Aiheet:
- esittely
- Passiiviset anturit
- Aktiiviset anturit
- Älykkäät anturit
- Sovellukset autotekniikassa
- Mittaus antureilla
- Signaalin siirto anturista ECU:hun
- LÄHETETTY (Single Edge Nibble Transmission)
- Virtalähde ja signaalinkäsittely
Esipuhe:
Anturit mittaavat fyysisiä suureita ja muuntavat ne sähköjännitteiksi. Nämä jännitteet käsitellään mikro-ohjaimessa (ECU) ja luetaan "signaalina". Signaali voidaan arvioida jännitteen tason tai taajuuden perusteella, jolla signaali muuttuu.
Passiiviset anturit:
Passiivinen anturi havaitsee ja mittaa fyysisen suuren ja muuntaa sen toiseksi fysikaaliseksi suureksi. Esimerkki tästä on lämpötilan muuntaminen a:ksi vastuksen arvo. Passiivinen anturi ei synnytä itse jännitettä, vaan reagoi ECU:n referenssijännitteeseen. Passiivinen anturi ei vaadi syöttöjännitettä toimiakseen.
Passiivisensoreissa on yleensä kaksi tai kolme liitäntää:
- referenssi- tai signaalijohto (sininen);
- maadoitusjohto (ruskea);
- suojattu johto (musta).
Joskus passiivinen anturi sisältää vain yhden johdon: tällöin anturin kotelo toimii maadoituksena. Kolmas johto voi toimia suojana. Vaippa on maadoitettu ECU:n kautta. Suojattua johtoa käytetään erityisesti häiriöherkille signaaleille, kuten kampiakselin asentoanturista ja nakutusanturista.
Esimerkki passiivisesta anturista on a NTC lämpötila-anturi. 5 voltin vertailujännitettä käytetään jännitteenjakajana ECU:n vastuksen ja anturin välillä, ei anturin syöttöjännitteenä. ECU lukee vastusten välisen jännitteen tason (riippuen NTC-resistanssiarvosta) ja muuntaa sen lämpötilaksi. Piiri vastusten kanssa on selitetty jäljempänä tällä sivulla kohdassa "Jännitteensyöttö ja signaalinkäsittely".
Aktiiviset anturit:
Aktiiviset anturit sisältävät kotelossa sähköpiirin, joka muuntaa fyysisen suuren jännitearvoksi. Sähköpiiri vaatii usein toimimaan stabiloidun syöttöjännitteen.
Useimmissa tapauksissa tämän tyyppisellä anturilla on kolme liitäntää:
- plus (yleensä 5,0 volttia);
- pasta;
- signaali.
Ohjausyksikkö syöttää stabiloitua 5 voltin virtalähdettä, ja anturi käyttää sitä analogisen signaalin muodostamiseen (0 - 5 volttia). ECU:n positiiviset ja maadoitusjohtimet on usein kytketty useisiin antureihin. Tämä voidaan tunnistaa solmuista, joihin on kytketty enemmän kuin kaksi johtoa.
Analoginen signaali muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi ECU:ssa.
Kohdassa "sPanoring tarjonta ja signaalinkäsittely” keskustelemme tästä yksityiskohtaisemmin.
Älykkäät anturit:
Älykkäissä antureissa on yleensä kolme liitäntää. Kuten aktiivisissa antureissa, on virtajohto (12 volttia ECU:sta tai suoraan sulakkeen kautta) ja maadoitusjohto (ECU:n tai ulkoisen maadoituspisteen kautta. Älykäs anturi lähettää digitaalisen ()LIN bussi) viesti ECU:lle ja muille antureille. Silloin on olemassa isäntä-orja -periaate.
Anturin sisällä A/D-muunnin muuntaa analogisen signaalin digitaaliseksi.
- Analoginen: 0 – 5 volttia;
- Digitaalinen: 0 tai 1.
Het LIN-väylän signaali resessiivisessä tilassa (12 volttia) se on 1 ja hallitsevassa tilassa (0 volttia) se on 0.
