Předměty:
- Úvod
- Pasivní senzory
- Aktivní senzory
- Inteligentní senzory
- Aplikace v automobilové technice
- Měření na senzorech
- Přenos signálu ze snímače do ECU
- ODESLAT (přenos s jedním okrajem Nibble)
- Napájení a zpracování signálu
Předmluva:
Senzory měří fyzikální veličiny a převádějí je na elektrická napětí. Tato napětí jsou zpracována v mikrokontroléru (ECU) a přečtena jako „signál“. Signál lze posuzovat podle úrovně napětí nebo frekvence, při které se signál mění.
Pasivní senzory:
Pasivní senzor detekuje a měří fyzikální veličinu a převádí ji na jinou fyzikální veličinu. Příkladem toho je převod teploty na a hodnota odporu. Pasivní snímač sám o sobě žádné napětí negeneruje, ale reaguje na referenční napětí z ECU. Pasivní snímač nepotřebuje ke své funkci napájecí napětí.
Pasivní senzory mají obvykle dvě nebo tři připojení:
- referenční nebo signální vodič (modrý);
- zemnící vodič (hnědý);
- stíněný drát (černý).
Někdy pasivní snímač obsahuje pouze jeden vodič: v takovém případě slouží pouzdro snímače jako zem. Třetí vodič může sloužit jako stínění. Plášť je uzemněn přes ECU. Stíněný vodič se používá zejména pro signály citlivé na rušení, jako je snímač polohy klikového hřídele a snímač klepání.
Příkladem pasivního snímače je a NTC teplotní senzor. Referenční napětí 5 voltů je použito jako dělič napětí mezi rezistorem v ECU a ve snímači, nikoliv jako napájecí napětí pro snímač. Úroveň napětí mezi odpory (v závislosti na hodnotě odporu NTC) je čtena ECU a převedena na teplotu. Obvod s odpory je vysvětlen v části: „Napájení napětí a zpracování signálu“ dále na této stránce.
Aktivní senzory:
Aktivní snímače obsahují v pouzdře elektrický obvod pro přeměnu fyzikální veličiny na hodnotu napětí. Elektrický obvod často vyžaduje ke své činnosti stabilizované napájecí napětí.
Ve většině případů má tento typ snímače tři připojení:
- plus (obvykle 5,0 voltů);
- těstoviny;
- signál.
Stabilizovaný 5 voltový zdroj napájení je napájen z řídicí jednotky a použit snímačem k vytvoření analogového signálu (mezi 0 a 5 volty). Kladný a zemnící vodič z ECU jsou často připojeny k více senzorům. To lze rozpoznat podle uzlů, ke kterým jsou připojeny více než dva vodiče.
Analogový signál je převeden na digitální signál v ECU.
V odstavci „spanning supply a signal processing“ to probereme podrobněji.
Inteligentní senzory:
Inteligentní senzory mají obvykle tři připojení. Stejně jako u aktivních senzorů je zde napájecí vodič (12 voltů z ECU nebo přímo přes pojistku) a zemnící vodič (přes ECU nebo externí zemnící bod. Inteligentní senzor vysílá digitální (sběrnice LIN) zpráva do ECU a ostatních senzorů. Pak existuje princip pán-otrok.
Interně ve snímači A/D převodník převádí analogový signál na digitální.
- Analogové: 0 – 5 voltů;
- Digitální: 0 nebo 1.
V Het Signál sběrnice LIN v recesivním stavu (12 voltů) je 1 a v dominantním stavu (0 voltů) je 0.
Aplikace v automobilové technice:
V automobilové technice můžeme provést následující klasifikaci různých typů senzorů:
Pasivní senzory:
- Snímač klepání;
- Snímač polohy klikového hřídele;
- Snímač teploty (NTC/PTC);
- Lambda sonda (skokový senzor / zirkonium);
- Indukční snímač výšky;
- Vypnout (zapnout/vypnout)
Aktivní senzory:
- Snímač polohy klikového/vačkového hřídele (Hall);
- Měřič hmotnosti vzduchu;
- Širokopásmová lambda sonda;
- Senzor tlaku (snímač plnicího tlaku / tlak turba);
- ABS senzor (Hall/MRE);
- Senzor zrychlení/zpomalení (YAW);
- Radarový/LIDAR senzor;
- Ultrazvukový senzor (PDC / alarm);
- Snímač polohy (plynový ventil / EGR / ventil topení).
