Jak fungují automobilové počítače

Počítač od Ford Ranger

Před přijetím emisních zákonů bylo možné vyrobit motor automobilu bez mikroprocesorů. S přijetím stále přísnějších zákonů o emisích bylo třeba pro regulaci směsi vzduchu a paliva potřebovat sofistikovaná schémata řízení, aby katalyzátor mohl odstranit velké množství znečištění z výfuku. (Další podrobnosti viz Jak fungují katalyzátory.)

Řízení motoru je na vašem vozidle nejnáročnější na procesory a řídicí jednotka motoru (ECU) je nejvýkonnějším počítačem na většině aut. ECU používá ovládání s uzavřenou smyčkou, schéma řízení, které monitoruje výstupy systému k řízení vstupů do systému, řídí emise a spotřebu paliva motoru (stejně jako řadu dalších parametrů). ECU shromažďuje data z desítek různých senzorů a ví všechno od teploty chladicí kapaliny až po množství kyslíku ve výfukových plynech. S těmito údaji provádí každou sekundu miliony výpočtů, včetně vyhledávání hodnot v tabulkách, výpočtu výsledků dlouhých rovnic, aby se rozhodlo o nejlepším načasování jiskry a určení, jak dlouho je vstřikovač paliva otevřený. ECU toto vše dělá, aby zajistil nejnižší emise a nejlepší kilometrový výkon. Podívejte se, jak systémy vstřikování paliva pracují pro mnohem více podrobností o tom, co ECU dělá.

Kolíky na tomto propojovacím rozhraní se senzory a ovládacími zařízeními po celém vozidle.

Moderní ECU může obsahovat 32bitový, 40 MHz procesor. To nemusí znít rychle ve srovnání s procesorem 500 až 1 000 MHz, který pravděpodobně máte ve svém počítači, ale pamatujte, že procesor ve vašem autě používá mnohem účinnější kód než ten ve vašem PC. Kód v průměrné ECU zabírá méně než 1 megabajt (MB) paměti. Pro srovnání, ve vašem počítači máte pravděpodobně alespoň 2 gigabajty (GB) programů - to je 2 000krát větší množství v ECU.

-Procesor Th-e je zabalen v modulu se stovkami dalších komponent na vícevrstvé desce plošných spojů. Některé další komponenty v ECU, které podporují procesor, jsou:

• Analogově digitální převodníky - Tato zařízení čtou výstupy některých senzorů v autě, jako je kyslíkový senzor. Výstupem kyslíkového senzoru je analogové napětí, obvykle mezi 0 a 1,1 V (V). Procesor rozumí pouze digitálním číslům, takže analogově digitální převodník změní toto napětí na 10bitové digitální číslo.
• Digitální výstup na vysoké úrovni - U mnoha moderních automobilů ECU odpaluje zapalovací svíčky, otevírá a zavírá vstřikovače paliva a zapíná a vypíná ventilátor chlazení. Všechny tyto úkoly vyžadují digitální výstupy. Digitální výstup je buď zapnutý nebo vypnutý - mezi nimi není žádný rozdíl. Například výstup pro ovládání chladicího ventilátoru může poskytnout relé ventilátoru 12 V a 0,5 A, když je zapnutý, a 0 V, když je vypnutý. Samotný digitální výstup je jako relé. Drobné množství energie, které může procesor vydat, dodá tranzistoru v digitálním výstupu energii, což mu umožní dodávat mnohem větší množství energie do relé chladicího ventilátoru, což zase poskytuje chladicímu ventilátoru stále větší množství energie..
• Převodníky z digitálního na analogový - Někdy musí ECU poskytovat analogový výstup napětí pro pohon některých součástí motoru. Protože procesor na ECU je digitální zařízení, potřebuje komponentu, která dokáže převést digitální číslo na analogové napětí.
• Kondicionéry signálu - Někdy je třeba upravit vstupy nebo výstupy před jejich načtením. Například analogově digitální číslicový převodník, který snímá napětí ze senzoru kyslíku, může být nastaven tak, aby snímal signál 0- až 5-V, ​​ale kyslíkový senzor vydává signál 0- až 1,1-V. Kondicionér signálu je obvod, který upravuje úroveň signálů přicházejících nebo vystupujících. Například, pokud bychom použili kondicionér signálu, který vynásobil napětí přicházející ze kyslíkového senzoru 4, dostali bychom signál 0- až 4,4 V, což by umožnilo přesněji číst napětí z analogového na digitální převodník napětí (další podrobnosti viz Jak funguje analogové a digitální nahrávání).
• Komunikační čipy - Tyto čipy implementují různé komunikační standardy, které se používají u automobilů. Používá se několik standardů, ale ten, který začíná dominovat v automobilové komunikaci, se nazývá UMĚT (síťové propojení). Tento komunikační standard umožňuje komunikační rychlosti až 500 kilobitů za sekundu (Kbps). To je mnohem rychlejší než starší standardy. Tato rychlost je nezbytná, protože některé moduly komunikují data na sběrnici stokrát za sekundu. Sběrnice CAN komunikuje pomocí dvou vodičů.

