Předměty:
- Úvod
- Logické brány
- Kombinatorické obvody a automobilové aplikace
Předmluva:
Zpracování informací moderních motorových vozidel je z velké části nebo ne zcela digitální. Digitální informace se skládá z elektrických napětí, kde se na základě úrovně napětí tvoří ano/ne nebo on/off. V elektronika rozhraní je umístěn na A/D převodníku (Analog / Digital), kde se napětí snímače převádí na digitální zprávu, která se skládá z jedniček a nul.
V digitální elektronice mluvíme o logické 1 nebo logické 0. Napětí jsou na úrovni TTL (Transistor Transistor Logic).
- Ano nebo na: logický 1: 5 voltů
- Ne nebo vypnuto: logický 0: 0 voltů
Základní elektronické obvody na ECU obsahují mnoho integrovaných obvodů, které vytvářejí logické obvody. Tyto logické obvody obsahují logická hradla, která mohou být řízena CPU hardwarově nebo softwarově.
Logické brány:
ALU (Arithmetic Logic Unit) je centrální částí mikroprocesoru v ECU. ALU provádí aritmetické a logické operace. ALU také kontroluje, kde v paměti se nachází další příkaz programu, který se má provést.
ALU obsahuje logická hradla, která jsou často konstruována z křemíkových polovodičů. Logická hradla mohou provádět operace během několika nanosekund pomocí binárního kódu; kombinace jedniček a nul. To dává příkaz, který se skládá ze dvou možností: zapnuto nebo vypnuto, vodivé nebo nevodivé. Více příkazů je zpracováváno současně v ALU a spolupracují na vytvoření „slova“ s 8, 16 nebo 32 bity, podle architektury počítače. Slovo je největší množství dat uložených v jednom datovém registru. Jedná se o množství dat, které může zpracovatel zpracovat najednou.
V ALU probíhají následující základní operace:
- posunutí jedné nebo více bitových pozic doleva nebo doprava (shift)
- provádění aritmetických operací se dvěma slovy, jako je sčítání nebo sčítání (add);
- provádění logických operací s daty (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Obrázky níže ukazují ALU jako symbol (vlevo) a se symboly IEC, které převádějí operaci z A a B (příchozí) na R (odchozí).
Hradla NOT, OR a AND, která vidíme v pravé ALU, jsou nejběžnějšími hradly používanými k provádění logických operací. Existují porty, které jsou navíc k těmto třem základním portům. K tomu se vrátíme později na této stránce. Pomocí hradel NOT, OR a AND lze výstupy vstupů předem naprogramovat. Pomocí obvodu, který přiřadí odpověď jako ano/ne nebo pravda/nepravda například na výstražné světlo ruční brzdy, lze světlo aktivovat na základě dvou vstupů.
- je zatažena ruční brzda?
- je hladina v nádržce brzdové kapaliny správná?
Pokud lze na jednu nebo obě odpovědi odpovědět „ano“, rozsvítí se varovná kontrolka. Další příklady následují dále na této stránce.
Níže uvedená tabulka ukazuje tyto tři základní porty. Na této stránce používáme hlavně anglické názvy (AND místo EN), abychom pro vás jako čtenáře nevytvářeli zmatek, ale obojí je samozřejmě správné. Totéž platí pro symboly (IEC a ANSI). Aplikujeme symboly IEC, ale v americké literatuře vidíme především symboly ANSI. Dále platí: nemíchejte je a použijte jeden typ symbolu.
Pod tabulkou je uvedeno vysvětlení vlastností každé brány a pravdivostní tabulka ukazuje, které vstupy vám dávají výstup 0 nebo 1.
Níže je vysvětlení tří hradel se symbolem a pravdivostní tabulkou, která ukazuje výstupy pro různé kombinace vstupů.
A brána:
Brána AND (Dutch: AND gate) může mít více vstupů, ale vždy má pouze jeden výstup. Na obrázku vidíme vstupy a a b. Na obou vstupech je možné nezávisle na sobě nastavit 1 nebo 0. Výstup (Q) bude 1, pokud jsou oba vstupy (a a b) 1. Ve všech ostatních případech je výstup Q 0.