Sovellukset autotekniikassa:
Autotekniikassa voimme tehdä seuraavan luokituksen erityyppisille antureille:
Passiiviset anturit:
- Koputus anturi;
- Kampiakselin asentoanturi;
- Lämpötila-anturi (NTC/PTC);
- Lambda-anturi (hyppyanturi / zirkonium);
- Induktiivinen korkeusanturi;
- Kytkin (päälle/pois)
Aktiiviset anturit:
- Kampiakselin/nokka-akselin asentoanturi (Hall);
- Ilmamassamittari;
- Laajakaista lambda-anturi;
- Paineanturi (latauspaine / turbopaineanturi);
- ABS-anturi (Hall/MRE);
- Kiihtyvyys/hidastusanturi (YAW);
- Tutka/LIDAR-anturi;
- Ultraäänianturi (PDC / hälytys);
- Asentoanturi (kaasuventtiili / EGR / lämmitysventtiili).
Älykkäät anturit:
- Sade/valotunnistin;
- Kamerat;
- Paine-anturi;
- Ohjauskulman anturi;
- Akun anturi
Mittaus antureilla:
Kun anturi ei toimi kunnolla, kuljettaja huomaa tämän useimmissa tapauksissa, koska vikavalo syttyy tai jokin ei enää toimi kunnolla. Jos moottoritilassa oleva anturi aiheuttaa toimintahäiriön, seurauksena voi olla tehon menetys ja MIL (moottorin vikavalo) syttyy.
Kun ECUa luetaan, näyttöön saattaa tulla vikakoodi, jos ECU tunnistaa vian. Kaikissa tapauksissa virhekoodi ei kuitenkaan johda suoraan syyn luo. Se, että kyseinen anturi ei toimi, voi johtua viallisuudesta, mutta johdotuksen ja/tai pistokeliitäntöjen ongelmaa ei voida sulkea pois.
On myös mahdollista, että anturi antaa väärän arvon, jota ECU ei tunnista. Siinä tapauksessa vikakoodia ei tallenneta, mutta teknikon on käytettävä live-tietoja (katso OBD-sivu) täytyy etsiä mittausarvoja, jotka ovat ulottumattomissa.
Seuraavassa kuvassa näkyy aktiivisen anturin mittaus. Anturin virransyöttö (jännite-ero plus- ja miinusliitännöissä) tarkistetaan digitaalisella yleismittarilla. Mittari näyttää 5 volttia, joten tämä on OK.
Signaalijännitteet voidaan mitata volttimittarilla tai oskilloskoopilla. Sopiva mittari riippuu signaalityypistä:
- volttimittari: analogiset signaalit, jotka ovat lähes vakioita;
- oskilloskooppi: analogiset signaalit ja digitaaliset signaalit (käyttösuhde / PWM).
Yhdellä tai useammalla mittauksella voimme osoittaa, että anturi ei toimi kunnolla (lähetetty signaali on epätodennäköinen tai anturi ei tuota signaalia) tai että johdotuksessa on ongelma.
Passiivisilla antureilla voidaan useimmissa tapauksissa suorittaa resistanssimittaus sen tarkistamiseksi, onko anturissa sisäistä vikaa.
Mahdollisia ongelmia anturin johdotuksessa voivat olla:
- katkos positiivisessa maassa tai signaalijohdossa;
- oikosulku johtojen tai korin välillä;
- siirtymäresistanssi yhdessä tai useammassa johdossa;
- huonot pistokeliitännät.
Sivulla: vianetsintä anturin johdotus tarkastelemme seitsemää mahdollista vikaa, joita voi esiintyä antureiden johdotuksessa.
Signaalin siirto anturilta ECU:lle:
On olemassa useita menetelmiä signaalien siirtämiseksi anturista ECU:hun. Autotekniikassa voimme käsitellä seuraavia signaalityyppejä:
- amplitudimodulaatio (AM); jännitteen taso antaa tietoa;
- Taajuusmodulaatio (FM); signaalin taajuus antaa tietoa;
- Pulssin leveysmodulaatio (PWM); lohkojännitteen aikavaihtelu (käyttöjakso) antaa tietoa.
Seuraavat kolme esimerkkiä esittävät eri signaalityyppien skooppisignaaleja.
Amplitudimodulaatio:
AM-signaalilla jännitteen taso välittää tiedon. Kuvassa on kaksi jännitettä kaasuläpän asentoantureista. Luotettavuuden takaamiseksi jännitekäyrät on peilattava suhteessa toisiinsa.
