Tópicos:
- Introdução
- Transistor Lógica Transistor (TTL)
- Conversão de tensões de sensores analógicos para mensagem digital
- Conversão do sinal do gerador de pulsos em mensagem digital
- Sinais de saída
Introdução:
Na maioria dos casos, os sinais elétricos dos sensores devem ser ajustados antes de serem apresentados ao processador. Os atuadores são controlados do outro lado do computador. Freqüentemente, são circuitos indutivos que frequentemente comutam grandes correntes. O hardware para ajustar os sinais do sensor e as correntes do atuador é chamado de circuitos de interface. Um circuito de interface garante a tradução de uma tensão analógica para digital.
- sensores transmitir uma tensão com baixa corrente. O circuito de interface converte a tensão em um valor digital (0 ou 1).
A intensidade da corrente é baixa com sinal do sensor; - Atuadores requerem corrente mais alta.
Om de atuadores de controle, estão localizados na ECU na forma de (uma combinação de) transistores ou FETs, também chamados de “drivers”. Discutiremos isso com mais detalhes na seção “sinais de saída”.
A imagem abaixo mostra os sensores e atuadores de um sistema de gerenciamento de motor (gasolina). O grupo superior de sensores (desde o sensor de posição do pedal do acelerador até os sensores lambda) se enquadra na categoria “analógico”. Isso significa que as tensões do sensor de entrada devem primeiro ser digitalizadas no ADC (conversor analógico-digital). O grupo inferior de sensores (do sensor de posição do virabrequim ao sensor de velocidade do veículo) já fornece seu sinal digitalmente. Os sinais liga-desliga ou tensões de bloco são aplicados diretamente à CPU.
Os atuadores à direita são controlados por um estágio de saída. Um estágio de saída, também chamado de driver, consiste em um circuito de vários transistores para gerar uma tensão e corrente utilizáveis a partir de um pulso de controle do computador para controlar o atuador.
Lógica de transistor transistor (TTL):
O processador funciona com tensões de 5 volts. As tensões de entrada e saída são, portanto, limitadas a uma faixa de 0 a 5 volts (nível TTL, abreviado de Transistor Transistor Logic). Para sinais que se desviam deste nível de tensão, ocorre um ajuste em um circuito de interface.
As imagens abaixo mostram como um 1 ou 0 é formado a partir de uma posição de chave. Por meio de um resistor pull-up, a tensão de 5 volts fornece uma lógico 1 na entrada do processador quando a chave é aberta. A tensão através do resistor pull-up não é então conectada ao terra.
Quando as chaves fecham, ocorre uma queda de tensão no resistor pull-up. A tensão de 0 volts na entrada do processador é vista como lógico 0.
Uma combinação de interruptores abertos e fechados produz uma série de uns e zeros. Na figura, a mensagem de 8 bits para o processador é: 00101001.
Com um processador de 8 bits, os oito bits são lidos simultaneamente por ciclo. Durante o próximo ciclo, que ocorre durante o próximo “tique” do relógio (veja o barramento do sistema na página sobre o funcionamento da ECU) segue uma sequência com oito novos bits.
Conversão de tensões de sensores analógicos para mensagem digital:
Os sinais de entrada digital são processados diretamente pelo processador. Os sinais analógicos são primeiro convertidos em sinais digitais no conversor A/D. Como exemplo, tomamos a curva de tensão analógica de um sensor de pressão turbo:
- em modo inativo, a tensão é de aproximadamente 1,8 volts;
- ao acelerar, a tensão sobe para quase 3 volts.
A mudança de tensão não pode ser processada diretamente no processador. Primeiro, a tensão medida deve ser convertida para um valor decimal (0 a 255).
Com faixa de 0 a 5 volts e valor decimal de 0 a 255 (portanto, 256 possibilidades). Um cálculo simples mostra que se dividirmos 5 volts por 256 possibilidades, podem ser feitos passos de 19,5 mV (0,0195 volts).
O exemplo acima mostrou o desenvolvimento de tensão versus tempo de um sensor de pressão turbo. A curva de tensão de um sensor de temperatura e do sensor de posição do pedal do acelerador é a mesma, apenas em um período de tempo diferente: o aquecimento do líquido refrigerante leva mais tempo do que o enrolamento do turbo.
Anteriormente nesta seção há uma imagem mostrando uma categoria de sinais analógicos. Isto mostra, entre outras coisas, o sensor de temperatura e o sensor de posição do pedal do acelerador. A tensão analógica é convertida em uma unidade de informação de 8 bits no conversor A/D. Muitos processadores com múltiplos pinos de entrada possuem apenas um conversor A/D. Vários sinais analógicos são combinados em um sinal usando multiplexação.
Neste exemplo vemos um conversor A/D com oito entradas. Há uma tensão de 0 volts no pino 2. Os pinos E1 a E7 podem ser alimentados com tensões ao mesmo tempo. Eles são convertidos um por um em uma mensagem digital usando multiplexação.
A tensão de 2 volts é convertida em um valor binário. Com a seguinte fórmula podemos converter a tensão analógica para um valor decimal e depois convertê-la para um valor binário:
2v / 5v * 255d = 102d
Aqui dividimos a tensão de entrada (2v) pela tensão máxima (5v) e multiplicamos pelo valor decimal máximo (255).
Fazendo alguns cálculos ou realizando um truque bacana, podemos converter o número decimal de 255d no valor binário de 01100110.
