Subiecte:
- introducere
- Senzori pasivi
- Senzori activi
- Senzori inteligenți
- Aplicații în tehnologia auto
- Măsurare pe senzori
- Transmiterea semnalului de la senzor la ECU
- SENT (Transmisie cu o singură margine)
- Alimentare și procesare semnal
Introducere:
Senzorii măsoară mărimile fizice și le convertesc în tensiuni electrice. Aceste tensiuni sunt procesate în microcontroler (ECU) și citite ca un „semnal”. Semnalul poate fi judecat după nivelul tensiunii sau frecvența la care se schimbă un semnal.
Senzori pasivi:
Un senzor pasiv detectează și măsoară o mărime fizică și o convertește într-o altă mărime fizică. Un exemplu în acest sens este conversia unei temperaturi în a valoarea rezistentei. Un senzor pasiv nu generează nicio tensiune în sine, ci răspunde la o tensiune de referință de la ECU. Un senzor pasiv nu necesită o tensiune de alimentare pentru a funcționa.
Senzorii pasivi au de obicei două sau trei conexiuni:
- fir de referință sau semnal (albastru);
- fir de împământare (maro);
- fir ecranat (negru).
Uneori, un senzor pasiv conține un singur fir: în acest caz, carcasa senzorului servește drept masă. Un al treilea fir poate servi drept ecranare. Jacheta este împământată prin intermediul ECU. Firul ecranat este utilizat în special pentru semnale sensibile la interferențe, cum ar fi de la senzorul de poziție a arborelui cotit și senzorul de detonare.
Un exemplu de senzor pasiv este a Senzor de temperatură NTC. Tensiunea de referință de 5 volți este folosită ca divizor de tensiune între rezistorul din ECU și din senzor, deci nu ca tensiune de alimentare pentru senzor. Nivelul tensiunii dintre rezistențe (în funcție de valoarea rezistenței NTC) este citit de ECU și tradus într-o temperatură. Circuitul cu rezistențele este explicat în secțiunea: „Alimentarea cu tensiune și procesarea semnalului” mai departe pe această pagină.
Senzori activi:
Senzorii activi conțin un circuit electric în carcasă pentru a converti o mărime fizică într-o valoare a tensiunii. Circuitul electric necesită adesea o tensiune de alimentare stabilizată pentru a funcționa.
În cele mai multe cazuri, acest tip de senzor are trei conexiuni:
- plus (de obicei 5,0 volți);
- masa;
- semnal.
Sursa de alimentare stabilizată de 5 volți este furnizată de unitatea de control și utilizată de senzor pentru a forma un semnal analogic (între 0 și 5 volți). Firele pozitive și de masă de la ECU sunt adesea conectate la mai mulți senzori. Acest lucru poate fi recunoscut de nodurile la care sunt conectate mai mult de două fire.
Semnalul analogic este convertit în semnal digital în ECU.
În paragraful „sPanning supply and signal processing” vom discuta acest lucru mai detaliat.
Senzori inteligenți:
Senzorii inteligenți au de obicei trei conexiuni. Ca și în cazul senzorilor activi, există un fir de alimentare (12 volți de la ECU sau direct printr-o siguranță) și un fir de împământare (prin ECU sau un punct de masă extern. Un senzor inteligent trimite un semnal digital (Autobuz LIN) mesaj către ECU și ceilalți senzori. Există atunci un principiu stăpân-sclav.
În interiorul senzorului, un convertor A/D convertește un semnal analogic într-un semnal digital.
- Analogic: 0 – 5 volți;
- Digital: 0 sau 1.
În het Semnal autobuz LIN în stare recesivă (12 volți) este un 1, iar în stare dominantă (0 volți) este un 0.
