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1 汽車電子化發展概況 汽車電子化是建立在電子學的發展基礎之上，從真空管、晶體管、集成電路、大規模集成電路到超大規模集成電路的技術進步，出現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電機和晶體管調節器，到60年代中期，汽車上開始采用晶體管電壓調節器和晶體管點火裝置。但更多地應用電子技術則是在7o年代以后，主要是為解決汽車安全、污染和節油3大問題。進入70年代后期，電子工業有了長足的進步，特別是集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路技術得到了巨大發展，微機在汽車上的應用，給汽車工業帶來了劃時代的變革。 20世紀90年代，汽車電子技術進入了其發展的第三個階段，這是對汽車工業的發展最有價值、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。目前汽車電子技術已發展到第四代，即包括電子技術(含微機技術)、優化控制技術、傳感器技術、網絡技術、機電一體化耦合交叉技術等綜合技術的小系統，并且早巳從科研階段進入了商品生產的成熟階段。 汽車電子技術主要包括硬件和軟件方面的內容： 硬件包括微機及其接口、執行部件、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據采集、計算判斷、報警、程控、優化控制、監控、自診斷系統等程序。 微機是整個系統的核心，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)向集中控制發展，而汽車集中控制也由原來的多個計算機通信向網絡化管理過渡。 2 汽車電子控制理論發展概況 控制理論是編制應用和優化控制軟件的理論基礎，是"汽車電子技術"中的難點和重點。利用自動控制理論而建立的開環、閉環、最優、自適應控制系統，在汽車優化控制中都有采用。建立這些控制系統時，首先對汽車某個系統，如點火提前角優化控制系統進行系統辨識，建立數學模型，然后采用相應的控制方法進行優化控制。但是發動機本身結構比較復雜，影響點火的因素較多，理論推導優化點火狀態下的數學模型比較困難。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，然后存人微機內存。在實行控制過程中，微機不斷檢測發動機的工況，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工況，使控制接近或達到最優化。 模糊控制是近年來出現的新的控制理論，在汽車中也有所應用。模糊控制系統也是一種自動控制系統，他是以模糊數、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構成的一種具有閉環結構的數字控制系統。模糊邏輯從含義上比其他傳統邏輯更接近人類的思想和自然語言。 3 網絡技術在汽車中的應用 3．1 網絡技術在汽車內部的應用 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。后來發展到汽車集中控制系統，包括完全集中控制系統，如美國的通用汽車公司采用一個微機系統分別控制汽車防滑制動、牽引力控制、優化點火、超速報警、自動門鎖和防盜等；分級控制系統，如日產公司的分級控制系統，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、優化點火、燃油噴射、數據傳輸等；分布集中控制系統，他是根據汽車的各大部分而進行分塊集中控制，如發動機、底盤、信息、顯示和報警等幾大件控制系統，如日本五十鈴生產的汽車I-TEC系統，他對發動機的點火、燃油噴射、怠速及廢氣再循環進行集中控制。上述各種類型的控制都有優缺點，但網絡在汽車上應用后，就可發揮各型控制的優點，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 旦微機出現故障全車癱瘓。采用網絡技術后，不但共用所有傳感器，還可以共用其他設備，如進行了環形網控制，幾十個微機，就是個別出現問題，整車還可以正常運行。所以網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。 為適應汽車網絡控制的需要，更好地在各控制系統之間完成交流信息、協調控制、共享資源及標準化與通用化，世界各國都在積極合作，進行汽車局域網的研究與開發。國外在網絡標準的制定以及符合網絡通信標準的微處理器、通信協議等方面都已經有了成果。網絡標準方面有Bosch公司制定的控制器局域網絡(CAN)協議和Intel推出的SAEJ 18065網絡標準。又如Philips，Intel，Motorola等公司推出了符合網絡相關協議的微處理器產品。同時，為整合各種標準，一份有關汽車網絡的國際標準正在國際標準化組織起草。 3．2 網絡技術在汽車外部的應用 汽車上網系統，是一種無線的網絡結構。通過他，人們在駕駛汽車時就可以像在家一樣進行上網、發E-mail等所有網上操作。目前不少公司在進行這方面的工作，如IBM公司和Motorola公司已合作開發車用無線Internet技術，這項技術將使駕駛員和乘客能夠在車上發送電子郵件以及從事網上各種活動，如電子商務和網上購物、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"設計的AutoPC軟件，采用Windows CE操作系統，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E-mail、打網絡電話和其他上網活動。通用公司不但開發了"車上網"系統，而且還裝有車載自動化辦公系統。由于該系統采用了超高速光纖串行數據通道(MML)，因此具有多路的數字式影音能力，可以有效地調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、音響和全球衛星定位導航系統都可以和該系統交換信息。 4 汽車傳感器的發展趨勢 車用傳感器是促進汽車高檔化、電子化、自動化發展的關鍵技術之一，世界各國對車用傳感器的研究開發、提高性價比都非常重視。"沒有傳感器技術就沒有現代汽車"的觀點現在已被全世界所公認。汽車電子化越發達，自動化程度越高，對傳感器依賴性就越大，所以，國內外都將車用傳感器技術列為重點發展的高技術。 汽車現代傳感器總的發展趨勢是：多功能化、集成化、智能化、微型化，其技術的發展方向是： (1)開展基礎研究，發現新現象、采用新原理、開發新材料和采用新工藝； (2)擴大傳感器的功能與應用范圍。 4．1 發現新現象 利用物理現象、化學反應和生物效應等是各種傳感器的基本原理，所以發現新現象與新效應是現代傳感器發展的重要基礎。 4．2 開發新材料 功能材料是發展傳感器技術的另一個重要基礎。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現；有機材料作為功能材料，正引起國內外汽車電子化專家的極大關注。 4．3 采用新工藝 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。隨著半導體、陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件，許多現代先進制造技術也引入汽車傳感器制造技術，例如集成技術，微細加工技術，離子注入技術，薄膜技術等，能制作出性能穩定、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發展而來的微電子機械系統(MEMS)技術日漸成熟，利用這一技術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，可實現許多全新的功能，便于大批量和高精度生產，單件成本低，易構成大規模和多功能陣列，這些特點使得他們非常適合于汽車方面的應用。 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，取代了早期采用LVDT技術的壓力傳感器。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模應用勢必將不限于發動機燃燒控制和安全氣囊，在未來5-7年內包括發動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、ABS、車輛動力的控制、自適應導航、車輛行駛安全系統在內的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。 4．4 研究多功能集成傳感器 研究多功能集成傳感器是傳感器發展的一個重要方向，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。 4．5 研究智能式傳感器 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，對測量資料進行修正，以便減少環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，并取得了成就和應用。 |
