Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Λογικές πύλες
- Συνδυαστικά κυκλώματα και εφαρμογές αυτοκινήτου
Εισαγωγή:
Η επεξεργασία πληροφοριών των σύγχρονων μηχανοκίνητων οχημάτων είναι σε μεγάλο βαθμό, ή όχι εξ ολοκλήρου, ψηφιακή. Οι ψηφιακές πληροφορίες αποτελούνται από ηλεκτρικές τάσεις, όπου διαμορφώνεται ένα ναι/όχι ή ενεργοποίηση/απενεργοποίηση με βάση το επίπεδο τάσης. Στο ηλεκτρονικά διεπαφής βρίσκεται σε έναν μετατροπέα A/D (Αναλογικό / Ψηφιακό) όπου μια τάση αισθητήρα μετατρέπεται σε ψηφιακό μήνυμα, το οποίο αποτελείται από μονάδες και μηδενικά.
Στα ψηφιακά ηλεκτρονικά μιλάμε για λογικό 1 ή λογικό 0. Οι τάσεις είναι σε επίπεδο TTL (Transistor Transistor Logic).
- Ναι ή σε: λογικο 1: 5 βολτ
- Όχι ή απενεργοποιημένο: λογικο 0: 0 βολτ
Τα βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα σε ECU περιέχουν πολλά IC που δημιουργούν λογικά κυκλώματα. Αυτά τα λογικά κυκλώματα περιέχουν λογικές πύλες, οι οποίες μπορούν να ελεγχθούν από την CPU είτε από υλικό είτε από λογισμικό.
Λογικές πύλες:
Η ALU (Arithmetic Logic Unit) είναι το κεντρικό τμήμα του μικροεπεξεργαστή σε μια ECU. Η ALU εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις. Η ALU ελέγχει επίσης πού στη μνήμη βρίσκεται η επόμενη εντολή του προγράμματος που θα εκτελεστεί.
Το ALU περιέχει λογικές πύλες που συχνά κατασκευάζονται από ημιαγωγούς πυριτίου. Οι λογικές πύλες μπορούν να εκτελέσουν λειτουργίες μέσα σε λίγα νανοδευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας έναν δυαδικό κώδικα. συνδυασμός μονάδων και μηδενικών. Αυτό δίνει μια εντολή που αποτελείται από δύο επιλογές: ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση, αγώγιμη ή μη αγώγιμη. Πολλαπλές εντολές επεξεργάζονται ταυτόχρονα στο ALU και συνεργάζονται για να σχηματίσουν μια «λέξη» με 8, 16 ή 32 bit, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του υπολογιστή. Μια λέξη είναι ο μεγαλύτερος όγκος δεδομένων που είναι αποθηκευμένοι σε έναν μόνο καταχωρητή δεδομένων. Αυτός είναι ο όγκος των δεδομένων που μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία από τον επεξεργαστή ταυτόχρονα.
Οι ακόλουθες βασικές λειτουργίες πραγματοποιούνται σε μια ALU:
- μετακίνηση ενός ή περισσότερων θέσεων bit προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά (shift)
- εκτέλεση αριθμητικών πράξεων σε δύο λέξεις, όπως πρόσθεση ή πρόσθεση (προσθήκη).
- εκτελώντας λογικές πράξεις στα δεδομένα (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν την ALU ως σύμβολο (αριστερά) και με τα σύμβολα IEC που μεταφράζουν τη λειτουργία από A και B (εισερχόμενη) σε R (εξερχόμενη).
Οι πύλες NOT, OR και AND που βλέπουμε στη δεξιά ALU είναι οι πιο συνηθισμένες πύλες που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση λογικών πράξεων. Υπάρχουν θύρες που είναι επιπλέον σε αυτές τις τρεις βασικές θύρες. Θα επανέλθουμε σε αυτό αργότερα σε αυτήν τη σελίδα. Με τις πύλες NOT, OR και AND, τα αποτελέσματα των εισόδων μπορούν να προγραμματιστούν εκ των προτέρων. Μέσω ενός κυκλώματος που βάζει μια απάντηση όπως ναι/όχι ή αλήθεια/λάθος, για παράδειγμα, στο προειδοποιητικό φως του χειρόφρενου, το φως μπορεί να ενεργοποιηθεί με βάση δύο εισόδους.