Stressi levossa:
- Sininen: 700 mV;
- Punainen: 4,3 volttia.
Noin 0,25 sekunnin kuluttua mittauksen aloittamisesta kaasupoljinta painetaan hitaasti ja kaasuventtiili avautuu 75 %.
2,0 sekunnin kohdalla. kaasupoljin vapautetaan ja 3,0 sekunnin kohdalla. annetaan täysi kaasu.
Täyskaasun jännitys:
- Sininen: 4,3 volttia;
- Punainen: 700 mV.
Taajuusmodulaatio:
FM-signaalia lähettävillä antureilla signaalin amplitudi (korkeus) ei muutu. Lohkon jännitteen leveys välittää tiedon. Seuraavassa kuvassa näkyy ABS-anturin (Hall) signaali. Pyörää käännettiin mittauksen aikana. Suuremmalla pyörimisnopeudella signaalin taajuus kasvaa.
Jännite-ero johtuu magneettikentän muutoksesta magneettirenkaassa, joka on sisällytetty pyörän laakeriin. Korkeusero (matala: magneettikenttä, korkea: ei magneettikenttää) on vain 300 mV. Jos kiikari on säädetty väärin (jännitealue 0 - 20 volttia), estosignaali on tuskin näkyvissä. Tästä syystä asteikko on säädetty siten, että lohkosignaali tulee näkyviin, jolloin signaali on vähemmän puhdasta.
Pulssinleveysmodulaatio:
PWM-signaalilla korkean ja matalan jännitteen suhde muuttuu, mutta jaksoaika pysyy samana. Tätä ei pidä sekoittaa FM-signaalin neliöaaltojännitteeseen: taajuus muuttuu ja siten myös jaksoaika.
Kahdessa seuraavassa kuvassa näkyy PWM-signaaleja ilmastointiputkessa olevasta korkeapaineanturista. Tämä anturi mittaa kylmäaineen paineen ilmastointijärjestelmässä.
Tilanne mittauksen aikana:
- Sytytys kytketty päälle (anturi vastaanottaa syöttöjännitteen);
- Ilmastointi sammutettu;
- Jäähdytysväliaineen paine luettuna diagnostisilla laitteilla: 5 bar.
Seuraavassa kuvassa näemme, että ajanjakson aika on pysynyt samana, mutta käyttösuhde on muuttunut.
Tilanne mittauksen aikana:
- Ilmastointi päällä;
- Korkea paine on noussut 20 baariin;
- Käyttösuhde on nyt 70 %
Analogiset anturit voivat lähettää signaalin AM:n kautta. Tällainen jännitesignaali on herkkä jännitehäviölle. Siirtymäresistanssi johdossa tai pistokkeessa aiheuttaa jännitehäviön ja siten myös alhaisemman signaalijännitteen. ECU vastaanottaa alemman jännitteen ja käyttää signaalia käsittelyyn. Tämä voi aiheuttaa toimintahäiriöitä, koska useat anturiarvot eivät enää vastaa toisiaan, mikä johtaa:
- Kaksi ulkoilman lämpötila-anturia, jotka mittaavat samanaikaisesti eri lämpötilaa. Vaikka pieni virhemarginaali on hyväksyttävä ja ECU voi hyväksyä keskiarvon, liian suuri ero voi johtaa vikakoodiin. ECU tunnistaa poikkeaman kahden lämpötila-anturin välillä.
- väärä ruiskutusaika, koska MAP-anturin signaali on liian alhainen ja ECU tulkitsee siksi väärän moottorin kuormituksen. Tällöin polttoaineen ruiskutus on liian pitkä tai liian lyhyt ja polttoainesäädöt korjaavat seoksen lambda-anturin signaalin perusteella.
Jännitehäviö ei vaikuta PWM- ja/tai SENT-signaaliin. Nousevien ja laskevien reunojen välinen suhde on signaalin mitta. Jännitteen tasolla ei ole väliä. Käyttösuhde voi olla 40 % jännitteellä, joka vaihtelee välillä 0 ja 12 volttia, mutta suhde on silti 40 %, jos syöttöjännite putoaa 9 volttiin.
