Emner:
- introduksjon
- Passive sensorer
- Aktive sensorer
- Intelligente sensorer
- Applikasjoner innen bilteknologi
- Måling på sensorer
- Signaloverføring fra sensor til ECU
- SENDT (Enkelts nibble girkasse)
- Strømforsyning og signalbehandling
Forord:
Sensorer måler fysiske størrelser og konverterer dem til elektriske spenninger. Disse spenningene behandles i mikrokontrolleren (ECU) og leses som et "signal". Signalet kan bedømmes etter nivået på spenningen, eller frekvensen et signal endres med.
Passive sensorer:
En passiv sensor oppdager og måler en fysisk mengde og konverterer den til en annen fysisk mengde. Et eksempel på dette er å konvertere en temperatur til en motstandsverdi. En passiv sensor genererer ingen spenning selv, men reagerer på en referansespenning fra ECU. En passiv sensor krever ikke en forsyningsspenning for å fungere.
Passive sensorer har vanligvis to eller tre tilkoblinger:
- referanse eller signalledning (blå);
- jordledning (brun);
- skjermet ledning (svart).
Noen ganger inneholder en passiv sensor bare én ledning: i så fall tjener huset til sensoren som jord. En tredje ledning kan tjene som skjerming. Jakken er jordet via ECU. Den skjermede ledningen brukes spesielt til interferensfølsomme signaler som fra veivakselposisjonssensoren og bankesensoren.
Et eksempel på en passiv sensor er en NTC temperatursensor. Referansespenningen på 5 volt brukes som spenningsdeler mellom motstanden i ECU og i sensoren, altså ikke som forsyningsspenning for sensoren. Nivået på spenningen mellom motstandene (avhengig av NTC-motstandsverdien) leses av ECU og oversettes til en temperatur. Kretsen med motstandene er forklart i avsnittet "Spenningsforsyning og signalbehandling" lenger på denne siden.
Aktive sensorer:
Aktive sensorer inneholder en elektrisk krets i huset for å konvertere en fysisk mengde til en spenningsverdi. Den elektriske kretsen krever ofte en stabilisert forsyningsspenning for å fungere.
I de fleste tilfeller har denne typen sensor tre tilkoblinger:
- pluss (vanligvis 5,0 volt);
- pasta;
- signal.
Den stabiliserte 5 volts strømforsyningen leveres av kontrollenheten og brukes av sensoren til å danne et analogt signal (mellom 0 og 5 volt). De positive og jordede ledningene fra ECU er ofte koblet til flere sensorer. Dette kan gjenkjennes av nodene som mer enn to ledninger er koblet til.
Det analoge signalet konverteres til et digitalt signal i ECU.
I avsnittet «spanoreringsforsyning og signalbehandling» vil vi diskutere dette nærmere.
Intelligente sensorer:
Intelligente sensorer har vanligvis tre tilkoblinger. Som med de aktive sensorene er det en strømledning (12 volt fra ECU eller direkte via en sikring) og en jordledning (via ECU eller et eksternt jordingspunkt. En intelligent sensor sender en digital (LIN buss) melding til ECU og de andre sensorene. Det er da et herre-slave-prinsipp.
Internt i sensoren konverterer en A/D-omformer et analogt til et digitalt signal.
- Analog: 0 – 5 volt;
- Digital: 0 eller 1.
I het LIN-busssignal i en recessiv tilstand (12 volt) er det en 1, og i en dominant tilstand (0 volt) er det en 0.
Bruksområder innen bilteknologi:
Innen bilteknologi kan vi gjøre følgende klassifisering av de forskjellige typer sensorer:
Passive sensorer:
- Banke sensor;
- Veivaksel posisjon sensor;
- Temperatursensor (NTC/PTC);
- Lambdasensor (hoppsensor / zirkonium);
- Induktiv høydesensor;
- Slå (på/av)
Aktive sensorer:
- Veivaksel/kamaksel posisjonssensor (Hall);
- Luftmassemåler;
- Bredbånd lambda sensor;
- Trykksensor (ladetrykk / turbotrykksensor);
- ABS-sensor (Hall/MRE);
- Akselerasjons-/retardasjonssensor (YAW);
- Radar/LIDAR sensor;
- Ultrasonisk sensor (PDC / alarm);
- Posisjonssensor (gassventil / EGR / varmeventil).
Intelligente sensorer:
- Regn/lyssensor;
- Kameraer;
- Trykksensor;
- Styrevinkel sensor;
- Batterisensor
Måling på sensorer:
Når en sensor ikke fungerer som den skal, vil sjåføren i de fleste tilfeller merke dette fordi en feillampe tennes, eller at noe ikke lenger fungerer som det skal. Hvis en sensor i motorrommet forårsaker en funksjonsfeil, kan dette resultere i tap av kraft og en opplyst MIL (motorfeillys).
Når du leser en ECU, kan en feilkode vises hvis ECUen gjenkjenner feilen. Men ikke i alle tilfeller fører feilkoden direkte til årsaken. At den aktuelle sensoren ikke fungerer kan skyldes at den er defekt, men det kan ikke utelukkes et problem i lednings- og/eller pluggforbindelsene.
Det er også mulig at sensoren gir en feil verdi som ikke gjenkjennes av ECU. I så fall lagres ingen feilkode, men teknikeren må bruke live-dataene (se OBD-siden) må se etter målinger som er utenfor rekkevidde.
Følgende bilde viser en måling fra en aktiv sensor. Strømforsyningen (spenningsforskjellen på pluss- og minusforbindelsene) til sensoren kontrolleres med et digitalt multimeter. Måleren viser 5 volt, så dette er OK.
Signalspenninger kan måles med et voltmeter eller et oscilloskop. Hvilken måler som passer avhenger av signaltypen:
- voltmeter: analoge signaler som er nesten konstante;
- oscilloskop: analoge signaler og digitale signaler (duty cycle / PWM).
Med en eller flere målinger kan vi demonstrere at sensoren ikke fungerer som den skal (signalet som sendes ut er usannsynlig eller sensoren gir ikke signal), eller at det er et problem i ledningen.
Med passive sensorer kan det i de fleste tilfeller gjennomføres en motstandsmåling for å sjekke om det er en intern defekt i sensoren.
Mulige problemer i sensorkablingen kan omfatte:
- avbrudd i positiv jord eller signalledning;
- kortslutning mellom ledninger eller karosseriet;
- overgangsmotstand i en eller flere ledninger;
- dårlige støpselforbindelser.
På siden: feilsøke sensorkabling vi ser på syv mulige funksjonsfeil som kan oppstå i kablingen til sensorer.
Signaloverføring fra sensor til ECU:
Det er flere metoder for å overføre signaler fra sensoren til ECU. I bilteknologi kan vi håndtere følgende signaltyper:
- Amplitudemodulasjon (AM); nivået på spenningen gir informasjon;
- Frekvensmodulering (FM); frekvensen til signalet gir informasjon;
- Pulse Width Modulation (PWM); tidsvariasjonen i blokkspenningen (duty cycle) gir informasjon.
De følgende tre eksemplene viser omfangssignaler for de forskjellige signaltypene.
Amplitudemodulering:
Med et AM-signal overfører spenningsnivået informasjonen. Figuren viser to spenninger fra gassposisjonssensorene. For å garantere pålitelighet må spenningskurvene speiles i forhold til hverandre.
Stress i hvile:
- Blå: 700 mV;
- Rød: 4,3 volt.
Fra ca. 0,25 sekunder etter start av målingen, trykkes gasspedalen sakte ned og gassventilen åpner 75 %.
På 2,0 sek. gasspedalen slippes og ved 3,0 sek. gis full gass.
Full gass spenning:
- Blå: 4,3 volt;
- Rød: 700 mV.
Frekvensmodulering:
Med sensorer som sender et FM-signal, endres ikke amplituden (høyden) på signalet. Bredden på blokkspenningen overfører informasjonen. Følgende bilde viser signalet fra en ABS-sensor (Hall). Hjulet ble snudd under målingen. Ved høyere rotasjonshastighet øker frekvensen til signalet.
Spenningsforskjellen er forårsaket av endringen i magnetfeltet i magnetringen, som er innlemmet i hjullageret. Høydeforskjellen (lav: magnetisk felt, høy: ingen magnetfelt) er bare 300 mV. Hvis skopet er feiljustert (spenningsområde fra 0 til 20 volt), er blokksignalet knapt synlig. Av denne grunn er skalaen justert på en slik måte at blokksignalet blir synlig, med det resultat at signalet blir mindre rent.
