Hoe autocomputers werken

De computer van een Ford Ranger

Voordat emissiewetten werden uitgevaardigd, was het mogelijk om een ​​automotor te bouwen zonder microprocessoren. Met de invoering van steeds strengere emissiewetten waren verfijnde regelschema's nodig om het lucht / brandstofmengsel te regelen, zodat de katalysator veel van de vervuiling uit de uitlaat kon verwijderen. (Zie Hoe katalysatoren werken voor meer details.)

Het besturen van de motor is de meest processorintensieve taak van uw auto, en de motorbesturingseenheid (ECU) is de krachtigste computer op de meeste auto's. De ECU gebruikt closed-loop regeling, een regelschema dat de output van een systeem bewaakt om de inputs naar een systeem te regelen, de emissies en het brandstofverbruik van de motor te beheren (evenals een groot aantal andere parameters). Door gegevens van tientallen verschillende sensoren te verzamelen, weet de ECU alles, van de koelvloeistoftemperatuur tot de hoeveelheid zuurstof in de uitlaat. Met deze gegevens voert het elke seconde miljoenen berekeningen uit, inclusief het opzoeken van waarden in tabellen, het berekenen van de resultaten van lange vergelijkingen om te beslissen over de beste timing van de vonken en om te bepalen hoe lang de brandstofinjector open is. De ECU doet dit allemaal om de laagste uitstoot en de beste kilometers te garanderen. Zie hoe brandstofinjectiesystemen werken voor veel meer informatie over wat de ECU doet.

De pinnen op deze connector interface met sensoren en bedieningsapparaten overal in de auto.

Een moderne ECU kan een 32-bits, 40 MHz-processor bevatten. Dit klinkt misschien niet snel vergeleken met de 500- tot 1.000-MHz-processor die u waarschijnlijk op uw pc hebt, maar onthoud dat de processor in uw auto veel efficiëntere code uitvoert dan die op uw pc. De code in een gemiddelde ECU neemt minder dan 1 megabyte (MB) geheugen in beslag. Ter vergelijking: u heeft waarschijnlijk minimaal 2 gigabyte (GB) aan programma's op uw computer - dat is 2000 keer het bedrag in een ECU.

-De processor is verpakt in een module met honderden andere componenten op een meerlaagse printplaat. Enkele van de andere componenten in de ECU die de processor ondersteunen, zijn:

• Analoog-naar-digitaal converters - Deze apparaten lezen de uitgangen van sommige sensoren in de auto, zoals de zuurstofsensor. De output van een zuurstofsensor is een analoge spanning, meestal tussen 0 en 1,1 volt (V). De processor begrijpt alleen digitale getallen, dus de analoog-naar-digitaal-omzetter verandert deze spanning in een 10-bits digitaal getal.
• Hoogwaardige digitale uitgangen - Bij veel moderne auto's vuurt de ECU de bougies af, opent en sluit de brandstofinjectoren en zet de koelventilator aan en uit. Al deze taken vereisen digitale uitgangen. Een digitale uitgang is aan of uit - er is geen tussenin. Een uitgang voor het besturen van de koelventilator kan bijvoorbeeld 12 V en 0,5 ampère leveren aan het ventilatorrelais als het aan is, en 0 V als het uit is. De digitale uitgang zelf is als een relais. De kleine hoeveelheid stroom die de processor kan uitvoeren, bekrachtigt de transistor in de digitale uitgang, waardoor deze een veel grotere hoeveelheid stroom kan leveren aan het relais van de koelventilator, dat op zijn beurt een nog grotere hoeveelheid stroom levert aan de koelventilator..
• Digitaal-naar-analoog converters - Soms moet de ECU een analoge spanningsuitgang leveren om bepaalde motoronderdelen aan te drijven. Omdat de processor op de ECU een digitaal apparaat is, heeft deze een component nodig die het digitale nummer kan omzetten in een analoge spanning.
• Signaalomvormers - Soms moeten de in- of uitgangen worden aangepast voordat ze worden gelezen. De analoog-naar-digitaal-omzetter die de spanning van de zuurstofsensor leest, kan bijvoorbeeld zijn ingesteld om een ​​signaal van 0 tot 5 V te lezen, maar de zuurstofsensor geeft een signaal van 0 tot 1,1 V af. Een signaalconditioner is een circuit dat het niveau van de binnenkomende of uitgaande signalen aanpast. Als we bijvoorbeeld een signaalconditioner zouden toepassen die de spanning van de zuurstofsensor met 4 vermenigvuldigde, zouden we een signaal van 0 tot 4,4 V krijgen, waardoor de analoog-naar-digitaal-omzetter de spanning nauwkeuriger zou kunnen lezen (zie Hoe analoog en digitaal opnemen werkt voor meer details).
• Communicatiechips - Deze chips implementeren de verschillende communicatiestandaarden die op auto's worden gebruikt. Er worden verschillende standaarden gebruikt, maar degene die de communicatie in de auto begint te domineren, wordt genoemd KAN (netwerk van controller-gebied). Deze communicatiestandaard maakt communicatiesnelheden tot 500 kilobits per seconde (Kbps) mogelijk. Dat is een stuk sneller dan oudere standaarden. Deze snelheid wordt noodzakelijk omdat sommige modules honderden keren per seconde gegevens naar de bus sturen. De CAN-bus communiceert via twee draden.

