Предметы:
- введение
- Пассивные датчики
- Активные датчики
- Интеллектуальные датчики
- Применение в автомобильной технике
- Измерение с помощью датчиков
- Передача сигнала от датчика к ЭБУ
- SENT (передача одногранного полубайта)
- Источник питания и обработка сигналов
Инлейдинг:
Датчики измеряют физические величины и преобразуют их в электрические напряжения. Эти напряжения обрабатываются микроконтроллером (ЭБУ) и считываются как «сигнал». О сигнале можно судить по уровню напряжения или частоте изменения сигнала.
Пассивные датчики:
Пассивный датчик обнаруживает и измеряет физическую величину и преобразует ее в другую физическую величину. Примером этого является преобразование температуры в значение сопротивления. Пассивный датчик сам не генерирует напряжение, а реагирует на опорное напряжение от ЭБУ. Пассивный датчик для работы не требует напряжения питания.
Пассивные датчики обычно имеют два или три подключения:
- опорный или сигнальный провод (синий);
- провод заземления (коричневый);
- экранированный провод (черный).
Иногда пассивный датчик содержит только один провод: в этом случае корпус датчика служит заземлением. Третий провод может служить экраном. Куртка заземлена через ЭБУ. Экранированный провод особенно используется для чувствительных к помехам сигналов, например, от датчика положения коленчатого вала и датчика детонации.
Примером пассивного датчика является Датчик температуры NTC. Опорное напряжение 5 В используется в качестве делителя напряжения между резистором в ЭБУ и датчиком, а не в качестве напряжения питания датчика. Уровень напряжения между резисторами (в зависимости от значения сопротивления NTC) считывается ЭБУ и преобразуется в температуру. Схема с резисторами описана в разделе «Подача напряжения и обработка сигналов» далее на этой странице.
Активные датчики:
Активные датчики содержат в корпусе электрическую цепь для преобразования физической величины в значение напряжения. Электрическая цепь часто требует для работы стабилизированного напряжения питания.
В большинстве случаев этот тип датчика имеет три соединения:
- плюс (обычно 5,0 вольт);
- макароны;
- сигнал.
Стабилизированное питание 5 В подается блоком управления и используется датчиком для формирования аналогового сигнала (от 0 до 5 В). Положительный и заземляющий провода от ЭБУ часто подключаются к нескольким датчикам. Это можно узнать по узлам, к которым подключено более двух проводов.
Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал в ЭБУ.
В пункте «спанорамирование и обработка сигналов» мы обсудим это более подробно.
Интеллектуальные датчики:
Интеллектуальные датчики обычно имеют три соединения. Как и в случае с активными датчиками, имеется провод питания (12 В от ЭБУ или напрямую через предохранитель) и провод массы (через ЭБУ или внешнюю точку заземления. Интеллектуальный датчик отправляет цифровой сигнал (ЛИН-автобус) сообщение ЭБУ и другим датчикам. Тогда существует принцип «господин-подчиненный».
Внутри датчика находится аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой.
- Аналоговый: 0–5 В;
- Цифровой: 0 или 1.
В гет сигнал шины LIN в рецессивном состоянии (12 В) это 1, а в доминантном состоянии (0 В) — 0.
Применение в автомобильной технике:
В автомобильной технике можно провести следующую классификацию различных типов датчиков:
Пассивные датчики:
- Датчик детонации;
- Датчик положения коленчатого вала;
- Датчик температуры (NTC/PTC);
- Лямбда-зонд (датчик скачка/цирконий);
- Индуктивный датчик высоты;
- Переключатель (вкл./выкл.)
Активные датчики:
- Датчик положения коленвала/распредвала (Холла);
- Массовый расходомер воздуха;
- Широкополосный лямбда-зонд;
- Датчик давления (датчик давления наддува/давления турбо);
- датчик ABS (Холла/MRE);
- Датчик ускорения/замедления (YAW);
- Радар/ЛИДАР-датчик;
- Ультразвуковой датчик (PDC/сигнализация);
- Датчик положения (клапан газа/EGR/клапан отопителя).
