Предмети:
- Вступ
- Пасивні датчики
- Активні датчики
- Інтелектуальні датчики
- Застосування в автомобільній техніці
- Вимірювання на датчиках
- Передача сигналу від датчика до ЕБУ
- НАДІСЛАНО (Передача по одному краю)
- Живлення та обробка сигналів
Вступ:
Датчики вимірюють фізичні величини та перетворюють їх на електричну напругу. Ці напруги обробляються в мікроконтролері (ECU) і зчитуються як «сигнал». Про сигнал можна судити за рівнем напруги або частотою, з якою сигнал змінюється.
Пасивні датчики:
Пасивний датчик виявляє та вимірює фізичну величину та перетворює її в іншу фізичну величину. Прикладом цього є перетворення температури в a значення опору. Пасивний датчик сам не створює напруги, а реагує на опорну напругу від ECU. Для функціонування пасивного датчика не потрібна напруга живлення.
Пасивні датчики зазвичай мають два або три підключення:
- опорний або сигнальний провід (синій);
- провід заземлення (коричневий);
- екранований провід (чорний).
Іноді пасивний датчик містить лише один дріт: у цьому випадку корпус датчика служить заземленням. Третій дріт може служити екрануванням. Куртка заземлена через ECU. Екранований дріт особливо використовується для чутливих до перешкод сигналів, таких як датчик положення колінчастого вала та датчик детонації.
Прикладом пасивного датчика є a Датчик температури NTC. Еталонна напруга 5 вольт використовується як дільник напруги між резистором в ECU та датчиком, а не як напруга живлення для датчика. Рівень напруги між резисторами (залежно від значення опору NTC) зчитується ECU та перетворюється на температуру. Схема з резисторами пояснюється в розділі: «Живлення напруги та обробка сигналу» далі на цій сторінці.
Активні датчики:
Активні датчики містять у корпусі електричну схему для перетворення фізичної величини в значення напруги. Для роботи електричного кола часто потрібна стабілізована напруга живлення.
У більшості випадків цей тип датчика має три підключення:
- плюс (зазвичай 5,0 вольт);
- маса;
- сигнал.
Стабілізоване джерело живлення 5 В подається блоком керування та використовується датчиком для формування аналогового сигналу (від 0 до 5 В). Позитивний і заземлюючий дроти від ECU часто підключаються до кількох датчиків. Це можна розпізнати по вузлах, до яких підключено більше двох проводів.
Аналоговий сигнал перетворюється в цифровий сигнал в ECU.
В абзаці «ппанорамування живлення та обробки сигналів», ми обговоримо це більш детально.
Інтелектуальні датчики:
Інтелектуальні датчики зазвичай мають три підключення. Як і в разі активних датчиків, існує дріт живлення (12 вольт від ECU або безпосередньо через запобіжник) і дріт заземлення (через ECU або зовнішню точку заземлення. Інтелектуальний датчик надсилає цифровий (шина LIN) повідомлення до ЕБУ та інших датчиків. Тоді існує принцип господаря-підлеглого.
Всередині датчика аналого-цифровий перетворювач перетворює аналоговий сигнал у цифровий.
- Аналоговий: 0 – 5 вольт;
- Цифровий: 0 або 1.
У гет Сигнал шини LIN у рецесивному стані (12 вольт) це 1, а в домінантному стані (0 вольт) це 0.
Застосування в автомобільній техніці:
В автомобільній техніці ми можемо зробити таку класифікацію різних типів датчиків:
Пасивні датчики:
- Датчик детонації;
- Датчик положення коленвала;
- Датчик температури (NTC/PTC);
- Лямбда-зонд (датчик стрибка / цирконій);
- Індуктивний датчик висоти;
- Перемикач (увімкнення/вимкнення)
Активні датчики:
- датчик положення колінчастого/розподільного валу (Холла);
- Вимірювач маси повітря;
- Широкосмуговий лямбда-зонд;
- Датчик тиску (датчик тиску наддуву / датчик тиску турбо);
- датчик ABS (Холла/MRE);
- Датчик прискорення/гальмування (YAW);
- радар/лідарний датчик;
- Ультразвуковий датчик (PDC / сигналізація);
- Датчик положення (газовий клапан / EGR / клапан нагрівача).
Інтелектуальні датчики:
- датчик дощу/світла;
- фотоапарати;
- датчик тиску;
- датчик кута повороту керма;
- Датчик батареї
Вимірювання на датчиках:
Коли датчик не працює належним чином, водій у більшості випадків помічає це, оскільки загоряється індикатор несправності або щось більше не працює належним чином. Якщо датчик у моторному відсіку викликає несправність, це може призвести до втрати живлення та спалаху MIL (індикатора несправності двигуна).
Під час зчитування ECU може відображатися код несправності, якщо ECU розпізнає несправність. Однак не у всіх випадках код помилки веде безпосередньо до причини. Той факт, що даний датчик не працює, може бути тому, що він несправний, але не можна виключити проблему в проводці та/або штекерних з’єднаннях.
Також можливо, що датчик видає неправильне значення, яке не розпізнається ЕБУ. У цьому випадку код несправності не зберігається, але технік повинен використовувати поточні дані (див. сторінку OBD) потрібно шукати показання, які недоступні.
На наступному зображенні показано вимірювання від активного датчика. Живлення (різниця напруг на плюсовому і мінусовому з'єднаннях) датчика перевіряється цифровим мультиметром. Лічильник показує 5 вольт, тому це нормально.
Напругу сигналу можна виміряти вольтметром або осцилографом. Який лічильник підійде, залежить від типу сигналу:
- вольтметр: аналогові сигнали, які є майже постійними;
- осцилограф: аналогові сигнали та цифрові сигнали (скважність / ШІМ).
За допомогою одного або кількох вимірювань ми можемо продемонструвати, що датчик не працює належним чином (випромінюваний сигнал є неправдоподібним або датчик не видає сигнал), або що є проблема в проводці.
З пасивними датчиками в більшості випадків можна провести вимірювання опору, щоб перевірити, чи немає внутрішнього дефекту датчика.
Можливі проблеми в проводці датчика можуть включати:
- обрив позитивного заземлення або сигнального проводу;
- коротке замикання між проводами або кузовом;
- перехідний опір в одному або кількох проводах;
- погані штепсельні з'єднання.
На сторінці: усунення несправностей проводки датчика ми розглядаємо сім можливих несправностей, які можуть виникнути в проводці датчиків.
Передача сигналу від датчика до ЕБУ:
Існує кілька методів передачі сигналів від датчика до ЕБУ. В автомобільній техніці ми можемо мати справу з такими типами сигналів:
- Амплітудна модуляція (AM); рівень напруги надає інформацію;
- частотна модуляція (FM); частота сигналу надає інформацію;
- широтно-імпульсна модуляція (ШІМ); часові зміни напруги блоку (робочий цикл) надають інформацію.
Наступні три приклади показують сигнали діапазону різних типів сигналів.
Амплітудна модуляція:
З сигналом AM рівень напруги передає інформацію. На малюнку показано дві напруги від датчиків положення дросельної заслінки. Щоб гарантувати надійність, криві напруги повинні бути дзеркально відображені одна відносно одної.
Стрес у спокої:
- Синій: 700 мВ;
- Червоний: 4,3 вольта.
Приблизно через 0,25 секунди після початку вимірювання педаль акселератора повільно натискається, і дросельна заслінка відкривається на 75%.
На 2,0 с. педаль акселератора відпускається і через 3,0 сек. дається повний газ.
Напруга повного газу:
- Синій: 4,3 В;
- Червоний: 700 мВ.
Частотна модуляція:
З датчиками, які посилають FM-сигнал, амплітуда (висота) сигналу не змінюється. Ширина блоку напруги передає інформацію. На наступному зображенні показано сигнал від датчика ABS (Холла). Колесо оберталося під час вимірювання. При вищій швидкості обертання частота сигналу зростає.
Різниця напруг викликана зміною магнітного поля в магнітному кільці, яке вмонтоване в підшипник колеса. Різниця у висоті (низька: магнітне поле, висока: магнітне поле відсутнє) становить лише 300 мВ. При неправильному регулюванні прицілу (діапазон напруги від 0 до 20 вольт) сигнал блокування ледве помітний. З цієї причини шкалу було налаштовано таким чином, що сигнал блоку стає видимим, у результаті чого сигнал стає менш чистим.
Широтно-імпульсна модуляція:
З ШІМ-сигналом співвідношення між високою та низькою напругою змінюється, але час періоду залишається незмінним. Це не слід плутати з прямокутною напругою в FM-сигналі: частота змінюється, а отже, і період часу.
Наступні два зображення показують сигнали ШІМ від датчика високого тиску в трубі кондиціонера. Цей датчик вимірює тиск холодоагенту в системі кондиціонування повітря.
Ситуація під час вимірювання:
- Запалювання включено (датчик отримує напругу живлення);
- Вимкнений кондиціонер;
- Тиск охолоджувального середовища, зчитаний за допомогою діагностичного обладнання: 5 бар.
На наступному зображенні прицілу ми бачимо, що час періоду залишився незмінним, але робочий цикл змінився.
Ситуація під час вимірювання:
- Кондиціонер включений;
- Високий тиск піднявся до 20 бар;
- Робочий цикл тепер становить 70%
Аналогові датчики можуть надсилати сигнал через AM. Такий сигнал напруги чутливий до втрати напруги. Перехідний опір у дроті або вилці призводить до втрати напруги, а отже, також до нижчої напруги сигналу. ЕБУ отримує нижчу напругу та використовує сигнал для обробки. Це може спричинити несправності, оскільки значення кількох датчиків більше не відповідають одне одному, що призводить до:
- Два датчика температури зовнішнього повітря, які одночасно вимірюють різну температуру. Хоча невелика похибка є прийнятною, і ECU може приймати середнє значення, занадто велика різниця може призвести до коду несправності. ЕБУ розпізнає відхилення між двома датчиками температури.
- неправильна тривалість упорскування, оскільки сигнал від датчика MAP занадто низький, і тому ECU інтерпретує неправильне навантаження двигуна. У цьому випадку вприскування палива занадто довге або занадто коротке, і система корекції палива відкоригує суміш на основі сигналу лямбда-датчика.
Втрата напруги не впливає на сигнал ШІМ та/або сигнал SENT. Співвідношення між наростаючим і спадаючим фронтами є мірою сигналу. Рівень напруги не має значення. Робочий цикл може становити 40% при напрузі, яка коливається від 0 до 12 вольт, але співвідношення все одно становить 40%, якщо напруга живлення падає до 9 вольт.
НАДІСЛАНО (Передача по одному краю)
Сигнали датчиків, згадані вище, були загальноприйнятою назвою в легкових і комерційних автомобілях протягом багатьох років. У нових моделях ми все частіше зустрічаємо датчики, які використовують протокол SENT. Даний датчик виглядає як звичайний активний датчик, як в реальності, так і на схемі.
У пасивних і активних датчиків передача інформації відбувається по двох проводах. Наприклад, у випадку датчика MAP: один між датчиком NTC і ECU, а інший між датчиком тиску та ECU. Електроніка датчика SENT може поєднувати передачу інформації від кількох датчиків, зменшуючи кількість сигнальних проводів. На передачу сигналу також не впливає втрата напруги на сигнальному дроті, як і з сигналом ШІМ.
Датчик, який використовує протокол SENT, як і активний датчик, що посилає аналоговий або цифровий сигнал, має три дроти:
- Напруга живлення (часто 5 вольт)
- Сигнал
- Маса.
Датчики з протоколом SEND посилають сигнал як «вихід». Таким чином, немає двонаправленого зв'язку, як у випадку, наприклад, зв'язку по шині LIN між датчиками.
На схемі праворуч ми бачимо датчик перепаду тиску (G505) автомобіля VW Passat (2022 року випуску). На схемі ми бачимо звичайні позначення джерела живлення (5v), заземлення (GND) і сигналу (SIG). Цей датчик тиску перетворює тиск у цифровий сигнал SENT і надсилає його на контакт 53 роз’єму T60 в ЕБУ двигуна.
Датчик перепаду тиску в наведеному вище прикладі надсилає лише один сигнал через протокол SENT через сигнальний дріт. Кілька датчиків можна підключити до одного сигнального проводу за допомогою SENT. Це можна застосувати, серед іншого, до датчика MAP (тиск повітря та температура повітря), а також до датчика рівня та якості масла.
На наступному зображенні ми бачимо датчик рівня та якості масла, встановлений у масляному піддоні двигуна внутрішнього згоряння. Обидва вимірювальні елементи знаходяться в моторному маслі.
