Предмети:
- въведение
- Пасивни сензори
- Активни сензори
- Интелигентни сензори
- Приложения в автомобилната техника
- Измерване на сензори
- Предаване на сигнал от сензор към ECU
- ИЗПРАТЕНО (Предаване на единичен ръб)
- Захранване и обработка на сигнали
Предговор:
Сензорите измерват физически величини и ги преобразуват в електрически напрежения. Тези напрежения се обработват в микроконтролера (ECU) и се четат като „сигнал“. Сигналът може да се прецени по нивото на напрежението или честотата, с която сигналът се променя.
Пасивни сензори:
Пасивният сензор открива и измерва физическа величина и я преобразува в друга физическа величина. Пример за това е преобразуването на температура в a стойност на съпротивлението. Пасивният сензор не генерира напрежение сам по себе си, но реагира на референтно напрежение от ECU. Пасивният сензор не изисква захранващо напрежение, за да функционира.
Пасивните сензори обикновено имат две или три връзки:
- референтен или сигнален проводник (син);
- заземяващ проводник (кафяв);
- екраниран проводник (черен).
Понякога пасивният сензор съдържа само един проводник: в този случай корпусът на сензора служи за заземяване. Трети проводник може да служи като екранировка. Якето е заземено през ECU. Екранираният проводник се използва специално за сигнали, чувствителни към смущения, като например от сензора за положение на коляновия вал и сензора за детонация.
Пример за пасивен сензор е a NTC сензор за температура. Референтното напрежение от 5 волта се използва като делител на напрежението между резистора в ECU и в сензора, така че не като захранващо напрежение за сензора. Нивото на напрежението между резисторите (в зависимост от стойността на съпротивлението NTC) се отчита от ECU и се преобразува в температура. Веригата с резисторите е обяснена в раздела: “Захранване с напрежение и обработка на сигнала” по-нататък на тази страница.
Активни сензори:
Активните сензори съдържат електрическа верига в корпуса за преобразуване на физическа величина в стойност на напрежението. Електрическата верига често изисква стабилизирано захранващо напрежение, за да работи.
В повечето случаи този тип сензор има три връзки:
- плюс (обикновено 5,0 волта);
- маса;
- сигнал.
Стабилизираното захранване от 5 волта се подава от контролния блок и се използва от сензора за формиране на аналогов сигнал (между 0 и 5 волта). Положителните и заземяващите проводници от ECU често са свързани към множество сензори. Това може да се разпознае по възлите, към които са свързани повече от два проводника.
Аналоговият сигнал се преобразува в цифров сигнал в ECU.
В параграф „спанорамно захранване и обработка на сигнали“, ще обсъдим това по-подробно.
Интелигентни сензори:
Интелигентните сензори обикновено имат три връзки. Както при активните сензори, има захранващ проводник (12 волта от ECU или директно чрез предпазител) и заземяващ проводник (чрез ECU или външна заземителна точка. Интелигентен сензор изпраща цифров (LIN шина) съобщение към ECU и другите сензори. Тогава има принцип господар-роб.
Вътрешно в сензора A/D конвертор преобразува аналоговия в цифров сигнал.
- Аналогово: 0 – 5 волта;
- Цифрово: 0 или 1.
В Het LIN шинен сигнал в рецесивно състояние (12 волта) е 1, а в доминантно състояние (0 волта) е 0.
Приложения в автомобилната техника:
В автомобилната технология можем да направим следната класификация на различните видове сензори:
Пасивни сензори:
- Сензор за детонация;
- Сензор за положението на коляновия вал;
- Температурен датчик (NTC/PTC);
- Ламбда сонда (сензор за скок / циркониев);
- Индуктивен сензор за височина;
- Превключване (включване/изключване)
Активни сензори:
- Сензор за положение на коляновия/разпределителния вал (Хол);
- измервател на въздушна маса;
- Широколентов ламбда сензор;
- Сензор за налягане (налягане при зареждане / сензор за налягане на турбо);
- ABS сензор (Hall/MRE);
- Сензор за ускорение/забавяне (YAW);
- Радар/LIDAR сензор;
- Ултразвуков сензор (PDC / аларма);
- Сензор за положение (газов клапан / EGR / вентил на нагревателя).