Inteligentní senzory:
- Dešťový/světelný senzor;
- Fotoaparáty;
- Snímač tlaku;
- Snímač úhlu řízení;
- Senzor baterie
Měření na senzorech:
Když snímač nefunguje správně, řidič si toho ve většině případů všimne, protože se rozsvítí kontrolka poruchy nebo že něco již nefunguje správně. Pokud snímač v motorovém prostoru způsobí poruchu, může to vést ke ztrátě výkonu a rozsvícení MIL (kontrolka poruchy motoru).
Při čtení ECU se může zobrazit chybový kód, pokud ECU rozpozná chybu. Ne ve všech případech však kód chyby vede přímo k příčině. Skutečnost, že dotyčný snímač nefunguje, může být způsobena jeho vadou, ale nelze vyloučit problém v kabeláži a/nebo konektorech.
Je také možné, že snímač udává nesprávnou hodnotu, kterou ECU nerozpozná. V takovém případě se neuloží žádný chybový kód, ale technik musí použít aktuální data (viz stránka OBD) musí hledat naměřené hodnoty, které jsou mimo dosah.
Následující obrázek ukazuje měření z aktivního senzoru. Napájení (rozdíl napětí na plus a mínus připojení) snímače se kontroluje digitálním multimetrem. Měřič ukazuje 5 voltů, takže je to v pořádku.
Napětí signálu lze měřit voltmetrem nebo osciloskopem. Který měřič je vhodný závisí na typu signálu:
- voltmetr: analogové signály, které jsou téměř konstantní;
- osciloskop: analogové signály a digitální signály (pracovní cyklus / PWM).
Jedním nebo více měřeními můžeme demonstrovat, že snímač nefunguje správně (vydávaný signál je nevěrohodný nebo snímač nevydává žádný signál), nebo že je problém v kabeláži.
U pasivních snímačů lze ve většině případů provést měření odporu, aby se zjistilo, zda není v snímači vnitřní závada.
Možné problémy v zapojení snímače mohou zahrnovat:
- přerušení kladného uzemnění nebo signálního vodiče;
- zkrat mezi dráty nebo karoserií;
- přechodový odpor v jednom nebo více drátech;
- špatné připojení zástrčky.
Na stránce: odstraňování problémů s kabeláží snímače podíváme se na sedm možných poruch, které mohou nastat v zapojení senzorů.
Přenos signálu ze snímače do ECU:
Existuje několik způsobů přenosu signálů ze snímače do ECU. V automobilové technice se můžeme zabývat následujícími typy signálů:
- Amplitudová modulace (AM); informace poskytuje úroveň napětí;
- frekvenční modulace (FM); frekvence signálu poskytuje informaci;
- Pulse Width Modulation (PWM); informace poskytuje časové kolísání napětí bloku (pracovní cyklus).
Následující tři příklady ukazují osciloskopické signály různých typů signálů.
Amplitudová modulace:
U signálu AM přenáší informace úroveň napětí. Obrázek ukazuje dvě napětí ze snímačů polohy škrticí klapky. Aby byla zaručena spolehlivost, musí být křivky napětí vzájemně zrcadleny.
Stres v klidu:
- modrá: 700 mV;
- Červená: 4,3 voltu.
Přibližně 0,25 sekundy po zahájení měření se pomalu sešlápne plynový pedál a škrticí klapka se otevře na 75 %.
Při 2,0 sec. uvolní se pedál plynu a po 3,0 sec. je dán plný plyn.
Napětí na plný plyn:
- Modrá: 4,3 voltu;
- Červená: 700 mV.
Frekvenční modulace:
U senzorů, které vysílají FM signál, se amplituda (výška) signálu nemění. Šířka napětí bloku přenáší informaci. Následující obrázek ukazuje signál ze snímače ABS (Hall). Během měření bylo kolo otočeno. Při vyšší rychlosti otáčení se frekvence signálu zvyšuje.
Rozdíl napětí je způsoben změnou magnetického pole v magnetickém kroužku, který je zabudován v ložisku kola. Rozdíl ve výšce (nízká: magnetické pole, vysoká: žádné magnetické pole) je pouze 300 mV. Pokud je osciloskop nesprávně nastaven (rozsah napětí od 0 do 20 voltů), blokovací signál je sotva viditelný. Z tohoto důvodu byla stupnice upravena tak, aby byl blokový signál viditelný, takže signál je méně čistý.