Интеллектуальные датчики:
- Датчик дождя/света;
- Камеры;
- Датчик давления;
- Датчик угла поворота рулевого колеса;
- Датчик батареи
Измерение на датчиках:
Когда датчик не работает должным образом, водитель в большинстве случаев заметит это, потому что загорается индикатор неисправности или что-то больше не работает должным образом. Если датчик в моторном отсеке вызывает неисправность, это может привести к потере мощности и загоранию индикатора MIL (индикатор неисправности двигателя).
При чтении ЭБУ может отображаться код неисправности, если ЭБУ распознает неисправность. Однако не во всех случаях код ошибки ведет непосредственно к причине. То, что рассматриваемый датчик не работает, может быть связано с его неисправностью, но нельзя исключать проблему в проводке и/или штекерных соединениях.
Также возможно, что датчик выдает неправильное значение, не распознаваемое ЭБУ. В этом случае код неисправности не сохраняется, но техник должен использовать актуальные данные. (см. страницу OBD) приходится искать показания, которые находятся вне досягаемости.
На следующем изображении показано измерение активного датчика. Питание (разница напряжений на плюсовом и минусовом контактах) датчика проверяется цифровым мультиметром. Манометр показывает 5 вольт, так что это нормально.
Напряжения сигналов можно измерить с помощью вольтметра или осциллографа. Какой счетчик подойдет, зависит от типа сигнала:
- вольтметр: аналоговые сигналы, которые почти постоянны;
- осциллограф: аналоговые сигналы и цифровые сигналы (скважность/ШИМ).
С помощью одного или нескольких измерений мы можем продемонстрировать, что датчик работает неправильно (издаваемый сигнал недостоверен или датчик не выдает сигнал) или что существует проблема в проводке.
При использовании пассивных датчиков в большинстве случаев можно провести измерение сопротивления, чтобы проверить наличие внутреннего дефекта датчика.
Возможные проблемы в проводке датчика могут включать в себя:
- обрыв положительного заземления или сигнального провода;
- короткое замыкание между проводами или кузовом;
- переходное сопротивление в одном или нескольких проводах;
- плохие разъемные соединения.
На странице: устранить неполадки в проводке датчика рассмотрим семь возможных неисправностей, которые могут возникнуть в проводке датчиков.
Передача сигнала от датчика к ЭБУ:
Существует несколько способов передачи сигналов от датчика в ЭБУ. В автомобильной технике мы можем иметь дело со следующими типами сигналов:
- Амплитудная модуляция (АМ); уровень напряжения предоставляет информацию;
- Частотная модуляция (FM); частота сигнала предоставляет информацию;
- Широтно-импульсная модуляция (ШИМ); изменение во времени напряжения блока (рабочий цикл) предоставляет информацию.
Следующие три примера показывают сигналы осциллографа различных типов сигналов.
Амплитудная модуляция:
В случае AM-сигнала информацию передает уровень напряжения. На рисунке показаны два напряжения с датчиков положения дроссельной заслонки. Чтобы гарантировать надежность, кривые напряжения должны быть зеркальными по отношению друг к другу.
Стресс в состоянии покоя:
- Синий: 700 мВ;
- Красный: 4,3 Вольта.
Примерно через 0,25 секунды после начала измерения педаль акселератора медленно нажимается и дроссельная заслонка открывается на 75%.
На 2,0 сек. педаль акселератора отпускается и через 3,0 сек. дается полный газ.
Полное напряжение дроссельной заслонки:
- Синий: 4,3 В;
- Красный: 700 мВ.
Модуляция частоты:
У датчиков, посылающих FM-сигнал, амплитуда (высота) сигнала не меняется. Ширина блока напряжения передает информацию. На следующем изображении показан сигнал датчика ABS (Холла). Во время измерения колесо вращалось. При более высокой скорости вращения частота сигнала увеличивается.
Разница напряжений вызвана изменением магнитного поля в магнитном кольце, встроенном в подшипник колеса. Разница по высоте (низкая: магнитное поле, высокая: магнитное поле отсутствует) составляет всего 300 мВ. При неправильной настройке прицела (диапазон напряжения от 0 до 20 вольт) сигнал блокировки едва заметен. По этой причине масштаб был настроен таким образом, что сигнал блока становится видимым, в результате чего сигнал становится менее чистым.
Широтно-импульсная модуляция:
При использовании ШИМ-сигнала соотношение между высоким и низким напряжением меняется, но время периода остается прежним. Его не следует путать с напряжением прямоугольной волны в FM-сигнале: меняется частота и, следовательно, время периода.
Следующие два изображения показывают сигналы ШИМ от датчика высокого давления в трубе кондиционера. Этот датчик измеряет давление хладагента в системе кондиционирования.
Ситуация во время измерения:
- Зажигание включено (на датчик поступает напряжение питания);
- Кондиционер выключен;
- Давление охлаждающей жидкости, измеренное с помощью диагностического оборудования: 5 бар.
На следующем изображении осциллографа мы видим, что период времени остался прежним, но рабочий цикл изменился.
Ситуация во время измерения:
- Кондиционер включен;
- Высокое давление поднялось до 20 бар;
- Рабочий цикл теперь составляет 70%
Аналоговые датчики могут отправлять сигнал через AM. Такой сигнал напряжения чувствителен к потере напряжения. Переходное сопротивление в проводе или вилке приводит к потере напряжения и, следовательно, к снижению напряжения сигнала. ЭБУ получает более низкое напряжение и использует сигнал для обработки. Это может привести к неисправностям, поскольку значения нескольких датчиков больше не соответствуют друг другу, что приводит к:
- Два датчика температуры наружного воздуха, которые одновременно измеряют разную температуру. Хотя небольшая погрешность допустима и ЭБУ может принять среднее значение, слишком большая разница может привести к появлению кода неисправности. ЭБУ распознает отклонение между двумя датчиками температуры.
- неправильная продолжительность впрыска, поскольку сигнал от датчика MAP слишком низкий, и поэтому ЭБУ интерпретирует неверную нагрузку на двигатель. В этом случае впрыск топлива слишком длинный или слишком короткий, и корректировка топлива корректирует смесь на основе сигнала лямбда-зонда.
Потеря напряжения не играет роли в сигнале ШИМ и/или сигнале SENT. Соотношение между нарастающим и спадающим фронтами является мерой сигнала. Уровень напряжения не имеет значения. Рабочий цикл может составлять 40 % при напряжении, которое варьируется от 0 до 12 В, но коэффициент все равно составляет 40 %, если напряжение питания падает до 9 В.
SENT (передача одногранного полубайта)
Упомянутые выше сигналы датчиков уже много лет широко используются в легковых и коммерческих автомобилях. В новых моделях мы все чаще видим датчики, использующие протокол SENT. Этот датчик выглядит как обычный активный датчик, как в реальности, так и на схеме.
У пассивных и активных датчиков передача информации происходит по двум проводам. Например, в случае датчика MAP: один между датчиком NTC и ЭБУ, а другой между датчиком давления и ЭБУ. Электроника датчика SENT может объединять передачу информации от нескольких датчиков, сокращая количество сигнальных проводов. На передачу сигнала также не влияет потеря напряжения на сигнальном проводе, как и в случае с ШИМ-сигналом.
Датчик, использующий протокол SENT, как и активный датчик, отправляющий аналоговый или цифровой сигнал, имеет три провода:
- Напряжение питания (часто 5 вольт)
- Сигнал
- Масса.
Датчики с протоколом SEND отправляют сигнал как «выход». Таким образом, двусторонняя связь отсутствует, как, например, в случае связи между датчиками по шине LIN.
На схеме справа мы видим датчик перепада давления (G505) автомобиля VW Passat (2022 года выпуска). На схеме мы видим обычные обозначения питания (5в), земли (GND) и сигнала (SIG). Этот датчик давления преобразует давление в цифровой сигнал SENT и отправляет его на контакт 53 разъема T60 в ЭБУ двигателя.
Датчик перепада давления в приведенном выше примере отправляет только один сигнал по протоколу SENT по сигнальному проводу. Несколько датчиков можно подключить к одному сигнальному проводу с помощью SENT. Это может быть применено, среди прочего, к датчику MAP (давление и температура воздуха), а также к датчику уровня и качества масла.
На следующем изображении мы видим датчик уровня и качества масла, установленный в масляном поддоне двигателя внутреннего сгорания. Оба измерительных элемента расположены в моторном масле.
