emner:
- introduktion
- Passive sensorer
- Aktive sensorer
- Intelligente sensorer
- Anvendelser inden for bilteknologi
- Måling på sensorer
- Signaloverførsel fra sensor til ECU
- SENDT (enkeltkantet nibble transmission)
- Strømforsyning og signalbehandling
Forord:
Sensorer måler fysiske størrelser og konverterer dem til elektriske spændinger. Disse spændinger behandles i mikrocontrolleren (ECU) og aflæses som et "signal". Signalet kan bedømmes ud fra niveauet af spændingen eller den frekvens, hvormed et signal ændres.
Passive sensorer:
En passiv sensor registrerer og måler en fysisk størrelse og konverterer den til en anden fysisk størrelse. Et eksempel på dette er at konvertere en temperatur til en modstandsværdi. En passiv sensor genererer ikke selv nogen spænding, men reagerer på en referencespænding fra ECU'en. En passiv sensor kræver ikke en forsyningsspænding for at fungere.
Passive sensorer har normalt to eller tre forbindelser:
- reference- eller signalledning (blå);
- jordledning (brun);
- skærmet ledning (sort).
Nogle gange indeholder en passiv sensor kun én ledning: i så fald fungerer sensorens hus som jord. En tredje ledning kan tjene som afskærmning. Jakken er jordet via ECU'en. Den afskærmede ledning bruges især til interferensfølsomme signaler såsom fra krumtapakselpositionssensoren og bankesensoren.
Et eksempel på en passiv sensor er en NTC temperaturføler. Referencespændingen på 5 volt bruges som spændingsdeler mellem modstanden i ECU'en og i sensoren, altså ikke som forsyningsspænding til sensoren. Spændingsniveauet mellem modstandene (afhængigt af NTC-modstandsværdien) aflæses af ECU'en og omsættes til en temperatur. Kredsløbet med modstandene er forklaret i afsnittet: "Spændingsforsyning og signalbehandling" længere på denne side.
Aktive sensorer:
Aktive sensorer indeholder et elektrisk kredsløb i huset til at konvertere en fysisk størrelse til en spændingsværdi. Det elektriske kredsløb kræver ofte en stabiliseret forsyningsspænding for at fungere.
I de fleste tilfælde har denne type sensor tre forbindelser:
- plus (normalt 5,0 volt);
- masse;
- signal.
Den stabiliserede 5 volt strømforsyning forsynes af styreenheden og bruges af sensoren til at danne et analogt signal (mellem 0 og 5 volt). De positive og jordede ledninger fra ECU'en er ofte forbundet til flere sensorer. Dette kan genkendes af de noder, som mere end to ledninger er forbundet til.
Det analoge signal omdannes til et digitalt signal i ECU'en.
I afsnittet "spanoreringsforsyning og signalbehandling” vil vi diskutere dette nærmere.
Intelligente sensorer:
Intelligente sensorer har normalt tre forbindelser. Som med de aktive sensorer er der en strømledning (12 volt fra ECU'en eller direkte via en sikring) og en jordledning (via ECU'en eller et eksternt jordpunkt. En intelligent sensor sender en digital (LIN bus) besked til ECU'en og de andre sensorer. Der er da et mester-slave-princip.
Internt i sensoren konverterer en A/D-konverter et analogt til et digitalt signal.
- Analog: 0 – 5 volt;
- Digital: 0 eller 1.
I het LIN bus signal i recessiv tilstand (12 volt) er det et 1, og i dominant tilstand (0 volt) er det et 0.
Anvendelser inden for bilteknologi:
Inden for bilteknologi kan vi foretage følgende klassificering af de forskellige typer sensorer:
Passive sensorer:
- Banke sensor;
- Krumtapaksel position sensor;
- Temperaturføler (NTC/PTC);
- Lambdasensor (springsensor / zirkonium);
- Induktiv højdesensor;
- Tænd/sluk
Aktive sensorer:
- Krumtapaksel/knastaksel positionssensor (Hall);
- Luftmassemåler;
- Bredbånd lambda sensor;
- Tryksensor (ladetryk / turbotryksensor);
- ABS sensor (Hall/MRE);
- Accelerations-/decelerationssensor (YAW);
- Radar/LIDAR sensor;
- Ultralydssensor (PDC / alarm);
- Positionssensor (gasventil / EGR / varmeventil).
