Hvordan bilcomputere fungerer

Datamaskinen fra en Ford Ranger

Før utslippslovene ble vedtatt, var det mulig å bygge en bilmotor uten mikroprosessorer. Med vedtakelsen av stadig strengere utslippslover, var det behov for sofistikerte kontrollordninger for å regulere luft / drivstoffblandingen slik at den katalytiske omformeren kunne fjerne mye av forurensningen fra eksosen. (Se hvordan katalytiske omformere fungerer for mer informasjon.)

Å kontrollere motoren er den mest prosessorintensive jobben på bilen din, og motorstyringsenhet (ECU) er den kraftigste datamaskinen på de fleste biler. ECU bruker lukket sløyfekontroll, et kontrollskjema som overvåker utgangene til et system for å kontrollere inngangene til et system, administrere utslippene og drivstofføkonomien til motoren (samt en rekke andre parametere). ECU samler inn data fra dusinvis av forskjellige sensorer, og vet alt fra kjølevæsketemperatur til mengden oksygen i eksosen. Med disse dataene utfører den millioner av beregninger hvert sekund, inkludert å slå opp verdier i tabeller, beregne resultatene fra lange ligninger for å bestemme for den beste gnisttimingen og bestemme hvor lenge drivstoffinjektoren er åpen. ECU gjør alt dette for å sikre lavest utslipp og beste kjørelengde. Se hvordan drivstoffinnsprøytningssystemer fungerer for mye mer detaljert hva ECU gjør.

Pinnene på dette kontaktsnittet med sensorer og kontrollenheter over hele bilen.

En moderne ECU kan inneholde en 32-biters 40-MHz prosessor. Dette høres kanskje ikke raskt sammenliknet med 500- til 1000-MHz prosessor du sannsynligvis har på PC-en, men husk at prosessoren i bilen din kjører mye mer effektiv kode enn den på PC-en. Koden i en gjennomsnittlig ECU tar mindre enn 1 megabyte (MB) minne. Til sammenligning har du sannsynligvis minst 2 gigabyte (GB) programmer på datamaskinen din - det er 2000 ganger beløpet i en ECU.

-Th-e-prosessoren er pakket i en modul med hundrevis av andre komponenter på et flerlags kretskort. Noen av de andre komponentene i ECU som støtter prosessoren er:

• Analog-til-digital-omformere - Disse enhetene leser utgangene til noen av sensorene i bilen, for eksempel oksygenføleren. Utgangen til en oksygenføler er en analog spenning, vanligvis mellom 0 og 1,1 volt (V). Prosessoren forstår bare digitale tall, så den analoge til digitale omformeren endrer denne spenningen til et 10-bit digitalt nummer.
• Høyt nivå digitale utganger - På mange moderne biler skyter ECU tennpluggene, åpner og lukker drivstoffinjektorene og slår kjøleviften av og på. Alle disse oppgavene krever digitale utganger. En digital utgang er enten av eller på - det er ingen mellomrom. For eksempel kan en utgang for kontroll av kjøleviften gi 12 V og 0,5 ampere til viftereléet når det er på, og 0 V når det er av. Selve den digitale utgangen er som et stafett. Den bittelille mengden strøm som prosessoren kan produsere gir energi til transistoren i den digitale utgangen, slik at den kan levere en mye større mengde strøm til kjøleviftereléet, som igjen gir en enda større mengde strøm til kjøleviften.
• Digital-til-analoge omformere - Noen ganger må ECU levere en analog spenningsutgang for å drive noen motorkomponenter. Siden prosessoren på ECU er en digital enhet, trenger den en komponent som kan konvertere det digitale nummeret til en analog spenning.
• Signal balsam - Noen ganger må inngangene eller utgangene justeres før de leses. For eksempel kan den analoge til digitale omformeren som leser spenningen fra oksygenføleren, være satt opp til å lese et 0- til 5-V signal, men oksygenføleren sender ut et 0- til 1,1-V signal. Et signalbehandler er en krets som justerer nivået på signalene som kommer inn eller ut. For eksempel, hvis vi brukte et signal-balsam som multipliserte spenningen fra oksygenføleren med 4, ville vi fått et 0- til 4,4-V signal, som vil tillate den analoge til digitale omformeren å lese spenningen mer nøyaktig (se Hvordan analog og digital innspilling fungerer for mer informasjon).
• Kommunikasjonsbrikker - Disse brikkene implementerer de forskjellige kommunikasjonsstandardene som brukes på biler. Det er flere standarder som brukes, men den som begynner å dominere kommunikasjon i bilen kalles KAN (regulator-nettverk). Denne kommunikasjonsstandarden gir mulighet for kommunikasjonshastigheter på opptil 500 kilobits per sekund (Kbps). Det er mye raskere enn eldre standarder. Denne hastigheten blir nødvendig fordi noen moduler kommuniserer data til bussen hundrevis av ganger i sekundet. CAN-bussen kommuniserer ved hjelp av to ledninger.

