センサーの種類と信号

科目：

はじめに
パッシブセンサー
アクティブセンサー
インテリジェントセンサー
自動車技術への応用
センサーでの測定
センサーからECUへの信号伝送
SENT (シングルエッジニブル送信)
電源と信号処理

導入：
センサーは物理量を測定し、電圧に変換します。これらの電圧はマイクロコントローラー（ECU）で処理され、「信号」として読み取られます。信号は電圧の大きさや信号が変化する周波数で判断できます。

パッシブセンサー:
パッシブセンサーは、物理量を検出および測定し、それを別の物理量に変換します。この例としては、温度を次のように変換することが挙げられます。抵抗値。パッシブセンサーは、それ自体で電圧を生成しませんが、ECU からの基準電圧に応答します。パッシブセンサーは機能するために電源電圧を必要としません。

パッシブセンサーには通常、XNUMX つまたは XNUMX つの接続があります。

基準線または信号線（青）。
アース線（茶色）。
シールド線（黒）。

パッシブセンサーにはワイヤが XNUMX 本しか含まれていない場合があります。その場合、センサーのハウジングがアースとして機能します。 XNUMX 番目のワイヤはシールドとして機能します。ジャケットはECUを介してアースされています。シールド線は、クランクシャフト位置センサーやノックセンサーなどの干渉に敏感な信号に特に使用されます。

パッシブセンサーの例は次のとおりです。 NTC温度センサー。 5 ボルトの基準電圧は、センサーの電源電圧としてではなく、ECU 内の抵抗とセンサーの間の分圧器として使用されます。抵抗間の電圧レベル (NTC 抵抗値に応じて) は ECU によって読み取られ、温度に変換されます。抵抗を使用した回路については、このページの「電圧供給と信号処理」セクションで説明します。

アクティブセンサー:
アクティブセンサーには、物理量を電圧値に変換するための電気回路がハウジング内に含まれています。多くの場合、電気回路は動作するために安定した電源電圧を必要とします。

ほとんどの場合、このタイプのセンサーには XNUMX つの接続があります。

プラス (通常は 5,0 ボルト)。
質量;
信号。

安定化された 5 ボルト電源は制御ユニットによって供給され、センサーによってアナログ信号 (0 ～ 5 ボルトの間) を形成するために使用されます。 ECU からのプラス線とアース線は、多くの場合、複数のセンサーに接続されます。これは、XNUMX 本以上のワイヤが接続されているノードによって認識できます。

アナログ信号はECU内でデジタル信号に変換されます。
「」の段落では、これについては、「供給と信号処理のパンニング」で詳しく説明します。

インテリジェントセンサー:
インテリジェントセンサーには通常 12 つの接続があります。アクティブセンサーと同様に、電源線 (ECU から、またはヒューズを介して直接 XNUMX ボルト) とアース線 (ECU または外部アースポイントを介して) があります。インテリジェントセンサーはデジタル (LINバス) メッセージを ECU および他のセンサーに送信します。そこでマスタースレーブの原理が生まれます。

センサー内部では、A/D コンバーターがアナログ信号をデジタル信号に変換します。

アナログ: 0 – 5 ボルト;
デジタル: 0 または 1。

ヘットで LINバス信号リセッシブ状態 (12 ボルト) では 1 になり、ドミナント状態 (0 ボルト) では 0 になります。

自動車技術への応用:
自動車技術では、さまざまな種類のセンサーを次のように分類できます。

パッシブセンサー:

ノックセンサー;
クランクポジションセンサ;
温度センサー (NTC/PTC);
ラムダセンサー（ジャンプセンサー/ジルコニウム）;
誘導型高さセンサー;
スイッチ(オン/オフ)

アクティブセンサー:

クランクシャフト/カムシャフト位置センサー (ホール);
マスエアメーター;
広帯域ラムダセンサー;
圧力センサー（充電圧力/ターボ圧力センサー）;
ABS センサー (ホール/MRE);
加減速センサー (YAW);
レーダー/LIDAR センサー;
超音波センサー (PDC / アラーム);
ポジションセンサー（ガスバルブ/EGR/ヒーターバルブ）。

インテリジェントセンサー:

雨/光センサー;
カメラ;
圧力センサー;
ステアリング角度センサー;
バッテリーセンサー

センサーでの測定:
センサーが正常に機能しない場合、ドライバーはほとんどの場合、故障ランプが点灯するか、何かが正常に機能しなくなったことに気づきます。エンジンルーム内のセンサーが誤動作を引き起こすと、電源が失われ、MIL（エンジン誤動作ランプ）が点灯する可能性があります。

ECU を読み取るときに、ECU が障害を認識すると、障害コードが表示される場合があります。ただし、すべての場合において、エラーコードが原因に直接つながるわけではありません。問題のセンサーが動作しないという事実は、センサーの不良である可能性がありますが、配線やプラグの接続に問題がある可能性も排除できません。

センサーが ECU に認識されない誤った値を与える可能性もあります。この場合、障害コードは保存されませんが、技術者はライブデータを使用する必要があります。（OBDのページをご覧ください）手の届かない測定値を探す必要があります。

次の画像は、アクティブセンサーからの測定値を示しています。センサーの電源（プラスとマイナスの接続の電圧差）はデジタルマルチメーターでチェックされます。メーターは5ボルトを示しているので、これは問題ありません。

信号電圧は、電圧計またはオシロスコープで測定できます。どのメーターが適しているかは、信号の種類によって異なります。

電圧計: ほぼ一定のアナログ信号。
オシロスコープ: アナログ信号とデジタル信号 (デューティサイクル / PWM)。

XNUMX つ以上の測定により、センサーが適切に動作していないこと (発信された信号が信じられない、またはセンサーが信号を生成していない)、または配線に問題があることを実証できます。
パッシブセンサーでは、ほとんどの場合、抵抗測定を実行してセンサーに内部欠陥があるかどうかを確認できます。

センサーの配線で考えられる問題には次のようなものがあります。

プラスのアースまたは信号線の遮断。
ワイヤーまたは車体間のショート。
XNUMX つまたは複数のワイヤの遷移抵抗。
プラグの接続不良。

ページ上: センサー配線のトラブルシューティングセンサーの配線で発生する可能性のある XNUMX つの誤動作を見ていきます。

センサーからECUへの信号送信:
センサーから ECU に信号を転送するには、いくつかの方法があります。自動車技術では、次の種類の信号を扱うことがあります。

振幅変調 (AM); 電圧のレベルが情報を提供します。
周波数変調 (FM); 信号の周波数は情報を提供します。
パルス幅変調 (PWM); ブロック電圧 (デューティサイクル) の時間変化が情報を提供します。

次の XNUMX つの例は、さまざまな信号タイプのスコープ信号を示しています。

振幅変調:
AM 信号では、電圧のレベルによって情報が伝達されます。この図は、スロットルポジションセンサーからの XNUMX つの電圧を示しています。信頼性を保証するには、電圧曲線を相互に反映させる必要があります。

安静時のストレス:

青: 700mV;
赤: 4,3 ボルト。

測定開始後約0,25秒からアクセルペダルをゆっくりと踏み込み、スロットルバルブを75％開度にします。
2,0秒でアクセルペダルを放して3,0秒。フルスロットルで与えられます。

フルスロットルテンション:

青: 4,3 ボルト。
赤：700mV。

周波数変調：
FM 信号を送信するセンサーでは、信号の振幅 (高さ) は変わりません。ブロック電圧の幅によって情報が伝達されます。次の画像は、ABS センサー (ホール) からの信号を示しています。測定中にホイールを回転させました。回転速度が高くなると、信号の周波数が増加します。

電圧差は、ホイールベアリングに組み込まれている磁気リング内の磁場の変化によって引き起こされます。高さの差 (低: 磁場、高: 磁場なし) はわずか 300 mV です。オシロスコープが正しく調整されていない場合 (電圧範囲が 0 ～ 20 ボルト)、ブロック信号はほとんど見えません。このため、ブロック信号が見えるようにスケールが調整されており、その結果、信号の純度が低くなります。

パルス幅変調：
PWM 信号では、高電圧と低電圧の比率が変化しますが、周期時間は変わりません。これを FM 信号の方形波電圧と混同しないでください。周波数が変化するため、周期時間も変化します。