Intelligente sensorer:
- Regn/lyssensor;
- Kameraer;
- Tryk sensor;
- Styrevinkel sensor;
- Batteri sensor
Måling på sensorer:
Når en sensor ikke fungerer korrekt, vil føreren i de fleste tilfælde bemærke dette, fordi der tændes en fejllampe, eller at noget ikke længere fungerer korrekt. Hvis en sensor i motorrummet forårsager en funktionsfejl, kan dette resultere i strømtab og en oplyst MIL (motorfejlslampe).
Ved læsning af en ECU kan der blive vist en fejlkode, hvis ECU'en genkender fejlen. Det er dog ikke i alle tilfælde, at fejlkoden fører direkte til årsagen. At den pågældende sensor ikke virker, kan skyldes, at den er defekt, men et problem i ledninger og/eller stikforbindelser kan ikke udelukkes.
Det er også muligt, at sensoren giver en forkert værdi, som ikke genkendes af ECU'en. I så fald gemmes ingen fejlkode, men teknikeren skal bruge de levende data (se OBD-siden) skal lede efter aflæsninger, der er uden for rækkevidde.
Følgende billede viser en måling fra en aktiv sensor. Strømforsyningen (spændingsforskellen på plus- og minusforbindelserne) af sensoren kontrolleres med et digitalt multimeter. Måleren aflæser 5 volt, så det er OK.
Signalspændinger kan måles med et voltmeter eller et oscilloskop. Hvilken måler der er egnet afhænger af signaltypen:
- voltmeter: analoge signaler, der er næsten konstante;
- oscilloskop: analoge signaler og digitale signaler (duty cycle / PWM).
Med en eller flere målinger kan vi påvise, at sensoren ikke fungerer korrekt (det udsendte signal er usandsynligt, eller sensoren producerer ikke et signal), eller at der er et problem i ledningsføringen.
Ved passive sensorer kan der i de fleste tilfælde foretages en modstandsmåling for at kontrollere om der er en intern defekt i sensoren.
Mulige problemer i sensorledningerne kan omfatte:
- afbrydelse i den positive jord eller signalledning;
- kortslutning mellem ledninger eller karrosseriet;
- overgangsmodstand i en eller flere ledninger;
- dårlige stikforbindelser.
På siden: fejlfinding af sensorledninger vi ser på syv mulige fejl, der kan opstå i ledningsføringen af sensorer.
Signaloverførsel fra sensor til ECU:
Der er flere metoder til at overføre signaler fra sensoren til ECU'en. Inden for bilteknologi kan vi beskæftige os med følgende signaltyper:
- Amplitude Modulation (AM); niveauet af spændingen giver information;
- Frekvensmodulation (FM); frekvensen af signalet giver information;
- Puls Width Modulation (PWM); tidsvariationen i blokspændingen (driftscyklus) giver information.
De følgende tre eksempler viser omfangssignaler af de forskellige signaltyper.
Amplitude Modulation:
Med et AM-signal sender spændingsniveauet informationen. Figuren viser to spændinger fra gashåndtagets positionssensorer. For at garantere pålideligheden skal spændingskurverne spejles i forhold til hinanden.
Stress i hvile:
- Blå: 700 mV;
- Rød: 4,3 volt.
Fra cirka 0,25 sekunder efter start af målingen trykkes der langsomt på speederpedalen, og gasspjældet åbner 75 %.
Ved 2,0 sek. gaspedalen slippes og ved 3,0 sek. får fuld gas.
Fuld gasspændinger:
- Blå: 4,3 volt;
- Rød: 700 mV.
Frekvensmodulering:
Med sensorer, der sender et FM-signal, ændres amplituden (højden) af signalet ikke. Bredden af blokspændingen transmitterer informationen. Det følgende billede viser signalet fra en ABS-sensor (Hall). Hjulet blev drejet under målingen. Ved en højere rotationshastighed øges signalets frekvens.
Spændingsforskellen skyldes ændringen i magnetfeltet i den magnetiske ring, som er indbygget i hjullejet. Højdeforskellen (lav: magnetisk felt, høj: intet magnetfelt) er kun 300 mV. Hvis skopet er forkert justeret (spændingsområde fra 0 til 20 volt), er bloksignalet næsten ikke synligt. Af denne grund er skalaen blevet justeret på en sådan måde, at bloksignalet bliver synligt, med det resultat, at signalet er mindre rent.