Датчик живиться 12 вольтами, отримує землю через ECU та надсилає сигнал до ECU за допомогою SENT.
Мікроконтролер у корпусі оцифровує повідомлення (див.: «цифрова логіка» на малюнку), у якому як температура масла, так і рівень масла включені в сигнал SENT.
Нижче ми розглянемо структуру сигналу SENT.
Сигнал SENT складається з серії байтів (груп із чотирьох бітів), які передають інформацію, посилаючи напругу від 0 до 5 вольт. Ось короткий опис того, як побудований сигнал SENT. Зображення структури повідомлення показано нижче.
- Імпульс синхронізації / калібрування: це часто початок повідомлення. Цей імпульс дозволяє приймачу ідентифікувати початок повідомлення та синхронізувати час;
- Статус: ця частина вказує на стан надісланої інформації, наприклад, чи правильні дані, чи є з ними проблеми;
- Ніббл початку повідомлення (MSN): Це перший байт, який вказує на початок НАДІСЛАНОГО повідомлення. Він містить інформацію про джерело повідомлення та час передачі даних.
- Ніббл ідентифікатора повідомлення (MidN): цей ніббл слідує за MSN і містить інформацію про тип повідомлення, статус повідомлення та будь-яку інформацію про виявлення чи виправлення помилок.
- Перерізи даних: після MidN слідує один або більше блоків даних, кожен з яких складається з чотирьох ніблів даних. Ці блоки даних містять фактичні дані, що надсилаються. Вони містять таку інформацію, як дані датчиків, інформацію про стан або інші корисні дані.
- Перевірка циклічного резервування (CRC): У деяких випадках у кінці повідомлення можна додати фрагмент CRC, щоб допомогти виявити помилку. Побайт CRC використовується для перевірки правильності отримання отриманих даних.
Кожен байт у сигналі SENT може мати значення від 0 до 15, залежно від того, скільки тиків це 5 вольт. На зображенні нижче показано структуру протоколу SENT.
Надсилаються «групи нібблів» у числах від 0000 до 1111 у двійковому форматі. Кожен байт представляє значення від 0 до максимум 15, і вони представлені в двійковій формі таким чином: від 0000b до 1111b і в шістнадцятковій формі від 0 до F. Ці оцифровані байби містять значення датчиків і надсилаються до ECU.
Для надсилання цієї інформації про відкушування використовуються «галочки» або комп’ютерні галочки. Позначка годинника вказує на швидкість надсилання даних. У більшості випадків такт годинника становить 3 мікросекунди (3 мкс) до максимуму 90 мкс.
У першому випадку це означає, що нова група відкушування надсилається кожні 3 мікросекунди.
Повідомлення починається з імпульсу синхронізації/калібрування з 56 натискань. Для кожного з двох сигналів: сигналу 1 і сигналу 2 надсилаються три байти, в результаті чого виходить послідовність 2 * 12 біт інформації. CRC слідкує за цими сигналами
(Cyclic Redundancy Check) для перевірки, яка дозволяє одержувачу перевірити правильність отриманих даних.
Нарешті, додається імпульс паузи, щоб чітко позначити кінець повідомлення для одержувача.
На наведених нижче зображеннях осциллографа (записаних за допомогою PicoScope Automotive) показано вимірювання кількох повідомлень (ліворуч) і збільшення одного повідомлення (праворуч). У збільшеному повідомленні червоним кольором вказано початок і кінець сигналу. Коли умови змінюються: підвищується тиск і/або температура, буде змінюватися кількість кліщів в одному або кількох укусах. Зміни в тиках будуть видні на зображенні нижче в одній або кількох напругах, які змінюються від 0 до 5 вольт. Пульси можуть ставати ширшими або вужчими. Справжню інформацію можна розшифрувати за допомогою програмного забезпечення Picoscope.
За допомогою електричної діагностики ми можемо використовувати програмне забезпечення Picoscope для декодування повідомлення, щоб вивчити його, але в більшості випадків ми зосереджуємося на перевірці чистого потоку повідомлень без шуму, а також на перевірці напруги живлення (5 вольт) і заземлення датчика. бути в порядку.