Aplicații în tehnologia auto:
În tehnologia auto putem face următoarea clasificare a diferitelor tipuri de senzori:
Senzori pasivi:
- Senzor de baterie;
- Senzor poziție arbore cotit;
- Senzor de temperatura (NTC/PTC);
- Sonda lambda (senzor de salt / zirconiu);
- Senzor inductiv de înălțime;
- Comutare (pornit/oprit)
Senzori activi:
- Senzor de poziție arbore cotit/arbor cu came (Hall);
- Contor de masă de aer;
- Senzor lambda de bandă largă;
- Senzor de presiune (senzor de presiune de încărcare / turbo);
- Senzor ABS (Hall/MRE);
- Senzor de accelerare/decelerare (YAW);
- Senzor radar/LIDAR;
- Senzor cu ultrasunete (PDC / alarma);
- Senzor de poziție (supapă de gaz / EGR / supapă de încălzire).
Senzori inteligenți:
- Senzor ploaie/lumina;
- Camere de luat vederi;
- Senzor de presiune;
- Senzor unghi de virare;
- Senzor baterie
Măsurare pe senzori:
Când un senzor nu funcționează corect, șoferul va observa în cele mai multe cazuri acest lucru deoarece se aprinde o lumină de defecțiune sau că ceva nu mai funcționează corect. Dacă un senzor din compartimentul motor provoacă o defecțiune, aceasta ar putea duce la o pierdere de putere și o aprindere MIL (lumină de defecțiune a motorului).
Când citiți un ECU, un cod de eroare poate fi afișat dacă ECU recunoaște defecțiunea. Cu toate acestea, nu în toate cazurile codul de eroare duce direct la cauză. Faptul că senzorul în cauză nu funcționează se poate datora faptului că este defect, dar nu poate fi exclusă o problemă la cablaj și/sau conexiuni la priză.
De asemenea, este posibil ca senzorul să dea o valoare incorectă care nu este recunoscută de ECU. În acest caz, nu este stocat niciun cod de eroare, dar tehnicianul trebuie să utilizeze datele live (vezi pagina OBD) trebuie să caute lecturi care nu sunt la îndemână.
Următoarea imagine arată o măsurătoare de la un senzor activ. Alimentarea (diferența de tensiune pe conexiunile plus și minus) a senzorului este verificată cu un multimetru digital. Contorul arată 5 volți, deci este în regulă.
Tensiunile semnalului pot fi măsurate cu un voltmetru sau un osciloscop. Ce contor este potrivit depinde de tipul de semnal:
- voltmetru: semnale analogice care sunt aproape constante;
- osciloscop: semnale analogice și semnale digitale (duty cycle / PWM).
Cu una sau mai multe măsurători putem demonstra că senzorul nu funcționează corect (semnalul emis este neplauzibil sau senzorul nu produce semnal), sau că există o problemă la cablare.
În cazul senzorilor pasivi, în majoritatea cazurilor se poate efectua o măsurare a rezistenței pentru a verifica dacă există un defect intern al senzorului.
Problemele posibile ale cablajului senzorului pot include:
- întrerupere a firului de masă sau semnal pozitiv;
- scurtcircuit între fire sau caroserie;
- rezistență de tranziție în unul sau mai multe fire;
- conexiuni proaste la priza.
Pe pagina: depanați cablarea senzorului ne uităm la șapte posibile defecțiuni care pot apărea în cablarea senzorilor.
Transmiterea semnalului de la senzor la ECU:
Există mai multe metode de a transfera semnale de la senzor la ECU. În tehnologia auto ne putem ocupa de următoarele tipuri de semnale:
- Modulația de amplitudine (AM); nivelul tensiunii oferă informații;
- Modulația de frecvență (FM); frecvența semnalului oferă informații;
- Modularea lățimii impulsului (PWM); variaţia în timp a tensiunii blocului (ciclul de lucru) oferă informaţii.
Următoarele trei exemple prezintă semnale ale diferitelor tipuri de semnal.
