Asignaturas:
- Introducción
- Lógica de transistores de transistores (TTL)
- Conversión de voltajes de sensores analógicos a mensajes digitales.
- Conversión de señal del generador de impulsos a mensaje digital.
- señal de salida
Introducción:
En la mayoría de los casos, las señales eléctricas de los sensores deben ajustarse antes de presentarse al procesador. Los actuadores se controlan desde el otro lado de la computadora. Suelen ser circuitos inductivos que a menudo conmutan grandes corrientes. El hardware para ajustar las señales del sensor y las corrientes del actuador se denomina circuitos de interfaz. Un circuito de interfaz garantiza la traducción de un voltaje analógico a digital.
- Sensores transmitir un voltaje con una corriente baja. El circuito de interfaz convierte el voltaje en un valor digital (0 o 1).
La intensidad de la corriente es baja con una señal del sensor; - Actuadores requieren mayor corriente.
Hombre de actuadores de control, están ubicados en la ECU en forma de (una combinación de) transistores o FET, que también se denominan "controladores". Discutiremos esto con más detalle en la sección "señales de salida".
La siguiente imagen muestra los sensores y actuadores de un sistema de gestión de motor (de gasolina). El grupo superior de sensores (desde el sensor de posición del pedal del acelerador hasta las sondas lambda) se incluye en la categoría "analógica". Esto significa que los voltajes entrantes del sensor primero deben digitalizarse en el ADC (convertidor analógico-digital). El grupo inferior de sensores (del sensor de posición del cigüeñal al sensor de velocidad del vehículo) ya proporciona su señal de forma digital. Las señales on-off o voltajes de bloqueo se aplican directamente a la CPU.
Los actuadores de la derecha están controlados por una etapa de salida. Una etapa de salida, también llamada controlador, consta de un circuito de varios transistores para generar un voltaje y una corriente utilizables a partir de un pulso de control de la computadora para controlar el actuador.
Lógica de transistores (TTL):
El procesador funciona con voltajes de 5 voltios. Por lo tanto, los voltajes de entrada y salida están limitados a un rango de 0 a 5 voltios (nivel TTL, abreviado de Transistor Transistor Logic). Para señales que difieren de este nivel de tensión, se realiza un ajuste en un circuito de interfaz.
Las imágenes siguientes muestran cómo se forma un 1 o un 0 a partir de la posición de un interruptor. Por medio de una resistencia pull-up, el voltaje de 5 voltios proporciona una lógico 1 en la entrada del procesador cuando se abre el interruptor. Entonces, el voltaje a través de la resistencia pull-up no está conectado a tierra.
Cuando los interruptores se cierran, se produce una caída de voltaje a través de la resistencia pull-up. El voltaje de 0 voltios en la entrada del procesador se ve como lógico 0.
Una combinación de interruptores abiertos y cerrados produce una serie de unos y ceros. En la figura, el mensaje de 8 bits al procesador es: 00101001.
En un procesador de 8 bits, los ocho bits se leen simultáneamente por ciclo. Durante el siguiente ciclo, que tiene lugar durante el siguiente “tick” del reloj (ver la sistema de autobús en la página sobre el funcionamiento de la ECU) sigue una secuencia con ocho bits nuevos.
Conversión de voltajes de sensores analógicos a mensaje digital:
Las señales de entrada digitales son procesadas directamente por el procesador. Las señales analógicas se convierten primero en señales digitales en el convertidor A/D. Como ejemplo, tomamos la curva de tensión analógica de un sensor de presión turbo:
- en ralentí, el voltaje es de aproximadamente 1,8 voltios;
- al acelerar, el voltaje sube a casi 3 voltios.
El cambio de voltaje no se puede procesar directamente en el procesador. Primero, el voltaje medido debe convertirse a un valor decimal (0 a 255).
Con un rango de 0 a 5 voltios y un valor decimal de 0 a 255 (es decir, 256 posibilidades). Un cálculo sencillo muestra que si dividimos 5 voltios entre 256 posibilidades, se pueden realizar pasos de 19,5 mV (0,0195 voltios).
El ejemplo anterior mostró el desarrollo de voltaje versus el tiempo de un sensor de presión turbo. La curva de voltaje de un sensor de temperatura y un sensor de posición del pedal del acelerador es la misma, solo que en un período de tiempo diferente: calentar el refrigerante lleva más tiempo que hacer funcionar el turbo.
Anteriormente en esta sección hay una imagen que muestra una categoría de señales analógicas. Aquí se muestran, entre otros, el sensor de temperatura y el sensor de posición del pedal del acelerador. El voltaje analógico se convierte en una unidad de información de 8 bits en el convertidor A/D. Muchos procesadores con múltiples pines de entrada tienen un solo convertidor A/D. Varias señales analógicas se combinan en una sola señal mediante multiplexación.
En este ejemplo vemos un convertidor A/D con ocho entradas. Hay un voltaje de 0 voltios en el pin 2. Los pines E1 a E7 pueden recibir tensión al mismo tiempo. Estos se convierten uno por uno en un mensaje digital mediante multiplexación.
El voltaje de 2 voltios se convierte a un valor binario. Con la siguiente fórmula podemos convertir el voltaje analógico a un valor decimal, para luego convertirlo a un valor binario:
2v / 5v * 255d = 102d
Aquí dividimos el voltaje de entrada (2v) por el voltaje máximo (5v) y lo multiplicamos por el valor decimal máximo (255).
Haciendo algunos cálculos o realizando un buen truco, podemos convertir el número decimal de 255d al valor binario de 01100110.
