Soggetti:
- Introduzione
- Porte logiche
- Circuiti combinatori e applicazioni automobilistiche
Introduzione:
L’elaborazione delle informazioni dei moderni veicoli a motore è in gran parte, o non interamente, digitale. L'informazione digitale è costituita da tensioni elettriche, in cui in base al livello di tensione si forma un sì/no o un on/off. Nel elettronica di interfaccia si trova su un convertitore A/D (analogico/digitale) dove la tensione del sensore viene convertita in un messaggio digitale, composto da uno e zero.
Nell'elettronica digitale si parla di 1 logico o 0 logico. Le tensioni sono a livello TTL (Transistor Transistor Logic).
- Sì o il: logico 1: 5 Volt
- No o disattivato: logico 0: 0 Volt
I circuiti elettronici di base sulle ECU contengono molti circuiti integrati che creano circuiti logici. Questi circuiti logici contengono porte logiche, che possono essere controllate dalla CPU tramite hardware o software.
Porte logiche:
L'ALU (Arithmetic Logic Unit) è la parte centrale del microprocessore in una ECU. L'ALU esegue operazioni aritmetiche e logiche. L'ALU controlla anche dove si trova nella memoria il successivo comando del programma da eseguire.
L'ALU contiene porte logiche che sono spesso costruite con semiconduttori di silicio. Le porte logiche possono eseguire operazioni in pochi nanosecondi utilizzando un codice binario; una combinazione di uno e zero. Questo dà un comando che consiste di due opzioni: acceso o spento, conduttivo o non conduttivo. Più comandi vengono elaborati contemporaneamente nell'ALU e lavorano insieme per formare una "parola" a 8, 16 o 32 bit, a seconda dell'architettura del computer. Una parola è la più grande quantità di dati archiviati in un singolo registro dati. Questa è la quantità di dati che possono essere elaborati dal processore contemporaneamente.
In una ALU si svolgono le seguenti operazioni di base:
- spostare una o più posizioni di bit a sinistra o a destra (shift)
- eseguire operazioni aritmetiche su due parole, come addizione o addizione (add);
- eseguire operazioni logiche sui dati (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Le immagini sottostanti mostrano l'ALU come simbolo (a sinistra) e con i simboli IEC che traducono l'operazione da A e B (in entrata) a R (in uscita).
Le porte NOT, OR e AND che vediamo nell'ALU destra sono le porte più comuni utilizzate per eseguire operazioni logiche. Esistono porte in aggiunta a queste tre porte di base. Torneremo su questo argomento più avanti in questa pagina. Con le porte NOT, OR e AND, i risultati degli input possono essere preprogrammati. Attraverso un circuito che pone una risposta del tipo sì/no oppure vero/falso, ad esempio, sulla spia del freno a mano, è possibile attivare la spia in base a due input.
- è tirato il freno a mano?
- il livello del serbatoio del liquido dei freni è corretto?
Se ad una o ad entrambe le risposte si può rispondere con “sì”, la spia si attiva. Altri esempi seguono più avanti in questa pagina.
La tabella seguente mostra queste tre porte di base. In questa pagina utilizziamo principalmente i nomi inglesi (AND invece di EN) per non creare confusione a te lettore, ma ovviamente entrambi sono corretti. Lo stesso vale per i simboli (IEC e ANSI). Applichiamo i simboli IEC, ma nella letteratura americana vediamo principalmente i simboli ANSI. Vale anche quanto segue: non confonderli e utilizzare un solo tipo di simbolo.
Sotto la tabella viene fornita una spiegazione delle proprietà di ciascuna porta e la tabella della verità mostra quali input danno un output pari a 0 o 1.
Di seguito è riportata la spiegazione delle tre porte con il simbolo e la tabella della verità, che mostra le uscite per diverse combinazioni di input.
AND cancello:
La porta AND (olandese: porta AND) può avere più ingressi, ma ha sempre una sola uscita. Nell'immagine vediamo gli ingressi a e b. È possibile impostare un 1 o uno 0 su entrambi gli ingressi, indipendentemente l'uno dall'altro. L'uscita (Q) diventa 1 se entrambi gli ingressi (a e b) sono 1. In tutti gli altri casi l'uscita Q è 0.