Modulație de amplitudine:
Cu un semnal AM, nivelul tensiunii transmite informația. Figura arată două tensiuni de la senzorii de poziție a clapetei de accelerație. Pentru a garanta fiabilitatea, curbele de tensiune trebuie să fie oglindite între ele.
Stresul în repaus:
- Albastru: 700 mV;
- Roșu: 4,3 volți.
De la aproximativ 0,25 secunde de la începerea măsurării, pedala de accelerație este apăsată încet și supapa de accelerație se deschide 75%.
La 2,0 sec. se elibereaza pedala de acceleratie si la 3,0 sec. i se dă accelerația maximă.
Tensiuni de accelerație maximă:
- Albastru: 4,3 volți;
- Roșu: 700 mV.
Modulația de frecvență:
Cu senzorii care trimit un semnal FM, amplitudinea (înălțimea) semnalului nu se modifică. Lățimea tensiunii blocului transmite informația. Următoarea imagine arată semnalul de la un senzor ABS (Hall). Roata a fost rotită în timpul măsurării. La o viteză de rotație mai mare, frecvența semnalului crește.
Diferența de tensiune este cauzată de modificarea câmpului magnetic din inelul magnetic, care este încorporat în rulmentul roții. Diferența de înălțime (mică: câmp magnetic, mare: fără câmp magnetic) este de numai 300 mV. Dacă luneta este reglată incorect (interval de tensiune de la 0 la 20 de volți), semnalul de blocare este abia vizibil. Din acest motiv, scara a fost reglată în așa fel încât semnalul de bloc să devină vizibil, astfel încât semnalul este mai puțin pur.
Modularea lățimii impulsului:
Cu un semnal PWM, raportul dintre tensiunea înaltă și joasă se modifică, dar perioada de timp rămâne aceeași. Aceasta nu trebuie confundată cu o tensiune de undă pătrată într-un semnal FM: frecvența se modifică și, prin urmare, de asemenea, perioada de timp.
Următoarele două imagini arată semnale PWM de la un senzor de înaltă presiune dintr-o conductă de aer condiționat. Acest senzor măsoară presiunea agentului frigorific din sistemul de aer condiționat.
Situația în timpul măsurării:
- Contactul pus (senzorul primește o tensiune de alimentare);
- Aer condiționat oprit;
- Presiune mediu de răcire citită cu echipament de diagnosticare: 5 bar.
În imaginea următoare, vedem că perioada de timp a rămas aceeași, dar ciclul de funcționare s-a schimbat.
Situația în timpul măsurării:
- Aer condiționat pornit;
- Presiunea ridicată a crescut la 20 bar;
- Ciclul de funcționare este acum de 70%
Senzorii analogici pot trimite un semnal prin AM. Un astfel de semnal de tensiune este sensibil la pierderea de tensiune. O rezistență de tranziție într-un fir sau ștecher are ca rezultat pierderea de tensiune și, prin urmare, și o tensiune de semnal mai scăzută. ECU primește tensiunea inferioară și folosește semnalul pentru procesare. Acest lucru poate cauza disfuncționalități deoarece valorile multiple ale senzorului nu mai corespund între ele, rezultând în:
- Doi senzori de temperatură a aerului exterior care măsoară simultan o temperatură diferită. Deși o marjă mică de eroare este acceptabilă și ECU poate adopta valoarea medie, o diferență prea mare poate duce la un cod de eroare. ECU recunoaște abaterea dintre cei doi senzori de temperatură.
- o durată incorectă a injecției deoarece semnalul de la senzorul MAP este prea scăzut și, prin urmare, ECU interpretează o sarcină incorectă a motorului. În acest caz, injecția de combustibil este prea lungă sau prea scurtă, iar garniturile de combustibil vor corecta amestecul pe baza semnalului senzorului lambda.
Pierderea de tensiune nu joacă un rol într-un semnal PWM și/sau semnal SENT. Raportul dintre muchiile de creștere și de descreștere este o măsură a semnalului. Nivelul de tensiune nu contează. Ciclul de lucru poate fi de 40% la o tensiune care variază între 0 și 12 volți, dar raportul este totuși de 40% dacă tensiunea de alimentare scade la 9 volți.