Vea la página para esto: binario, decimal, hexadecimal.
La siguiente tabla muestra los valores decimales, binarios y hexadecimales asociados a diferentes voltajes.
Al leer datos en vivo, se puede mostrar el valor decimal, binario o hexadecimal de la señal del sensor.
- Una señal de voltaje de <0,5 voltios (025d) se considera un cortocircuito a tierra;
- Si la señal supera los 4,5 voltios (220d), la computadora lo traduce como un cortocircuito con positivo.
Conversión de señales del generador de impulsos a un mensaje digital:
Las señales de los generadores de impulsos, incluido el sensor inductivo de posición del cigüeñal, son en realidad señales de encendido y apagado que surgen después de que los dientes de la rueda de impulsos han pasado por el sensor. El voltaje alterno del sensor primero debe convertirse a un voltaje de onda cuadrada antes de que la señal se presente al procesador.
En la figura vemos una tensión alterna sinusoidal en el lado izquierdo de la interfaz. En la electrónica de interfaz esta tensión alterna se convierte en una tensión de onda cuadrada. Este voltaje de bloque es luego leído por el bloque temporizador/contador: cuando el pulso es alto, el contador comienza a contar y deja de contar cuando el pulso vuelve a ser alto. El número de conteos es una medida del período de tiempo. frecuencia de la señal.
En la imagen inferior vemos una señal del sensor inductivo del cigüeñal con puntos rojos en los flancos superiores. Los puntos rojos están configurados en un voltaje para aumentar (lógico 1) o disminuir (lógico 0) el voltaje de bloqueo. La explicación continúa debajo de esta imagen.
Sin embargo, el voltaje del sensor nunca es completamente puro. Siempre habrá una pequeña fluctuación en el perfil de voltaje. En ese caso, la electrónica de la interfaz puede indicar incorrectamente esto como un 0 lógico, cuando en realidad debería ser un 1.
La imagen del alcance a continuación se grabó mientras se ejecutaba. Proyecto BMW Megasquirt. La imagen del osciloscopio muestra la digitalización (amarillo) de la señal inductiva del cigüeñal (rojo). En la imagen se ve claramente que faltan pulsos en la señal del bloque amarillo, mientras que en ese momento no pasa ningún diente faltante en la señal del cigüeñal.
Para garantizar que pequeñas fluctuaciones en el perfil de tensión no provoquen una interpretación incorrecta por parte de la ECU, se ha incorporado la llamada histéresis. La histéresis es la diferencia entre los flancos ascendente y descendente del perfil de voltaje. En la imagen siguiente vemos que los puntos rojos en los bordes ascendentes tienen un voltaje más alto que los puntos rojos en los bordes descendentes. De esta forma podemos estar seguros de que pequeñas fluctuaciones en la señal no afectan la conversión digital.
En el primer párrafo donde comenzamos con la conversión de la señal de pulso a la señal digital, ya se mencionó que la frecuencia de la señal se determina en base al tiempo entre dos flancos ascendentes de la señal cuadrada. En estos ejemplos se puede deducir claramente que la histéresis sí influye en el ancho de la señal cuadrada, pero no tiene influencia en el tiempo entre los flancos ascendentes y, por tanto, no tiene influencia en la frecuencia de la señal.
Con una histéresis configurada correctamente, la señal sinusoidal se convierte adecuadamente en un voltaje de onda cuadrada utilizable, con solo los múltiples lógicos en los lugares por donde pasa el diente faltante.
Tenga en cuenta que, al configurar la ECU MegaSquirt, se cambiaron las configuraciones, incluida la activación de las líneas ascendentes y descendentes. Como resultado, al pasar el diente faltante en el primer ejemplo, el voltaje es de 0 voltios y en la imagen del osciloscopio debajo el voltaje es de 5 voltios.
Señales de salida:
Las señales de salida consisten en pulsos digitales de encendido/apagado con un rango de voltaje entre 0 y 5 voltios (nivel TTL) con una corriente muy baja. Sin embargo, los actuadores requieren control con niveles de voltaje y corrientes más altos.
Las señales de encendido/apagado pueden modularse por ancho de pulso (PWM), donde el ancho del pulso puede variar a una frecuencia constante.
La siguiente figura muestra un voltaje de onda cuadrada a nivel TTL en función del tiempo. El ciclo de trabajo de esta señal PWM es del 50%.
Se necesitan controladores para controlar los actuadores. Con la señal de salida digital se puede alcanzar la corriente necesaria con un controlador. En la siguiente sección discutiremos los controladores.
Encontramos controladores en cada ECU y en algunos actuadores como las bobinas de encendido DIS. Un controlador también se llama etapa de salida o transistor de potencia. El controlador permite convertir señales de salida a nivel TTL: 0 a 5 voltios, con una corriente baja de 1 mA desde la ECU a voltajes de hasta 14 voltios y corrientes de hasta aproximadamente 10 A.
Un conductor puede conectar varios transistores contener. A este transistor lo llamamos “Transistor Darlington“. Las siguientes imágenes muestran los siguientes circuitos:
- Esquema de un circuito Darlington con dos transistores para el control de la bobina de encendido (fuente: hoja de datos BU941ZR).
- Dos transistores, cada uno con un circuito Darlington (BU941ZR)
- Circuitos integrados de controladores con circuitos Darlington y electrónica adicional para, entre otras cosas, protección de temperatura y retroalimentación al microprocesador.
En la pagina: métodos de control de actuadores Se analiza con más detalle el control de actuadores pasivos, activos e inteligentes mediante un transistor (de potencia) o FET.
