Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Transistor Transistor Logic (TTL)
- Μετατροπή τάσεων αναλογικού αισθητήρα σε ψηφιακό μήνυμα
- Μετατροπή σήματος γεννήτριας παλμών σε ψηφιακό μήνυμα
- Σήματα εξόδου
Εισαγωγή:
Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα ηλεκτρικά σήματα από τους αισθητήρες πρέπει να ρυθμιστούν πριν παρουσιαστούν στον επεξεργαστή. Οι ενεργοποιητές ελέγχονται στην άλλη πλευρά του υπολογιστή. Αυτά είναι συχνά επαγωγικά κυκλώματα που συχνά αλλάζουν μεγάλα ρεύματα. Το υλικό για τη ρύθμιση των σημάτων των αισθητήρων και των ρευμάτων του ενεργοποιητή ονομάζεται κυκλώματα διασύνδεσης. Ένα κύκλωμα διασύνδεσης εξασφαλίζει τη μετάφραση μιας αναλογικής σε ψηφιακή τάση.
- αισθητήρες μεταδίδει μια τάση με χαμηλό ρεύμα. Το κύκλωμα διασύνδεσης μετατρέπει την τάση σε ψηφιακή τιμή (0 ή 1).
Η ένταση του ρεύματος είναι χαμηλή με ένα σήμα αισθητήρα. - Ενεργοποιητές απαιτούν υψηλότερο ρεύμα.
Στο ενεργοποιητές ελέγχου, βρίσκονται στην ECU με τη μορφή (συνδυασμού) τρανζίστορ ή FET, τα οποία ονομάζονται και «οδηγοί». Θα το συζητήσουμε λεπτομερέστερα στην ενότητα "σήματα εξόδου".
Η παρακάτω εικόνα δείχνει τους αισθητήρες και τους ενεργοποιητές ενός συστήματος διαχείρισης κινητήρα (βενζίνης). Η κορυφαία ομάδα αισθητήρων (από τον αισθητήρα θέσης του πεντάλ γκαζιού έως τους αισθητήρες λάμδα) εμπίπτει στην κατηγορία "αναλογικό". Αυτό σημαίνει ότι οι εισερχόμενες τάσεις του αισθητήρα πρέπει πρώτα να ψηφιοποιηθούν στον ADC (αναλογικός – ψηφιακός μετατροπέας). Η κατώτερη ομάδα αισθητήρων (ο αισθητήρας θέσης στροφαλοφόρου προς τον αισθητήρα ταχύτητας οχήματος) παρέχει ήδη το σήμα τους ψηφιακά. Τα σήματα ενεργοποίησης-απενεργοποίησης ή οι τάσεις μπλοκ εφαρμόζονται απευθείας στην CPU.
Οι ενεργοποιητές στα δεξιά ελέγχονται από μια βαθμίδα εξόδου. Ένα στάδιο εξόδου, που ονομάζεται επίσης οδηγός, αποτελείται από ένα κύκλωμα πολλών τρανζίστορ για τη δημιουργία μιας χρησιμοποιήσιμης τάσης και ρεύματος από έναν παλμό ελέγχου από τον υπολογιστή για τον έλεγχο του ενεργοποιητή.
Transistor Transistor Logic (TTL):
Ο επεξεργαστής λειτουργεί με τάσεις 5 βολτ. Επομένως, οι τάσεις εισόδου και εξόδου περιορίζονται σε ένα εύρος από 0 έως 5 βολτ (επίπεδο TTL, συντομογραφία από το Transistor Transistor Logic). Για σήματα που αποκλίνουν από αυτό το επίπεδο τάσης, πραγματοποιείται μια ρύθμιση σε ένα κύκλωμα διασύνδεσης.
Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν πώς σχηματίζεται ένα 1 ή ένα 0 από μια θέση διακόπτη. Μέσω μιας αντίστασης έλξης η τάση των 5 βολτ παρέχει α λογικο 1 στην είσοδο του επεξεργαστή όταν ανοίγει ο διακόπτης. Η τάση κατά μήκος της αντίστασης έλξης δεν συνδέεται τότε στη γείωση.
Όταν οι διακόπτες κλείνουν, εμφανίζεται μια πτώση τάσης στην αντίσταση έλξης. Η τάση των 0 βολτ στην είσοδο του επεξεργαστή φαίνεται ως λογικο 0.