V další části se podíváme na to, jak komunikační standardy usnadnily navrhování a stavbu automobilů.

Diagnostický port od minivanu Toyota

-Další výhodou komunikační sběrnice je to, že každý modul může komunikovat poruchy do centrálního modulu, který tyto poruchy ukládá a může je sdělovat externímu diagnostickému nástroji..

To může technikům usnadnit diagnostiku problémů s vozidlem, zejména občasných problémů, které jsou známé tím, že zmizí, jakmile auto přivezete k opravě.

BATauto.com: Stránky technických informací uvádí seznam chybových kódů uložených v ECU pro různé výrobce automobilů. K kódům je někdy přístup bez diagnostického nástroje. Například u některých automobilů, přeskočením dvou kolíků v diagnostickém konektoru a následným otočením klíčku zapalování do chodu, kontrolka „check engine“ bude blikat určitým vzorem, aby indikovala číslo chybového kódu uloženého v ECU.

Pojďme se podívat na to, jak mikroprocesory a komunikační standardy usnadnily stavbu automobilů.

Počítače na palubní desce řidiči snadno vidí. PredragKezic / ThinkStock

-Díky komunikačním standardům bylo navrhování a stavba automobilů trochu elektroničtější. Dobrým příkladem tohoto zjednodušení je souprava přístrojů automobilu.

přístrojová deska shromažďuje a zobrazuje data z různých částí vozidla. Většinu těchto dat již používají jiné moduly v automobilu. Například ECU zná teplotu chladicí kapaliny a otáčky motoru. Řídicí jednotka převodovky zná rychlost vozidla. Regulátor protiblokovacího systému (ABS) ví, zda se jedná o problém s ABS.

Všechny tyto moduly jednoduše odesílají tato data na komunikační sběrnici. ECU několikrát za sekundu vyšle paket informací sestávající z hlavičky a dat. Záhlaví je pouze číslo, které identifikuje paket jako odečet rychlosti nebo teploty a data jsou číslo odpovídající této rychlosti nebo teplotě. Přístrojová deska obsahuje další modul, který ví, že hledá určité pakety - vždy, když vidí jeden, aktualizuje příslušný ukazatel nebo indikátor novou hodnotou.

Většina výrobců automobilů kupuje klastry nástrojů kompletně sestavené od dodavatele, který je navrhuje podle specifikace výrobce. Díky tomu je práce na přístrojové desce mnohem snazší, a to jak pro výrobce automobilů, tak pro dodavatele.

Pro výrobce automobilů je snazší sdělit dodavateli, jak bude každý rozchod poháněn. Namísto toho, aby dodavatel musel sdělit, že určitý drát bude poskytovat signál rychlosti, a bude to měnící se napětí mezi 0 a 5 V a 1,1 V odpovídá 30 mph, může automobilka poskytnout pouze seznam paketů dat . Poté je na výrobci, aby zajistil, že na komunikační sběrnici budou vydána správná data.

Pro dodavatele je snazší navrhnout přístrojovou desku, protože nemusí znát žádné podrobnosti o tom, jak je generován rychlostní signál nebo odkud pochází. Místo toho přístrojová deska jednoduše monitoruje komunikační sběrnici a aktualizuje měřidla, když přijímá nová data.

Díky těmto typům komunikačních norem je pro výrobce automobilů velmi složité zadávat konstrukci a výrobu komponentů externě: Výrobce se nemusí starat o podrobnosti o tom, jak je každý měřič nebo světlo poháněno, a dodavatele, který vyrábí přístrojovou desku, Nemusím se starat o to, odkud signály přicházejí.

-C-lustry se nyní používají v menší míře pro senzory. Například tradiční tlakový senzor obsahuje zařízení, které vydává měnící se napětí v závislosti na tlaku aplikovaném na zařízení. Napěťový výstup obvykle není lineární, závisí na teplotě a je nízkoúrovňovým napětím, které vyžaduje zesílení.