I neste avsnitt skal vi se på hvordan kommunikasjonsstandarder har gjort design og bygging av biler enklere.

Diagnostisk port fra en Toyota minivan

-En annen fordel med å ha en kommunikasjonsbuss er at hver modul kan kommunisere feil til en sentral modul, som lagrer feilene og kan kommunisere dem til et diagnoseverktøy ombord..

Dette kan gjøre det enklere for teknikere å diagnostisere problemer med bilen, spesielt periodiske problemer, som er beryktet for å forsvinne så snart du tar med bilen inn til reparasjoner.

BATauto.com: Tekniske infosider lister opp feilkodene som er lagret i ECU for forskjellige bilprodusenter. Noen ganger kan kodene fås uten diagnoseverktøy. For eksempel, på noen biler, ved å hoppe to av pinnene i den diagnostiske kontakten og deretter dreie tenningsnøkkelen for å gå, vil "sjekk motor" -lampen blinke et visst mønster for å indikere nummeret på feilkoden lagret i ECU.

La oss se på hvordan mikroprosessorer og kommunikasjonsstandarder har gjort biler lettere å bygge.

Datamaskiner på dashbordet blir lett sett av sjåfører. PredragKezic / Thinkstock

-Å ha kommunikasjonsstandarder har gjort design og bygging av biler litt e-asier. Et godt eksempel på denne forenklingen er bilens instrumentklynge.

De instrument klynge samler og viser data fra forskjellige deler av kjøretøyet. De fleste av disse dataene er allerede brukt av andre moduler i bilen. For eksempel kjenner ECU kjølevæsketemperatur og motorhastighet. Overføringskontrolleren kjenner kjøretøyets hastighet. Kontrolleren for antisperre bremsesystemet (ABS) vet om det er et problem med ABS.

Alle disse modulene sender ganske enkelt disse dataene til kommunikasjonsbussen. Flere ganger i sekundet vil ECU sende ut en pakke med informasjon som består av en overskrift og dataene. Overskriften er bare et tall som identifiserer pakken som enten en hastighet eller en temperaturavlesning, og dataene er et tall som tilsvarer den hastigheten eller temperaturen. Instrumentpanelet inneholder en annen modul som vet å lete etter visse pakker - når den ser en oppdaterer den passende måler eller indikator med den nye verdien.

De fleste bilprodusenter kjøper instrumentklyngene ferdig montert fra en leverandør, som designer dem til bilprodusentens spesifikasjoner. Dette gjør jobben med å designe instrumentpanelet mye enklere, både for bilprodusenten og leverandøren.

Det er lettere for bilprodusenten å fortelle leverandøren hvordan hver måler skal kjøres. I stedet for å måtte fortelle leverandøren at en bestemt ledning vil gi hastighetssignalet, og det vil være en varierende spenning mellom 0 og 5 V, og 1,1 V tilsvarer 30 mph, kan bilprodusenten bare gi en liste over datapakkene . Deretter er det bilprodusentens ansvar å sørge for at riktig data blir sendt ut til kommunikasjonsbussen.

Det er lettere for leverandøren å designe instrumentpanelet fordi han ikke trenger å vite noen detaljer om hvordan hastighetssignalet genereres, eller hvor det kommer fra. I stedet overvåker instrumentpanelet ganske enkelt kommunikasjonsbussen og oppdaterer målerne når den mottar nye data.

Disse typer kommunikasjonsstandarder gjør det veldig ukomplisert for bilprodusenter å outsource design og produksjon av komponenter: Bilprodusenten trenger ikke å bekymre seg for detaljene om hvordan hver måler eller lys drives, og leverandøren som lager instrumentpanelet gjør det ikke. Jeg må bekymre deg for hvor signalene kommer fra.

-Nå brukes C-lyster i mindre skala for sensorer. For eksempel inneholder en tradisjonell trykksensor en enhet som gir ut en varierende spenning avhengig av trykket påført enheten. Vanligvis er spenningsutgangen ikke lineær, avhengig av temperaturen og er en lavnivåspenning som krever forsterkning.