На датчик подается напряжение 12 В, он получает заземление через ЭБУ и отправляет сигнал в ЭБУ с помощью SENT.
Микроконтроллер в корпусе оцифровывает сообщение (см.: «цифровая логика» на рисунке), в котором в сигнал SENT включаются как температура масла, так и уровень масла.
Ниже мы рассмотрим структуру сигнала SENT.
Сигнал SENT состоит из серии полубайтов (групп по четыре бита), которые передают информацию путем отправки напряжения от 0 до 5 вольт. Вот краткое описание того, как формируется сигнал SENT. Изображение структуры сообщения показано ниже.
- Синхронизация/калибровочный импульс: часто это начало сообщения. Этот импульс позволяет получателю определить начало сообщения и синхронизировать время часов;
- Статус: эта часть указывает на состояние отправленной информации, например, верны ли данные или есть ли с ними проблемы;
- Начальный полубайт сообщения (MSN): это первый полубайт, указывающий на начало ОТПРАВЛЕННОГО сообщения. Он содержит информацию об источнике сообщения и времени передачи данных.
- Полубайт идентификатора сообщения (MidN): этот полубайт следует за MSN и содержит информацию о типе сообщения, статусе сообщения, а также любую информацию об обнаружении или исправлении ошибок.
- Обрывки данных: После MidN следует один или несколько блоков данных, каждый из которых состоит из четырех полубайтов данных. Эти блоки данных содержат фактические отправляемые данные. Они содержат такую информацию, как данные датчиков, информацию о состоянии или другие полезные данные.
- Проверка циклического избыточности (CRC): в некоторых случаях в конец сообщения может быть добавлен полубайт CRC, чтобы облегчить обнаружение ошибок. Полубайт CRC используется для проверки правильности приема полученных данных.
Каждый полубайт в сигнале SENT может иметь значения от 0 до 15, в зависимости от того, сколько тактов составляет 5 вольт. На изображении ниже показана структура протокола SENT.
«Группы полубайтов» передаются в цифровом формате от 0000 до 1111 в двоичном формате. Каждый полубайт представляет значение от 0 до максимум 15, и они представлены в двоичном формате следующим образом: от 0000b до 1111b и в шестнадцатеричном виде от 0 до F. Эти оцифрованные полубайты содержат значения датчиков и отправляются в ЭБУ.
Для отправки этой полубайтовой информации используются «тики» или компьютерные тики. Такт часов показывает, насколько быстро отправляются данные. В большинстве случаев такт часов составляет 3 микросекунды (3 мкс) до максимум 90 мкс.
В первом случае это означает, что новая группа полубайтов отправляется каждые 3 микросекунды.
Сообщение начинается с 56-кратного импульса синхронизации/калибровки. Для каждого из двух сигналов: сигнала 1 и сигнала 2 отправляются три полубайта, в результате чего получается последовательность 2*12 бит информации. CRC следует этим сигналам
(Cyclic Redundancy Check) для проверки, позволяющей получателю убедиться в правильности полученных данных.
Наконец, добавляется импульс паузы, чтобы четко обозначить окончание сообщения получателю.
На изображениях осциллографа ниже (записанных с помощью PicoScope Automotive) показаны измерения нескольких сообщений (слева) и увеличение одного сообщения (справа). В увеличенном сообщении красным отмечено место начала и окончания сигнала. При изменении условий: повышении давления и/или температуры произойдет изменение количества тактов в одном или нескольких полубайтах. Изменение тиков будет видно на изображении прицела ниже при одном или нескольких напряжениях, которые варьируются от 0 до 5 вольт. Импульсы могут становиться шире или уже. Фактическую информацию можно декодировать с помощью программного обеспечения Picscope.
При электрической диагностике мы можем использовать программное обеспечение Picscope для декодирования сообщения и его изучения, но в большинстве случаев мы сосредотачиваемся на проверке чистого потока сообщений без шума, а также на том, находятся ли напряжение питания (5 В) и заземление датчика в порядке. быть в порядке.
Питание и обработка сигналов:
В первых пунктах шла дискуссия о том, было или нет напряжение питания. В этом разделе мы обсудим основные компоненты ЭБУ, отвечающие за подачу напряжения и обработку сигналов соответствующего датчика. Номера контактов углубленных схем такие же, как и в предыдущих пунктах: контакты 35 и 36 ЭБУ подключаются к контактам 1 и 2 пассивного датчика и т.д.