次の XNUMX つの画像は、空調パイプ内の高圧センサーからの PWM 信号を示しています。このセンサーは、空調システム内の冷媒圧力を測定します。

測定時の状況：

イグニッションがオンになります (センサーが電源電圧を受け取ります)。
エアコンはオフになりました。
診断装置で読み取った冷却媒体圧力: 5 bar。

次のスコープ画像では、周期時間は同じままですが、デューティサイクルが変化していることがわかります。

測定時の状況：

エアコンがオンになりました。
高圧が 20 bar まで上昇しました。
デューティサイクルは 70% になりました

アナログセンサーは AM 経由で信号を送信できます。このような電圧信号は電圧損失の影響を受けやすくなります。ワイヤまたはプラグの遷移抵抗により電圧損失が発生し、信号電圧も低下します。 ECU は低い方の電圧を受け取り、その信号を処理に使用します。これにより、複数のセンサー値が互いに対応しなくなるため、誤動作が発生し、次のような結果が生じる可能性があります。

異なる温度を同時に測定する 2 つの外気温度センサー。わずかな誤差は許容され、ECU は平均値を採用できますが、差が大きすぎると障害コードが発生する可能性があります。 ECUは2つの温度センサー間の偏差を認識します。
MAP センサーからの信号が低すぎるため、ECU が誤ったエンジン負荷を解釈するため、誤った噴射時間が発生します。その場合、燃料噴射が長すぎるか短すぎるため、燃料トリムはラムダセンサー信号に基づいて混合気を修正します。

電圧損失は、PWM 信号や SENT 信号では影響しません。立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの比率が信号の尺度になります。電圧のレベルは関係ありません。電圧が 40 ～ 0 ボルトの間で変化する場合、デューティサイクルは 12% になりますが、電源電圧が 40 ボルトに低下しても、比率は 9% のままです。

SENT (シングルエッジニブル送信)
上記のセンサー信号は、乗用車や商用車では長年にわたってよく知られています。新しいモデルでは、SENT プロトコルを使用するセンサーが増えています。このセンサーは、実際にも図でも通常のアクティブセンサーのように見えます。

パッシブセンサーとアクティブセンサーでは、情報転送は 2 本のワイヤを介して行われます。たとえば MAP センサーの場合、1 つは NTC センサーと ECU の間にあり、もう 1 つは圧力センサーと ECU の間にあります。 SENT センサーのセンサー電子機器は、複数のセンサーからの情報転送を結合して、信号線の数を減らすことができます。信号伝送は、PWM 信号の場合と同様に、信号線で電圧損失が発生した場合にも影響を受けません。

SENT プロトコルを使用するセンサー (アナログまたはデジタル信号を送信するアクティブセンサーと同様) には、次の XNUMX つのワイヤがあります。

供給電圧 (通常は 5 ボルト)
信号
マッサ。

SEND プロトコルを備えたセンサーは、信号を「出力」として送信します。したがって、センサー間の LIN バス通信などのような双方向通信はありません。

右の図では、VW Passat (505 年製造) の差圧センサー (G2022) が示されています。この図では、電源 (5v)、グランド (GND)、および信号 (SIG) の通常の表示が示されています。この圧力センサーは圧力をデジタル SENT 信号に変換し、エンジン ECU のコネクタ T53 のピン 60 に送信します。

上の例の差圧センサーは、SENT プロトコルを介して信号線を介して XNUMX つの信号のみを送信します。 SENT を使用すると、複数のセンサーを XNUMX つの信号線に接続できます。これは、特に MAP センサー (気圧と気温) やオイルレベルと品質センサーに適用できます。

次の画像では、内燃機関のオイルパンに取り付けられたオイルレベルおよび品質センサーが示されています。どちらの測定要素もエンジンオイル内にあります。

センサーには 12 ボルトが供給され、ECU を介してアースを受信し、SENT を使用して信号を ECU に送信します。

ハウジング内のマイクロコントローラーは、オイル温度とオイルレベルの両方が SENT 信号に含まれるメッセージをデジタル化します (図の「デジタルロジック」を参照)。