- Se dvěma vstupy hradla AND (v tomto případě vstup A a B) existují čtyři možné obvody pro generování výstupu. Ty jsou zobrazeny v pravdivostní tabulce vpravo od obrázku brány AND.
- Se čtyřmi vstupy existuje 16 možností;
- S osmi vstupy je dokonce 256 možností.
NEBO brána:
Brána OR (holandský: OF brána) může mít také více vstupů s jedním výstupem. S hradlem OR je výstup 1, pokud je jeden ze dvou vstupů 1, nebo pokud jsou oba vstupy 1.
NE brána:
Brána NOT (Dutch: NOT gate) funguje jako invertor a má pouze jeden vstup a výstup. Vstupní signál je invertován: když je vstupní signál 1, výstupní signál se změní na 0 a naopak.
Kromě zmíněných obvodů (AND, OR a NOT) známe i řadu derivačních logických obvodů. Pomocí těchto obvodů můžeme spojit dva z dříve probraných obvodů do jednoho obvodu.
Brána NAND:
Brána Not-AND je brána AND následovaná bránou NOT. Výstup je 1, pokud má více vstupů 1. Pouze když všechny vstupy mají 1, výstup je 0. To je přesný opak hradla AND diskutovaného dříve.
NOR brána:
Brána Not-OR (Non-OR brána) je brána OR následovaná bránou NOT. Může mít více vstupů a má pouze jeden výstup. V tomto obvodu bude výstup pouze 1, když jsou oba vstupy 0.
Brána XOR:
Hradlo eXclusive-OR je hradlo, jehož výstup je 1, když pouze jeden vstup je 1. Když mají oba vstupy stejný logický stav, výstup se stane 0. Hradlo XOR nikdy nemá více než dva vstupy.
Port XNOR:
Brána eXclusive-OR je vybavena bránou NOT, což z ní dělá bránu eXclusive-NOT-OR. Výstup je invertován na hradle XOR.
Pro každý integrovaný obvod je důležité, aby byl připojen napájecí zdroj i zem, aby se dosáhlo uzavřeného obvodu. Oba porty musí také přijímat napětí, aby se zabránilo plovoucímu měření. Ke správnému přepínání vstupů a výstupů jsou zapotřebí pull-up a pull-down rezistory. Bez těchto rezistorů mohou porty zůstat „aktivní“, aniž by byly ovládány. Porty pak nejsou spolehlivé.
Kombinatorické obvody a automobilové aplikace:
Digitální integrované obvody lze propojit dohromady připojením výstupu jednoho integrovaného obvodu ke vstupu druhého integrovaného obvodu. Pomocí těchto kombinací lze vytvořit obvody, které produkují požadovanou výstupní kombinaci pro jakoukoli požadovanou kombinaci vstupů. Když je spojeno více IC, mluvíme o kombinačním obvodu. Abychom získali představu o kombinačních obvodech, níže jsou uvedeny technické příklady automobilů.
Světelný výstražný obvod:
Praktickým příkladem kombinačního obvodu je obvod světelné výstrahy. Při vypnutém zapalování a otevření dveří při rozsvíceném vnějším osvětlení musí být řidič varován bzučákem. Hradlo AND se používá pro tři vstupní signály. Jak je popsáno v předchozí části, všechny vstupy brány AND musí být 1, aby se na výstupu dostala 1 a aktivoval bzučák. Pokud je jeden ze tří vstupů hradla AND 0, výstup zůstane 0 a bzučák zůstane vypnutý.
- Spínač světla: když je spínač vypnutý, na vstupu a se zobrazí 0. Když se rozsvítí obrysová nebo potkávací světla, změní se na 1;
- Zámek zapalování: po zapnutí zámku zapalování se na vstupu b objeví 1. Když je zapalování vypnuto, 0. V tomto případě brána NOT invertuje 0 na 1, aby získal správný signál pro hradlo AND.
- Dveřní spínač: když jsou dveře otevřené, signál se přepne na zem. Stejně jako u spínače zapalování musí být 0 obrácena na 1, aby brána AND správně fungovala.
Související stránky:
