Themen:
- Einführung
- Transistor-Transistor-Logik (TTL)
- Umwandlung analoger Sensorspannungen in digitale Meldungen
- Umwandlung des Impulsgeneratorsignals in eine digitale Nachricht
- Uitgangssignale
Einführung:
In den meisten Fällen müssen die elektrischen Signale der Sensoren angepasst werden, bevor sie dem Prozessor zugeführt werden. Die Aktuatoren werden auf der anderen Seite des Computers gesteuert. Hierbei handelt es sich häufig um induktive Schaltkreise, die oft große Ströme schalten. Die Hardware zur Anpassung der Sensorsignale und Aktorströme wird als Schnittstellenschaltung bezeichnet. Eine Schnittstellenschaltung sorgt für die Übersetzung einer analogen in eine digitale Spannung.
- Sensoren eine Spannung mit geringem Strom übertragen. Die Schnittstellenschaltung wandelt die Spannung in einen digitalen Wert (0 oder 1) um.
Bei einem Sensorsignal ist die Stromstärke gering; - Aktuatoren erfordern einen höheren Strom.
Mann von Stellantriebe steuern, befinden sich im Steuergerät in Form von (einer Kombination von) Transistoren oder FETs, die auch „Treiber“ genannt werden. Darauf gehen wir im Abschnitt „Ausgangssignale“ näher ein.
Das Bild unten zeigt die Sensoren und Aktoren eines (Benzin-)Motormanagementsystems. Die Spitzengruppe der Sensoren (vom Gaspedalstellungssensor bis zu den Lambdasonden) fällt in die Kategorie „analog“. Das bedeutet, dass die eingehenden Sensorspannungen zunächst im ADC (Analog-Digital-Wandler) digitalisiert werden müssen. Die untere Sensorgruppe (Kurbelwellenpositionssensor bis Fahrgeschwindigkeitssensor) stellt ihr Signal bereits digital zur Verfügung. Die Ein-Aus-Signale bzw. Blockspannungen werden direkt an die CPU angelegt.
Die Aktoren auf der rechten Seite werden von einer Endstufe angesteuert. Eine Ausgangsstufe, auch Treiber genannt, besteht aus einer Schaltung aus mehreren Transistoren, um aus einem Steuerimpuls vom Computer eine nutzbare Spannung und einen nutzbaren Strom zur Steuerung des Aktors zu erzeugen.
Transistor-Transistor-Logik (TTL):
Der Prozessor arbeitet mit Spannungen von 5 Volt. Eingangs- und Ausgangsspannungen sind daher auf einen Bereich von 0 bis 5 Volt (TTL-Pegel, abgekürzt Transistor Transistor Logic) begrenzt. Bei Signalen, die von diesem Spannungsniveau abweichen, erfolgt eine Anpassung in einer Schnittstellenschaltung.
Die folgenden Bilder zeigen, wie aus einer Schalterstellung eine 1 oder eine 0 gebildet wird. Mittels eines Pull-up-Widerstands wird die Spannung von 5 Volt bereitgestellt logisch 1 am Eingang des Prozessors, wenn der Schalter geöffnet wird. Die Spannung am Pull-up-Widerstand ist dann nicht mit Masse verbunden.
Beim Schließen der Schalter entsteht am Pull-Up-Widerstand ein Spannungsabfall. Die Spannung von 0 Volt am Eingang des Prozessors wird als angesehen logisch 0.
Eine Kombination aus offenen und geschlossenen Schaltern erzeugt eine Reihe von Einsen und Nullen. In der Abbildung lautet die 8-Bit-Nachricht an den Prozessor: 00101001.
Bei einem 8-Bit-Prozessor werden die acht Bits gleichzeitig pro Zyklus gelesen. Während des nächsten Zyklus, der beim nächsten „Tick“ der Uhr stattfindet (siehe System Bus auf der Seite zur Funktionsweise des Steuergerätes) folgt eine Sequenz mit acht neuen Bits.
Umwandlung analoger Sensorspannungen in digitale Meldung:
Digitale Eingangssignale werden direkt vom Prozessor verarbeitet. Analoge Signale werden zunächst im A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Als Beispiel nehmen wir den analogen Spannungsverlauf eines Turbodrucksensors:
- im Leerlauf beträgt die Spannung etwa 1,8 Volt;
- Beim Beschleunigen steigt die Spannung auf fast 3 Volt.