LÄHETETTY (Single Edge Nibble Transmission)
Edellä mainitut anturisignaalit ovat olleet tuttu nimi henkilö- ja hyötyajoneuvoissa jo vuosia. Uudemmissa malleissa näemme yhä enemmän antureita, jotka käyttävät SENT-protokollaa. Tämä anturi näyttää tavalliselta aktiiviselta anturilta sekä todellisuudessa että kaaviossa.
Passiivisilla ja aktiivisilla antureilla tiedonsiirto tapahtuu kahden johdon kautta. Esimerkiksi MAP-anturin tapauksessa: yksi NTC-anturin ja ECU:n välissä ja toinen paineanturin ja ECU:n välissä. SENT-anturin anturielektroniikka voi yhdistää tiedonsiirron useilta antureilta, mikä vähentää signaalijohtojen määrää. Signaalin siirtoon ei myöskään vaikuta jännitehäviö signaalijohdon yli, kuten PWM-signaalin tapauksessa.
SENT-protokollaa käyttävässä anturissa, kuten aktiivisessa anturissa, joka lähettää analogista tai digitaalista signaalia, on kolme johtoa:
- Syöttöjännite (usein 5 volttia)
- Signaali
- Pasta.
SEND-protokollalla varustetut anturit lähettävät signaalin "lähtönä". Näin ollen ei ole olemassa kaksisuuntaista tiedonsiirtoa, kuten esimerkiksi LIN-väyläviestinnässä antureiden välillä.
Oikealla olevassa kaaviossa näemme VW Passatin (rakennettu vuonna 505) paine-eroanturin (G2022). Kaaviossa näemme tavalliset merkinnät virtalähteestä (5v), maadosta (GND) ja signaalista (SIG). Tämä paineanturi muuntaa paineen digitaaliseksi SENT-signaaliksi ja lähettää sen nastan 53 liittimeen T60 moottorin ECU:ssa.
Yllä olevan esimerkin paine-eroanturi lähettää vain yhden signaalin SENT-protokollan kautta signaalijohdon kautta. Useita antureita voidaan liittää yhteen signaalijohtimeen käyttämällä SENT. Tätä voidaan soveltaa muun muassa MAP-anturiin (ilmanpaine ja ilman lämpötila) sekä öljyn taso- ja laatuanturiin.
Seuraavassa kuvassa näkyy polttomoottorin öljypohjaan asennettu öljyn taso- ja laatuanturi. Molemmat mittauselementit sijaitsevat moottoriöljyssä.
Anturi saa 12 voltin jännitteen, vastaanottaa maadoituksensa ECU:n kautta ja lähettää signaalin ECU:lle SENT-toiminnolla.
Kotelossa oleva mikro-ohjain digitalisoi viestin (katso kuvassa "digitaalilogiikka"), jossa sekä öljyn lämpötila että öljytaso sisältyvät SENT-signaaliin.
Alla tarkastellaan SENT-signaalin rakennetta.
SENT-signaali koostuu sarjasta nibblejä (neljän bitin ryhmiä), jotka siirtävät tietoa lähettämällä jännitteitä välillä 0-5 volttia. Tässä on lyhyt kuvaus siitä, kuinka SENT-signaali rakennetaan. Kuva viestin rakenteesta näkyy alla.
- Synkronointi/kalibrointipulssi: tämä on usein viestin alku. Tämän pulssin avulla vastaanottaja voi tunnistaa viestin alun ja synkronoida kellon ajoituksen;
- Status: tämä osa kertoo lähetettyjen tietojen kunnon, esimerkiksi onko tiedot oikein vai onko niissä ongelmia;
- Viesti Start Nibble (MSN): Tämä on ensimmäinen napostelu ja osoittaa LÄHETETTYN viestin alun. Se sisältää tiedot viestin lähteestä ja tiedonsiirron ajoituksesta.
- Message Identifier Nibble (MidN): Tämä nibble seuraa MSN:ää ja sisältää tietoja viestin tyypistä, viestin tilasta ja mahdollisista virheen havaitsemis- tai virheenkorjaustiedoista.