Modulace šířky pulzu:
U signálu PWM se poměr mezi vysokým a nízkým napětím mění, ale doba periody zůstává stejná. To by nemělo být zaměňováno s napětím obdélníkové vlny v signálu FM: mění se frekvence a tedy také doba periody.
Další dva obrázky ukazují signály PWM z vysokotlakého senzoru v potrubí klimatizace. Tento snímač měří tlak chladiva v klimatizačním systému.
Situace během měření:
- Zapalování zapnuto (čidlo přijímá napájecí napětí);
- klimatizace vypnuta;
- Tlak chladicího média odečtený diagnostickým zařízením: 5 bar.
Na dalším snímku dalekohledu vidíme, že doba periody zůstala stejná, ale pracovní cyklus se změnil.
Situace během měření:
- klimatizace zapnutá;
- Vysoký tlak vzrostl na 20 barů;
- Pracovní cyklus je nyní 70 %
Analogové senzory mohou vysílat signál přes AM. Takový napěťový signál je citlivý na ztrátu napětí. Přechodový odpor ve vodiči nebo zástrčce má za následek ztrátu napětí, a proto také nižší napětí signálu. ECU přijímá nižší napětí a využívá signál ke zpracování. To může způsobit poruchy, protože více hodnot senzorů si již vzájemně neodpovídá, což má za následek:
- Dva snímače teploty venkovního vzduchu, které současně měří různou teplotu. Přestože je přijatelná malá odchylka a ECU může přijmout průměrnou hodnotu, příliš velký rozdíl může vést k chybovému kódu. ECU rozpozná odchylku mezi dvěma teplotními senzory.
- nesprávná doba vstřiku, protože signál ze snímače MAP je příliš nízký a ECU proto interpretuje nesprávné zatížení motoru. V takovém případě je vstřik paliva příliš dlouhý nebo příliš krátký a korekce paliva upraví směs na základě signálu lambda sondy.
Ztráta napětí nehraje roli v PWM signálu a/nebo SENT signálu. Poměr mezi vzestupnou a sestupnou hranou je mírou signálu. Na úrovni napětí nezáleží. Pracovní cyklus může být 40 % při napětí, které se pohybuje mezi 0 a 12 volty, ale poměr je stále 40 %, pokud napájecí napětí klesne na 9 voltů.
ODESLAT (přenos s jedním okrajem Nibble)
Signály snímačů uvedené výše jsou v osobních a užitkových vozidlech již léta pojmenováním. V novějších modelech se stále častěji setkáváme se senzory, které využívají protokol SENT. Tento senzor vypadá jako běžný aktivní senzor, jak ve skutečnosti, tak na obrázku.
U pasivních a aktivních senzorů probíhá přenos informací pomocí dvou vodičů. V případě senzoru MAP například: jeden mezi senzorem NTC a ECU a druhý mezi senzorem tlaku a ECU. Senzorová elektronika senzoru SENT může kombinovat přenos informací z více senzorů, čímž se sníží počet signálových vodičů. Přenos signálu není ovlivněn ani v případě ztráty napětí na signálovém vodiči, stejně jako u signálu PWM.
Senzor využívající protokol SENT, stejně jako aktivní senzor vysílající analogový nebo digitální signál, má tři vodiče:
- Napájecí napětí (často 5 voltů)
- Signál
- Těstoviny.
Senzory s protokolem SEND vysílají signál jako „výstup“. Nedochází tedy k obousměrné komunikaci, jako je tomu například u komunikace na sběrnici LIN mezi senzory.
Na obrázku vpravo vidíme snímač diferenčního tlaku (G505) VW Passat (rok výroby 2022). Na schématu vidíme obvyklé indikace napájení (5v), země (GND) a signálu (SIG). Tento snímač tlaku převádí tlak na digitální signál SENT a posílá jej na kolík 53 na konektoru T60 v ECU motoru.
Snímač diferenčního tlaku ve výše uvedeném příkladu posílá pouze jeden signál prostřednictvím protokolu SENT přes signálový vodič. K jednomu signálovému vodiči lze pomocí SENT připojit více senzorů. To lze mimo jiné aplikovat na senzor MAP (tlak vzduchu a teplota vzduchu) a na senzor hladiny a kvality oleje.
Na následujícím obrázku vidíme snímač hladiny a kvality oleje namontovaný v olejové vaně spalovacího motoru. Oba měřicí prvky jsou umístěny v motorovém oleji.
