Soggetti:
- Introduzione
- Transistor Logica transistor (TTL)
- Conversione delle tensioni dei sensori analogici in messaggi digitali
- Conversione del segnale del generatore di impulsi in messaggio digitale
- Segnali in uscita
Introduzione:
Nella maggior parte dei casi, i segnali elettrici provenienti dai sensori devono essere regolati prima di essere presentati al processore. Gli attuatori sono controllati dall'altra parte del computer. Si tratta spesso di circuiti induttivi che spesso commutano grandi correnti. L'hardware per regolare i segnali dei sensori e le correnti degli attuatori è chiamato circuiti di interfaccia. Un circuito di interfaccia garantisce la traduzione di una tensione analogica in digitale.
- Sensori trasmettere una tensione con una corrente bassa. Il circuito di interfaccia converte la tensione in un valore digitale (0 o 1).
L'intensità di corrente è bassa con un segnale del sensore; - Attuatori richiedono una corrente più elevata.
Uomo di attuatori di controllo, si trovano nella ECU sotto forma di (una combinazione di) transistor o FET, chiamati anche "driver". Ne parleremo più in dettaglio nella sezione “Segnali di uscita”.
L'immagine seguente mostra i sensori e gli attuatori di un sistema di gestione del motore (a benzina). Il gruppo superiore di sensori (dal sensore di posizione del pedale dell'acceleratore alle sonde lambda) rientra nella categoria “analogici”. Ciò significa che le tensioni in ingresso del sensore devono prima essere digitalizzate nell'ADC (convertitore analogico-digitale). Il gruppo inferiore di sensori (dal sensore di posizione dell'albero motore al sensore di velocità del veicolo) fornisce già il proprio segnale in modo digitale. I segnali on-off o le tensioni di blocco vengono applicati direttamente alla CPU.
Gli attuatori a destra sono controllati da uno stadio di uscita. Uno stadio di uscita, chiamato anche driver, è costituito da un circuito di diversi transistor per generare una tensione e una corrente utilizzabili da un impulso di controllo proveniente dal computer per controllare l'attuatore.
Logica transistor transistor (TTL):
Il processore funziona con tensioni di 5 volt. Le tensioni di ingresso e di uscita sono quindi limitate a un intervallo compreso tra 0 e 5 volt (livello TTL, abbreviato da Transistor Transistor Logic). Per i segnali che si discostano da questo livello di tensione avviene una regolazione in un circuito di interfaccia.
Le immagini seguenti mostrano come si forma un 1 o uno 0 dalla posizione di un interruttore. Per mezzo di una resistenza di pull-up la tensione di 5 volt fornisce a logico 1 sull'ingresso del processore quando l'interruttore è aperto. La tensione ai capi della resistenza pull-up non è quindi collegata a terra.
Quando gli interruttori si chiudono, si verifica una caduta di tensione attraverso la resistenza di pull-up. La tensione di 0 volt all'ingresso del processore è vista come logico 0.
Una combinazione di interruttori aperti e chiusi produce una serie di uno e zero. Nella figura il messaggio da 8 bit al processore è: 00101001.
Con un processore a 8 bit, gli otto bit vengono letti simultaneamente per ciclo. Durante il ciclo successivo, che avviene durante il successivo “ticchettio” dell’orologio (vedi bus di sistema nella pagina relativa al funzionamento della ECU) segue una sequenza con otto nuovi bit.
Conversione delle tensioni del sensore analogico in messaggio digitale:
I segnali di ingresso digitali vengono elaborati direttamente dal processore. I segnali analogici vengono prima convertiti in un segnale digitale nel convertitore A/D. Ad esempio, prendiamo la curva di tensione analogica di un sensore di pressione turbo:
- al minimo la tensione è di circa 1,8 volt;
- durante l'accelerazione, la tensione sale a quasi 3 volt.