- Data Nibbles: MidN:n jälkeen seuraa yhtä tai useampaa datalohkoa, joista kukin koostuu neljästä datapalasta. Nämä tietolohkot sisältävät todellisen lähetettävän datan. Ne sisältävät tietoja, kuten anturitietoja, tilatietoja tai muuta hyödyllistä tietoa.
- Cyclic Redundancy Check (CRC): Joissakin tapauksissa viestin loppuun voidaan lisätä CRC-näppäin virheiden havaitsemisen helpottamiseksi. CRC-nibbleä käytetään tarkistamaan, onko vastaanotettu data vastaanotettu oikein.
Jokaisella SENT-signaalin nappauksella voi olla arvoja 0 - 15 riippuen siitä, kuinka monta tikkkiä se on 5 volttia. Alla olevassa kuvassa näkyy SENT-protokollan rakenne.
"Nibble-ryhmät" lähetetään numeerisesti 0000 - 1111 binäärimuodossa. Jokainen nibble edustaa arvoa 0 - maksimi 15, ja ne esitetään binäärimuodossa seuraavasti: 0000b - 1111b ja heksadesimaali 0 - F. Nämä digitoidut näppäimet sisältävät anturiarvot ja lähetetään ECU:lle.
Näiden näppäilytietojen lähettämiseen käytetään "tikkuja" tai tietokoneen tikkejä. Kellon tikku osoittaa, kuinka nopeasti tiedot lähetetään. Useimmissa tapauksissa kellon tikitus on 3 mikrosekuntia (3 μs) enintään 90 μs:iin asti.
Ensimmäisessä tapauksessa tämä tarkoittaa, että uusi nibbling-ryhmä lähetetään 3 mikrosekunnin välein.
Viesti alkaa 56-napaisella synkronointi-/kalibrointipulssilla. Molemmille kahdelle signaalille: signaalille 1 ja signaalille 2 lähetetään kolme nibbleä, mikä johtaa 2 * 12 bitin informaatiosekvenssiin. CRC seuraa näitä signaaleja
(Cyclic Redundancy Check) tarkistusta varten, jonka avulla vastaanottaja voi varmistaa, että vastaanotetut tiedot ovat oikein.
Lopuksi lisätään taukopulssi, joka merkitsee selkeästi viestin lopun vastaanottajalle.
Alla olevat skooppikuvat (tallennettu PicoScope Automotivella) näyttävät useiden viestien mittaukset (vasemmalla) ja zoomauksen yhteen viestiin (oikealla). Suurennetussa viestissä näkyy punaisella, missä signaali alkaa ja päättyy. Kun olosuhteet muuttuvat: paine ja/tai lämpötila nousevat, punkkien määrä muuttuu yhdessä tai useammassa nappauksessa. Tikkujen muutos näkyy alla olevassa kuvassa yhdessä tai useammassa jännitteessä, jotka vaihtelevat välillä 0 ja 5 volttia. Pulssit voivat olla leveämpiä tai kapeampia. Todelliset tiedot voidaan purkaa Picoscope-ohjelmistolla.
Sähködiagnoosissa voimme käyttää Picoscope-ohjelmistoa purkaa viestin ja tutkia sitä, mutta useimmissa tapauksissa keskitymme tarkastamaan puhtaan viestivirran ilman kohinaa ja onko anturin syöttöjännite (5 volttia) ja maadoitus. olla kunnossa.
Virtalähde ja signaalinkäsittely:
Ensimmäisessä kappaleessa keskusteltiin siitä, oliko syöttöjännitettä vai ei. Tässä osiossa käsittelemme ECU:n pääkomponentteja, jotka vastaavat kyseisen anturin jännitteensyötöstä ja signaalinkäsittelystä. Syväkaavioiden nastanumerot ovat samat kuin edellisissä kappaleissa: ECU:n nastat 35 ja 36 on kytketty passiivisen anturin nastoihin 1 ja 2 jne.
Ensimmäisessä kuvassa näemme a NTC lämpötila-anturi. Referenssijännite (Uref) ECU:n nastasta 35 saadaan jännitteen stabilisaattorista 78L05. Jännitteenvakain syöttää 5 voltin jännitteen sisäisellä jännitteellä 6 - 16 volttia.