Интелигентни сензори:
- Сензор за дъжд/светлина;
- фотоапарати;
- Сензор за налягане;
- Сензор за ъгъл на завиване;
- Сензор за батерията
Измерване на сензори:
Когато сензорът не работи правилно, водачът в повечето случаи ще забележи това, защото светва лампичка за неизправност или че нещо вече не функционира правилно. Ако сензор в двигателното отделение причини неизправност, това може да доведе до загуба на мощност и светване на MIL (лампа за неизправност на двигателя).
При четене на ECU може да се покаже код за грешка, ако ECU разпознае грешката. Въпреки това, не във всички случаи кодът за грешка води директно до причината. Фактът, че въпросният сензор не работи, може да е защото е дефектен, но не може да се изключи проблем в окабеляването и/или щепселните връзки.
Също така е възможно сензорът да дава неправилна стойност, която да не се разпознава от ECU. В този случай не се съхранява код за грешка, но техникът трябва да използва живите данни (вижте страницата OBD) трябва да търсите показания, които са извън обсега.
Следното изображение показва измерване от активен сензор. Захранването (разликата в напрежението на плюс и минус връзки) на датчика се проверява с цифров мултицет. Глюкомерът показва 5 волта, така че това е ОК.
Сигналните напрежения могат да се измерват с волтметър или осцилоскоп. Кой измервателен уред е подходящ зависи от вида на сигнала:
- волтметър: аналогови сигнали, които са почти постоянни;
- осцилоскоп: аналогови сигнали и цифрови сигнали (работен цикъл / PWM).
С едно или повече измервания можем да демонстрираме, че сензорът не работи правилно (излъчваният сигнал е неправдоподобен или сензорът не произвежда сигнал) или че има проблем в окабеляването.
При пасивни сензори в повечето случаи може да се извърши измерване на съпротивлението, за да се провери дали има вътрешен дефект в сензора.
Възможните проблеми в окабеляването на сензора могат да включват:
- прекъсване на положителния заземяващ или сигнален проводник;
- късо съединение между проводниците или каросерията;
- преходно съпротивление в един или повече проводници;
- лоши щепсели.
На страницата: отстраняване на неизправности в окабеляването на сензора разглеждаме седем възможни неизправности, които могат да възникнат в окабеляването на сензорите.
Предаване на сигнал от сензор към ECU:
Има няколко метода за прехвърляне на сигнали от сензора към ECU. В автомобилната технология можем да работим със следните типове сигнали:
- Амплитудна модулация (AM); нивото на напрежението предоставя информация;
- Честотна модулация (FM); честотата на сигнала дава информация;
- Широчинно-импулсна модулация (PWM); промяната във времето в напрежението на блока (работен цикъл) предоставя информация.
Следващите три примера показват обхватни сигнали на различните типове сигнали.
Амплитудна модулация:
При АМ сигнал нивото на напрежението предава информацията. Фигурата показва две напрежения от сензорите за положение на дросела. За да се гарантира надеждност, кривите на напрежението трябва да са огледални една спрямо друга.
Стрес в покой:
- Син: 700 mV;
- Червено: 4,3 волта.
От приблизително 0,25 секунди след започване на измерването, педалът на газта се натиска бавно и дроселовата клапа се отваря на 75%.
На 2,0 сек. педалът на газта се отпуска и на 3,0 сек. дава се пълна газ.
Напрежения при пълна газ:
- Син: 4,3 волта;
- Червено: 700 mV.
Честотна модулация:
При сензори, които изпращат FM сигнал, амплитудата (височината) на сигнала не се променя. Ширината на напрежението на блока предава информацията. Следното изображение показва сигнала от ABS сензор (Хол). Колелото беше завъртяно по време на измерването. При по-висока скорост на въртене честотата на сигнала се увеличава.
Разликата в напрежението се причинява от промяната в магнитното поле в магнитния пръстен, който е вграден в лагера на колелото. Разликата във височината (ниско: магнитно поле, високо: без магнитно поле) е само 300 mV. Ако обхватът е неправилно настроен (диапазон на напрежението от 0 до 20 волта), блокиращият сигнал е едва видим. Поради тази причина скалата е настроена по такъв начин, че блоковият сигнал да става видим, в резултат на което сигналът е по-малко чист.