La variazione di tensione non può essere elaborata direttamente nel processore. Innanzitutto la tensione misurata deve essere convertita in un valore decimale (da 0 a 255).
Con un intervallo da 0 a 5 volt e un valore decimale da 0 a 255 (quindi 256 possibilità). Un semplice calcolo mostra che se dividiamo 5 volt su 256 possibilità, si possono ottenere passi di 19,5 mV (0,0195 volt).
L'esempio precedente mostra lo sviluppo della tensione in funzione del tempo di un sensore di pressione turbo. La curva di tensione di un sensore di temperatura e di un sensore di posizione del pedale dell'acceleratore è la stessa, solo in un intervallo di tempo diverso: il riscaldamento del liquido di raffreddamento richiede più tempo dell'avvolgimento del turbo.
All'inizio di questa sezione è presente un'immagine che mostra una categoria di segnali analogici. Questo mostra, tra le altre cose, il sensore di temperatura e il sensore di posizione del pedale dell'acceleratore. La tensione analogica viene convertita in un'unità di informazione a 8 bit nel convertitore A/D. Molti processori con più pin di ingresso hanno un solo convertitore A/D. Più segnali analogici vengono combinati in un unico segnale utilizzando il multiplexing.
In questo esempio vediamo un convertitore A/D con otto ingressi. Sul pin 0 è presente una tensione di 2 volt. I pin da E1 a E7 possono essere alimentati contemporaneamente con tensioni. Questi vengono convertiti uno ad uno in un messaggio digitale utilizzando il multiplexing.
La tensione di 2 volt viene convertita in un valore binario. Con la seguente formula possiamo convertire la tensione analogica in un valore decimale, e poi convertirla in un valore binario:
2v / 5v * 255d = 102d
Qui dividiamo la tensione di ingresso (2v) per la tensione massima (5v) e moltiplichiamo questa per il valore decimale massimo (255).
Facendo qualche calcolo o eseguendo un trucchetto, possiamo convertire il numero decimale di 255d nel valore binario di 01100110.
Vedi la pagina per questo: binario, decimale, esadecimale.
Nella tabella seguente sono riportati i valori decimali, binari ed esadecimali associati alle diverse tensioni.
Durante la lettura dei dati in tempo reale, potrebbe essere visualizzato il valore decimale, binario o esadecimale del segnale del sensore.
- Un segnale di tensione <0,5 volt (025d) è considerato un cortocircuito verso massa;
- Se il segnale supera i 4,5 Volt (220d), il computer lo traduce come un cortocircuito con positivo.
Conversione dei segnali del generatore di impulsi in un messaggio digitale:
I segnali provenienti dai generatori di impulsi, compreso il sensore induttivo di posizione dell'albero motore, sono in realtà segnali on-off che si verificano dopo che i denti della ruota fonica hanno superato il sensore. La tensione alternata del sensore deve essere prima convertita in una tensione ad onda quadra prima che il segnale venga presentato al processore.
Nella figura vediamo una tensione alternata sinusoidale sul lato sinistro dell'interfaccia. Nell'elettronica dell'interfaccia questa tensione alternata viene convertita in una tensione ad onda quadra. Questa tensione di blocco viene poi letta dal blocco timer/contatore: quando l'impulso è alto, il contatore inizia a contare e interrompe il conteggio quando l'impulso diventa nuovamente alto. Il numero di conteggi è una misura del periodo di tempo. frequenza del segnale.
Nell'immagine sotto vediamo un segnale proveniente dal sensore induttivo dell'albero motore con punti rossi nei fianchi superiori. I punti rossi sono impostati su una tensione per aumentare (1 logico) o diminuire (0 logico) la tensione del blocco. La spiegazione continua sotto questa immagine.
Tuttavia, la tensione del sensore non è mai completamente pura. Ci sarà sempre una piccola fluttuazione nel profilo di tensione. In tal caso, l'elettronica dell'interfaccia potrebbe erroneamente indicarlo come uno 0 logico, mentre in realtà dovrebbe essere un 1.