SENT (Transmisie cu o singură margine)
Semnalele senzorilor menționate mai sus au fost un nume cunoscut în vehiculele de pasageri și comerciale de ani de zile. În modelele mai noi vedem din ce în ce mai mult senzori care folosesc protocolul SENT. Acest senzor arată ca un senzor activ obișnuit, atât în realitate, cât și în diagramă.
Cu senzori pasivi și activi, transferul de informații are loc prin două fire. În cazul unui senzor MAP de exemplu: unul între senzorul NTC și ECU și celălalt între senzorul de presiune și ECU. Electronica senzorului unui senzor SENT poate combina transferul de informații de la mai mulți senzori, reducând numărul de fire de semnal. De asemenea, transmisia semnalului nu este afectată în cazul pierderii de tensiune pe firul de semnal, la fel ca în cazul unui semnal PWM.
Un senzor care utilizează protocolul SENT, ca un senzor activ care trimite un semnal analogic sau digital, are trei fire:
- Tensiune de alimentare (adesea 5 volți)
- Semnal
- Paste.
Senzorii cu protocolul SEND trimit un semnal ca „ieșire”. Prin urmare, nu există o comunicare bidirecțională, așa cum este cazul, de exemplu, cu comunicația magistrală LIN între senzori.
În diagrama din dreapta vedem senzorul de presiune diferențială (G505) al unui VW Passat (construit în 2022). În diagramă vedem indicațiile obișnuite ale sursei de alimentare (5v), masă (GND) și semnal (SIG). Acest senzor de presiune convertește presiunea într-un semnal digital SENT și îl trimite la pinul 53 de pe conectorul T60 din ECU-ul motorului.
Senzorul de presiune diferențială din exemplul de mai sus trimite un singur semnal prin protocolul SENT peste firul de semnal. Mai mulți senzori pot fi conectați la un fir de semnal folosind SENT. Acest lucru poate fi aplicat, printre altele, unui senzor MAP (presiunea aerului și temperatura aerului) și unui senzor de nivel și calitate a uleiului.
În imaginea următoare vedem un senzor de nivel și calitate a uleiului montat în baia de ulei a unui motor cu combustie. Ambele elemente de măsurare sunt amplasate în uleiul de motor.
Senzorul este alimentat cu 12 volți, își primește masa prin ECU și trimite semnalul către ECU folosind SENT.
Microcontrolerul din carcasă digitalizează mesajul (vezi: „logica digitală” din figură) în care atât temperatura uleiului, cât și nivelul uleiului sunt incluse în semnalul SENT.
Mai jos ne uităm la structura unui semnal SENT.
Un semnal SENT este alcătuit dintr-o serie de nibble-uri (grupe de patru biți) care transferă informații prin trimiterea unor tensiuni între 0 și 5 volți. Iată o scurtă descriere a modului în care este construit un semnal SENT. Imaginea structurii mesajului este prezentată mai jos.
- Impuls de sincronizare/calibrare: acesta este adesea începutul mesajului. Acest impuls permite receptorului să identifice începutul mesajului și să sincronizeze sincronizarea ceasului;
- Statut: această parte indică starea informațiilor trimise, de exemplu dacă datele sunt corecte sau dacă există probleme cu acestea;
- Mesaj Start Nibble (MSN): Aceasta este prima ciugulire și indică începutul unui mesaj TRIMIS. Conține informații despre sursa mesajului și momentul transferului de date.
- Identificator mesaj Nibble (MidN): Acest nibble urmează MSN și conține informații despre tipul de mesaj, starea mesajului și orice informații despre detectarea erorilor sau despre corectarea erorilor.
