。這樣可以有效減少車上人員的人身傷亡。

隨著我國汽車企業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜[5]，使得汽車診斷和維修的難度加大，有效利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車自動(dòng)進(jìn)行診斷而排除汽車故障的方法孕育而生。通過存儲(chǔ)在微控制器內(nèi)的汽車信息，操作人員可以在不拆解汽車的情況下使用自我診斷系統(tǒng)測(cè)試汽車的性能，并且可以自動(dòng)分析和判斷汽車的其他方面。

汽車防盜系統(tǒng)的核心由兩個(gè)微控制器控制模塊組成，車主使用完汽車后自動(dòng)啟動(dòng)防盜模式。一旦受到外界干擾，防盜系統(tǒng)便被觸發(fā)，同時(shí)利用單片機(jī)內(nèi)部模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行比較和判斷并作出響應(yīng)，通過信息發(fā)送模塊將報(bào)警信息發(fā)送至車主手機(jī)，車主能夠通過手機(jī)實(shí)時(shí)了解車輛的安全情況。單片機(jī)技術(shù)的使用大大提高了汽車的安全性。

2.2 單片機(jī)在汽車動(dòng)力方面的應(yīng)用

單片機(jī)在汽車動(dòng)力方面的應(yīng)用主要是提高燃油利用率和高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝[6]。

當(dāng)前全球汽車工業(yè)企業(yè)面臨的重要研究課題是如何不斷地降低汽車油耗，減少排放，進(jìn)一步提高汽車性能，要做到這些就需要運(yùn)算能力越來越強(qiáng)大的單片機(jī)。電子控制燃油噴射系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外廣泛使用的機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)通過接收傳感器反映的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、冷卻水及機(jī)油溫度和大氣壓力等有關(guān)參量的電脈沖信號(hào)，再進(jìn)行綜合處理，與存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的理想可燃混合氣成分的電脈沖寬度進(jìn)行比較，進(jìn)而算出相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和條件下的最佳混合氣所需噴油量和噴油時(shí)間；然后向噴油器發(fā)出相應(yīng)電脈沖指令，使之適時(shí)噴射適量燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)工況下工作。

傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)的8031產(chǎn)品功耗達(dá)630 mV，而目前許多單片機(jī)的功耗僅為100 mV左右[2]，因此人們?cè)絹碓疥P(guān)注市場(chǎng)上功耗較低的單片機(jī)。如今很多單片機(jī)制造商在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)常采用高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝。密度較高的金屬氧化物半導(dǎo)體材料在使用時(shí)有比較明顯的兩個(gè)特點(diǎn)，即傳輸速度快和能耗較低，所以根據(jù)單片機(jī)低功耗的特點(diǎn)分析可以將其用到對(duì)電源要求不高的領(lǐng)域。

單片機(jī)可以提升系統(tǒng)的可靠性，采用單片機(jī)能有效減少外圍電路與機(jī)械部件。一些機(jī)械部件在生產(chǎn)時(shí)很難調(diào)整參數(shù)，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。例如電器是由多個(gè)機(jī)械部件組成的，在生產(chǎn)過程中需要由多名工作人員來調(diào)整參數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)單一性，生產(chǎn)程序也較為復(fù)雜。而采用單片機(jī)的形式能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，在一定程度上能減少機(jī)械與電子控制器件，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 單片機(jī)技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用存在的主要問題

3.1 適應(yīng)能力差

由于駕駛環(huán)境因區(qū)域的不同而不同，單片機(jī)系統(tǒng)的適應(yīng)環(huán)境也不同。當(dāng)溫度過高時(shí)，電子信息元件的可操作性和穩(wěn)定性會(huì)逐漸下降，尤其是在熱帶地區(qū)，溫度過高會(huì)造成電子信息元件使用功能失效，引發(fā)一系列的故障。汽車在行駛過程中會(huì)遇到不同的道路狀況，單片機(jī)在使用過程中也會(huì)受特殊路況的影響導(dǎo)致不能正常工作。但隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車行駛中產(chǎn)生的震動(dòng)已不再影響單片機(jī)的正常工作，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，單片機(jī)在使用過程中會(huì)受到外界電磁信號(hào)的干擾，比如車載高壓點(diǎn)火器、電源、繼電器和傳感器，這些干擾可能會(huì)影響到單片機(jī)在使用過程中的穩(wěn)定性。因此要考慮到單片機(jī)的防干擾性，在單片機(jī)選型時(shí)應(yīng)盡量選擇抗干擾能力強(qiáng)的產(chǎn)品，要以穩(wěn)定、可靠作為標(biāo)準(zhǔn)，選擇能夠在高溫下保持穩(wěn)定且抗干擾性、抗震能力強(qiáng)的芯片。

3.2 維修困難

單片機(jī)控制系統(tǒng)具有自診斷功能，從而使維護(hù)變得容易，并能自動(dòng)診斷故障位置、故障原因并給出代碼，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。但本系統(tǒng)所使用的單片機(jī)大多是專用單片機(jī)，且存在程序掩碼，因此維護(hù)困難，只能借助專用開發(fā)工具進(jìn)行調(diào)試。

4 結(jié)束語

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)方式的統(tǒng)一，供應(yīng)鏈管理技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域的地位將變得越來越重要。我國的汽車制造商已經(jīng)使用智能控制技術(shù)來提高汽車的安全性、智能性和舒適性。單片機(jī)技術(shù)的引入彌補(bǔ)了傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)中的不足，很大程度上改善了汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但我國在汽車領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，相比發(fā)達(dá)國家汽車技術(shù)略有落后。隨著新技術(shù)的引入，我國的汽車品牌得到了世界認(rèn)可，汽車的全球銷量也有了很大提高。汽車技術(shù)的發(fā)展離不開單片機(jī)技術(shù)的支撐，汽車企業(yè)只有不斷改進(jìn)和引入新技術(shù)，才能真正提升效益和影響力。