Pulsbreddemodulation:
Med et PWM-signal ændres forholdet mellem høj- og lavspænding, men periodetiden forbliver den samme. Dette må ikke forveksles med en firkantbølgespænding i et FM-signal: Frekvensen ændres og dermed også periodetiden.
De næste to billeder viser PWM-signaler fra en højtrykssensor i et airconditionrør. Denne sensor måler kølemiddeltrykket i klimaanlægget.
Situation under målingen:
- Tænding slået til (sensor modtager en forsyningsspænding);
- Aircondition slået fra;
- Kølemiddeltryk aflæst med diagnoseudstyr: 5 bar.
På næste scope-billede ser vi, at periodetiden er forblevet den samme, men driftscyklussen har ændret sig.
Situation under målingen:
- Aircondition tændt;
- Højtrykket er steget til 20 bar;
- Driftscyklus er nu 70 %
Analoge sensorer kan sende et signal via AM. Et sådant spændingssignal er følsomt over for spændingstab. En overgangsmodstand i en ledning eller stik resulterer i spændingstab, og derfor også en lavere signalspænding. ECU'en modtager den lavere spænding og bruger signalet til behandling. Dette kan forårsage funktionsfejl, fordi flere sensorværdier ikke længere svarer til hinanden, hvilket resulterer i:
- To udelufttemperaturfølere, der samtidig måler en anden temperatur. Selvom en lille fejlmargin er acceptabel, og ECU'en kan anvende gennemsnitsværdien, kan en for stor forskel føre til en fejlkode. ECU'en genkender afvigelsen mellem de to temperaturfølere.
- en forkert indsprøjtningsvarighed, fordi signalet fra MAP-sensoren er for lavt, og ECU'en derfor fortolker en forkert motorbelastning. I så fald er brændstofindsprøjtningen for lang eller for kort, og brændstoftrimningerne vil korrigere blandingen baseret på lambdasensorsignalet.
Spændingstab spiller ikke en rolle i et PWM-signal og/eller SENT-signal. Forholdet mellem stigende og faldende flanker er et mål for signalet. Spændingsniveauet er ligegyldigt. Duty cycle kan være 40 % ved en spænding, der varierer mellem 0 og 12 volt, men forholdet er stadig 40 %, hvis forsyningsspændingen falder til 9 volt.
SENDT (enkeltkantet nibble transmission)
Ovennævnte sensorsignaler har været et kendt navn i person- og erhvervskøretøjer i årevis. I de nyere modeller ser vi i stigende grad sensorer, der bruger SENT-protokollen. Denne sensor ligner en sædvanlig aktiv sensor, både i virkeligheden og i diagrammet.
Med passive og aktive sensorer foregår informationsoverførsel via to ledninger. I tilfælde af en MAP-sensor for eksempel: en mellem NTC-sensoren og ECU'en og den anden mellem tryksensoren og ECU'en. Sensorelektronikken i en SENT-sensor kan kombinere informationsoverførsel fra flere sensorer, hvilket reducerer antallet af signalledninger. Signaloverførslen påvirkes heller ikke ved spændingstab over signaltråden ligesom ved et PWM-signal.
En sensor, der bruger SENT-protokollen, har ligesom en aktiv sensor, der sender et analogt eller digitalt signal, tre ledninger:
- Forsyningsspænding (ofte 5 volt)
- Signal
- Masse.
Sensorer med SEND-protokollen sender et signal som "output". Der er derfor ingen tovejskommunikation, som det er tilfældet med for eksempel LIN-buskommunikation mellem sensorer.
I diagrammet til højre ser vi differenstryksensoren (G505) på en VW Passat (bygget i 2022). I diagrammet ser vi de sædvanlige indikationer af strømforsyningen (5v), jord (GND) og signal (SIG). Denne tryksensor konverterer trykket til et digitalt SENT-signal og sender det til ben 53 på stik T60 i motorens ECU.
Differenstryksensoren i eksemplet ovenfor sender kun ét signal via SENT-protokollen over signaltråden. Flere sensorer kan tilsluttes en signalledning ved hjælp af SENT. Dette kan blandt andet anvendes på en MAP-sensor (lufttryk og lufttemperatur) og på en olieniveau- og kvalitetsføler.
På det følgende billede ser vi en olieniveau- og kvalitetssensor monteret i oliebeholderen på en forbrændingsmotor. Begge måleelementer er placeret i motorolien.
