[汽车电子] 汽车零部件：ECU(电子控制单元/车载电脑) / MCU(微控制器单元)

序

  • 自动驾驶汽车三大关键系统分为：感知、决策、执行等三个层面。
  • “感知”环节即由摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器完成数据采集
  • 再传输给各类传感器所对应的ECU（电子控制单元）进行数据的分析及处理，各类ECU将处理结果发送至决策微控制器（MCU）；
  • MCU将各类ECU发送的处理结果综合之后再向各类汽车系统（例如刹车系统、传动系统等）发出控制指令，最终接受到控制指令的汽车系统将指令予以执行，从而完成整个ADAS系统的功能。
  • 汽车电子控制系统被分为多个子系统，每个子系统包含一个或多个电子控制单元（ECU）
  • 软件定义汽车时代之下，一辆现代汽车的ECU数量更可高达上百个。
  • 目前博世，电装，大陆，德尔福，采埃孚等都是汽车ECU行业的领导者。
  • ECU，通俗来讲就是MCU（微控制器单元）加上一些外围必要的电路组成的一个系统。
  • 其可以对各种输入信号(传感器信号、车载网络信号等)进行加工处理，然后进行信号输出(控制执行器的信号、车载网络信号等)的一个专用嵌入式系统。

概述：ECU / MCU

ECU(电子控制单元/车载电脑/行车电脑)

定义

  • 在现代汽车中，ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元，车载电脑）和MCU（Microcontroller Unit，微控制器单元）是两个常见的术语。

它们都用于控制汽车各种系统和功能的电子设备，但在功能、设计和工作原理方面存在一些差异。

  • ECU和普通的电脑一样，由微控制器（MCU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）及整形、驱动等大规模集成电路组成。

用一句简单的话来形容就是“ECU就是车的大脑”。

  • ECU

ECU是指电子控制单元，是一种用于控制和管理汽车各种电子系统的设备。
它是汽车电子系统的核心部件之一，负责监测和控制发动机、传输、制动、悬挂、安全等各个方面的系统。
ECU可以接收传感器的输入信号，对其进行处理，并根据预设的算法和逻辑来控制执行器执行相应的操作。
每个ECU都专门设计和编程用于控制特定的汽车系统。

主要功能

  • 给传感器提供标准电压，接收各种传感器和其他装置输入的信息，并将其转换成微机所能接受的数字信号；
  • 储存该车型的特征参数和运算所需的有关数据信息；
  • 确定计算输出指令所需的程序，并根据输入信号和相关程序计算输出指令数值；
  • 将输入信号和输出指令信号与标准值进行比较，确定并存储故障信息；
  • 向执行元件输出指令，或根据指令输出自身已储存的信息。

组成

  • ECU是由4个部分组成：输入回路、A/D转化器、微型计算器、输出回路

  • 输入回路的功能：
  • 将传感器输入的信号，再出去杂波
  • 正弦波转变为矩形波
  • 转换成输入电平
  • A/D转换器的功能：
  • 汽车上的传感器有的产生数字信号，有的产生模拟信号；而A/D转换器就是将模拟信号转换为数字信号

  • 数字信号产生后，微型计算机(MCU)对数字信号进行处理
【单片机】通常具有数字IO端口，但可以通过一些方法将这些数字信号转换为模拟信号。
比如PWM或者DAC 如果单片机内置 DAC，可以直接将数字信号转换为模拟信号。
如果没有内置 DAC，可以使用外部 DAC 模块 通过改变 PWM 波的占空比来模拟不同的电压或电流值。
这种方法适用于某些应用，但输出的模拟信号质量可能不如使用 DAC 转换的那么好
  • 微型计算机由RAM ROM i/o接口和cpu组成

  • 微型计算机的功能：
  • 根据ECU工作的需要，把各种传感器送来的信号用内存的程序（微机处理的程序）和数据进行运算处理，并把处理结果如：燃油喷射控制信号、点火控制信号等送往输出回路。
  • 输出回路：

微型计算机给出响应的命令后，执行器并不能立即执行。
由于微机输出的是电压很低的数字信号，用这种信号一般是不能直接驱动执行元件的。
输出回路的作用就是将微机输出的数字信号转换成可以驱动执行元件的输出信号
输出回路多采用大功率三极管：由微机输出的信号控制其导通和截止，从而控制执行元件的搭铁回路
以微机控制的喷油器为例，微机计算机通过控制三极管的基极，从而控制喷油器线路的导通。

经典应用

  • 常见的汽车ECU部件: BMS / BCM(车身控制器) / ...