Noen sensorprodusenter tilbyr en smart sensor som er integrert med all elektronikken, sammen med en mikroprosessor som gjør det mulig å lese spenningen, kalibrere den ved hjelp av temperaturkompenseringskurver og gir digitalt ut trykket til kommunikasjonsbussen.

Dette sparer bilprodusenten fra å måtte kjenne til alle de skitne detaljene i sensoren, og sparer prosessorkraft i modulen, noe som ellers måtte gjøre disse beregningene. Det gjør leverandøren, som uansett er mest opptatt av detaljene i sensoren, ansvarlig for å gi en nøyaktig avlesning.

En annen fordel med den smarte sensoren er at det digitale signalet som kjører over kommunikasjonsbussen er mindre utsatt for elektrisk støy. En analog spenning som reiser gjennom en ledning, kan hente ekstra spenning når den passerer visse elektriske komponenter, eller til og med fra luftledninger.

Kommunikasjonsbusser og mikroprosessorer hjelper deg også med å forenkle kablingen multipleksing. La oss se nærmere på hvordan de gjør dette.

Dører med mange brytere blir mer og mer vanlig.

-Multiplexing er en teknikk som kan forenkle ledningene i en bil. I eldre biler går ledningene fra hver bryter til enheten de strømmer. Med flere og flere enheter på sjåførens kommando hvert år, multipleksing er nødvendig for å hindre ledningene i å komme ut av kontroll. I et multiplekset system konsoliderer en modul som inneholder minst en mikroprosessor innganger og utganger for et område av bilen. For eksempel kan biler som har mange kontroller på døren ha en førerdørsmodul. Noen biler har power-windows, power-mirror, power-lock og til og med power-set-kontroller på døren. Det ville være upraktisk å kjøre den tykke bunten med ledninger som ville komme fra et system som dette ut av døra. I stedet overvåker førerdørsmodulen alle bryterne.

Slik fungerer det: Hvis sjåføren trykker på vindusbryteren sin, lukker dørmodulen et relé som gir strøm til vindusmotoren. Hvis sjåføren trykker på bryteren for å justere speil på passasjersiden, sender førerens dørmodul en pakke med data til kommunikasjonsbussen til bilen. Denne pakken forteller en annen modul for å gi strøm til en av speilmotorene. På denne måten blir de fleste signalene som forlater førerdøren konsolidert på de to ledningene som danner kommunikasjonsbussen.

Utviklingen av nye sikkerhetssystemer har også økt antall mikroprosessorer i biler. Vi snakker om dette i neste avsnitt.

-I løpet av det siste tiåret har vi sett sikkerhetssystemer som ABS og kollisjonsputer bli vanlige på biler. Andre sikkerhetsfunksjoner som trekkraftkontroll og stabilitetskontrollsystemer begynner også å bli vanlige. Hvert av disse systemene legger en ny modul til bilen, og denne modulen inneholder flere mikroprosessorer. I fremtiden vil det være flere og flere av disse modulene over hele bilen etter hvert som nye sikkerhetssystemer legges til.

Hvert av disse sikkerhetssystemene krever mer prosessorkraft, og er vanligvis pakket i sin egen elektronikkmodul. Men det slutter ikke der. De kommende årene har vi alle slags nye bekvemmelighetsfunksjoner i våre biler, og hver av disse krever flere elektronikkmoduler som inneholder flere mikroprosessorer..

Det ser ut til at det ikke er noen grense for hvor mye teknologi bilprodusenter kommer til å pakke inn i bilene våre. Tillegget til alle disse elektroniske funksjonene er en av faktorene som driver bilprodusentene til å øke systemspenningen på biler fra det nåværende 14-V-systemet til et 42-V-system. Dette vil bidra til å gi den ekstra kraften disse modulene krever.

For mer informasjon om bildatamaskiner og relaterte emner, sjekk ut lenkene på neste side.

Relaterte artikler

• Hvordan anti-låsebremser fungerer
• Hvordan automatiske kollisjonsputer fungerer
• Hvordan Power Windows fungerer
• Hvordan kraftdørlåser fungerer
• Hvordan mikroprosessorer fungerer
• Hvordan flyvende biler vil fungere
• Stabilitetskontroll
• Riktig forsiktighetsregler for barns sikkerhet i biler

Flere gode lenker

• Bilcomputerkomponenter - illustrert
• Hva er alt dette med en datamaskin i bilen min?
• Volvo S80: Multiplex System Description
• Hvordan motorstyringsdatamaskiner fungerer
• Intel: Introduksjon til nettverk i kjøretøyer
• Intel: Implementering av J1850-protokollen