In de volgende sectie zullen we bekijken hoe communicatiestandaarden het ontwerpen en bouwen van auto's gemakkelijker hebben gemaakt.

De diagnostische poort van een Toyota minivan

-Een ander voordeel van het hebben van een communicatiebus is dat elke module fouten kan communiceren naar een centrale module, die de fouten opslaat en ze kan communiceren naar een extern diagnosetool.

Dit kan het voor monteurs gemakkelijker maken om problemen met de auto te diagnosticeren, vooral intermitterende problemen, waarvan bekend is dat ze verdwijnen zodra u de auto voor reparatie binnenbrengt..

BATauto.com: Technical Info Pages geeft een overzicht van de foutcodes die zijn opgeslagen in de ECU voor verschillende autofabrikanten. Soms zijn de codes toegankelijk zonder een diagnosetool. Bijvoorbeeld, bij sommige auto's, door twee van de pinnen in de diagnoseaansluiting te springen en vervolgens de contactsleutel te draaien, zal het controlelampje een bepaald patroon knipperen om het nummer van de foutcode aan te geven dat is opgeslagen in de ECU..

Laten we eens kijken hoe microprocessors en communicatiestandaarden het gemakkelijker hebben gemaakt om auto's te bouwen.

Computers op het dashboard zijn gemakkelijk te zien door chauffeurs. PredragKezic / ThinkStock

-Het hebben van communicatiestandaarden heeft het ontwerpen en bouwen van auto's een beetje eenvoudiger gemaakt. Een goed voorbeeld van deze vereenvoudiging is het instrumentenpaneel van de auto.

De instrumentenpaneel verzamelt en toont gegevens van verschillende delen van het voertuig. De meeste van deze gegevens worden al gebruikt door andere modules in de auto. Zo kent de ECU de koelvloeistoftemperatuur en het motortoerental. De transmissieregelaar kent de voertuigsnelheid. De controller van het antiblokkeersysteem (ABS) weet of er een probleem is met het ABS.

Al deze modules sturen deze gegevens gewoon naar de communicatiebus. Meerdere keren per seconde verstuurt de ECU een pakket met informatie bestaande uit een header en de gegevens. De koptekst is slechts een nummer dat het pakket identificeert als een snelheid of temperatuurmeting, en de gegevens zijn een nummer dat overeenkomt met die snelheid of temperatuur. Het instrumentenpaneel bevat een andere module die weet te zoeken naar bepaalde pakketten - wanneer het er een ziet, werkt het de juiste meter of indicator bij met de nieuwe waarde.

De meeste autofabrikanten kopen de instrumentenclusters volledig geassembleerd bij een leverancier, die ze ontwerpt volgens de specificaties van de autofabrikant. Dit maakt het ontwerpen van het instrumentenpaneel een stuk eenvoudiger, zowel voor de autofabrikant als voor de leverancier.

Het is gemakkelijker voor de autofabrikant om de leverancier te vertellen hoe elke meter zal worden gereden. In plaats van de leverancier te moeten vertellen dat een bepaalde draad het snelheidssignaal zal leveren, en het zal een variërende spanning zijn tussen 0 en 5 V, en 1,1 V komt overeen met 30 mph, kan de autofabrikant gewoon een lijst met de datapakketten verstrekken . Vervolgens is het de verantwoordelijkheid van de autofabrikant om ervoor te zorgen dat de juiste gegevens naar de communicatiebus worden gestuurd.

Het is gemakkelijker voor de leverancier om het instrumentenpaneel te ontwerpen, omdat hij geen details hoeft te weten over hoe het snelheidssignaal wordt gegenereerd of waar het vandaan komt. In plaats daarvan bewaakt het instrumentenpaneel eenvoudig de communicatiebus en actualiseert het de meters wanneer het nieuwe gegevens ontvangt.

Dit soort communicatiestandaarden maken het voor autofabrikanten erg eenvoudig om het ontwerp en de fabricage van componenten uit te besteden: de autofabrikant hoeft zich geen zorgen te maken over de details van hoe elke meter of lamp wordt aangedreven, en de leverancier die het instrumentenpaneel maakt, hoeft dat niet. u hoeft zich geen zorgen te maken over waar de signalen vandaan komen.

-C-lusters worden nu op kleinere schaal gebruikt voor sensoren. Een traditionele druksensor bevat bijvoorbeeld een apparaat dat een variërende spanning afgeeft, afhankelijk van de druk die op het apparaat wordt uitgeoefend. Gewoonlijk is de uitgangsspanning niet lineair, afhankelijk van de temperatuur en is het een lage spanning die versterking vereist.