Pulsbreddemodulering:
Med et PWM-signal endres forholdet mellom høy- og lavspenning, men periodetiden forblir den samme. Dette må ikke forveksles med en firkantbølgespenning i et FM-signal: frekvensen endres og dermed også periodetiden.
De neste to bildene viser PWM-signaler fra en høytrykkssensor i et luftkondisjoneringsrør. Denne sensoren måler kjølemedietrykket i klimaanlegget.
Situasjon under målingen:
- Tenningen slått på (sensor mottar en forsyningsspenning);
- Air condition slått av;
- Kjølemiddeltrykk avlest med diagnoseutstyr: 5 bar.
I neste scope-bilde ser vi at periodetiden har vært den samme, men driftssyklusen har endret seg.
Situasjon under målingen:
- Air condition slått på;
- Høytrykket har steget til 20 bar;
- Driftssyklus er nå 70 %
Analoge sensorer kan sende et signal via AM. Et slikt spenningssignal er følsomt for spenningstap. En overgangsmotstand i en ledning eller plugg gir spenningstap, og derfor også lavere signalspenning. ECU-en mottar den lavere spenningen og bruker signalet til behandling. Dette kan forårsake funksjonsfeil fordi flere sensorverdier ikke lenger samsvarer med hverandre, noe som resulterer i:
- To utelufttemperatursensorer som samtidig måler en annen temperatur. Selv om en liten feilmargin er akseptabel og ECU-en kan bruke gjennomsnittsverdien, kan for stor forskjell føre til en feilkode. ECU-en gjenkjenner avviket mellom de to temperatursensorene.
- en feil injeksjonsvarighet fordi signalet fra MAP-sensoren er for lavt og ECU tolker derfor en feil motorbelastning. I så fall er drivstoffinnsprøytningen for lang eller for kort, og drivstofftrimene vil korrigere blandingen basert på lambdasensorsignalet.
Spenningstap spiller ingen rolle i et PWM-signal og/eller SENT-signal. Forholdet mellom stigende og fallende flanker er et mål på signalet. Spenningsnivået spiller ingen rolle. Duty cycle kan være 40 % ved en spenning som varierer mellom 0 og 12 volt, men forholdet er fortsatt 40 % dersom forsyningsspenningen faller til 9 volt.
SENDT (Enkelts nibble girkasse)
Sensorsignalene nevnt ovenfor har vært et kjent navn i person- og nyttekjøretøy i årevis. I de nyere modellene ser vi i økende grad sensorer som bruker SENT-protokollen. Denne sensoren ser ut som en vanlig aktiv sensor, både i virkeligheten og i diagrammet.
Med passive og aktive sensorer skjer informasjonsoverføring via to ledninger. I tilfellet med en MAP-sensor for eksempel: en mellom NTC-sensoren og ECU og den andre mellom trykksensoren og ECU. Sensorelektronikken til en SENT-sensor kan kombinere informasjonsoverføring fra flere sensorer, noe som reduserer antallet signalledninger. Signaloverføringen påvirkes heller ikke ved spenningstap over signalledningen, akkurat som ved et PWM-signal.
En sensor som bruker SENT-protokollen, som en aktiv sensor som sender et analogt eller digitalt signal, har tre ledninger:
- Forsyningsspenning (ofte 5 volt)
- Signal
- Pasta.
Sensorer med SEND-protokollen sender et signal som "utgang". Det er derfor ingen toveiskommunikasjon, slik tilfellet er med for eksempel LIN-busskommunikasjon mellom sensorer.
I diagrammet til høyre ser vi differensialtrykksensoren (G505) til en VW Passat (bygget i 2022). I diagrammet ser vi de vanlige indikasjonene på strømforsyningen (5v), jord (GND) og signal (SIG). Denne trykksensoren konverterer trykket til et digitalt SENT-signal og sender det til pinne 53 på kontakten T60 i motorens ECU.
Differansetrykksensoren i eksemplet ovenfor sender kun ett signal via SENT-protokollen over signalledningen. Flere sensorer kan kobles til én signalledning ved hjelp av SENT. Dette kan blant annet brukes på en MAP-sensor (lufttrykk og lufttemperatur) og på en oljenivå- og kvalitetssensor.
I det følgende bildet ser vi en oljenivå- og kvalitetssensor montert i oljepannen til en forbrenningsmotor. Begge måleelementene er plassert i motoroljen.
