Tárgyak:
- bevezetés
- Logikai kapuk
- Kombinatorikus áramkörök és autóipari alkalmazások
Bevezetés:
A modern gépjárművek információfeldolgozása nagyrészt, vagy nem teljesen digitális. A digitális információ elektromos feszültségekből áll, ahol a feszültségszint alapján igen/nem vagy be-/kikapcsolás alakul ki. Ban,-ben interfész elektronika egy A/D konverteren (analóg/digitális) található, ahol az érzékelő feszültségét digitális üzenetté alakítják, amely egyesekből és nullákból áll.
A digitális elektronikában logikai 1-ről vagy logikai 0-ról beszélünk. A feszültségek TTL szintűek (Transistor Transistor Logic).
- Igen vagy bekapcsolva: logikus 1: 5 volt
- Nem vagy kikapcsolva: logikus 0: 0 volt
Az ECU-k alapvető elektronikus áramkörei sok IC-t tartalmaznak, amelyek logikai áramköröket hoznak létre. Ezek a logikai áramkörök logikai kapukat tartalmaznak, amelyeket a CPU hardveresen vagy szoftveresen vezérelhet.
Logikai kapuk:
Az ALU (aritmetikai logikai egység) a mikroprocesszor központi része az ECU-ban. Az ALU aritmetikai és logikai műveleteket hajt végre. Az ALU azt is ellenőrzi, hogy a memóriában hol található a végrehajtandó program következő parancsa.
Az ALU logikai kapukat tartalmaz, amelyek gyakran szilícium félvezetőkből készülnek. A logikai kapuk néhány nanomásodperc alatt képesek műveleteket végrehajtani bináris kód használatával; egyesek és nullák kombinációja. Ez egy parancsot ad, amely két lehetőségből áll: be vagy ki, vezetőképes vagy nem vezető. Az ALU-ban egyidejűleg több parancsot dolgoznak fel, és a számítógép architektúrájának megfelelően 8, 16 vagy 32 bites „szót” alkotnak. Egy szó az egyetlen adatregiszterben tárolt legnagyobb adatmennyiség. Ennyi adatot tud egyszerre feldolgozni a processzor.
A következő alapvető műveletek zajlanak az ALU-ban:
- egy vagy több bitpozíció balra vagy jobbra mozgatása (shift)
- aritmetikai műveletek végrehajtása két szóval, például összeadás vagy összeadás (add);
- logikai műveletek végrehajtása az adatokon (ÉS, VAGY, NEM, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Az alábbi képek az ALU-t szimbólumként (balra) és az IEC-szimbólumokkal mutatják be, amelyek a műveletet A-ból és B-ből (bejövő) R-be (kimenő) fordítják.
A NOT, OR és ÉS kapuk, amelyeket a megfelelő ALU-ban látunk, a logikai műveletek végrehajtására használt leggyakoribb kapuk. Vannak olyan portok, amelyek kiegészítik ezt a három alapvető portot. Erre később ezen az oldalon visszatérünk. A NOT, OR és AND kapukkal a bemenetek kimenetei előre programozhatók. Egy olyan áramkör segítségével, amely például igen/nem vagy igaz/hamis választ ad, például a kézifék figyelmeztető lámpájára, a lámpa két bemenet alapján aktiválható.
- be van húzva a kézifék?
- a fékfolyadék tartály szintje megfelelő?
Ha az egyik vagy mindkét válasz „igen”-nel válaszolható, a figyelmeztető lámpa bekapcsol. További példák ezen az oldalon találhatók.
Az alábbi táblázat ezt a három alapvető portot mutatja be. Ezen az oldalon elsősorban az angol elnevezéseket használjuk (EN helyett AND), hogy olvasóként ne okozzunk félreértést, de természetesen mindkettő helyes. Ugyanez vonatkozik a szimbólumokra (IEC és ANSI). Mi az IEC szimbólumokat alkalmazzuk, de az amerikai szakirodalomban főleg az ANSI szimbólumokat látjuk. A következő is érvényes: ne keverje össze őket, és csak egyfajta szimbólumot használjon.
A táblázat alatt magyarázatot adunk az egyes kapuk tulajdonságaira, az igazságtáblázat pedig azt mutatja, hogy mely bemenetek adnak 0 vagy 1 kimenetet.
Alább található a három kapu magyarázata a szimbólummal és az igazságtáblázattal, bemutatva a különböző bemeneti kombinációk kimeneteit.
ÉS kapu:
Az ÉS kapunak (hollandul: AND gate) több bemenete is lehet, de mindig csak egy kimenete van. A képen az a és b bemenetet látjuk. Mindkét bemeneten 1-et vagy 0-t lehet állítani, egymástól függetlenül. A kimenet (Q) 1 lesz, ha mindkét bemenet (a és b) 1. Minden más esetben a Q kimenet 0.