Sensoren forsynes med 12 volt, modtager sin jord via ECU'en og sender signalet til ECU'en ved hjælp af SENT.
Mikrocontrolleren i huset digitaliserer meddelelsen (se: "digital logik" på figuren), hvor både olietemperaturen og oliestanden er inkluderet i SENT-signalet.
Nedenfor ser vi på strukturen af et SENT-signal.
Et SENT-signal er opbygget af en række nibbles (grupper af fire bit), der overfører information ved at sende spændinger mellem 0 og 5 volt. Her er en kort beskrivelse af, hvordan et SENT-signal er opbygget. Billedet af meddelelsesstrukturen er vist nedenfor.
- Synkronisering / Kalibreringspuls: dette er ofte starten på beskeden. Denne puls gør det muligt for modtageren at identificere begyndelsen af beskeden og synkronisere urets timing;
- Status: denne del angiver tilstanden af de sendte oplysninger, for eksempel om dataene er korrekte, eller om der er problemer med dem;
- Message Start Nibble (MSN): Dette er den første nibble og angiver begyndelsen af en SENT besked. Den indeholder oplysninger om kilden til meddelelsen og tidspunktet for dataoverførslen.
- Message Identifier Nibble (MidN): Denne nibble følger MSN'et og indeholder oplysninger om meddelelsestypen, meddelelsens status og eventuelle fejldetekterings- eller fejlrettelsesoplysninger.
- Data Nibbles: Efter MidN følger en eller flere datablokke, der hver består af fire data-nibbles. Disse datablokke bærer de faktiske data, der sendes. De indeholder information såsom sensordata, statusinformation eller andre nyttige data.
- Cyclic Redundancy Check (CRC): I nogle tilfælde kan en CRC-nibble tilføjes til slutningen af meddelelsen for at hjælpe med at opdage fejl. CRC nibble bruges til at kontrollere, om de modtagne data er blevet modtaget korrekt.
Hver nibble i et SENT-signal kan have værdier fra 0 til 15, afhængig af hvor mange tikker det er 5 volt. Billedet nedenfor viser strukturen af SENT-protokollen.
'Nibble-grupper' sendes numerisk fra 0000 til 1111 i binært format. Hver nibble repræsenterer en værdi fra 0 til maksimalt 15, og de er repræsenteret binært som følger: 0000b til 1111b og hexadecimal fra 0 til F. Disse digitaliserede nibbles indeholder sensorværdierne og sendes til ECU'en.
For at sende denne nappeinformation bruges 'ticks' eller computer-ticks. Urtikken angiver, hvor hurtigt dataene sendes. I de fleste tilfælde er urtikken 3 mikrosekunder (3μs) op til et maksimum på 90μs.
I det første tilfælde betyder det, at der sendes en ny nippegruppe hvert 3. mikrosekund.
Meddelelsen begynder med en 56-taps synkroniserings-/kalibreringsimpuls. For hvert af de to signaler: signal 1 og signal 2 sendes tre nibbles, hvilket resulterer i en sekvens på 2 * 12 bit information. CRC følger disse signaler
(Cyclic Redundancy Check) til kontrol, som gør det muligt for modtageren at verificere, at de modtagne data er korrekte.
Til sidst tilføjes en pausepuls for tydeligt at markere slutningen af beskeden til modtageren.
Scopebillederne nedenfor (optaget med PicoScope Automotive) viser målinger af flere meddelelser (venstre) og en zoom ind på én meddelelse (højre). I den indzoomede meddelelse er det markeret med rødt, hvor signalet starter og slutter. Når forholdene ændrer sig: trykket og/eller temperaturen stiger, vil der være en ændring i antallet af flåter i en eller flere nibbles. Ændringen i flueben vil være synlig på scope-billedet nedenfor i en eller flere spændinger, der varierer mellem 0 og 5 volt. Pulserne kan blive bredere eller smallere. De faktiske oplysninger kan afkodes med Picoscope-softwaren.
Med en elektrisk diagnose kan vi bruge Picoscope-softwaren til at afkode meddelelsen for at studere den, men i de fleste tilfælde fokuserer vi på at kontrollere et rent meddelelsesflow uden støj, og om forsyningsspændingen (5 volt) og jord på sensoren er i være i orden.
