第一章 汽车单片机原理pptConvertor.docx
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第一章汽车单片机原理pptConvertor
汽车单片机与车载网络技术
刘鸿健主编
化学工业出版社
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第一章汽车单片机原理
第一节自动控制概述
第二节微型计算机基础
第三节单片机的组成
第四节单片机指令系统
第五节单片机中断、定时器/计数器、串行通信
第六节汽车单片机程序设计原理
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学习要求
熟悉自动控制系统的概念、组成和工作原理，掌握开环控制和闭环控制的特点，了解常用自动控制系统的分类和计算机控制系统的组成。
熟悉微型计算机和单片机的概念，了解MCS-51单片机的组成和引脚，熟悉指令系统，熟悉单片机的中断、定时器/计数器和串行通信。
掌握单片机程序设计基本方法，熟悉汽车单片机有关程序的设计原理。
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第一节自动控制概述
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一、自动控制的基本概念
1.自动控制的基本方法
自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。
复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式，可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。
（1）开环控制
开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。
即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。
所以，在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。
开环控制系统一般由控制器、执行元件和控制对象组成，如图1-1所示。
下面以汽油发动机喷油自动控制为例说明。
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图1-1开环控制系统方框图
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（2）闭环控制
若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的控制称为闭环控制系统，又称为反馈控制。
闭环控制的方框图如图1-2所示。
闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。
在闭环控制中，被控量时刻被检测，并通过反馈通道送回到比较元件，与给定值进行比较。
闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性。
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图1-2闭环控制系统方框图
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2.自动控制的分类
由于控制技术的广泛应用以及控制理论自身的发展，使得控制系统具有各种各样的形式，从不同的角度出发，分类的方式也不相同。
以下简介常见的几种分类。
（1）按输入信号特征分类
①定值控制系统:
给定信号（给定值）为一常值的控制系统称为定值控制系统。
这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值上。
汽车发动机的缸温控制是定值即定温控制，一般缸温设定在80OC，当缸温超过设定温时，发动机ECU或温控器将起动冷却液循环和风扇散热。
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②随动控制系统:
给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。
这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定精度跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。
发动机点火提前角的控制是典型的高精度、随动控制。
它的给定信号是随机信号，就是发动机的转速信号，发动机转速随喷油量和负荷量等因素的变化而变化；发动机转速越高，点火提前角就越大；这是一个闭环控制，检测反馈元件是发动机曲轴转速传感器。
③程序控制系统:
给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统称为程序控制系统。
汽车喷漆烤漆房的温度控制是程序,其升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的。
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（2）按变量分类
①单变量控制系统:
如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象，则称该系统为单变量控制系统,又称为单输入—单输出系统。
②多变量控制系统:
如果一个控制系统中的被控变量多于一个，控制作用也多于一个，而且各控制回路相互之间有耦合关系，则称这类控制系统为多变量控制系统，也称为多输入—多输出控制系统。
汽车发动机电控系统就是一个多变量控制系统，它有多个输入信号，如发动机转速信号、空气流量信号、缸温信号等；它要输出多个变量，如喷油量、点火提前角等去控制发动机。
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（3）按控制装置分类
①常规控制器：
一般多指采用模拟电路来实现的控制器。
简单的控制常采用这种控制器，线路简单，成本低。
②计算机控制器：
复杂的、多变量的、随动的自动控制系统多采用以计算机为核心的控制器。