Ένας συνδυασμός ανοιχτών και κλειστών διακοπτών παράγει μια σειρά από ένα και μηδενικά. Στο σχήμα, το μήνυμα 8-bit προς τον επεξεργαστή είναι: 00101001.
Με έναν επεξεργαστή 8 bit, τα οκτώ bit διαβάζονται ταυτόχρονα ανά κύκλο. Κατά τη διάρκεια του επόμενου κύκλου, ο οποίος λαμβάνει χώρα κατά το επόμενο «τικ» του ρολογιού (βλ διαύλου συστήματος στη σελίδα για τη λειτουργία της ECU) ακολουθεί μια ακολουθία με οκτώ νέα bit.
Μετατροπή τάσεων αναλογικού αισθητήρα σε ψηφιακό μήνυμα:
Τα ψηφιακά σήματα εισόδου επεξεργάζονται απευθείας από τον επεξεργαστή. Τα αναλογικά σήματα μετατρέπονται πρώτα σε ψηφιακό σήμα στον μετατροπέα A/D. Ως παράδειγμα, παίρνουμε την καμπύλη αναλογικής τάσης ενός αισθητήρα πίεσης στροβιλοκινητήρα:
- στο ρελαντί η τάση είναι περίπου 1,8 βολτ.
- κατά την επιτάχυνση, η τάση αυξάνεται σχεδόν στα 3 βολτ.
Δεν είναι δυνατή η επεξεργασία της αλλαγής τάσης απευθείας στον επεξεργαστή. Αρχικά, η μετρούμενη τάση πρέπει να μετατραπεί σε δεκαδική τιμή (0 έως 255).
Με εύρος από 0 έως 5 βολτ και δεκαδική τιμή από 0 έως 255 (άρα 256 δυνατότητες). Ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι αν διαιρέσουμε 5 βολτ σε 256 πιθανότητες, μπορούν να γίνουν βήματα των 19,5 mV (0,0195 βολτ).
Το παραπάνω παράδειγμα έδειξε την εξέλιξη της τάσης σε σχέση με το χρόνο ενός αισθητήρα πίεσης στροβίλου. Η καμπύλη τάσης ενός αισθητήρα θερμοκρασίας και του αισθητήρα θέσης πεντάλ γκαζιού είναι η ίδια, μόνο σε διαφορετικό χρονικό πλαίσιο: η θέρμανση του ψυκτικού χρειάζεται περισσότερο χρόνο από την περιέλιξη του τούρμπο.
Νωρίτερα σε αυτήν την ενότητα υπάρχει μια εικόνα που δείχνει μια κατηγορία αναλογικών σημάτων. Αυτό δείχνει, μεταξύ άλλων, τον αισθητήρα θερμοκρασίας και τον αισθητήρα θέσης πεντάλ γκαζιού. Η αναλογική τάση μετατρέπεται σε μονάδα πληροφοριών 8 bit στον μετατροπέα A/D. Πολλοί επεξεργαστές με πολλαπλές ακίδες εισόδου έχουν μόνο έναν μετατροπέα A/D. Πολλαπλά αναλογικά σήματα συνδυάζονται σε ένα σήμα χρησιμοποιώντας πολυπλεξία.
Σε αυτό το παράδειγμα βλέπουμε έναν μετατροπέα A/D με οκτώ εισόδους. Υπάρχει τάση 0 βολτ στον ακροδέκτη 2. Οι ακίδες E1 έως E7 μπορούν να τροφοδοτηθούν με τάσεις ταυτόχρονα. Αυτά μετατρέπονται ένα προς ένα σε ψηφιακό μήνυμα χρησιμοποιώντας πολυπλεξία.
Η τάση των 2 βολτ μετατρέπεται σε δυαδική τιμή. Με τον ακόλουθο τύπο μπορούμε να μετατρέψουμε την αναλογική τάση σε δεκαδική τιμή και στη συνέχεια να τη μετατρέψουμε σε δυαδική τιμή:
2v / 5v * 255d = 102d
Εδώ διαιρούμε την τάση εισόδου (2v) με τη μέγιστη τάση (5v) και την πολλαπλασιάζουμε με τη μέγιστη δεκαδική τιμή (255).
Κάνοντας κάποιους υπολογισμούς ή κάνοντας ένα καθαρό κόλπο, μπορούμε να μετατρέψουμε τον δεκαδικό αριθμό των 255d στη δυαδική τιμή του 01100110.