Senzor je napájen 12 volty, přijímá zem přes ECU a posílá signál do ECU pomocí SENT.
Mikrokontrolér ve skříni digitalizuje zprávu (viz: „digitální logika“ na obrázku), ve které je v signálu SENT zahrnuta teplota oleje i hladina oleje.
Níže se podíváme na strukturu SENT signálu.
Signál SENT se skládá ze série nibble (skupiny čtyř bitů), které přenášejí informace vysíláním napětí mezi 0 a 5 volty. Zde je stručný popis toho, jak je sestaven signál SENT. Obrázek struktury zprávy je uveden níže.
- Synchronizační / kalibrační impuls: to je často začátek zprávy. Tento impuls umožňuje přijímači identifikovat začátek zprávy a synchronizovat časování hodin;
- Stav: tato část označuje stav zasílaných informací, například zda jsou data správná nebo zda jsou s nimi problémy;
- Zpráva Start Nibble (MSN): Toto je první kousnutí a označuje začátek ODESLANÉ zprávy. Obsahuje informace o zdroji zprávy a načasování přenosu dat.
- Identifikátor zprávy Nibble (MidN): Tento nibble následuje MSN a obsahuje informace o typu zprávy, stavu zprávy a informace o detekci chyb nebo opravě chyb.
- Data Nibbles: Po MidN následuje jeden nebo více datových bloků, z nichž každý se skládá ze čtyř datových kousků. Tyto datové bloky nesou aktuální odesílaná data. Obsahují informace, jako jsou data senzoru, informace o stavu nebo jiná užitečná data.
- Kontrola cyklické redundance (CRC): V některých případech může být CRC nibble přidán na konec zprávy, aby se napomohlo detekci chyb. CRC nibble se používá ke kontrole, zda byla přijatá data správně přijata.
Každý nibble v signálu SENT může mít hodnoty od 0 do 15, v závislosti na tom, kolik tiků je 5 voltů. Obrázek níže ukazuje strukturu protokolu SENT.
Jsou odesílány 'Nibble skupiny', číselně od 0000 do 1111 v binárním formátu. Každý nibble představuje hodnotu od 0 do maximálně 15 a jsou reprezentovány binárně takto: 0000b až 1111b a hexadecimálně od 0 do F. Tyto digitalizované nibble obsahují hodnoty senzoru a jsou odesílány do ECU.
K odesílání těchto informací o okusování se používají 'ticky' nebo počítačové tikety. Tikot hodin ukazuje, jak rychle jsou data odesílána. Ve většině případů je tikání hodin 3 mikrosekundy (3 μs) až do maxima 90 μs.
V prvním případě to znamená, že každé 3 mikrosekundy je odeslána nová skupina nibblingu.
Zpráva začíná synchronizačním/kalibračním impulsem s 56 klepnutími. Pro každý ze dvou signálů: signál 1 a signál 2 jsou odeslány tři kousnutí, což vede k sekvenci 2 * 12 bitů informací. CRC tyto signály následuje
(Cyclic Redundancy Check) pro kontrolu, která umožňuje příjemci ověřit správnost přijatých dat.
Nakonec se přidá pauza, která jasně označí konec zprávy příjemci.
Níže uvedené obrázky rozsahu (zaznamenané pomocí PicoScope Automotive) ukazují měření více zpráv (vlevo) a přiblížení jedné zprávy (vpravo). V přiblížené zprávě je červeně označeno, kde signál začíná a končí. Když se podmínky změní: tlak a/nebo teplota se zvýší, dojde ke změně počtu tiků v jednom nebo více kouscích. Změna tiků bude viditelná na obrázku níže v jednom nebo více napětích, která se pohybují mezi 0 a 5 volty. Pulsy se mohou rozšiřovat nebo zužovat. Aktuální informace lze dekódovat pomocí softwaru Picoscope.
Při elektrické diagnostice můžeme použít software Picoscope k dekódování zprávy, abychom ji mohli studovat, ale ve většině případů se soustředíme na kontrolu čistého toku zprávy bez šumu a zda je napájecí napětí (5 voltů) a kostra senzoru v pořádku. být v pořádku.