现代汽车中各电控单元都是采用以单片机为核心的控制器。
3.对控制系统的基本要求
（1）稳定性：
稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。
对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。
图1-3（a）所示的系统是稳定的，图1-3（b）所示的系统是不稳定的，可见稳定性是保证系统正常工作的先决条件。
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图1-3自动控制系统稳定性示意图
（a）稳定系统（b）不稳定系统
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（2）快速性：
快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。
快速性好的系统，它的过渡过程时间就短。
图1-4所示的系统②，其快速性要比系统①好。
稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。
图1-4自动控制系统快速性示意图
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（3）准确性：
准确性是指过渡过程结束后被控量与希望值接近的程度。
工程上常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体性能。
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二、计算机控制技术
1.计算机控制技术概念
如果把自动控制系统的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统。
如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统，其基本框图如图1-5所示。
在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。
微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。
在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数字信号，而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的A／D转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的D／A转换器。
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计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下三个步骤：
（1）数据采集：
对被控参数的瞬时值进行检测、采集，并将数据传送给计算机。
（2）实时决策：
对采集的数据按程序进行分析，与内存数据比较，决定下一步控制过程。
（3）实时控制：
并按已定的控制规律，适时地对执行单元发出控制信号。
上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的性能指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并做出迅速处理。
应用微型计算机控制是一个实时控制系统，它包括硬件和软件两部分。
发动机的运行过程是连续进行的，
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图1-5微型计算机控制系统基本框图
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2.计算机控制的特点
计算机控制系统有两个类别，一类是通用计算机控制系统，适用于高速、大量的数值计算，系统配置多，体积大。
另一类是以单片机为主的嵌入式计算机控制系统，它具有微型、嵌入和专用的特点。
它以很小的“微型”体积“嵌入”控制对象的载体中，其配置的硬件和软件以适用控制对象为度，系统是“专用”的。
在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、家用电器、汽车、船舶、航空、航天、军事装备等方面均采用有嵌入式计算机控制技术。
现代汽车控制系统均采用单片机控制系统。
单片机控制系统具有以下特点：
（1）适合多变量控制。
汽车发动机电控系统是一多变量控制系统。
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（2）适合数据比较、查找控制。
发动机点火提前角度的确定是根据发动机转速和负荷等工况信息，查找内存中的数据确定的。
（3）适合计数控制。
发动机点火提前角度的控制执行是靠计数控制实现的。
（4）适合实时随动控制。
汽车的加速控制是实时随动控制，只有脚踏加速踏板，发动机的转速随即提高，这是实时控制喷油量实现的。
（5）改变控制模式容易。
通过修改软件或内存数据，可以比较容易改变控制模式。
（6）适合网络化控制。
现代轿车有发动机电控单元、防抱死制动电控单元、动力转向电控单元、主动悬架电控单元、防碰撞电控单元、导航电控单元等几十种电控单元，可以联网控制。
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第二节微型计算机基础
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一、计算机的发展概况
人类在对客观世界的“数量”认识上，从记数、计数到计算，经历了漫长的历史阶段，即从手工计算阶段、机械计算阶段，一直发展到现今的电子计算机计算阶段。
电子计算机的发展常以电子器件为标志划分为四个阶段。
第一代计算机（1945年-1958年），以电子管作为逻辑元件。
主要用于科学和工程计算；运算速度每秒几千次至几万次。
第二代计算机（1958年-1964年），以晶体管作为逻辑元件，用磁芯做主存储器。
体积缩小、功耗降低，提高了速度和可靠性；每秒运算可达几十万次。
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第三代计算机（1964年-1971年），以集成电路作为基础器件。