- Az ÉS kapu két bemenetével (jelen esetben az A és B bemenettel) négy lehetséges áramkör létezik a kimenet létrehozására. Ezek az igazságtáblázatban láthatók, az ÉS kapu képétől jobbra.
- Négy bemenettel 16 lehetőség van;
- Nyolc bemenettel akár 256 lehetőség is van.
VAGY kapu:
A VAGY kapunak (hollandul: OF gate) több bemenete is lehet, egy kimenettel. VAGY kapu esetén a kimenet 1, ha a két bemenet közül az egyik 1, vagy ha mindkét bemenet 1.
NEM kapu:
A NOT gate (hollandul: NOT gate) inverterként működik, és csak egy bemenete és kimenete van. A bemeneti jel invertált: ha a bemeneti jel 1, a kimeneti jel 0 lesz, és fordítva.
Az említett áramkörökön (ÉS, VAGY és NEM) kívül számos derivált logikai áramkört is ismerünk. Ezekkel az áramkörökkel a korábban tárgyalt áramkörök közül kettőt összevonhatunk egy áramkörbe.
NAND kapu:
A Nem-ÉS kapu egy ÉS kapu, amelyet egy NEM kapu követ. A kimenet 1, ha több bemeneten van 1. Csak ha minden bemeneten 1 van, a kimenet 0. Ez pontosan az ellentéte a korábban tárgyalt ÉS kapunak.
NOR kapu:
A Nem-VAGY kapu (Non-OR kapu) egy VAGY kapu, amelyet egy NEM kapu követ. Több bemenete is lehet, és csak egy kimenete van. Ebben az áramkörben a kimenet csak 1 lesz, ha mindkét bemenet 0.
XOR kapu:
Az exkluzív VAGY kapu egy olyan kapu, amelynek kimenete 1, ha csak egy bemenet 1. Ha mindkét bemenetnek ugyanaz a logikai állapota, a kimenet 0 lesz. Az XOR kapunak soha nem lehet kettőnél több bemenete.
XNOR port:
Az exkluzív-VAGY kapu NEM-kapuval van felszerelve, ami eXkluzív-NEM-VAGY kapuvá teszi. A kimenet invertálva van az XOR kapunál.
Minden egyes IC esetében fontos, hogy a tápegység és a földelés is csatlakozzon a zárt áramkör eléréséhez. Mindkét portnak feszültséget is kell kapnia a lebegő mérés elkerülése érdekében. Felhúzó és lehúzó ellenállások szükségesek a be- és kimenetek megfelelő kapcsolásához. Ezen ellenállások nélkül a portok „aktívak” maradhatnak, miközben nem vezérelhetők. Ekkor a portok nem megbízhatóak.
Kombinatorikus áramkörök és autóipari alkalmazások:
A digitális IC-k összekapcsolhatók úgy, hogy az egyik IC kimenetét a másik IC bemenetéhez csatlakoztatjuk. Ezekkel a kombinációkkal olyan áramkörök készíthetők, amelyek a kívánt kimeneti kombinációt állítják elő bármely kívánt bemeneti kombinációhoz. Ha több IC van összekapcsolva, akkor kombinációs áramkörről beszélünk. A kombinált áramkörök megismerése érdekében az alábbiakban autóipari műszaki példákat mutatunk be.
Fény figyelmeztető áramkör:
A kombinált áramkör gyakorlati példája a figyelmeztető lámpa. Ha a gyújtás le van kapcsolva és kinyitják az ajtót, miközben a külső lámpák égnek, a vezetőt hangjelzéssel kell figyelmeztetni. Az ÉS kaput a három bemeneti jelhez használják. Az előző részben leírtak szerint az ÉS kapu minden bemenetének 1-nek kell lennie, hogy 1-et kapjon a kimeneten és aktiválja a hangjelzést. Ha az ÉS kapu három bemenete közül az egyik 0, a kimenet 0 marad, és a hangjelzés kikapcsolva marad.
- Fénykapcsoló: ha a kapcsoló ki van kapcsolva, az a bemeneten 0 jelenik meg. Amikor a parkoló- vagy tompított fényszóró be van kapcsolva, ez 1-es lesz;
- Gyújtászár: a gyújtászár bekapcsolásakor egy 1 jelenik meg a b bemeneten. Kikapcsolt gyújtásnál egy 0. Ebben az esetben a NEM kapu a 0-t 1-re fordítja, hogy megkapja a helyes jelet az ÉS kapuhoz.
- Ajtókapcsoló: amikor egy ajtó nyitva van, a jel földelésre kapcsol. Csakúgy, mint a gyújtáskapcsolónál, a 0-t 1-re kell fordítani, hogy az ÉS kapu megfelelően működjön.