Někteří výrobci senzorů poskytují inteligentní senzor, který je integrován do celé elektroniky, spolu s mikroprocesorem, který mu umožňuje odečítat napětí, kalibruje jej pomocí křivek kompenzace teploty a digitálně vydává tlak na komunikační sběrnici.

To šetří výrobci automobilů nutnost znát všechny špinavé detaily senzoru a šetří výpočetní výkon v modulu, který by jinak musel tyto výpočty provádět. Za zajištění přesného odečtu je odpovědný dodavatel, který je na detailech senzoru stejně.

Další výhodou inteligentního senzoru je to, že digitální signál procházející komunikační komunikací je méně citlivý na elektrický šum. Analogové napětí, které prochází drátem, může zachytit zvláštní napětí, když prochází určitými elektrickými součástmi nebo dokonce z venkovních elektrických vedení.

Komunikační sběrnice a mikroprocesory také pomáhají zjednodušit zapojení multiplexování. Pojďme se blíže podívat, jak to dělají.

Dveře se spoustou spínačů jsou stále běžnější.

-Multiplexování je technika, která může zjednodušit zapojení v automobilu. U starších aut běží dráty z každého spínače na zařízení, které napájejí. Každý rok má stále více zařízení na příkaz řidiče, multiplexování je nutné zabránit tomu, aby se kabeláž vymkla kontrole. V multiplexovaném systému modul obsahující alespoň jeden mikroprocesor konsoliduje vstupy a výstupy pro oblast automobilu. Například automobily, které mají na dveřích mnoho ovládacích prvků, mohou mít modul dveří řidiče. Některá auta mají na dveřích ovládání oken, elektrického ovládání zrcátka, elektrického zámku a dokonce i ovládání sedadla. Bylo by nepraktické provozovat silný svazek vodičů, který by pocházel ze systému, jako je tento, ze dveří. Místo toho modul dveří řidiče monitoruje všechny spínače.

Funguje to takto: Pokud řidič stiskne spínač okna, dveřní modul uzavře relé, které napájí motor okna. Pokud řidič stiskne spínač pro nastavení zrcátka na straně spolujezdce, modul dveří řidiče pošle paket dat na komunikační sběrnici automobilu. Tento paket říká jinému modulu, aby napájel jeden z motorů se zrcadlem. Tímto způsobem je většina signálů, které opouštějí dveře řidiče, sloučena do dvou vodičů, které tvoří komunikační sběrnici.

Vývoj nových bezpečnostních systémů také zvýšil počet mikroprocesorů v automobilech. O tom si povíme v následující sekci.

-Během posledního desetiletí jsme viděli, že bezpečnostní systémy, jako jsou ABS a airbagy, se stávají běžnými v automobilech. Začínají se běžet i další bezpečnostní prvky, jako je systém kontroly trakce a systém kontroly stability. Každý z těchto systémů přidává do automobilu nový modul a tento modul obsahuje více mikroprocesorů. V budoucnu bude stále více a více těchto modulů po celém voze, jak budou přidávány nové bezpečnostní systémy.

Každý z těchto bezpečnostních systémů vyžaduje větší výpočetní výkon a je obvykle zabalen ve svém vlastním elektronickém modulu. Ale nekončí to. V nadcházejících letech budeme mít v našich autech všechny druhy nových výhodných funkcí a každý z nich vyžaduje více elektronických modulů obsahujících více mikroprocesorů.

Zdá se, že není omezeno, kolik technologií se výrobci automobilů zabalí do našich aut. Přidání všech těchto elektronických funkcí je jedním z faktorů, které vedou výrobce automobilů ke zvýšení systémového napětí na vozidlech ze současného systému 14-V na systém 42-V. Pomůže to poskytnout další energii, kterou tyto moduly vyžadují.

Další informace o počítačích automobilů a souvisejících tématech naleznete v odkazech na následující stránce.

Související články

• Jak fungují protiblokovací brzdy
• Jak fungují automatické airbagy
• Jak funguje systém Windows
• Jak fungují elektrické zámky dveří
• Jak fungují mikroprocesory
• Jak budou létat auta
• Kontrola stability
• Správná bezpečnostní opatření pro děti v automobilech

Další skvělé odkazy

• Součásti počítače do auta - ilustrované
• Co to všechno je o počítači v mém autě?
• Volvo S80: Popis multiplexního systému
• Jak fungují počítače pro řízení motoru
• Intel: Úvod do sítí ve vozidle
• Intel: Implementace protokolu J1850