体积、功耗、价格等进一步降低；用半导体存储代替了磁芯存储器；运算速度每秒可达几十万次到几百万次；在软件方面，操作系统日臻完善。
计算机设计思想已逐步走向标准化、模块化和系列化，应用范围更加广泛。
第四代计算机（1971年至今），采用大规模集成电路和超大规模集成电路。
用集成度更高的半导体芯片做主存储器；运算速度可达每秒百万次至亿次。
计算机网络的研究进展迅速；系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化，而且正在向智能化方向迈进；各种应用软件层出不穷，极大地方便了用户。
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现代计算机正在向以下四个方面发展。
（1）巨型化：
随着科学技术发展的需要，许多部门要求计算机有更高的速度、更大的存储容量，从而使计算机向巨型化发展。
（2）微型化：
计算机体积更小、重量更轻、价格更低、更便于应用于各个领域，尤其是适用仪器仪表、家用电器、通信工具的数字化和智能化，工业控制的自动化等。
（3）网络化：
计算机网络是计算机技术和通信技术互相渗透、不断发展的产物。
计算机连网可以实现计算机之间通信和资源共享。
对于社会，加速社会信息化的进程。
对工业机器群或生产线可实现计算机联网控制。
（4）多媒体化：
现代计算机可以集文字、声音、图形、图像和视频处理为一体，使人们面对有声有色、图文并茂的信息交流环境。
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二、微型计算机和单片机
电子计算机高速发展到今天，通常可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。
它们在系统结构和基本工作原理方面并无本质的区别，只是在体积、性能和应用领域方面有所不同。
微型计算机简称微机，是计算机的一个重要分类。
微型计算机不但具有其它计算机快速、精确、程序控制等特点，最突出的是它还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。
个人计算机简称PC（PersonalComputer）机，是微型计算机中应用最为广泛的一种，目前，它已经像普通家用电器一样深入到了家庭和社会生活的各个方面。
图1-6是关于微型计算机系统组成的示意图。
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图1-6微型计算机系统组成
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1.微处理器
微处理器就是传统计算机的CPU，是集成在同一块芯片上的具有运算和逻辑控制功能的中央处理器，它是构成微型计算机系统的核心部件。
2.微型计算机
以微处理器为核心，再配上存储器、输入和输出接口电路（简称I/O接口）和中断系统等构成的整体，称为微型计算机。
它们可集中装在同一块或数块印刷电路板上，一般不包括外围设备和软件。
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3.微型计算机系统
这是指以微型计算机为核心，配上输入设备和输出设备、电源和软件等，构成能独立工作的完整计算机系统。
软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称。
人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。
4.单片微型计算机
单片微型计算机简称单片机。
单片机是将微处理器、存储器、I/O接口和中断系统集成在同一块芯片上，具有完整功能的微型计算机，这块芯片就是其硬件。
在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加输入电路、输出电路和操作开关等，才能构成一个单片机应用系统。
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三、计算机中的数制和码制
为了了解单片机的基本工作原理，首先简介计算机中的数制和码制。
对计算机中的数据、地址和指令等的描述，常用到二进制数和十六进制数。
（1）二进制数在计算机内部的基本工作电路是组合逻辑电路和时序逻辑电路，是按高低电平和二进制规律工作。
计算机处理和存储的信息都是二进制信息，并以8位二进制数为一个单位，称为一个字节（Byte，简写B）。
对于一个较大的信息，可以用若干个字节组成。
以二进制数表示的数据或指令，是计算机可以直接使用的，故称为机器数，也称机器码。
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（2）十六进制数
在对计算机输入数据、指令码时，如采用二进制数，则因位数太多，使用比较麻烦。
在单片机上常用十六进制数表示二进制数。
十六进制数是微型计算机软件编程时常采用的一种数制，其主要特点是：
十六进制数由16个数符构成：
0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制数的10、11、12、13、14、15。
十六进制数进位规则是“逢十六进一”。
一般在数的后面加一个字母H表示是十六进制数。
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8位二进制数“00000000～11111111”，可用2位十六进制数“00H～FFH”一一对应来表示，这样操作的位数就减少了。
当然，十六进制数进入计算机后要经专门的电路和软件再转为二进制数供计算机使用。
在人工输入数据时，如果数据是十进制数，一般应先人工转为十六进制数，然后再输入。
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第三节单片机的组成
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尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属Intel公司生产的MCS-51系列单片机。
基于这一事实，下面以应用最为广泛的MCS-51系列8位单片机（8031、8051、8751等）为研究对象，介绍单片机的硬件结构和工作原理。
MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。
其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。
MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。
8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。
因此，以8051为例，说明本系列单片机的内部组成、信号引脚和指令系统。
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一、MCS-51单片机的基本组成
MCS-51单片机的基本组成如图1-7所示，从图中可看出，MCS-51单片机组成结构中包含CPU、片内存储器、4个并行I/O口、1个串行口、2个定时器/计数器、中断系统和时钟振荡器等功能部件。
图1-78051单片机的基本组成
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1.微处理器（CPU）
微处理器是单片机的核心，如前面的的图1-6所示，其内含运算器和控制器。
运算器是计算机的运算部件，用于实现算术运算和逻辑运算，计算机的数据运算和处理都在这里进行。
控制器是计算机的指挥控制部件，它控制计算机各部分自动、协调地工作。
2.存储器
存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。
存储器又分为片内存储器和片外存储器。
片外存储器是片内存储器的扩展。
1KB＝1024B，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB
存储器可分为两类：
随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。
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3.定时/计数器
8051共有2个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。
4.并行I/O口
8051共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。
5.串行口
MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
6.中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。
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8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。
全部中断分为高级和低级共两个优先级别。
7.时钟电路
MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
MCS-51芯片允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。
从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机了。
8.内部总线
总线是用于传送信息的公共途径。
总线可分为数据总线、地址总线、控制总线。
单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。
采用总线结构可以减少信息传输线的根数，提高系统可靠性，增强系统灵活性。
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二、MCS-51单片机的信号引脚
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图1-8所示。
由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，为了增加引脚的功能，有些引脚具有第二功能，带括号的符号是第二功能符号。
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图1-8MCS-51引脚排列图
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1.电源引脚
VCC（40脚）：
芯片电源正极端，接+5V电源；
VSS（20脚）：
芯片电源负极端或接地端。
2.时钟引脚
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：
当使用芯片内部时钟时，外接石英晶体和微调电容；采用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2为外部振荡信号的输入端。
3.I/O口引脚
8051共有4个8位的并行I/O口，即P0口、P1口、P2口、P3口。
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P0口：
P0.0～P0.7（39～32脚），8位双向I/O口线。
此口在CPU的控制下，可以选为双向数据总线口，可以输出或输入数据；也可选为地址总线的低8位输出线口。
P1口：
P1.0～P1.7（1～8脚），8位双向I/O口线。
仅有双向数据总线口功能。
P2口：
P2.0～P2.7（28～21脚），8位双向I/O口线。
此口在CPU的控制下，可以选为双向数据总线口；也可选为地址总线的高8位输出线口。
P3口：
P3.0～P3.7（10～17脚），8位双向I/O口线。
双向数据总线口和第二功能口。
第二功能口见表1-1。
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引脚
第二功能符号与名称
引脚
第二功能符号与名称
P3.0
RXD
串行数据接收端
P3.4
T0
定时器/计数器0外部输入端
P3.1
TXD
串行数据发送端
P3.5
T1
定时器/计数器1外部输入端
P3.2
外部中断0请求输入端
P3.6
外部数据存储器写选通信号输出端
P3.3
外部中断1请求输入端
P3.7
外部数据存储器读选通信号输出端