以下では、SENT 信号の構造を見ていきます。

SENT 信号は、0 ～ 5 ボルトの電圧を送信することで情報を転送する一連のニブル (XNUMX ビットのグループ) で構成されています。ここでは、SENT 信号がどのように構築されるかを簡単に説明します。メッセージ構造のイメージを以下に示します。

同期/校正パルス: 多くの場合、これがメッセージの始まりです。このパルスにより、受信者はメッセージの始まりを識別し、クロックのタイミングを同期させることができます。
ステータス： この部分は、送信された情報の状態、たとえばデータが正しいかどうか、データに問題があるかどうかを示します。
メッセージ開始ニブル (MSN): これは最初のニブルであり、SENT メッセージの始まりを示します。これには、メッセージの送信元とデータ転送のタイミングに関する情報が含まれます。
メッセージ識別子ニブル (MidN): このニブルは MSN に続き、メッセージのタイプ、メッセージのステータス、およびエラー検出またはエラー修正情報に関する情報が含まれます。
データニブル: MidN の後に XNUMX つ以上のデータブロックが続き、各データブロックは XNUMX つのデータニブルで構成されます。これらのデータブロックには、送信される実際のデータが含まれます。これらには、センサーデータ、ステータス情報、その他の有用なデータなどの情報が含まれています。
巡回冗長検査（CRC）注: 場合によっては、エラー検出を支援するためにメッセージの最後に CRC ニブルを追加できます。 CRC ニブルは、受信データが正しく受信されたかどうかを確認するために使用されます。

SENT 信号の各ニブルは、0 ボルトのティック数に応じて、15 から 5 までの値を持つことができます。以下の図は、SENT プロトコルの構造を示しています。

「ニブルグループ」はバイナリ形式で 0000 から 1111 までの数値で送信されます。各ニブルは 0 から最大 15 までの値を表し、0000 進数では 1111b ～ 0b、XNUMX 進数では XNUMX ～ F で表されます。これらのデジタル化されたニブルにはセンサー値が含まれており、ECU に送信されます。

このニブリング情報を送信するには、「ティック」またはコンピューターティックが使用されます。クロックの目盛りは、データが送信される速度を示します。ほとんどの場合、クロックの刻みは 3 マイクロ秒 (3μs) から最大 90μs までです。
最初のケースでは、新しいニブリンググループが 3 マイクロ秒ごとに送信されることを意味します。

メッセージは 56 タップの同期/校正パルスで始まります。信号 1 と信号 2 の 2 つの信号のそれぞれについて、12 つのニブルが送信され、XNUMX * XNUMX ビットの情報シーケンスが生成されます。 CRC はこれらの信号に従います
(巡回冗長検査) を使用して、受信者が受信したデータが正しいことを確認できます。
最後に、受信者へのメッセージの終わりを明確に示すために、一時停止パルスが追加されます。

以下のスコープ画像 (PicoScope Automotive で記録) は、複数のメッセージの測定値 (左) と 0 つのメッセージを拡大したもの (右) を示しています。拡大されたメッセージでは、信号の開始位置と終了位置が赤色で示されます。条件が変化すると、圧力や温度が上昇し、5 つまたは複数のニブルのティック数が変化します。ティックの変化は、XNUMX ～ XNUMX ボルトの間で変化する XNUMX つ以上の電圧における以下のスコープ画像に表示されます。パルスは広くなったり、狭くなったりすることがあります。実際の情報は、Picscope ソフトウェアでデコードできます。

電気診断では、Picscope ソフトウェアを使用してメッセージをデコードして調査することができますが、ほとんどの場合、ノイズのないクリーンなメッセージフローと、電源電圧 (5 ボルト) とセンサーのアースが適切かどうかを確認することに重点を置きます。秩序があってください。

電源と信号処理:
最初の段落では、供給電圧があるかどうかについて議論がありました。このセクションでは、関連するセンサーの電圧供給と信号処理を担当する ECU の主要コンポーネントについて説明します。詳細図のピン番号は前の段落と同じです。ECU のピン 35 と 36 はパッシブセンサーのピン 1 と 2 に接続されています。