L'immagine dell'oscilloscopio seguente è stata registrata durante l'esecuzione Progetto BMW Megasquirt. L'immagine dell'oscilloscopio mostra la digitalizzazione (giallo) del segnale induttivo dell'albero motore (rosso). L'immagine mostra chiaramente che nel segnale giallo di blocco mancano degli impulsi, mentre nel segnale dell'albero motore in quel momento non transita nessun dente mancante.
Per garantire che piccole fluttuazioni nel profilo di tensione non causino un'interpretazione errata da parte dell'ECU, è stata integrata una cosiddetta isteresi. L'isteresi è la differenza tra il fronte di salita e quello di discesa del profilo di tensione. Nell'immagine sotto vediamo che i punti rossi sui fronti di salita hanno una tensione maggiore rispetto ai punti rossi sui fronti di discesa. In questo modo possiamo essere sicuri che piccole fluttuazioni del segnale non influenzino la conversione digitale.
Nel primo paragrafo in cui abbiamo iniziato a parlare della conversione del segnale impulsivo in segnale digitale, è già stato detto che la frequenza del segnale è determinata in base al tempo tra due fronti di salita del segnale quadrato. In questi esempi si deduce chiaramente che l'isteresi influenza sì l'ampiezza del segnale quadrato, ma non ha alcuna influenza sul tempo tra i fronti di salita, e quindi non ha alcuna influenza sulla frequenza del segnale.
Con un'isteresi opportunamente impostata, il segnale sinusoidale viene opportunamente convertito in una tensione ad onda quadra utilizzabile, con solo i multipli logici nei punti in cui passa il dente mancante.
Tieni presente che durante la configurazione dell'ECU MegaSquirt, le impostazioni sono state modificate, incluso l'attivazione sulle linee ascendenti e discendenti. Di conseguenza, quando si passa il dente mancante nel primo esempio, la tensione è di 0 volt e nell'immagine dell'oscilloscopio sotto la tensione è di 5 volt.
Segnali in uscita:
I segnali di uscita sono costituiti da impulsi digitali on/off con un range di tensione compreso tra 0 e 5 volt (livello TTL) con una corrente molto bassa. Tuttavia, gli attuatori richiedono un controllo con livelli di tensione e correnti più elevati.
I segnali on/off possono essere modulati in larghezza di impulso (%PWM), dove l'ampiezza dell'impulso può variare a frequenza costante.
La figura seguente mostra una tensione ad onda quadra a livello TTL in funzione del tempo. IL ciclo di lavoro di questo segnale PWM è il 50%.
I driver sono necessari per controllare gli attuatori. Con il segnale di uscita digitale, la corrente richiesta può essere ottenuta con un driver. Nella prossima sezione discuteremo dei driver.
Troviamo i driver in ogni ECU e in alcuni attuatori come le bobine di accensione DIS. Un driver è anche chiamato stadio di uscita o transistor di potenza. Il driver consente di convertire i segnali di uscita a livello TTL: da 0 a 5 volt, con una corrente bassa di 1 mA dall'ECU a tensioni fino a 14 volt e correnti fino a circa 10 A.
Un conducente può collegarne diversi transistor contenere. Chiamiamo questo transistor “Transistor Darlington“. Le immagini seguenti mostrano i seguenti circuiti:
- Schema di un circuito Darlington con due transistor per il controllo della bobina di accensione (fonte: scheda tecnica BU941ZR).
- Due transistor, ciascuno con un circuito Darlington (BU941ZR)
- Circuiti integrati driver con circuiti Darlington ed elettronica aggiuntiva per, tra le altre cose, la protezione termica e il feedback al microprocessore.
Sulla pagina: metodi di controllo degli attuatori il controllo di attuatori passivi, attivi e intelligenti mediante un transistor (di potenza) o FET viene discusso più dettagliatamente.