Napájení a zpracování signálu:
V prvních odstavcích se diskutovalo o tom, zda je či není napájecí napětí. V této části probíráme hlavní komponenty v ECU, které jsou zodpovědné za napájení a zpracování signálu příslušného senzoru. Čísla pinů hloubkových diagramů jsou stejná jako v předchozích odstavcích: piny 35 a 36 ECU jsou připojeny k pinům 1 a 2 pasivního snímače atd.
Na prvním obrázku vidíme a NTC teplotní senzor. Referenční napětí (Uref) z kolíku 35 ECU se získává ze stabilizátoru napětí 78L05. Stabilizátor napětí dodává napětí 5 voltů při palubním napětí od 6 do 16 voltů.
Rezistor R (pevná hodnota odporu) a RNTC (odpor závislý na teplotě) společně tvoří sériový obvod a také dělič napětí. Analogově-digitální převodník (ADC) měří napětí mezi dvěma rezistory (analogový), převádí jej na digitální signál a posílá jej do mikroprocesoru (µP).
Pomocí multimetru můžete měřit napětí na kolíku 35 ECU nebo kolíku 1 snímače.
Na stránce o senzor teploty Kromě některých měření pro dobrý přenos signálu jsou zobrazeny měřicí techniky pro poruchu vedení.
Druhý obrázek ukazuje obvod aktivního senzor MAP zobrazit.
Stabilizované napájecí napětí 5 voltů dosahuje tzv.Wheatstoneův most“, který zahrnuje řadu pevných (R1, R2, R3) a proměnných rezistorů (Rp).
Hodnota odporu Rp závisí na tlaku v sacím potrubí. I zde máme co do činění s děličem napětí. Změna odporu způsobí změny napětí, což způsobí nevyváženost můstku. Rozdíl napětí vytvořený ve Wheatstoneově můstku se v zesilovači/filtru převede na napětí s hodnotou mezi 0,5 a 4,5 volty. Digitalizace analogového signálu probíhá v analogově-digitálním převodníku (ADC). ADC posílá digitální signál do mikroprocesoru.
Rozlišení ADC je ve většině případů 10 bitů, rozdělených do 1024 možných hodnot. Při napětí 5 voltů je každý krok přibližně 5 mV.
Vnitřní obvod ECU obsahuje jeden nebo více pasivních a aktivních senzorů rezistory součástí napájecího a signálního obvodu. Odpor v obvodu NTC se také nazývá „předpětí rezistor“ a slouží pro dělič napětí. Účelem odporů R1 a R2 v obvodu ECU snímače MAP je umožnit, aby malý proud procházel z plusu do země.
Bez těchto odporů by došlo k takzvanému „plovoucímu měření“, pokud by byl odstraněn signální vodič nebo zástrčka snímače. V těchto případech obvod s odpory zajišťuje zvýšení napětí na vstupu ADC na přibližně 5 voltů (minus napětí na rezistoru R1). ADC převádí analogové napětí na digitální hodnotu 255 (desítková), tj. FF (hexadecimální), a posílá ji do mikroprocesoru.
Rezistorem R1 (nízkoohmický) protéká velmi malý proud. Dochází k malému poklesu napětí mezi 10 a 100 mV. Může se stát, že použité napětí je o několik desetin vyšší než 5 voltů; Nízkoimpedanční rezistor je zařazen mezi uzemnění stabilizátoru napětí 78L05 a kostru ECU (hnědý vodič na schématu výše). Úbytek napětí na tomto rezistoru může být například 0,1 voltu. Stabilizátor napětí vidí své uzemnění jako skutečné 0 voltů, takže zvedne výstupní napětí (červený vodič) o 0,1 voltu. V takovém případě není výstupní napětí do plusu snímače 5,0, ale 5,1 voltů.
Inteligentní senzor přijímá napětí 12 voltů z ECU. Stejně jako aktivní snímač obsahuje inteligentní snímač Wheatstoneův můstek a zesilovač/filtr. Analogové napětí ze zesilovače je posíláno do rozhraní LIN (LIN-IC).
Rozhraní LIN generuje digitální signál sběrnice LIN. Signál se pohybuje mezi 12 volty (recesivní) a přibližně 0 volty (dominantní). Senzor využívá tento signál sběrnice LIN ke komunikaci s ostatními podřízenými (obvykle senzory a akční členy) a nadřízeným (řídicí jednotkou).
Na vodiči mezi kolíkem 3 snímače a kolíkem 64 ECU jsou odbočky k hlavnímu a dalším podřízeným.
Další informace naleznete na stránce sběrnice LIN.