最初の画像では、 NTC温度センサー。 ECU の 35 ピンからの基準電圧 (Uref) は電圧安定器 78L05 から得られます。電圧スタビライザは、5 ～ 6 ボルトのオンボード電圧で 16 ボルトの電圧を供給します。
抵抗 R (固定抵抗値) と RNTC (温度依存抵抗) は一緒に直列回路を形成し、分圧器も形成します。アナログデジタルコンバータ (ADC) は XNUMX つの抵抗間の電圧 (アナログ) を測定し、それをデジタル信号に変換してマイクロプロセッサ (µP) に送信します。

マルチメーターを使用すると、ECU のピン 35 またはセンサーのピン 1 の電圧を測定できます。

についてのページでは、温度センサー良好な信号伝送のためのいくつかの測定に加えて、配線障害の測定テクニックも示されています。

XNUMX番目の画像はアクティブな回路を示しています MAPセンサー weergeven。
5 ボルトの安定化電源電圧は、いわゆる「ホイートストーン橋これには、多数の固定抵抗 (R1、R2、R3) と可変抵抗 (Rp) が含まれます。
Rp の抵抗値はインテークマニホールド内の圧力に依存します。ここでも分圧器を扱います。抵抗の変化により電圧が変化し、ブリッジの不平衡が生じます。ホイートストンブリッジで生じた電圧差は、アンプ/フィルターで 0,5 ～ 4,5 ボルトの値の電圧に変換されます。アナログ信号のデジタル化は、アナログ - デジタルコンバーター (ADC) で行われます。 ADC はデジタル信号をマイクロプロセッサに送信します。

ADC の分解能はほとんどの場合 10 ビットで、1024 の可能な値に分割されます。 5 ボルトの電圧では、各ステップは約 5 mV です。

ECU の内部回路には XNUMX つ以上のパッシブおよびアクティブセンサーが含まれています抵抗器電源回路や信号回路に含まれます。 NTC回路内の抵抗は「」とも呼ばれます。バイアス抵抗」と分圧器として機能します。 MAP センサーの ECU 回路内の抵抗 R1 と R2 の目的は、プラスからグランドに微小な電流を流すことです。

これらの抵抗器がないと、信号線またはセンサープラグが取り外された場合に、いわゆる「フローティング測定」が発生します。このような場合、抵抗を備えた回路により、ADC 入力の電圧が約 5 ボルト (抵抗 R1 の両端の電圧を引いた値) まで確実に増加します。 ADC はアナログ電圧をデジタル値 255 (XNUMX 進数)、つまり FF (XNUMX 進数) に変換し、これをマイクロプロセッサに送信します。

非常に小さな電流が抵抗 R1 (低抵抗) を流れます。 10 ～ 100 mV の小さな電圧降下があります。印加電圧が 5 ボルトより数十分の 78 倍高い場合もあります。電圧安定化装置 05L0,1 のグランド接続と ECU のグランド (上図の茶色のワイヤ) の間には、低インピーダンス抵抗が含まれています。この抵抗の両端の電圧降下は、たとえば 0 ボルトになる可能性があります。電圧安定化装置は、そのアース接続を実際の 0,1 ボルトとして認識するため、出力電圧 (赤いワイヤ) を 5,0 ボルト引き上げます。この場合、センサーのプラスへの出力電圧は 5,1 ボルトではなく XNUMX ボルトになります。

インテリジェントセンサーは、ECU から 12 ボルトの電圧を受け取ります。アクティブセンサーと同様に、インテリジェントセンサーにはホイートストンブリッジとアンプ/フィルターが含まれています。アンプからのアナログ電圧はLINインターフェース(LIN-IC)に送られます。

LIN インターフェイスはデジタル LIN バス信号を生成します。信号は 12 ボルト (リセッシブ) と約 0 ボルト (ドミナント) の間で変化します。センサーは、この LIN バス信号を使用して、他のスレーブ (通常はセンサーとアクチュエーター) およびマスター (コントロールユニット) と通信します。
センサーのピン 3 と ECU のピン 64 の間の配線には、マスターと他のスレーブへの分岐があります。

詳しくはこちらのページをご覧ください林バス。