Veja a página para isso: binário, decimal, hexadecimal.
A tabela a seguir mostra os valores decimais, binários e hexadecimais associados às diferentes tensões.
Ao ler dados em tempo real, o valor decimal, binário ou hexadecimal do sinal do sensor pode ser exibido.
- Um sinal de tensão <0,5 volts (025d) é considerado um curto-circuito com o terra;
- Se o sinal ultrapassar 4,5 volts (220d), o computador traduz isso como um curto-circuito com positivo.
Conversão de sinais do gerador de pulsos em uma mensagem digital:
Os sinais dos geradores de pulso, incluindo o sensor indutivo de posição do virabrequim, são na verdade sinais liga-desliga que surgem depois que os dentes da roda de pulso passam pelo sensor. A tensão alternada do sensor deve primeiro ser convertida em uma tensão de onda quadrada antes que o sinal seja apresentado ao processador.
Na figura vemos uma tensão alternada senoidal no lado esquerdo da interface. Na interface eletrônica, essa tensão alternada é convertida em uma tensão de onda quadrada. Esta tensão do bloco é então lida pelo bloco temporizador/contador: quando o pulso está alto, o contador inicia a contagem e para de contar quando o pulso fica alto novamente. O número de contagens é uma medida do período de tempo. frequência do sinal.
Na imagem abaixo vemos um sinal do sensor indutivo do virabrequim com pontos vermelhos nos flancos superiores. Os pontos vermelhos são ajustados para uma tensão para aumentar (lógica 1) ou diminuir (lógica 0) a tensão do bloco. A explicação continua abaixo desta imagem.
No entanto, a tensão do sensor nunca é completamente pura. Sempre haverá uma pequena flutuação no perfil de tensão. Nesse caso, a eletrônica da interface pode indicar incorretamente isso como um 0 lógico, quando na verdade deveria ser 1.
A imagem do osciloscópio abaixo foi gravada durante a execução Projeto BMW Megasquirt. A imagem do osciloscópio mostra a digitalização (amarelo) do sinal indutivo do virabrequim (vermelho). A imagem mostra claramente que faltam pulsos no sinal do bloco amarelo, enquanto naquele momento nenhum dente faltante está passando no sinal do virabrequim.
Para garantir que pequenas flutuações no perfil de tensão não causem uma interpretação incorreta pela ECU, foi incorporada uma chamada histerese. A histerese é a diferença entre as bordas ascendente e descendente do perfil de tensão. Na imagem abaixo vemos que os pontos vermelhos nas bordas ascendentes estão em uma tensão mais alta do que os pontos vermelhos nas bordas descendentes. Desta forma podemos ter certeza de que pequenas flutuações no sinal não afetam a conversão digital.
No primeiro parágrafo onde iniciamos a conversão do sinal de pulso para o sinal digital, já foi mencionado que a frequência do sinal é determinada com base no tempo entre duas bordas ascendentes do sinal quadrado. Nestes exemplos pode-se deduzir claramente que a histerese influencia a largura do sinal quadrado, mas não tem influência no tempo entre as bordas ascendentes e, portanto, não tem influência na frequência do sinal.
Com uma histerese devidamente configurada, o sinal senoidal é devidamente convertido em uma tensão de onda quadrada utilizável, permanecendo apenas as múltiplas lógicas nos locais por onde passa o dente perdido.
Observe que durante a configuração da ECU MegaSquirt, as configurações foram alteradas, incluindo o acionamento nas linhas ascendentes e descendentes. Como resultado, ao passar o dente perdido no primeiro exemplo, a tensão é de 0 volts e na imagem do osciloscópio abaixo a tensão é de 5 volts.
Sinais de saída:
Os sinais de saída consistem em pulsos digitais liga/desliga com faixa de tensão entre 0 e 5 volts (nível TTL) com corrente muito baixa. No entanto, os atuadores requerem controle com níveis de tensão e correntes mais elevados.
Os sinais liga/desliga podem ser modulados por largura de pulso (PWM), onde a largura do pulso pode variar em uma frequência constante.
A figura a seguir mostra uma tensão de onda quadrada no nível TTL em função do tempo. O ciclo de trabalho deste sinal PWM é de 50%.
Drivers são necessários para controlar os atuadores. Com o sinal de saída digital, a corrente necessária pode ser alcançada com um driver. Na próxima seção discutiremos os drivers.
Encontramos drivers em todas as ECU e em alguns atuadores, como as bobinas de ignição DIS. Um driver também é chamado de estágio de saída ou transistor de potência. O driver permite converter sinais de saída em nível TTL: 0 a 5 volts, com baixa corrente de 1 mA da ECU, para tensões de até 14 volts e correntes de até aproximadamente 10 A.
Um driver pode conectar vários transistores conter. Chamamos esse transistor de “Transistor Darlington“. As imagens a seguir mostram os seguintes circuitos:
- Esquema de um circuito Darlington com dois transistores para controle da bobina de ignição (fonte: datasheet BU941ZR).
- Dois transistores, cada um com um circuito Darlington (BU941ZR)
- CIs de driver com circuitos Darlington e componentes eletrônicos adicionais para, entre outras coisas, proteção de temperatura e feedback para o microprocessador.
Na página: métodos de controle de atuadores o controle de atuadores passivos, ativos e inteligentes por meio de um transistor (de potência) ou FET é discutido com mais detalhes.