Die Spannungsänderung kann nicht direkt im Prozessor verarbeitet werden. Zunächst muss die gemessene Spannung in einen Dezimalwert (0 bis 255) umgewandelt werden.
Mit einem Bereich von 0 bis 5 Volt und einem Dezimalwert von 0 bis 255 (also 256 Möglichkeiten). Eine einfache Rechnung zeigt, dass, wenn wir 5 Volt auf 256 Möglichkeiten teilen, Schritte von 19,5 mV (0,0195 Volt) gemacht werden können.
Das obige Beispiel zeigte die Spannungsentwicklung über der Zeit eines Turbodrucksensors. Der Spannungsverlauf eines Temperatursensors und eines Gaspedalstellungssensors ist gleich, nur in einem anderen Zeitrahmen: Das Aufheizen des Kühlmittels dauert länger als das Hochdrehen des Turbos.
Weiter oben in diesem Abschnitt gibt es ein Bild, das eine Kategorie analoger Signale zeigt. Dies zeigt unter anderem den Temperatursensor und den Gaspedalstellungssensor. Die analoge Spannung wird im A/D-Wandler in eine 8-Bit-Informationseinheit umgewandelt. Viele Prozessoren mit mehreren Eingangspins verfügen nur über einen A/D-Wandler. Durch Multiplexen werden mehrere analoge Signale zu einem Signal zusammengefasst.
In diesem Beispiel sehen wir einen A/D-Wandler mit acht Eingängen. An Pin 0 liegt eine Spannung von 2 Volt an. Die Pins E1 bis E7 können gleichzeitig mit Spannung versorgt werden. Diese werden per Multiplexing einzeln in eine digitale Nachricht umgewandelt.
Die 2-Volt-Spannung wird in einen Binärwert umgewandelt. Mit der folgenden Formel können wir die analoge Spannung in einen Dezimalwert und dann in einen Binärwert umwandeln:
2V / 5V * 255d = 102d
Hier teilen wir die Eingangsspannung (2 V) durch die maximale Spannung (5 V) und multiplizieren diese mit dem maximalen Dezimalwert (255).
Durch eine Berechnung oder einen netten Trick können wir die Dezimalzahl 255d in den Binärwert 01100110 umwandeln.
Siehe dazu die Seite: binär, dezimal, hexadezimal.
Die folgende Tabelle zeigt die dezimalen, binären und hexadezimalen Werte, die verschiedenen Spannungen zugeordnet sind.
Beim Auslesen von Live-Daten kann der Dezimal-, Binär- oder Hexadezimalwert des Sensorsignals angezeigt werden.
- Ein Spannungssignal von <0,5 Volt (025d) gilt als Kurzschluss nach Masse;
- Steigt das Signal über 4,5 Volt (220d), interpretiert der Computer dies als Kurzschluss mit Plus.
Umwandlung von Impulsgebersignalen in eine digitale Nachricht:
Die Signale von Impulsgeneratoren, einschließlich des induktiven Kurbelwellen-Positionssensors, sind eigentlich Ein-Aus-Signale, die entstehen, nachdem sich die Zähne des Impulsrads am Sensor vorbeibewegt haben. Die Wechselspannung des Sensors muss zunächst in eine Rechteckspannung umgewandelt werden, bevor das Signal dem Prozessor zugeführt wird.
In der Abbildung sehen wir auf der linken Seite der Schnittstelle eine sinusförmige Wechselspannung. In der Schnittstellenelektronik wird diese Wechselspannung in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese Blockspannung wird dann vom Timer-/Zählerblock gelesen: Wenn der Impuls hoch ist, beginnt der Zähler zu zählen und hört auf zu zählen, wenn der Impuls wieder hoch wird. Die Anzahl der Zählungen ist ein Maß für die Periodendauer. Frequenz des Signals.
Im Bild unten sehen wir ein Signal des induktiven Kurbelwellensensors mit roten Punkten in den oberen Flanken. Die roten Punkte werden auf eine Spannung eingestellt, um die Blockspannung zu erhöhen (logisch 1) oder zu verringern (logisch 0). Die Erklärung wird unter diesem Bild fortgesetzt.
Allerdings ist die Sensorspannung nie völlig rein. Es wird immer eine kleine Schwankung im Spannungsprofil geben. In diesem Fall kann es sein, dass die Schnittstellenelektronik dies fälschlicherweise als logische 0 anzeigt, obwohl es eigentlich eine 1 sein sollte.