- είναι πατημένο το χειρόφρενο;
- είναι σωστή η στάθμη του δοχείου υγρού φρένων;
Εάν η μία ή και οι δύο απαντήσεις μπορούν να απαντηθούν με «ναι», η προειδοποιητική λυχνία ενεργοποιείται. Περισσότερα παραδείγματα ακολουθούν περαιτέρω σε αυτήν τη σελίδα.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει αυτές τις τρεις βασικές θύρες. Σε αυτή τη σελίδα χρησιμοποιούμε κυρίως τα αγγλικά ονόματα (AND αντί για EN) για να μην δημιουργηθεί καμία σύγχυση σε εσάς ως αναγνώστη, αλλά και τα δύο είναι φυσικά σωστά. Το ίδιο ισχύει και για τα σύμβολα (IEC και ANSI). Εφαρμόζουμε τα σύμβολα IEC, αλλά στην αμερικανική βιβλιογραφία βλέπουμε κυρίως τα σύμβολα ANSI. Ισχύει επίσης το εξής: μην τα ανακατεύετε και χρησιμοποιήστε έναν τύπο συμβόλου.
Κάτω από τον πίνακα δίνεται μια εξήγηση των ιδιοτήτων κάθε πύλης και ο πίνακας αλήθειας δείχνει ποιες είσοδοι σας δίνουν έξοδο 0 ή 1.
Ακολουθεί η επεξήγηση των τριών πυλών με το σύμβολο και τον πίνακα αλήθειας, που δείχνει τις εξόδους για διαφορετικούς συνδυασμούς εισόδου.
ΚΑΙ πύλη:
Η πύλη AND (Ολλανδικά: AND gate) μπορεί να έχει πολλαπλές εισόδους, αλλά πάντα έχει μόνο μία έξοδο. Στην εικόνα βλέπουμε τις εισόδους a και b. Είναι δυνατό να ορίσετε ένα 1 ή ένα 0 και στις δύο εισόδους, ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Η έξοδος (Q) γίνεται 1 εάν και οι δύο είσοδοι (a και b) είναι 1. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις η έξοδος Q είναι 0.
- Με δύο εισόδους της πύλης AND (σε αυτήν την περίπτωση είσοδος Α και Β), υπάρχουν τέσσερα πιθανά κυκλώματα για τη δημιουργία μιας εξόδου. Αυτά φαίνονται στον πίνακα αλήθειας, στα δεξιά της εικόνας της πύλης ΚΑΙ.
- Με τέσσερις εισόδους υπάρχουν 16 δυνατότητες.
- Με οκτώ εισόδους υπάρχουν ακόμη και 256 δυνατότητες.
Ή πύλη:
Η πύλη OR (ολλανδικά: OF gate) μπορεί επίσης να έχει πολλαπλές εισόδους, με μία έξοδο. Με μια πύλη OR, η έξοδος είναι 1 εάν μία από τις δύο εισόδους είναι 1 ή εάν και οι δύο είσοδοι είναι 1.
ΟΧΙ πύλη:
Η πύλη NOT (Ολλανδικά: NOT gate) λειτουργεί ως μετατροπέας και έχει μόνο μία είσοδο και έξοδο. Το σήμα εισόδου είναι ανεστραμμένο: όταν το σήμα εισόδου είναι 1, το σήμα εξόδου γίνεται 0 και αντίστροφα.
Εκτός από τα κυκλώματα που αναφέρθηκαν (AND, OR και NOT), γνωρίζουμε επίσης μια σειρά από λογικά κυκλώματα παραγώγων. Με αυτά τα κυκλώματα μπορούμε να συνδυάσουμε δύο από τα κυκλώματα που συζητήθηκαν προηγουμένως σε ένα κύκλωμα.
Πύλη NAND:
Η πύλη Not-AND είναι μια πύλη ΚΑΙ ακολουθούμενη από μια πύλη ΜΗ. Η έξοδος είναι 1 εάν πολλές είσοδοι έχουν 1. Μόνο όταν όλες οι είσοδοι έχουν 1, η έξοδος είναι 0. Αυτό είναι ακριβώς το αντίθετο από την πύλη AND που συζητήθηκε προηγουμένως.