Sensoren forsynes med 12 volt, mottar sin jord via ECU og sender signalet til ECU ved hjelp av SENT.
Mikrokontrolleren i huset digitaliserer meldingen (se: "digital logikk" i figuren) der både oljetemperaturen og oljenivået er inkludert i SENT-signalet.
Nedenfor ser vi på strukturen til et SENT-signal.
Et SENT-signal består av en serie nibbles (grupper på fire bits) som overfører informasjon ved å sende spenninger mellom 0 og 5 volt. Her er en kort beskrivelse av hvordan et SENT-signal er konstruert. Bildet av meldingsstrukturen vises nedenfor.
- Synkronisering / Kalibreringspuls: dette er ofte starten på meldingen. Denne pulsen lar mottakeren identifisere begynnelsen av meldingen og synkronisere tidspunktet for klokken;
- Status: denne delen angir tilstanden til informasjonen som sendes, for eksempel om dataene er korrekte eller om det er problemer med dem;
- Message Start Nibble (MSN): Dette er den første biten og indikerer begynnelsen av en SENT-melding. Den inneholder informasjon om kilden til meldingen og tidspunktet for dataoverføringen.
- Meldingsidentifikator Nibble (MidN): Denne biten følger MSN og inneholder informasjon om typen melding, statusen til meldingen og eventuell feildeteksjon eller feilrettingsinformasjon.
- Datanapper: Etter MidN følger én eller flere datablokker, som hver består av fire datanibbles. Disse datablokkene bærer de faktiske dataene som sendes. De inneholder informasjon som sensordata, statusinformasjon eller andre nyttige data.
- Syklisk redundansskontroll (CRC): I noen tilfeller kan en CRC-nibble legges til på slutten av meldingen for å hjelpe feildeteksjon. CRC-nibblen brukes til å sjekke om de mottatte dataene er mottatt riktig.
Hver napp i et SENT-signal kan ha verdier fra 0 til 15, avhengig av hvor mange tikker det er 5 volt. Bildet nedenfor viser strukturen til SENT-protokollen.
'Nibble-grupper' sendes, numerisk fra 0000 til 1111 i binært format. Hver nibble representerer en verdi fra 0 til maksimalt 15, og de er representert i binært som følger: 0000b til 1111b og heksadesimal fra 0 til F. Disse digitaliserte nibblene inneholder sensorverdiene og sendes til ECU.
For å sende denne nappeinformasjonen brukes 'ticks' eller dataticks. Klokkehaken indikerer hvor raskt dataene sendes. I de fleste tilfeller er klokketikken 3 mikrosekunder (3μs) opp til maksimalt 90μs.
I det første tilfellet betyr dette at en ny nappegruppe sendes hvert 3. mikrosekund.
Meldingen starter med en 56-tapps synkroniserings-/kalibreringspuls. For hvert av de to signalene: signal 1 og signal 2, sendes tre nibbles, noe som resulterer i en sekvens på 2 * 12 biter med informasjon. CRC følger disse signalene
(Cyclic Redundancy Check) for kontroll, som lar mottakeren verifisere at dataene som mottas er korrekte.
Til slutt legges det til en pausepuls for å tydelig markere slutten av meldingen til mottakeren.
Omfangsbildene nedenfor (ta opp med PicoScope Automotive) viser målinger av flere meldinger (venstre) og en zoom inn på én melding (høyre). I den innzoomede meldingen er det rødt indikert hvor signalet starter og slutter. Når forholdene endrer seg: trykket og/eller temperaturen øker, vil det være en endring i antall flått i en eller flere nibbles. Endringen i flått vil være synlig i scope-bildet nedenfor i en eller flere spenninger som varierer mellom 0 og 5 volt. Pulsene kan bli bredere eller smalere. Den faktiske informasjonen kan dekodes med Picoscope-programvaren.
Med en elektrisk diagnose kan vi bruke Picoscope-programvaren til å dekode meldingen for å studere den, men i de fleste tilfeller fokuserer vi på å sjekke en ren meldingsflyt uten støy, og om forsyningsspenningen (5 volt) og jording til sensoren er i være i orden.
Strømforsyning og signalbehandling:
I de første avsnittene var det diskusjon om det var en forsyningsspenning eller ikke. I denne delen diskuterer vi hovedkomponentene i ECUen som er ansvarlige for spenningsforsyningen og signalbehandlingen til den aktuelle sensoren. Pinnenummerene til dybdediagrammene er de samme som i de foregående avsnittene: pinnene 35 og 36 på ECU er koblet til pinnene 1 og 2 på den passive sensoren, etc.