MCU := 微控制器单元

定义

  • MCU := 微控制器单元 / 单片机

MCU是指微控制器单元，是一种集成了处理器核心、存储器、输入输出接口和其他外设的【片上系统】。

将中央处理器的频率与规格适当缩减，
并且把内存(memory、计数器(Timer).、USB、 A/D转换、 UART、 PLC、 DMA等周边接口乃至LCD驱动电路全部整合在【芯片】上，
形成芯片级的计算机，使得其在不同的应用场合能够进行不同组合控制

MCU通常使用单片机技术，具有较小的封装体积和低功耗特性。
它被广泛应用于各种电子设备中，包括汽车、家电、工业控制等领域。
在汽车中，MCU被用作ECU的核心部件，用于执行ECU的计算和控制功能。

  • MCU特点:
  • 节约成本、轻薄短小，具备独立运行能力，也就是不用外接其他硬件，就能够在网络通信、计算机、汽车电子、工业控制等领域广泛应用。

常见MCU产品

  • 主流MCU: 意法半导体的STM32F103(32bit)
  • 其低廉的价格和强大的功能在嵌入式产品中被广泛应用；
  • 同样，也可以满足自己了解和学习ECU/MCU软件开发的目的需要

MCU分类及其应用领域

  • 按照总线或数据暂存器的宽度，单片机分为1位、4位、8位、16位、32位、甚至64位单片机。
  • 4位单片机的应用领域包括: 计算器、车用仪表、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、儿童玩具、计量秤、充电器、汽车胎压计、湿温度计、遥控器等;
  • 8位单片机的应用领域包括: 马达控制器、电动玩具、呼叫机、传真机、电话录音机、键盘及USB等;
  • 16位单片机的应用领域包括: 移动电话、数字相机、设录放影相机等;32位智能家居、物联网、电机驱动、安防、指纹识别、屏幕触控、打印机、传真机等;
  • 64位单片机的应用领域包括: 高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器等。

FAQ

Q: ECU（电子控制单元/行车电脑） 与 MCU（微控制器单元） 的区别？

定义

  • 在现代汽车中，ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元，车载电脑）和MCU（Microcontroller Unit，微控制器单元）是两个常见的术语。

它们都用于控制汽车各种系统和功能的电子设备，但在功能、设计和工作原理方面存在一些差异。

  • ECU

ECU是指电子控制单元，是一种用于控制和管理汽车各种电子系统的设备。
它是汽车电子系统的核心部件之一，负责监测和控制发动机、传输、制动、悬挂、安全等各个方面的系统。
ECU可以接收传感器的输入信号，对其进行处理，并根据预设的算法和逻辑来控制执行器执行相应的操作。
每个ECU都专门设计和编程用于控制特定的汽车系统。

  • MCU := 微控制器单元

MCU是指微控制器单元，是一种集成了处理器核心、存储器、输入输出接口和其他外设的【片上系统】。
MCU通常使用单片机技术，具有较小的封装体积和低功耗特性。
它被广泛应用于各种电子设备中，包括汽车、家电、工业控制等领域。
在汽车中，MCU被用作ECU的核心部件，用于执行ECU的计算和控制功能。

功能

  • ECU的功能

ECU主要负责监测和控制汽车各个系统的运行状态。
它可以接收来自传感器的输入信号，例如发动机温度、气压、速度等，并根据这些数据来调整各个系统的参数。
ECU还可以实现故障诊断和故障码存储，以帮助检测和修复汽车故障。

  • MCU的功能

MCU是ECU的核心处理单元，具有更高级的计算和控制功能。
它负责解析和执行ECU的软件程序，处理传感器输入和执行器输出之间的逻辑关系。
MCU还负责管理系统存储器、时钟、通信接口等硬件资源，并协调各个子系统的工作。

设计与架构

  • ECU的设计

ECU通常由多个模块组成，每个模块负责控制一个特定的汽车系统。
例如，发动机控制模块、变速器控制模块、刹车控制模块等。
这些模块可以独立工作，也可以通过车载通信总线（CAN等）相互通信，实现系统之间的协调和同步。