Δείτε τη σελίδα για αυτό: δυαδικό, δεκαδικό, δεκαεξαδικό.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τις δεκαδικές, δυαδικές και δεκαεξαδικές τιμές που σχετίζονται με διαφορετικές τάσεις.
Κατά την ανάγνωση ζωντανών δεδομένων, ενδέχεται να εμφανίζεται η δεκαδική, δυαδική ή δεκαεξαδική τιμή του σήματος του αισθητήρα.
- Ένα σήμα τάσης <0,5 βολτ (025d) θεωρείται βραχυκύκλωμα στη γείωση.
- Εάν το σήμα ανέβει πάνω από 4,5 βολτ (220d), ο υπολογιστής το μεταφράζει ως βραχυκύκλωμα με θετικό.
Μετατροπή σημάτων γεννήτριας παλμών σε ψηφιακό μήνυμα:
Τα σήματα από τις γεννήτριες παλμών, συμπεριλαμβανομένου του επαγωγικού αισθητήρα θέσης στροφαλοφόρου άξονα, είναι στην πραγματικότητα σήματα ενεργοποίησης-απενεργοποίησης που προκύπτουν αφού τα δόντια του τροχού παλμών έχουν περάσει από τον αισθητήρα. Η εναλλασσόμενη τάση του αισθητήρα πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε τάση τετραγώνου κύματος πριν παρουσιαστεί το σήμα στον επεξεργαστή.
Στο σχήμα βλέπουμε μια ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση στην αριστερή πλευρά της διεπαφής. Στα ηλεκτρονικά διεπαφής, αυτή η εναλλασσόμενη τάση μετατρέπεται σε τάση τετραγώνου κύματος. Αυτή η τάση μπλοκ στη συνέχεια διαβάζεται από το μπλοκ χρονοδιακόπτη/μετρητή: όταν ο παλμός είναι υψηλός, ο μετρητής αρχίζει να μετράει και σταματά να μετράει όταν ο παλμός γίνει ξανά υψηλός. Ο αριθμός των μετρήσεων είναι ένα μέτρο του χρόνου περιόδου. συχνότητα του σήματος.
Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε ένα σήμα από τον επαγωγικό αισθητήρα στροφαλοφόρου με κόκκινες κουκκίδες στις πάνω πλευρές. Τα κόκκινα σημεία ρυθμίζονται σε μια τάση για αύξηση (λογική 1) ή μείωση (λογική 0) της τάσης μπλοκ. Η εξήγηση συνεχίζεται κάτω από αυτήν την εικόνα.
Ωστόσο, η τάση του αισθητήρα δεν είναι ποτέ εντελώς καθαρή. Θα υπάρχει πάντα μια μικρή διακύμανση στο προφίλ τάσης. Σε αυτήν την περίπτωση, τα ηλεκτρονικά διεπαφής ενδέχεται να το υποδηλώνουν εσφαλμένα ως λογικό 0, ενώ στην πραγματικότητα θα έπρεπε να είναι 1.
Η παρακάτω εικόνα εύρους καταγράφηκε κατά την εκτέλεση της Έργο BMW Megasquirt. Η εικόνα εύρους δείχνει την ψηφιοποίηση (κίτρινη) του επαγωγικού σήματος στροφαλοφόρου (κόκκινο). Η εικόνα δείχνει ξεκάθαρα ότι λείπουν παλμοί στο σήμα του κίτρινου μπλοκ, ενώ εκείνη τη στιγμή δεν περνάει κανένα δόντι που λείπει στο σήμα του στροφαλοφόρου.
Για να διασφαλιστεί ότι οι μικρές διακυμάνσεις στο προφίλ τάσης δεν προκαλούν λανθασμένη ερμηνεία από την ECU, έχει ενσωματωθεί μια λεγόμενη υστέρηση. Η υστέρηση είναι η διαφορά μεταξύ των ακμών ανόδου και πτώσης του προφίλ τάσης. Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε ότι οι κόκκινες κουκίδες στις ανερχόμενες άκρες είναι σε υψηλότερη τάση από τις κόκκινες κουκκίδες στις ακμές που πέφτουν. Έτσι μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι μικρές διακυμάνσεις στο σήμα δεν επηρεάζουν την ψηφιακή μετατροπή.