Strømforsyning og signalbehandling:
I de første afsnit var der diskussion om, hvorvidt der var en forsyningsspænding. I dette afsnit diskuterer vi hovedkomponenterne i ECU'en, der er ansvarlige for spændingsforsyningen og signalbehandlingen af den relevante sensor. Pin-numrene på de dybdegående diagrammer er de samme som i de foregående afsnit: ben 35 og 36 på ECU'en er forbundet med ben 1 og 2 på den passive sensor osv.
På det første billede ser vi en NTC temperaturføler. Referencespændingen (Uref) fra ben 35 på ECU'en fås fra spændingsstabilisatoren 78L05. Spændingsstabilisatoren leverer en spænding på 5 volt ved en indbygget spænding fra 6 til 16 volt.
Modstanden R (fast modstandsværdi) og RNTC (temperaturafhængig modstand) danner tilsammen et seriekredsløb og også en spændingsdeler. Analog-Digital Converter (ADC) måler spændingen mellem de to modstande (analog), konverterer den til et digitalt signal og sender den til mikroprocessoren (µP).
Med et multimeter kan du måle spændingen på pin 35 på ECU'en eller pin 1 på sensoren.
På siden om temperatur måler Foruden nogle målinger for god signaltransmission, vises måleteknikkerne for en ledningsfejl.
Det andet billede viser kredsløbet af en aktiv MAP sensor vise.
Den stabiliserede forsyningsspænding på 5 volt når den såkaldte "Wheatstone Bridge“, som inkluderer et antal faste (R1, R2, R3) og en variabel modstand (Rp).
Modstandsværdien af Rp afhænger af trykket i indsugningsmanifolden. Også her har vi at gøre med en spændingsdeler. Ændringen i modstand forårsager spændingsændringer, hvilket får broen til at blive ubalanceret. Spændingsforskellen, der skabes i Wheatstone-broen, omdannes i forstærkeren/filteret til en spænding med en værdi mellem 0,5 og 4,5 volt. Digitalisering af det analoge signal foregår i analog-til-digital-konverteren (ADC). ADC'en sender det digitale signal til mikroprocessoren.
Opløsningen af ADC'en er i de fleste tilfælde 10 bit, fordelt på 1024 mulige værdier. Ved en spænding på 5 volt er hvert trin cirka 5 mV.
ECU'ens interne kredsløb indeholder en eller flere passive og aktive sensorer modstande inkluderet i strømforsyningen og signalkredsløbene. Modstanden i NTC-kredsløbet kaldes også "forspændingsmodstand” og tjener til spændingsdeleren. Formålet med modstandene R1 og R2 i MAP-sensorens ECU-kredsløb er at tillade en lille strøm at flyde fra plus til jord.
Uden disse modstande ville der opstå en såkaldt "flydende måling", hvis signalledningen eller sensorstikket blev fjernet. I de tilfælde sikrer kredsløbet med modstande, at spændingen på ADC-indgangen øges til ca. 5 volt (minus spændingen over modstanden R1). ADC'en konverterer den analoge spænding til den digitale værdi 255 (decimal), altså FF (hexadecimal) og sender denne til mikroprocessoren.
En meget lille strøm løber gennem modstand R1 (lav ohm). Der er et lille spændingsfald på mellem 10 og 100 mV. Det kan ske, at den påførte spænding er et par tiendedele højere end 5 volt; En lavimpedansmodstand er inkluderet mellem jordforbindelsen af spændingsstabilisatoren 78L05 og jorden på ECU'en (brun ledning i diagrammet ovenfor). Spændingsfaldet over denne modstand kan f.eks. være 0,1 volt. Spændingsstabilisatoren ser sin jordforbindelse som faktiske 0 volt, så den løfter udgangsspændingen (den røde ledning) 0,1 volt. I så fald er udgangsspændingen til sensorens plus ikke 5,0 men 5,1 volt.
Den intelligente sensor modtager en spænding på 12 volt fra ECU'en. Ligesom den aktive sensor inkluderer den intelligente sensor en Wheatstone-bro og en forstærker/filter. Den analoge spænding fra forstærkeren sendes til LIN-interfacet (LIN-IC).
LIN-interfacet genererer et digitalt LIN-bussignal. Signalet varierer mellem 12 volt (recessiv) og cirka 0 volt (dominerende). Sensoren bruger dette LIN-bussignal til at kommunikere med de andre slaver (normalt sensorer og aktuatorer) og master (styreenheden).
Der er forgreninger til masteren og andre slaver på ledningen mellem ben 3 på sensoren og ben 64 på ECU.
For mere information, se siden LIN bus.