Das Bild des Oszilloskops unten wurde während der Ausführung aufgenommen BMW Megasquirt-Projekt. Das Scope-Bild zeigt die Digitalisierung (gelb) des induktiven Kurbelwellensignals (rot). Das Bild zeigt deutlich, dass im gelben Blocksignal Impulse fehlen, während im Kurbelwellensignal in diesem Moment kein fehlender Zahn vorbeizieht.
Damit kleine Schwankungen im Spannungsverlauf nicht zu einer Fehlinterpretation durch das Steuergerät führen, wurde eine sogenannte Hysterese eingebaut. Die Hysterese ist die Differenz zwischen der steigenden und der fallenden Flanke des Spannungsverlaufs. Im Bild unten sehen wir, dass die roten Punkte an den ansteigenden Flanken eine höhere Spannung haben als die roten Punkte an den abfallenden Flanken. So können wir sicher sein, dass kleine Schwankungen im Signal keinen Einfluss auf die digitale Wandlung haben.
Im ersten Absatz, in dem wir mit der Umwandlung des Pulssignals in das digitale Signal begonnen haben, wurde bereits erwähnt, dass die Frequenz des Signals anhand der Zeit zwischen zwei steigenden Flanken des Rechtecksignals bestimmt wird. Aus diesen Beispielen lässt sich deutlich ableiten, dass die Hysterese zwar die Breite des Rechtecksignals beeinflusst, aber keinen Einfluss auf die Zeit zwischen den Anstiegsflanken und daher keinen Einfluss auf die Frequenz des Signals hat.
Mit einer richtig eingestellten Hysterese wird das Sinussignal ordnungsgemäß in eine nutzbare Rechteckspannung umgewandelt, wobei an den Stellen, an denen der fehlende Zahn vorbeikommt, nur die mehreren logischen Einsen vorhanden sind.
Bitte beachten Sie, dass beim Einrichten des MegaSquirt-Steuergeräts Einstellungen geändert wurden, einschließlich der Triggerung auf den steigenden und fallenden Linien. Dadurch beträgt die Spannung beim Passieren des fehlenden Zahns im ersten Beispiel 0 Volt und im Bild unten beträgt die Spannung 5 Volt.
Ausgangssignale:
Die Ausgangssignale bestehen aus digitalen Ein-/Aus-Impulsen mit einem Spannungsbereich zwischen 0 und 5 Volt (TTL-Pegel) bei sehr geringem Strom. Aktoren erfordern jedoch eine Ansteuerung mit höheren Spannungspegeln und Strömen.
Die Ein-/Aus-Signale können pulsweitenmoduliert sein (PWM), wobei die Impulsbreite bei konstanter Frequenz variieren kann.
Die folgende Abbildung zeigt eine Rechteckspannung auf TTL-Pegel als Funktion der Zeit. Der Auslastungsgrad dieses PWM-Signals beträgt 50 %.
Zur Ansteuerung von Aktoren werden Treiber benötigt. Mit dem digitalen Ausgangssignal kann mit einem Treiber der benötigte Strom erreicht werden. Im nächsten Abschnitt besprechen wir die Treiber.
Wir finden Treiber in jedem Steuergerät und in einigen Aktoren wie DIS-Zündspulen. Ein Treiber wird auch Endstufe oder Leistungstransistor genannt. Der Treiber ermöglicht die Umwandlung von Ausgangssignalen auf TTL-Ebene: 0 bis 5 Volt, mit einem geringen Strom von 1 mA vom Steuergerät in Spannungen bis 14 Volt und Ströme bis ca. 10 A.
Ein Fahrer kann mehrere verbinden Transistoren enthalten. Wir nennen einen solchen Transistor „Darlington-Transistor„. Die folgenden Bilder zeigen die folgenden Schaltungen:
- Schematische Darstellung einer Darlington-Schaltung mit zwei Transistoren zur Zündspulensteuerung (Quelle: Datenblatt BU941ZR).
- Zwei Transistoren mit jeweils Darlington-Schaltung (BU941ZR)
- Treiber-ICs mit Darlington-Schaltungen und Zusatzelektronik unter anderem für Temperaturschutz und Rückmeldung an den Mikroprozessor.
Auf der Seite: Steuerungsmethoden von Aktoren Auf die Ansteuerung passiver, aktiver und intelligenter Aktoren mittels eines (Leistungs-)Transistors oder FET wird näher eingegangen.