Στην πρώτη παράγραφο όπου ξεκινήσαμε σχετικά με τη μετατροπή του παλμικού σήματος σε ψηφιακό σήμα, αναφέρθηκε ήδη ότι η συχνότητα του σήματος προσδιορίζεται με βάση το χρόνο μεταξύ δύο ανοδικών άκρων του τετραγωνικού σήματος. Σε αυτά τα παραδείγματα μπορεί να συναχθεί ξεκάθαρα ότι η υστέρηση όντως επηρεάζει το πλάτος του τετραγώνου σήματος, αλλά δεν έχει καμία επίδραση στο χρόνο μεταξύ των ανερχόμενων άκρων και επομένως δεν έχει καμία επίδραση στη συχνότητα του σήματος.
Με μια σωστά ρυθμισμένη υστέρηση, το ημιτονοειδές σήμα μετατρέπεται σωστά σε μια χρησιμοποιήσιμη τάση τετραγωνικού κύματος, με μόνο τις πολλαπλές λογικές στα σημεία που περνά το δόντι που λείπει.
Λάβετε υπόψη ότι κατά τη ρύθμιση της ECU του MegaSquirt, οι ρυθμίσεις άλλαξαν, συμπεριλαμβανομένης της ενεργοποίησης στις γραμμές ανόδου και πτώσης. Ως αποτέλεσμα, όταν περνάτε το δόντι που λείπει στο πρώτο παράδειγμα, η τάση είναι 0 βολτ και στην εικόνα εύρους κάτω από την τάση είναι 5 βολτ.
Σήματα εξόδου:
Τα σήματα εξόδου αποτελούνται από ψηφιακούς παλμούς ενεργοποίησης/απενεργοποίησης με εύρος τάσης μεταξύ 0 και 5 βολτ (στάθμη TTL) με πολύ χαμηλό ρεύμα. Ωστόσο, οι ενεργοποιητές απαιτούν έλεγχο με υψηλότερα επίπεδα τάσης και ρεύματα.
Τα σήματα ενεργοποίησης/απενεργοποίησης μπορούν να διαμορφωθούν σε πλάτος παλμού (PWM), όπου το πλάτος του παλμού μπορεί να ποικίλλει σε σταθερή συχνότητα.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια τετραγωνική τάση κύματος σε επίπεδο TTL ως συνάρτηση του χρόνου. ο κύκλος καθηκόντων αυτού του σήματος PWM είναι 50%.
Απαιτούνται προγράμματα οδήγησης για τον έλεγχο των ενεργοποιητών. Με το ψηφιακό σήμα εξόδου, το απαιτούμενο ρεύμα μπορεί να επιτευχθεί με ένα πρόγραμμα οδήγησης. Στην επόμενη ενότητα θα συζητήσουμε τα προγράμματα οδήγησης.
Βρίσκουμε προγράμματα οδήγησης σε κάθε ECU και σε ορισμένους ενεργοποιητές όπως πηνία ανάφλεξης DIS. Ένας οδηγός ονομάζεται επίσης στάδιο εξόδου ή τρανζίστορ ισχύος. Το πρόγραμμα οδήγησης καθιστά δυνατή τη μετατροπή σημάτων εξόδου σε επίπεδο TTL: 0 έως 5 volts, με χαμηλό ρεύμα 1 mA από την ECU σε τάσεις έως 14 volt και ρεύματα έως περίπου 10 A.
Ένα πρόγραμμα οδήγησης μπορεί να συνδέσει πολλά τρανζίστορ περιέχω. Ονομάζουμε ένα τέτοιο τρανζίστορ "Τρανζίστορ Darlington". Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν τα ακόλουθα κυκλώματα:
- Σχηματικό κύκλωμα Darlington με δύο τρανζίστορ για τον έλεγχο του πηνίου ανάφλεξης (πηγή: φύλλο δεδομένων BU941ZR).
- Δύο τρανζίστορ, το καθένα με κύκλωμα Darlington (BU941ZR)
- IC προγράμματος οδήγησης με κυκλώματα Darlington και πρόσθετα ηλεκτρονικά για, μεταξύ άλλων, προστασία θερμοκρασίας και ανάδραση στον μικροεπεξεργαστή.
Στη σελίδα: μέθοδοι ελέγχου των ενεργοποιητών Ο έλεγχος παθητικών, ενεργών και ευφυών ενεργοποιητών μέσω ενός τρανζίστορ (ισχύος) ή FET συζητείται με περισσότερες λεπτομέρειες.