Широчинно импулсна модулация:
При PWM сигнал съотношението между високо и ниско напрежение се променя, но времето на периода остава същото. Това не трябва да се бърка с правоъгълно вълново напрежение в FM сигнал: честотата се променя и следователно също и времето на периода.
Следващите две изображения показват ШИМ сигнали от сензор за високо налягане в тръба на климатик. Този сензор измерва налягането на хладилния агент в климатичната система.
Ситуация по време на измерването:
- Запалването е включено (сензорът получава захранващо напрежение);
- Изключен климатик;
- Налягане на охлаждащата среда, отчетено с диагностично оборудване: 5 бара.
В следващото изображение на обхвата виждаме, че времето на периода е останало същото, но работният цикъл се е променил.
Ситуация по време на измерването:
- Включен климатик;
- Високото налягане се е повишило до 20 бара;
- Работният цикъл сега е 70%
Аналоговите сензори могат да изпращат сигнал чрез AM. Такъв сигнал за напрежение е чувствителен към загуба на напрежение. Преходното съпротивление в проводник или щепсел води до загуба на напрежение и следователно също до по-ниско напрежение на сигнала. ECU получава по-ниското напрежение и използва сигнала за обработка. Това може да причини неизправности, тъй като стойностите на множество сензори вече не съответстват една на друга, което води до:
- Два сензора за температура на външния въздух, които едновременно измерват различна температура. Въпреки че малка граница на грешка е приемлива и ECU може да приеме средната стойност, твърде голяма разлика може да доведе до код за грешка. ECU разпознава отклонението между двата температурни сензора.
- неправилна продължителност на впръскване, тъй като сигналът от MAP сензора е твърде слаб и следователно ECU интерпретира неправилно натоварване на двигателя. В този случай впръскването на гориво е твърде дълго или твърде късо и корекциите на горивото ще коригират сместа въз основа на сигнала от ламбда сензора.
Загубата на напрежение не играе роля в PWM сигнал и/или сигнал SENT. Съотношението между нарастващите и спадащите ръбове е мярка за сигнала. Нивото на напрежението няма значение. Работният цикъл може да бъде 40% при напрежение, което варира между 0 и 12 волта, но съотношението все още е 40%, ако захранващото напрежение падне до 9 волта.
ИЗПРАТЕНО (Предаване на единичен ръб)
Сензорните сигнали, споменати по-горе, са нарицателно в пътническите и търговски превозни средства от години. В по-новите модели все по-често срещаме сензори, които използват SENT протокола. Този сензор изглежда като обикновен активен сензор, както в действителност, така и на диаграмата.
При пасивните и активните сензори преносът на информация става по два проводника. В случай на MAP сензор например: единият между NTC сензора и ECU, а другият между сензора за налягане и ECU. Сензорната електроника на сензор SENT може да комбинира трансфера на информация от множество сензори, намалявайки броя на сигналните проводници. Предаването на сигнала също не се влияе в случай на загуба на напрежение по сигналния проводник, точно както при PWM сигнал.
Сензор, използващ протокола SENT, като активен сензор, изпращащ аналогов или цифров сигнал, има три проводника:
- Захранващо напрежение (често 5 волта)
- Сигнал
- Маса.
Сензорите с протокол SEND изпращат сигнал като „изход“. Следователно няма двупосочна комуникация, какъвто е случаят например с комуникацията по LIN шина между сензорите.
На диаграмата вдясно виждаме сензора за диференциално налягане (G505) на VW Passat (произведен през 2022 г.). На диаграмата виждаме обичайните индикации за захранване (5v), маса (GND) и сигнал (SIG). Този сензор за налягане преобразува налягането в цифров сигнал SENT и го изпраща към щифт 53 на конектор T60 в ECU на двигателя.
Сензорът за диференциално налягане в примера по-горе изпраща само един сигнал чрез протокола SENT по сигналния проводник. Множество сензори могат да бъдат свързани към един сигнален проводник чрез SENT. Това може да се приложи, наред с други неща, към MAP сензор (въздушно налягане и температура на въздуха) и към сензор за ниво и качество на маслото.
На следващото изображение виждаме сензор за ниво и качество на маслото, монтиран в масления съд на двигател с вътрешно горене. И двата измервателни елемента се намират в двигателното масло.