  • MCU的架构

MCU采用单片机技术，将处理器核心、存储器、I/O接口和其他外设集成在一个芯片上。
它通常使用精简指令集（RISC）架构，具有较小的封装体积和低功耗特性。
MCU的设计还考虑了实时性和可靠性的要求，以满足汽车电子系统对高效和可靠控制的需求。

工作原理

  • ECU的工作原理

ECU通过轮询或中断的方式不断地读取传感器的输入信号，并根据预设的算法和逻辑来进行实时计算和控制。
它将传感器的输入与预设的阈值和参数进行比较，根据结果采取相应的控制策略来调整执行器的操作。
同时，ECU还能够实现故障检测和诊断，通过存储和分析故障码来帮助技术人员进行故障排查和修复。

  • MCU的工作原理

MCU作为ECU的核心处理单元，负责执行ECU的软件程序并协调各个子系统的工作。
它通过访问存储器中的指令和数据，对传感器输入信号进行处理，并根据预设的算法和逻辑来生成控制信号。
MCU还负责管理系统的时钟、通信接口和其他外设，以实现与其他ECU和外部设备的通信和协作。

应用区别

  • ECU的应用

ECU主要在汽车领域有广泛的应用。每个汽车系统都配备了专门的ECU，例如发动机控制模块、变速器控制模块、制动控制模块等。
这些ECU通过车载通信总线相互连接，实现系统之间的数据交换和协调。
ECU在提高驾驶安全性、优化燃油效率、降低排放和改善车辆性能方面发挥着重要作用。

  • MCU的应用

MCU应用相对ECU更广泛，诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。
汽车领域中，MCU作为汽车ECU的核心处理单元，在汽车电子系统中具有重要的地位。
它负责执行ECU的软件程序，控制各个子系统的运行，并管理硬件资源。
同时，MCU还参与了许多其他汽车电子设备的控制，如车载娱乐系统、导航系统等。
MCU在提供强大计算能力、实现实时响应和管理系统资源等方面发挥着关键作用。

小结

  • ECU和MCU是在汽车电子领域中常见的两个概念，它们在功能、设计和工作原理上存在一些区别。
  • ECU作为电子控制单元，负责监测和控制汽车各个系统的运行状态；而MCU作为ECU的核心处理单元，具有更高级的计算和控制功能。
  • ECU被设计成由多个模块组成，每个模块负责控制一个特定的汽车系统，而MCU则采用单片机技术，将处理器核心、存储器、I/O接口和其他外设集成在一个芯片上。
  • 尽管有不同的功能和架构，ECU和MCU在汽车电子系统中密切合作，共同实现对汽车各个方面的控制和管理。

Q: MCU与CPU、MPU、SoC、SOPC的比较?

  • CPU：Central Processing Unit
    计算机的运算控制核心就是CPU，是取址、译码、执行的对象。
    一般程序是CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，然后执行指令。
    CPU的构成包括运算器、控制器和寄存器及相应的总线。
    而计算机的可编程性其实就是指对CPU的编程。

  • MPU：Micro Processor Unit，微处理器单元

微处理器通常代表功能强大的CPU (可理解为增强型的CPU)，这种芯片往往是计算机和高端系统的核心CPU.
例如嵌入式开发者最熟悉的ARM的Cortex-A芯片，他们都属于MPU。

  • MCU：Mirco Controller Unit, 微控制器。
    随着大规模集成电路的出现及发展，人们把计算机的CPU、RAM、ROM、定时器和输入输出1/0引脚集成在一个芯片上，比如51,STC、Cortex-M 这些芯片，它们的内部除了CPU外还包含了RAM和ROM，可直接添加简单的器件(电阻，电容)等构成最小系统就可以运行代码了。
    而像ARM(Cortex-A系列)直接放代码是运行不了的，因为它本质上只是增强版的CPU,必须添加相应的RAM和ROM。

  • SoC：System on Chip,片上系统。
    MCU只是芯片級的芯片；
    而SoC是系统级的芯片，它集成了MCU和MPU的优点。
    即：拥有内置RAM和ROM的同时又像MPU那样强大，它可以存放并运行系统级别的代码，也就是说可以运行操作系统。

  • SOPC：System On a Programmable Chip , 可编程片上系统
    SOPC与MCU、MPU、soc最明显的区别在于可更改硬件配置，也就是说自己构造芯片。

Y 推荐文献

X 参考文献

posted @ 2025-05-14 07:41  千千寰宇  阅读(400)  评论(0)    收藏  举报