NOR πύλη:
Η πύλη Not-OR (Non-OR gate) είναι μια πύλη OR που ακολουθείται από μια πύλη NOT. Μπορεί να έχει πολλαπλές εισόδους και έχει μόνο μία έξοδο. Σε αυτό το κύκλωμα η έξοδος θα είναι μόνο 1 όταν και οι δύο είσοδοι είναι 0.
Πύλη XOR:
Η πύλη exclusive-OR είναι μια πύλη της οποίας η έξοδος είναι 1 όταν μόνο μία είσοδος είναι 1. Όταν και οι δύο είσοδοι έχουν την ίδια λογική κατάσταση, η έξοδος γίνεται 0. Η πύλη XOR δεν έχει ποτέ περισσότερες από δύο εισόδους.
Θύρα XNOR:
Η πύλη eXclusive-OR είναι εξοπλισμένη με μια πύλη NOT, η οποία την καθιστά μια πύλη Exclusive-NOT-OR. Η έξοδος αντιστρέφεται στην πύλη XOR.
Για κάθε IC είναι σημαντικό να είναι συνδεδεμένα τόσο το τροφοδοτικό όσο και η γείωση για να επιτευχθεί ένα κλειστό κύκλωμα. Και οι δύο θύρες πρέπει επίσης να λαμβάνουν μια τάση για να αποφευχθεί μια αιωρούμενη μέτρηση. Απαιτούνται αντιστάσεις pull-up και pull-down για τη σωστή εναλλαγή των εισόδων και εξόδων. Χωρίς αυτές τις αντιστάσεις, οι θύρες μπορούν να παραμείνουν «ενεργές» χωρίς να ελέγχονται. Οι θύρες τότε δεν είναι αξιόπιστες.
Συνδυαστικά κυκλώματα και εφαρμογές αυτοκινήτων:
Τα ψηφιακά IC μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους συνδέοντας την έξοδο ενός IC στην είσοδο του άλλου IC. Με αυτούς τους συνδυασμούς, μπορούν να κατασκευαστούν κυκλώματα που παράγουν έναν επιθυμητό συνδυασμό εξόδου για οποιονδήποτε επιθυμητό συνδυασμό εισόδου. Όταν πολλά IC συνδέονται μεταξύ τους, μιλάμε για συνδυαστικό κύκλωμα. Για να πάρετε μια αίσθηση για τα συνδυαστικά κυκλώματα, δίνονται παρακάτω τεχνικά παραδείγματα αυτοκινήτων.
Φωτεινό προειδοποιητικό κύκλωμα:
Ένα πρακτικό παράδειγμα συνδυαστικού κυκλώματος είναι αυτό της φωτεινής προειδοποίησης. Όταν η ανάφλεξη είναι σβηστή και η πόρτα ανοίγει ενώ τα εξωτερικά φώτα είναι αναμμένα, ο οδηγός πρέπει να προειδοποιηθεί με βομβητή. Η πύλη AND χρησιμοποιείται για τα τρία σήματα εισόδου. Όπως περιγράφεται στην προηγούμενη ενότητα, όλες οι είσοδοι στην πύλη AND πρέπει να είναι 1 για να λάβετε ένα 1 στην έξοδο και να ενεργοποιήσετε το βομβητή. Εάν μία από τις τρεις εισόδους στην πύλη AND είναι 0, η έξοδος παραμένει 0 και ο βομβητής παραμένει απενεργοποιημένος.
- Διακόπτης φωτός: όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος, η είσοδος a θα εμφανίσει ένα 0. Όταν τα φώτα στάθμευσης ή τα φώτα μεσαίας σκάλας είναι αναμμένα, αυτό γίνεται 1.
- Κλείδωμα ανάφλεξης: όταν η κλειδαριά ανάφλεξης είναι ενεργοποιημένη, εμφανίζεται το σύμβολο 1 στην είσοδο b. Όταν η ανάφλεξη είναι απενεργοποιημένη, ένα 0. Σε αυτήν την περίπτωση, η πύλη NOT αναστρέφει το 0 σε ένα 1 για να λάβει το σωστό σήμα για την πύλη AND.
- Διακόπτης πόρτας: όταν μια πόρτα είναι ανοιχτή, το σήμα μεταβαίνει στη γείωση. Ακριβώς όπως με το διακόπτη ανάφλεξης, το 0 πρέπει να αναστραφεί στο 1 για να λειτουργήσει σωστά η πύλη AND.