Сензорът се захранва с 12 волта, получава своята маса през ECU и изпраща сигнала към ECU с помощта на SENT.
Микроконтролерът в корпуса дигитализира съобщението (вижте: „цифрова логика“ на фигурата), в което както температурата на маслото, така и нивото на маслото са включени в сигнала SENT.
По-долу разглеждаме структурата на сигнала SENT.
Сигналът SENT се състои от поредица от хапчета (групи от четири бита), които прехвърлят информация чрез изпращане на напрежение между 0 и 5 волта. Ето кратко описание на това как се конструира сигнал SENT. Изображението на структурата на съобщението е показано по-долу.
- Импулс за синхронизиране/калибриране: това често е началото на съобщението. Този импулс позволява на приемника да идентифицира началото на съобщението и да синхронизира времето на часовника;
- Състояние: тази част показва състоянието на изпратената информация, например дали данните са правилни или има проблеми с тях;
- Начало на съобщение (MSN): Това е първата хапка и показва началото на ИЗПРАТЕНО съобщение. Той съдържа информация за източника на съобщението и времето на прехвърляне на данни.
- Идентификатор на съобщението Nibble (MidN): Този нибл следва MSN и съдържа информация за типа на съобщението, статуса на съобщението и всяка информация за откриване на грешка или коригиране на грешка.
- Гризания на данни: След MidN следва един или повече блокове данни, всеки от които се състои от четири хапчета данни. Тези блокове данни носят действителните данни, които се изпращат. Те съдържат информация като данни от сензори, информация за състоянието или други полезни данни.
- Cyclic Redundancy Check (КРС): В някои случаи може да се добави CRC ниббл в края на съобщението, за да подпомогне откриването на грешки. CRC нибълът се използва за проверка дали получените данни са приети правилно.
Всяка хапка в сигнал SENT може да има стойности от 0 до 15, в зависимост от това колко тика е 5 волта. Изображението по-долу показва структурата на протокола SENT.
Изпращат се „нибъл групи“ числено от 0000 до 1111 в двоичен формат. Всяка хапка представлява стойност от 0 до максимум 15 и те са представени в двоична система, както следва: 0000b до 1111b и шестнадесетични от 0 до F. Тези дигитализирани хапки съдържат стойностите на сензора и се изпращат към ECU.
За изпращане на тази информация за захапване се използват „отметки“ или компютърни отметки. Отметката на часовника показва колко бързо се изпращат данните. В повечето случаи тактът на часовника е 3 микросекунди (3 μs) до максимум 90 μs.
В първия случай това означава, че нова група за захапване се изпраща на всеки 3 микросекунди.
Съобщението започва с импулс за синхронизиране/калибриране от 56 докосвания. За всеки от двата сигнала: сигнал 1 и сигнал 2 се изпращат три хапки, което води до поредица от 2 * 12 бита информация. КРС следи тези сигнали
(Cyclic Redundancy Check) за проверка, която позволява на получателя да провери дали получените данни са правилни.
Накрая се добавя импулс за пауза, за да маркира ясно края на съобщението до получателя.
Изображенията на обхвата по-долу (записани с PicoScope Automotive) показват измервания на множество съобщения (вляво) и увеличение на едно съобщение (вдясно). В увеличеното съобщение е посочено в червено къде започва и свършва сигнала. Когато условията се променят: налягането и/или температурата се повишават, ще има промяна в броя на отметките в един или повече хапки. Промяната в отметките ще се вижда в изображението на обхвата по-долу в едно или повече напрежения, които варират между 0 и 5 волта. Импулсите могат да станат по-широки или по-тесни. Действителната информация може да бъде декодирана със софтуера Picoscope.
С електрическа диагностика можем да използваме софтуера Picoscope, за да декодираме съобщението, за да го проучим, но в повечето случаи се фокусираме върху проверката на чист поток от съобщения без шум и дали захранващото напрежение (5 волта) и масата на сензора са в съответствие бъди в ред.
Захранване и обработка на сигнала:
В първите абзаци имаше дискусия дали има захранващо напрежение или не. В този раздел обсъждаме основните компоненти в ECU, които отговарят за захранването с напрежение и обработката на сигнала на съответния сензор. Номерата на щифтовете на задълбочените диаграми са същите като в предходните параграфи: щифтове 35 и 36 на ECU са свързани с щифтове 1 и 2 на пасивния сензор и т.н.