- Con due ingressi della porta AND (in questo caso ingresso A e B), ci sono quattro possibili circuiti per generare un'uscita. Questi sono mostrati nella tabella della verità, a destra dell'immagine della porta AND.
- Con quattro ingressi ci sono 16 possibilità;
- Con otto ingressi ci sono addirittura 256 possibilità.
O cancello:
La porta OR (olandese: porta OF) può anche avere più ingressi, con un'uscita. Con una porta OR, l'uscita è 1 se uno dei due ingressi è 1 o se entrambi gli ingressi sono 1.
NON cancello:
La porta NOT (olandese: porta NOT) funziona come un inverter e ha solo un ingresso e un'uscita. Il segnale di ingresso è invertito: quando il segnale di ingresso è 1, il segnale di uscita diventa 0 e viceversa.
Oltre ai circuiti citati (AND, OR e NOT), conosciamo anche una serie di circuiti logici derivativi. Con questi circuiti possiamo combinare due dei circuiti precedentemente discussi in un unico circuito.
Porta NAND:
La porta Not-AND è una porta AND seguita da una porta NOT. L'output è 1 se più input hanno 1. Solo quando tutti gli ingressi hanno un 1, l'uscita è uno 0. Questo è esattamente l'opposto della porta AND discussa in precedenza.
Porta NOR:
La porta Not-OR (porta Non-OR) è una porta OR seguita da una porta NOT. Può avere più ingressi e avere solo un'uscita. In questo circuito l'uscita sarà 1 solo quando entrambi gli ingressi sono 0.
Porta XOR:
La porta OR esclusivo è una porta la cui uscita è 1 quando solo un ingresso è 1. Quando entrambi gli ingressi hanno lo stesso stato logico, l'uscita diventa 0. Il gate XOR non ha mai più di due ingressi.
Porta XNOR:
Il cancello eXclusive-OR è dotato di un cancello NOT, che lo rende un cancello eXclusive-NOT-OR. L'uscita è invertita al gate XOR.
Per ciascun circuito integrato è importante che sia l'alimentazione che la terra siano collegate per ottenere un circuito chiuso. Entrambe le porte devono inoltre ricevere una tensione per evitare una misurazione flottante. Per commutare correttamente gli ingressi e le uscite sono necessarie resistenze pull-up e pull-down. Senza questi resistori, le porte possono rimanere “attive” pur non essendo controllate. Le porte quindi non sono affidabili.
Circuiti combinatori e applicazioni automobilistiche:
I circuiti integrati digitali possono essere collegati insieme collegando l'uscita di un circuito integrato all'ingresso dell'altro circuito integrato. Con queste combinazioni è possibile realizzare circuiti che producono la combinazione di uscita desiderata per qualsiasi combinazione di ingresso desiderata. Quando più circuiti integrati sono collegati insieme, si parla di circuito combinatorio. Per avere un'idea dei circuiti combinatori, di seguito vengono forniti esempi tecnici automobilistici.
Circuito di segnalazione luminosa:
Un esempio pratico di circuito combinatorio è quello dell'avvisatore luminoso. Quando si disinserisce l'accensione e si apre la porta mentre le luci esterne sono accese, il conducente deve essere avvisato da un cicalino. La porta AND viene utilizzata per i tre segnali di ingresso. Come descritto nella sezione precedente, tutti gli ingressi al cancello AND devono essere 1 per ottenere un 1 sull'uscita e attivare il cicalino. Se uno dei tre ingressi della porta AND è 0, l'uscita rimane 0 e il cicalino rimane spento.
- Interruttore luce: quando l'interruttore è spento, l'ingresso a visualizzerà uno 0. Quando vengono accese le luci di posizione o anabbaglianti questo diventa 1;
- Blocchetto di accensione: quando il blocchetto di accensione è inserito, sull'ingresso b appare un 1. Quando l'accensione è disinserita, uno 0. In questo caso, la porta NOT inverte lo 0 in un 1 per ottenere il segnale corretto per la porta AND.
- Interruttore porta: quando una porta è aperta, il segnale viene commutato a massa. Proprio come con l'interruttore di accensione, lo 0 deve essere invertito in 1 affinché la porta AND funzioni correttamente.
