Современные системы управления различными техническими объектами, в том числе и автомобилями, имеют сходную структуру.
Различные датчики преобразуют информацию о значениях контролируемых параметров в электрический сигнал – напряжение, ток, частоту, фазу и т.д. Эти сигналы поступают в микроконтроллер, преобразуются в цифровой код. Программное обеспечение микроконтроллера на основании значений этих сигналов принимает решения, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвигатели) объектом.
Должен существовать удобный интерфейс оператора (водителя) с системой управления – панель приборов, информационная система водителя.
В современных автомобилях имеется несколько микроконтроллерных систем управления (двигателем, трансмиссией, оборудование салона и т.д.), образующих локальную сеть контроллеров для обмена данными. Применение одного компьютера, обслуживающего весь автомобиль сегодня экономически нецелесообразно.
Для автомобильной электроники характерно:
- Тяжелые условия эксплуатации. Температура в подкапотном пространстве находится в диапазоне –40…+120 °С, высокая влажность, грязь и пыль.
- Автомобиль – продукт массового производства, его комплектующие и технологии должны быть недорогими.
- Высокая надежность, т.к. автомобиль является объектом повышенной опасности.
Эти противоречивые требования накладывают отпечаток на применяемые технические решения.
Основой любого автомобильного электронного блока управления (ЭБУ) является микроконтроллер. Микроконтроллер это однокристальный микрокомпьютер, предназначенный для использования в системах управления. На одном кристалле здесь выполнены микропроцессор для обработки данных, память, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), таймеры/счетчики, порты для обмена данными с внешними устройствами.
На рисунке 1 показан внешний вид типичных современных микроконтроллеров [1, с.13], пригодных и для автомобильных приложений, выпускаемых ведущими мировыми производителями электроники: Intel, STMicroelectronics, Infineon и т.д. Рядом с типом корпуса указаны число выводов и размеры в миллиметрах. Микроконтроллеры для автомобилей имеют разрядность 8 – 16 бит, некоторые выводы многофункциональны, их назначение задается программно. Рабочий диапазон температур для автомобильных применений -40…+125°С, температура хранения (без питания) -60…+150 °С.
Рис.1. Микроконтроллеры
Информация из внешней среды (с датчиков) поступает в микроконтроллер через АЦП, таймеры/счетчики, в виде запросов на прерывание. Некоторые события должны обрабатываться достаточно быстро. Например, микроконтроллер в антиблокировочной системе торможения должен вычислять скорости вращения колес и выдавать сигналы на управление соленоидами модулятора давления за время цикла 5 мс. Сигналы от датчиков скорости вращения колес поступают в виде импульсов с частотой до 7000 Гц по четырем входам.
В корпусе микроконтроллера размещаются один или более таймеров/счетчиков. Программно задаются режимы счета, источники синхросигнала, счетчики могут соединяться каскадно для увеличения разрядности.
Встроенный АЦП имеет 16-канальный аналоговый коммутатор, работает по принципу последовательного приближения, разрядность АЦП 8 или 10 бит задается программно, входное напряжение 0…5.12 В, время преобразования менее 1 мкс.
Таким образом для ввода в микроконтроллер сигналы с датчиков должны быть унифицированы, т.е. преобразованы в постоянное напряжение 0.5 − 4.5 В (канал АЦП) или в последовательность импульсов или во временной интервал (канал таймеров).
Измерительные преобразователи (датчики) осуществляют преобразование измеряемых физических переменных в выходные электрические сигналы. Как правило, эти сигналы должны быть предварительно обработаны и лишь, затем их можно подавать на входы микроконтроллера. Схемы для обработки сигналов измерительных преобразователей, как правило, реализуются в виде специализированных микросхем, размещаемых непосредственно в корпусах датчиков.
При конфигурировании автомобильного электронного блока управления с микроконтроллером требуется информация о технических характеристиках конкретных датчиков.
Эту информацию разумно получать от производителей (Табл.1), они в этом заинтересованы. Вы можете получить не только подробные сведения о датчиках, но и рекомендации по их применению, схемотехнике обработки сигнала с этих датчиков.
Таблица 1. Сведения о производителях автомобильного электронного оборудования
|
Адрес |
Фирма | О чем информация |
| www.analog.com | Analog Devices | Датчики, унифицирующие преобразователи |
| www.maxim.com | Maxim | Датчики, источники питания, микросхемы для преобразователей напряжения |
| www.microchip.com | Microchip | Датчики, источники питания, микросхемы для преобразователей напряжения |
| www.nsc.com | National Semiconductors | Датчики, источники питания, микросхемы для преобразователей напряжения |
| www.mot–sps.com | Motorola | Датчики, унифицирующие преобразователи, микроконтроллеры. |
| www.sae.org | SAE |
Международное общество инженеров транспортников, информация по автомобильному и авиационному транспорту |
Например, известная фирма Motorola, производитель микроконтроллеров и датчиков, применяемых на автомобилях, предоставляет много информации в печатной форме и через Интернет (www.mot–sps.com/sensors).
Допустим, для системы управления двигателем необходим датчик разряжения во впускном трубопроводе. Для решения этой задачи подойдут датчики абсолютного давления во впускном трубопроводе фирмы Motorola серии МРХ4100А или МРХА4100А [2]. Это кремниевые интегральные датчики давления с температурной компенсацией и предварительной обработкой сигнала предназначены для работы в системах управления двигателем и диагностики [3, с.4]. При их изготовлении используются передовые технологии, тонкопленочная металлизация. Усиление сигнала непосредственно в датчике позволяет подключать его к входу АЦП микроконтроллера, иметь высокоуровневый сигнал, пропорциональный давлению.
На рисунке 2 показана блок-схема датчика, на рисунке 3 - внешний вид вариантов исполнения корпуса, на рисунке 4 – типовая схема подключения датчика к микроконтроллеру.
Рис.2. Структурная схема унифицированного датчика
1 – чувствительный элемент, 2 – цепи температурной коррекции и предварительного усиления, 3 – выходной каскад
а б в
Рис.3. Внешний вид датчиков МРХ4100А/МРХА4100А. а – МРХ4100А корпус типа 482-01, б – МРХ4100А корпус типа 687-08, в – сборка датчика в защитный корпус
Рис.4.Схема подключения датчика к микроконтроллеру
Использование интегральных датчиков с унифицированным выходным сигналом и типовых схемотехнических решений для подключения датчиков к микроконтроллерам упрощает разработку автомобильных электронных блоков управления [4, с.2].. Большая часть трудозатрат приходится на разработку программного обеспечения.
Библиографический список
- ST92F124, ST92F150, ST92F250 8 – 16 bit single voltage flash MCU with RAM, CAN 2.0 and J1850. Datasheet. STMicroelectronics, 2012. – 426 pp.
- Integrated silicon pressure sensor, manifold absolute pressure sensor on-chip signal conditioned, temperature compensated and calibrated. MPX4100A/D. Datasheet. Motorola, 2003. – 35 pp.
- Яковлев В.Ф., Буцко А.С. Датчики для измерения массового расхода воздуха для автомобильных двигателей. // Современная техника и технологии. – Август, 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/08/1275
- Яковлев В.Ф., Исмагулов М.К., Кузькин К.В. Датчики автомобильных электронных систем. Альманах современной науки и образован. Изд-во Грамота, Тамбов, 2009, №11, с.98-99.