- Data Nibbles: După MidN urmează unul sau mai multe blocuri de date, fiecare constând din patru nibble de date. Aceste blocuri de date transportă datele efective trimise. Acestea conțin informații precum datele senzorului, informații despre stare sau alte date utile.
- Controlul redundanței ciclice (CRC): În unele cazuri, poate fi adăugată o picătură CRC la sfârșitul mesajului pentru a ajuta la detectarea erorilor. Nibble-ul CRC este folosit pentru a verifica dacă datele primite au fost primite corect.
Fiecare ciugulă dintr-un semnal SENT poate avea valori de la 0 la 15, în funcție de câte căpușe este de 5 volți. Imaginea de mai jos arată structura protocolului SENT.
„Grupurile Nibble” sunt trimise, numeric de la 0000 la 1111 în format binar. Fiecare nibble reprezintă o valoare de la 0 la maximum 15 și sunt reprezentați în binar după cum urmează: 0000b la 1111b și hexazecimal de la 0 la F. Aceste nibble digitizate conțin valorile senzorului și sunt trimise la ECU.
Pentru a trimite aceste informații de ronțăit, se folosesc „căpușe” sau căpușe de computer. Bifarea ceasului indică cât de repede sunt trimise datele. În cele mai multe cazuri, ticăitul ceasului este de 3 microsecunde (3μs) până la maximum 90μs.
În primul caz, aceasta înseamnă că un nou grup de ronțăit este trimis la fiecare 3 microsecunde.
Mesajul începe cu un impuls de sincronizare/calibrare de 56 de atingeri. Pentru fiecare dintre cele două semnale: semnalul 1 și semnalul 2, sunt trimise trei nibble-uri, rezultând o secvență de 2 * 12 biți de informații. CRC urmează aceste semnale
(Cyclic Redundancy Check) pentru verificare, care permite destinatarului să verifice dacă datele primite sunt corecte.
În cele din urmă, se adaugă un impuls de pauză pentru a marca în mod clar finalul mesajului destinatarului.
Imaginile de mai jos (înregistrate cu PicoScope Automotive) arată măsurători ale mai multor mesaje (stânga) și un zoom pe un mesaj (dreapta). În mesajul mărit, este indicat cu roșu unde începe și se termină semnalul. Când condițiile se schimbă: presiunea și/sau temperatura crește, va exista o schimbare a numărului de căpușe într-una sau mai multe ciuguli. Modificarea căpușelor va fi vizibilă în imaginea de mai jos la una sau mai multe tensiuni care variază între 0 și 5 volți. Pulsurile pot deveni mai largi sau mai înguste. Informațiile reale pot fi decodificate cu software-ul Picoscope.
Cu o diagnoză electrică, putem folosi software-ul Picoscope pentru a decoda mesajul pentru a-l studia, dar în majoritatea cazurilor ne concentrăm pe verificarea unui flux de mesaj curat, fără zgomot, și dacă tensiunea de alimentare (5 volți) și masa senzorului sunt în fi in ordine.
Alimentare și procesare semnal:
În primele paragrafe s-a discutat dacă a existat sau nu o tensiune de alimentare. În această secțiune discutăm principalele componente din ECU care sunt responsabile pentru alimentarea cu tensiune și procesarea semnalului senzorului relevant. Numerele de pin ale diagramelor aprofundate sunt aceleași ca în paragrafele precedente: pinii 35 și 36 ai ECU sunt conectați la pinii 1 și 2 ai senzorului pasiv etc.
În prima imagine vedem a Senzor de temperatură NTC. Tensiunea de referință (Uref) de la pinul 35 al ECU este obținută de la stabilizatorul de tensiune 78L05. Stabilizatorul de tensiune furnizează o tensiune de 5 volți la o tensiune de bord de la 6 la 16 volți.
Rezistorul R (valoare fixă a rezistenței) și RNTC (rezistență dependentă de temperatură) formează împreună un circuit în serie și, de asemenea, un divizor de tensiune. Convertorul analog-digital (ADC) măsoară tensiunea dintre cele două rezistențe (analogice), o convertește într-un semnal digital și o trimite la microprocesor (µP).