Живлення та обробка сигналів:
У перших абзацах була дискусія про те, чи була напруга живлення чи ні. У цьому розділі ми обговорюємо основні компоненти в ECU, які відповідають за подачу напруги та обробку сигналу відповідного датчика. Номери контактів на поглиблених схемах такі ж, як і в попередніх абзацах: контакти 35 і 36 ЕБУ підключені до контактів 1 і 2 пасивного датчика тощо.
На першому зображенні ми бачимо a Датчик температури NTC. Опорна напруга (Uref) від контакту 35 ЕБУ отримується від стабілізатора напруги 78L05. Стабілізатор напруги подає напругу 5 вольт при бортовій напрузі від 6 до 16 вольт.
Резистор R (фіксоване значення опору) і RNTC (опір, що залежить від температури) разом утворюють послідовне коло, а також дільник напруги. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) вимірює напругу між двома резисторами (аналоговими), перетворює його на цифровий сигнал і надсилає його на мікропроцесор (мкП).
За допомогою мультиметра ви можете виміряти напругу на контакті 35 ЕБУ або контакті 1 датчика.
На сторінці про в температурний сенсор На додаток до деяких вимірювань для хорошої передачі сигналу, показано методи вимірювання несправності проводки.
Друге зображення показує схему активного датчик MAP показувати.
Стабілізована напруга живлення 5 вольт досягає т.зв.Міст Вітстона“, який включає ряд постійних (R1, R2, R3) і змінного резистора (Rp).
Значення опору Rp залежить від тиску у впускному колекторі. Тут теж ми маємо справу з дільником напруги. Зміна опору викликає зміни напруги, в результаті чого міст стає незбалансованим. Різниця напруг, що створюється в мосту Вітстона, перетворюється в підсилювачі/фільтрі в напругу зі значенням від 0,5 до 4,5 вольт. Оцифровка аналогового сигналу відбувається в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП). АЦП посилає цифровий сигнал на мікропроцесор.
Роздільна здатність АЦП у більшості випадків становить 10 біт, розділених на 1024 можливих значення. При напрузі 5 вольт кожен крок становить приблизно 5 мВ.
Внутрішня схема ECU містить один або кілька пасивних і активних датчиків резистори включені в ланцюги живлення і сигналу. Опір у ланцюзі NTC також називають «резистор зміщення» і служить для дільника напруги. Призначення резисторів R1 і R2 в ланцюзі ЕБУ датчика MAP полягає в тому, щоб пропускати невеликий струм від плюса до землі.
Без цих резисторів відбулося б так зване «плаваюче вимірювання», якщо сигнальний дріт або штекер датчика було б видалено. У цих випадках схема з резисторами забезпечує збільшення напруги на вході АЦП приблизно до 5 вольт (мінус напруга на резисторі R1). АЦП перетворює аналогову напругу в цифрове значення 255 (десяткове), тобто FF (шістнадцяткове) і надсилає його на мікропроцесор.
Через резистор R1 протікає дуже малий струм (низькоомний). Існує невелике падіння напруги від 10 до 100 мВ. Може статися, що прикладена напруга на кілька десятих перевищує 5 вольт; Низькоомний резистор включений між заземленням стабілізатора напруги 78L05 і заземленням ЕБУ (коричневий провід на схемі вище). Падіння напруги на цьому резисторі може становити, наприклад, 0,1 вольта. Стабілізатор напруги бачить своє заземлення як фактичне 0 вольт, тому він підвищує вихідну напругу (червоний дріт) на 0,1 вольт. У цьому випадку вихідна напруга на плюс датчика не 5,0, а 5,1 вольт.
Інтелектуальний датчик отримує напругу 12 вольт від ECU. Подібно до активного датчика, інтелектуальний датчик містить міст Уітстона та підсилювач/фільтр. Аналогова напруга з підсилювача надсилається на інтерфейс LIN (LIN-IC).
Інтерфейс LIN генерує цифровий сигнал шини LIN. Сигнал коливається від 12 вольт (рецесивний) до приблизно 0 вольт (домінуючий). Датчик використовує цей сигнал шини LIN для зв’язку з іншими підлеглими (зазвичай датчиками та виконавчими механізмами) та головним (пристроєм керування).
На дроті між контактом 3 датчика та контактом 64 ЕБУ є відгалуження до головного та інших підлеглих пристроїв.
Для отримання додаткової інформації дивіться сторінку шина LIN.