Vastus R (kiinteä vastusarvo) ja RNTC (lämpötilariippuvainen vastus) muodostavat yhdessä sarjapiirin ja myös jännitteenjakajan. Analogi-digitaalimuunnin (ADC) mittaa jännitteen kahden vastuksen välillä (analoginen), muuntaa sen digitaaliseksi signaaliksi ja lähettää sen mikroprosessorille (µP).
Yleismittarilla voit mitata jännitteen ECU:n nastasta 35 tai anturin nastasta 1.
Sivulla aiheesta lämpösensori Joidenkin hyvän signaalinsiirron mittausten lisäksi esitetään johdotusvian mittaustekniikat.
Toisessa kuvassa näkyy aktiivisen piiri MAP anturi näyttää.
Stabiloitu 5 voltin syöttöjännite saavuttaa ns.Wheatstonen silta“, joka sisältää joukon kiinteitä (R1, R2, R3) ja muuttuvan vastuksen (Rp).
Rp:n vastusarvo riippuu imusarjan paineesta. Tässäkin on kyseessä jännitteenjakaja. Resistanssin muutos aiheuttaa jännitteen muutoksia, jolloin silta tulee epätasapainoiseksi. Wheatstonen sillassa syntynyt jännite-ero muunnetaan vahvistimessa/suodattimessa jännitteeksi, jonka arvo on välillä 0,5-4,5 volttia. Analogisen signaalin digitalisointi tapahtuu analogia-digitaalimuuntimessa (ADC). ADC lähettää digitaalisen signaalin mikroprosessorille.
ADC:n resoluutio on useimmissa tapauksissa 10 bittiä jaettuna 1024 mahdolliseen arvoon. 5 voltin jännitteellä jokainen askel on noin 5 mV.
ECU:n sisäinen piiri sisältää yhden tai useamman passiivisen ja aktiivisen anturin vastukset sisältyy virtalähde- ja signaalipiireihin. NTC-piirin vastusta kutsutaan myös "bias vastus” ja toimii jännitteenjakajana. MAP-anturin ECU-piirissä olevien vastusten R1 ja R2 tarkoitus on päästää pieni virta kulkemaan plussasta maahan.
Ilman näitä vastuksia niin sanottu "kelluva mittaus" tapahtuisi, jos signaalijohto tai anturin pistoke irrotetaan. Näissä tapauksissa vastuspiiri varmistaa, että ADC-tulon jännite nostetaan noin 5 volttiin (miinus vastuksen R1 jännite). ADC muuntaa analogisen jännitteen digitaaliseksi arvoksi 255 (desimaali), eli FF (heksadesimaali) ja lähettää tämän mikroprosessorille.
Hyvin pieni virta kulkee vastuksen R1 (pieni ohminen) läpi. Pieni jännitehäviö on 10-100 mV. Saattaa käydä niin, että syötetty jännite on muutama kymmenesosa suurempi kuin 5 volttia; Jännitteenvakaimen 78L05 maadoitusliitännän ja ECU:n maan välissä on matalaimpedanssinen vastus (ruskea johto yllä olevassa kaaviossa). Jännitehäviö tämän vastuksen yli voi olla esimerkiksi 0,1 volttia. Jännitteenvakain näkee maadoituksensa todellisena 0 volttina, joten se nostaa lähtöjännitettä (punainen johto) 0,1 volttia. Tällöin anturin plus-lähtöjännite ei ole 5,0 vaan 5,1 volttia.
Älykäs anturi vastaanottaa 12 voltin jännitteen ECU:sta. Aivan kuten aktiivinen anturi, älykäs anturi sisältää Wheatstonen sillan ja vahvistimen/suodattimen. Vahvistimen analoginen jännite lähetetään LIN-liitäntään (LIN-IC).
LIN-liitäntä muodostaa digitaalisen LIN-väyläsignaalin. Signaali vaihtelee 12 voltin (resessiivinen) ja noin 0 voltin (dominoiva) välillä. Anturi käyttää tätä LIN-väyläsignaalia kommunikoidakseen muiden orjien (yleensä anturien ja toimilaitteiden) ja isäntälaitteen (ohjausyksikön) kanssa.
Anturin nastan 3 ja ECU:n nastan 64 välisessä johdossa on haaroja isäntälaitteelle ja muille orjille.
Katso lisätietoja sivulta LIN bussi.