Cu un multimetru puteți măsura tensiunea pe pinul 35 al ECU sau pinul 1 al senzorului.
Pe pagina despre senzor de temperatura Pe lângă unele măsurători pentru o bună transmisie a semnalului, sunt prezentate tehnicile de măsurare pentru o defecțiune a cablajului.
A doua imagine arată circuitul unuia activ Senzor MAP a afișa.
Tensiunea de alimentare stabilizată de 5 volți atinge așa-numita „Podul Wheatstone„, care include un număr de rezistență fixă (R1, R2, R3) și un rezistor variabil (Rp).
Valoarea rezistenței lui Rp depinde de presiunea din galeria de admisie. Și aici avem de-a face cu un divizor de tensiune. Modificarea rezistenței determină modificări ale tensiunii, determinând dezechilibrarea punții. Diferența de tensiune creată în podul Wheatstone este convertită în amplificator/filtru într-o tensiune cu o valoare între 0,5 și 4,5 volți. Digitalizarea semnalului analogic are loc în convertorul analog-digital (ADC). ADC trimite semnalul digital la microprocesor.
Rezoluția ADC-ului este în majoritatea cazurilor de 10 biți, împărțiți în 1024 de valori posibile. La o tensiune de 5 volți, fiecare pas este de aproximativ 5 mV.
Circuitul intern al ECU conține unul sau mai mulți senzori pasivi și activi rezistențe incluse în circuitele de alimentare și semnal. Rezistența din circuitul NTC este numită și „rezistență de polarizare” și servește pentru divizorul de tensiune. Scopul rezistențelor R1 și R2 din circuitul ECU al senzorului MAP este de a permite unui curent mic să curgă de la plus la masă.
Fără aceste rezistențe, o așa-numită „măsurare flotantă” ar avea loc dacă firul de semnal sau mufa senzorului ar fi scos. În aceste cazuri, circuitul cu rezistențe asigură creșterea tensiunii de la intrarea ADC la aproximativ 5 volți (minus tensiunea la rezistorul R1). ADC convertește tensiunea analogică în valoarea digitală 255 (zecimală), adică FF (hexazecimal) și o trimite la microprocesor.
Un curent foarte mic trece prin rezistorul R1 (ohmic scăzut). Există o mică cădere de tensiune între 10 și 100 mV. Se poate întâmpla ca tensiunea aplicată să fie cu câteva zecimi mai mare decât 5 volți; Un rezistor de impedanță scăzută este inclus între conexiunea de masă a stabilizatorului de tensiune 78L05 și masa ECU (fir maro din diagrama de mai sus). Căderea de tensiune pe acest rezistor poate fi, de exemplu, de 0,1 volți. Stabilizatorul de tensiune își vede conexiunea la masă ca fiind de 0 volți, așa că ridică tensiunea de ieșire (firul roșu) cu 0,1 volți. În acest caz, tensiunea de ieșire la plusul senzorului nu este de 5,0 ci de 5,1 volți.
Senzorul inteligent primește o tensiune de 12 volți de la ECU. La fel ca senzorul activ, senzorul inteligent include o punte Wheatstone și un amplificator/filtru. Tensiunea analogică de la amplificator este trimisă către interfața LIN (LIN-IC).
Interfața LIN generează un semnal digital de magistrală LIN. Semnalul variază între 12 volți (recesiv) și aproximativ 0 volți (dominant). Senzorul folosește acest semnal de magistrală LIN pentru a comunica cu ceilalți slave (de obicei senzorii și actuatorii) și cu masterul (unitatea de control).
Există ramuri către master și alți slave pe firul dintre pinul 3 al senzorului și pinul 64 al ECU.
Pentru mai multe informații, consultați pagina Autobuz LIN.