På det første bildet ser vi en NTC temperatursensor. Referansespenningen (Uref) fra pinne 35 på ECU er hentet fra spenningsstabilisatoren 78L05. Spenningsstabilisatoren leverer en spenning på 5 volt ved en ombordspenning fra 6 til 16 volt.
Motstanden R (fast motstandsverdi) og RNTC (temperaturavhengig motstand) danner sammen en seriekrets og også en spenningsdeler. Analog-Digital Converter (ADC) måler spenningen mellom de to motstandene (analog), konverterer den til et digitalt signal og sender den til mikroprosessoren (µP).
Med et multimeter kan du måle spenningen på pinne 35 på ECU eller pinne 1 på sensoren.
På siden om temperatur sensor I tillegg til noen målinger for god signaloverføring, vises måleteknikkene for en ledningsfeil.
Det andre bildet viser kretsen til en aktiv KART sensor vise.
Den stabiliserte forsyningsspenningen på 5 volt når den såkalte "Wheatstone Bridge", som inkluderer et antall faste (R1, R2, R3) og en variabel motstand (Rp).
Motstandsverdien til Rp avhenger av trykket i inntaksmanifolden. Også her har vi å gjøre med en spenningsdeler. Endringen i motstand forårsaker spenningsendringer, noe som fører til at broen blir ubalansert. Spenningsforskjellen som skapes i Wheatstone-broen konverteres i forsterkeren/filteret til en spenning med en verdi mellom 0,5 og 4,5 volt. Digitalisering av det analoge signalet skjer i analog-til-digital-omformeren (ADC). ADC sender det digitale signalet til mikroprosessoren.
Oppløsningen til ADC er i de fleste tilfeller 10 biter, fordelt på 1024 mulige verdier. Ved en spenning på 5 volt er hvert trinn omtrent 5 mV.
Den interne kretsen til ECU inneholder en eller flere passive og aktive sensorer motstander inkludert i strømforsyningen og signalkretsene. Motstanden i NTC-kretsen kalles også "forspenningsmotstand” og tjener for spenningsdeleren. Hensikten med motstandene R1 og R2 i ECU-kretsen til MAP-sensoren er å la en liten strøm flyte fra pluss til jord.
Uten disse motstandene ville en såkalt "flytende måling" oppstått hvis signalledningen eller sensorpluggen ble fjernet. I de tilfellene sørger kretsen med motstander for at spenningen på ADC-inngangen økes til ca. 5 volt (minus spenningen over motstanden R1). ADC-en konverterer den analoge spenningen til den digitale verdien 255 (desimal), dvs. FF (heksadesimal) og sender denne til mikroprosessoren.
En veldig liten strøm går gjennom motstand R1 (lav ohm). Det er et lite spenningsfall på mellom 10 og 100 mV. Det kan skje at den påførte spenningen er noen tideler høyere enn 5 volt; En lavimpedansmotstand er inkludert mellom jordforbindelsen til spenningsstabilisatoren 78L05 og bakken til ECU (brun ledning i diagrammet ovenfor). Spenningsfallet over denne motstanden kan for eksempel være 0,1 volt. Spenningsstabilisatoren ser jordforbindelsen som faktisk 0 volt, så den løfter utgangsspenningen (den røde ledningen) 0,1 volt. I så fall er utgangsspenningen til pluss av sensoren ikke 5,0 men 5,1 volt.
Den intelligente sensoren mottar en spenning på 12 volt fra ECU. Akkurat som den aktive sensoren inkluderer den intelligente sensoren en Wheatstone-bro og en forsterker/filter. Den analoge spenningen fra forsterkeren sendes til LIN-grensesnittet (LIN-IC).
LIN-grensesnittet genererer et digitalt LIN-busssignal. Signalet varierer mellom 12 volt (resessivt) og omtrent 0 volt (dominant). Sensoren bruker dette LIN-busssignalet til å kommunisere med de andre slavene (vanligvis sensorene og aktuatorene) og masteren (kontrollenheten).
Det er grener til masteren og andre slaver på ledningen mellom pinne 3 på sensoren og pinne 64 på ECU.
For mer informasjon, se siden LIN buss.