На первом изображении мы видим Датчик температуры NTC. Опорное напряжение (Uref) с контакта 35 ЭБУ получается от стабилизатора напряжения 78L05. Стабилизатор напряжения выдает напряжение 5 Вольт при напряжении бортовой сети от 6 до 16 Вольт.
Резистор R (постоянное значение сопротивления) и RNTC (зависимое от температуры сопротивление) вместе образуют последовательную цепь, а также делитель напряжения. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измеряет напряжение между двумя резисторами (аналоговое), преобразует его в цифровой сигнал и отправляет его на микропроцессор (мкП).
Мультиметром можно измерить напряжение на контакте 35 ЭБУ или контакте 1 датчика.
На странице о Датчик температуры Помимо некоторых измерений для обеспечения хорошей передачи сигнала, показаны методы измерения неисправности проводки.
На втором изображении показана схема активного датчик карты Weergeven.
Стабилизированное напряжение питания 5 Вольт достигает так называемого «Мост Уитстона«, в состав которого входит ряд постоянных (R1, R2, R3) и переменных резисторов (Rп).
Величина сопротивления Rp зависит от давления во впускном коллекторе. Здесь мы также имеем дело с делителем напряжения. Изменение сопротивления вызывает изменения напряжения, в результате чего мост становится разбалансированным. Разность напряжений, создаваемая мостом Уитстона, преобразуется в усилителе/фильтре в напряжение величиной от 0,5 до 4,5 вольт. Оцифровка аналогового сигнала происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). АЦП отправляет цифровой сигнал на микропроцессор.
Разрешение АЦП в большинстве случаев составляет 10 бит, разделенных на 1024 возможных значения. При напряжении 5 вольт каждый шаг составляет примерно 5 мВ.
Внутренняя цепь ЭБУ содержит один или несколько пассивных и активных датчиков. резисторы включены в цепи питания и сигнализации. Сопротивление в цепи NTC также называют «резистор смещения» и служит делителем напряжения. Назначение резисторов R1 и R2 в цепи ЭБУ датчика MAP — обеспечить протекание небольшого тока от плюса к массе.
Без этих резисторов при отключении сигнального провода или штекера датчика возникло бы так называемое «плавающее измерение». В этих случаях схема с резисторами обеспечивает повышение напряжения на входе АЦП примерно до 5 Вольт (минус напряжение на резисторе R1). АЦП преобразует аналоговое напряжение в цифровое значение 255 (десятичное), то есть FF (шестнадцатеричное), и отправляет его в микропроцессор.
Через резистор R1 (низкоомный) протекает очень небольшой ток. Имеется небольшое падение напряжения от 10 до 100 мВ. Может случиться так, что приложенное напряжение будет на несколько десятых выше 5 вольт; Резистор с низким сопротивлением включен между массой стабилизатора напряжения 78L05 и массой ЭБУ (коричневый провод на схеме выше). Падение напряжения на этом резисторе может составлять, например, 0,1 вольта. Стабилизатор напряжения воспринимает свое заземление как фактическое 0 В, поэтому повышает выходное напряжение (красный провод) на 0,1 В. В таком случае выходное напряжение на плюс датчика будет не 5,0, а 5,1 вольта.
Интеллектуальный датчик получает напряжение 12 В от ЭБУ. Как и активный датчик, интеллектуальный датчик включает в себя мост Уитстона и усилитель/фильтр. Аналоговое напряжение с усилителя поступает на интерфейс LIN (LIN-IC).
Интерфейс LIN генерирует цифровой сигнал шины LIN. Сигнал варьируется от 12 В (рецессивный) до примерно 0 В (доминантный). Датчик использует этот сигнал шины LIN для связи с другими ведомыми устройствами (обычно датчиками и исполнительными механизмами) и ведущим устройством (блоком управления).
На проводе между контактом 3 датчика и контактом 64 ЭБУ есть ответвления к ведущему и другим ведомым устройствам.
Более подробную информацию смотрите на странице Автобус ЛИН.