Sommige sensorfabrikanten bieden een slimme sensor die is geïntegreerd met alle elektronica, samen met een microprocessor waarmee deze de spanning kan aflezen, deze kan kalibreren met behulp van temperatuurcompensatiecurves en de druk digitaal op de communicatiebus kan uitvoeren..

Hierdoor hoeft de autofabrikant niet alle vuile details van de sensor te kennen en wordt er rekenkracht bespaard in de module, die anders deze berekeningen zou moeten doen. Het maakt de leverancier, die sowieso het meest op de hoogte is van de details van de sensor, verantwoordelijk voor een nauwkeurige meting.

Een ander voordeel van de slimme sensor is dat het digitale signaal dat over de communicatiebus gaat, minder gevoelig is voor elektrische ruis. Een analoge spanning die door een draad loopt, kan extra spanning oppikken wanneer deze bepaalde elektrische componenten passeert, of zelfs van bovengrondse hoogspanningslijnen.

Communicatiebussen en microprocessors helpen ook om de bedrading te vereenvoudigen multiplexen. Laten we eens nader bekijken hoe ze dit doen.

Deuren met veel schakelaars komen steeds vaker voor.

-Multiplexing is een techniek die de bedrading in een auto kan vereenvoudigen. In oudere auto's lopen de draden van elke schakelaar naar het apparaat dat ze voeden. Met elk jaar meer en meer apparaten onder leiding van de bestuurder, multiplexen is nodig om te voorkomen dat de bedrading uit de hand loopt. In een multiplexsysteem consolideert een module met ten minste één microprocessor de invoer en uitvoer voor een deel van de auto. Auto's met veel bedieningselementen op de deur kunnen bijvoorbeeld een bestuurdersdeurmodule hebben. Sommige auto's hebben een elektrisch bedienbaar raam, een elektrisch bedienbare spiegel, een elektrisch slot en zelfs een elektrisch bedienbare stoel op het portier. Het zou onpraktisch zijn om de dikke bundel draden die van een dergelijk systeem zou komen, de deur uit te leiden. In plaats daarvan controleert de portiermodule van de bestuurder alle schakelaars.

Zo werkt het: als de bestuurder op zijn raamschakelaar drukt, sluit de portiermodule een relais dat de raammotor van stroom voorziet. Als de bestuurder op de schakelaar drukt om de passagiersspiegel te verstellen, stuurt de portiermodule van de bestuurder een gegevenspakket naar de communicatiebus van de auto. Dit pakket vertelt een andere module om een ​​van de power-mirror-motoren van stroom te voorzien. Op deze manier worden de meeste signalen die het bestuurdersportier verlaten, geconsolideerd op de twee draden die de communicatiebus vormen.

Door de ontwikkeling van nieuwe veiligheidssystemen is ook het aantal microprocessors in auto's toegenomen. We zullen hierover praten in de volgende sectie.

-In het afgelopen decennium hebben we gezien dat veiligheidssystemen zoals ABS en airbags gemeengoed werden in auto's. Andere veiligheidsvoorzieningen, zoals tractiecontrole en stabiliteitscontrolesystemen, beginnen ook algemeen te worden. Elk van deze systemen voegt een nieuwe module toe aan de auto en deze module bevat meerdere microprocessors. In de toekomst zullen er steeds meer van deze modules overal in de auto komen naarmate nieuwe veiligheidssystemen worden toegevoegd.

Elk van deze veiligheidssystemen vereist meer rekenkracht en wordt meestal verpakt in een eigen elektronicamodule. Maar daar houdt het niet op. De komende jaren zullen we allerlei nieuwe gemaksfuncties in onze auto's hebben, en voor elk hiervan zijn meer elektronische modules nodig met meerdere microprocessors.

Het lijkt erop dat er geen limiet is aan de hoeveelheid technologie die autofabrikanten in onze auto's gaan stoppen. De toevoeging van al deze elektronische functies is een van de factoren die autofabrikanten ertoe aanzetten om de systeemspanning op auto's te verhogen van het huidige 14 V-systeem naar een 42 V-systeem. Dit zal helpen om het extra vermogen te leveren dat deze modules nodig hebben.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over autocomputers en aanverwante onderwerpen.

Gerelateerde artikelen

• Hoe antiblokkeerremmen werken
• Hoe automatische airbags werken
• Hoe Power Windows werkt
• Hoe elektrische deursloten werken
• Hoe microprocessors werken
• Hoe vliegende auto's werken
• Stabiliteitscontrole
• Juiste voorzorgsmaatregelen voor kinderen in auto's

Meer geweldige links

• Auto-computercomponenten - afgebeeld
• Wat is dit allemaal met een computer in mijn auto?
• Volvo S80: Multiplex Systeembeschrijving
• Hoe computers met motorbediening werken
• Intel: Inleiding tot netwerken in voertuigen
• Intel: implementatie van het J1850-protocol