表1-1P3口各引脚与第二功能表
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4.控制信号引脚
ALE/（30脚）：
ALE是地址锁存控制信号。
在访问外部存储器（RAM或ROM）时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
第二功能是在对8751的EPROM编程时，是编程脉冲的输入端。
（29脚）：
在访问外部程序存储器时，此端输出低电平，作为外部程序存储器的读选通信号。
/VPP（31脚）：
为内部程序存储器和外部程序存储器的选择控制信号。
＝1，访问内部程序存储器，并可延至外部程序存储器。
＝0，访问外部程序存储器。
第二功能VPP是在对8751的EPROM编程时，是编程电压（21V）的输入端。
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RST/VPD（9脚）：
复位信号输入端，用以完成单片机的复位初始化操作。
第二功能VPD是备用电源输入端，当主电源VCC端口断电期间，备用电源经VPD端向片内RAM供电，保证存储在RAM中的数据不至丢失。
三、存储器和地址空间
MCS-51单片机存储器结构采用哈佛型结构，即将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）分开，它们有各自独立的存储空间、寻址机构和寻址方式。
其典型结构如图1-9所示。
1.程序存储器
计算机的工作是按照事先编制好的程序命令序列一条条顺序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。
计算机为了有序地工作，设置了一个专用寄存器—程序计数器PC，用以存放
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将要执行的指令地址。
每取出指令的１个字节后，其内容自动加１，指向下一字节地址，使计算机依次从程序存储器取出指令予以执行，完成某种程序操作。
由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64KB。
8051程序存储器的空间地址使用有三种方法，如图1-9（a）所示。
第一种方法：
单独使用片内ROM。
第二种方法：
片内ROM+片外ROM。
第三种方法：
完全使用片外ROM。
MCS-51单片机有6个程序的特殊入口地址，1个单片机复位入口和5个中断入口，如图1-9（a）中左侧所示，每一个入口有一个确定的地址。
单片机上电或复位后，程序从复位入口0000H开始执行。
程序在执行过程中，5个中断源中如果有中断请求，程序则转到相应的中断入口地址，执行中断程序。
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图1-98051存储器的地址空间
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2.数据存储器
MCS-51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间，分别单独编址，如图1-9（b）所示。
片内数据存储器分为两部分：
一部分是用户存储数据空间：
共有128个字节，地址范围00H~7FH。
内有工作寄存器区（00H~1FH）、位寻址区（20H~2FH）和数据区存储区（30H~7FH）。
另一部分是专用寄存器空间：
共有128个字节，地址范围80H~FFH，内有特殊功能寄存器SFR。
SFR呈离散分布。
各有关区分述如下。
（1）工作寄存器区
00H~1FH存储单元为工作寄存器区。
工作寄存器也称通用寄存器。
工作寄存器分成4组，每组都有8个寄存器，用R0~R7来表示。
程序中每次指令只用1组。
工作寄存器用于临时寄存8位数据，常用来存放程序需要的初始数据。
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（2）位寻址区
20H~2FH存储单元是位寻址区，即可按字节寻址，又可按位寻址。
这16个单元共有16×8=128位，每一位都赋予了一个位地址，位地址编号00H～7FH，位地址编号在位寻址指令中使用。
位寻址区的每一位都可当作软件触发器或软件开关，由程序直接进行位处理。
通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。
（3）数据存储区
30H~7FH数据存储区，也是用户RAM区，共80个单元。
由于工作寄存器区、位寻址区、数据存储区统是统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。
因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。
堆栈所需要的存储单元由设计者在数据存储区内选定。
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（4）特殊功能寄存器
特殊功能寄存器SFR专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。
用户在编程时可以置数设定。
在51系列单片机中，各专用寄存器（PC例外）与片内RAM统一编址，每个SFR占有一个存储单元，它们呈离散分布。
寻址的方式有寄存器寻址、直接字节寻址和位寻址。
特殊功能寄存器（SFR）的名称、符号和地址见表1-2。
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特殊功能寄存器名称
SFR符号
地址
累加器
ACC
E0H
B寄存器
B
F0H
程序状态字
DSW
D0H
堆栈指针
SP
81H
数据寄存器指针（低8位）
DPL
82H
数据寄存器指针（高8位）
DPH
83H
P0口锁存器
P0
80H
Pl口锁存器
P1
90H
P2口锁存器
P2
A0H
表1-2特殊功能寄存器（SFR）的名称、符号和地址
50
P3口锁存器
P3
B0H
中断优先级控制寄存器
IP
B8H
中断允许控制寄存器
IE
A8H
定时器/计数器方式选择寄存器
TMOD
89H
定时器/计数器控制寄存器
TCON
88H
定
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