На първото изображение виждаме a NTC сензор за температура. Референтното напрежение (Uref) от пин 35 на ECU се получава от стабилизатора на напрежението 78L05. Стабилизаторът на напрежението осигурява напрежение от 5 волта при напрежение на борда от 6 до 16 волта.
Резисторът R (фиксирана стойност на съпротивление) и RNTC (зависимо от температурата съпротивление) заедно образуват последователна верига, а също и делител на напрежение. Аналогово-цифровият преобразувател (ADC) измерва напрежението между двата резистора (аналогов), преобразува го в цифров сигнал и го изпраща към микропроцесора (µP).
С мултицет можете да измерите напрежението на пин 35 на ECU или пин 1 на датчика.
На страницата за температурен сензор В допълнение към някои измервания за добро предаване на сигнала са показани техниките за измерване на повреда в окабеляването.
Второто изображение показва веригата на активен MAP сензор за показване.
Стабилизираното захранващо напрежение от 5 волта достига т.нар.Мостът Уитстоун“, който включва редица постоянни (R1, R2, R3) и променливи резистори (Rp).
Стойността на съпротивлението на Rp зависи от налягането във всмукателния колектор. Тук също имаме работа с делител на напрежение. Промяната в съпротивлението причинява промени в напрежението, което води до небалансиране на моста. Разликата в напрежението, създадена в моста на Wheatstone, се преобразува в усилвателя/филтъра в напрежение със стойност между 0,5 и 4,5 волта. Цифровизирането на аналоговия сигнал се извършва в аналогово-цифров преобразувател (ADC). ADC изпраща цифровия сигнал към микропроцесора.
Разделителната способност на ADC в повечето случаи е 10 бита, разделени на 1024 възможни стойности. При напрежение от 5 волта всяка стъпка е приблизително 5 mV.
Вътрешната верига на ECU съдържа един или повече пасивни и активни сензори резистори включени в захранващите и сигнални вериги. Съпротивлението в NTC веригата се нарича също „резистор за отклонение” и служи за делител на напрежение. Предназначението на резисторите R1 и R2 в ECU веригата на MAP сензора е да позволят на малък ток да тече от плюс към маса.
Без тези резистори би възникнало така нареченото „плаващо измерване“, ако сигналният проводник или щепселът на сензора бяха отстранени. В тези случаи веригата с резистори гарантира, че напрежението на входа на ADC се повишава до приблизително 5 волта (минус напрежението на резистора R1). ADC преобразува аналоговото напрежение в цифрова стойност 255 (десетична), т.е. FF (шестнадесетична) и я изпраща на микропроцесора.
Много малък ток протича през резистор R1 (нискоомичен). Има малък спад на напрежението между 10 и 100 mV. Може да се случи приложеното напрежение да е с няколко десети по-високо от 5 волта; Резистор с нисък импеданс е включен между заземяващата връзка на стабилизатора на напрежение 78L05 и масата на ECU (кафяв проводник на диаграмата по-горе). Спадът на напрежението на този резистор може да бъде например 0,1 волта. Стабилизаторът на напрежение вижда своята земна връзка като действително 0 волта, така че повишава изходното напрежение (червения проводник) с 0,1 волта. В такъв случай изходното напрежение към плюса на сензора не е 5,0, а 5,1 волта.
Интелигентният сензор получава напрежение от 12 волта от ECU. Точно като активния сензор, интелигентният сензор включва мост на Wheatstone и усилвател/филтър. Аналоговото напрежение от усилвателя се изпраща към LIN интерфейса (LIN-IC).
Интерфейсът LIN генерира цифров сигнал на LIN шина. Сигналът варира между 12 волта (рецесивен) и приблизително 0 волта (доминиращ). Сензорът използва този сигнал на LIN шина, за да комуникира с другите подчинени устройства (обикновено сензорите и изпълнителните механизми) и главния (контролния блок).
Има разклонения към главния и други подчинени на проводника между пин 3 на сензора и пин 64 на ECU.
За повече информация вижте страницата LIN шина.
