آشنایی با سیستم الکترونیکی خودرو
تحقیق ۲۰۹۰ : آشنایی با سیستم الکترونیکی خودرو
Analog-to-digital converters_1 یا مبدل آنالوگ به دیجیتال
اصولا پدیده های فیزیکی در دنیای اطراف ما پدیده هایی آنالوگ (پیوسته یا قیاسی) هستند، یعنی این کمیات هر مقداری از یک بازه ی مشخص را می توانند به خود اختصاص دهند. به عنوان مثال دمای هوای تهران در شرایط عادی می تواند هر مقداری بین ۱۰ درجه تا ۴۰ درجه ی سانتیگراد را داشته باشد. به عنوان مثال دمای هوای امروز می تواند ۲۱٫۷ درجه ی سانتیگراد باشد در مورد کمیاتی مثل فشار، ارتفاع، وزن و غیره. . همین طور است. اما سیستم های دیجیتال و کامپیوتری فقط با مقادیر گسسته کار می کنند. به عنوان مثال ما فقط می توانیم مجموعه ای از اعداد گسسته مثل ۲۷، ۲۷٫۱ ۲۷٫۲ را به عنوان ورودی به یک سیستم دیجیتال وارد کنیم و اگر دمای مورد نظر ما چیزی بین یکی از این دو مقدار باشد برای این سیستم مفهومی نخواهد داشت. پس برای اینکه یک دستگاه آنالوگ (مثل یک سنسور دما) بتواند با یک دستگاه دیجیتال (مثل یک میکروپروسسور) ارتباط برقرار کند باید این دو دستگاه با یکدیگر سازگار شوند. این کار به عهده ی مبدل آنالوگ به دیجیتال است. اصول کار این مبدل ها تا حدودی مفصل است و بررسی مداری آن در اینجا چندان مناسب نیست اما بد نیست بدانید که فرایند تبدیل یک سیگنال آنالوگ به دیجیتال شامل مرحله ای به نام Quantizing یا پله ای کردن است که هر چه فواصل پله ای شدن یک سیگنال آنالوگ کمتر باشد اطلاعات کمتری در حین تبدیل از بین می رود. این کیفیت را با عنوانی به نام تعداد بیت مبدل می سنجند. به عنوان مثال یک مبدل ۱۶ بیتی از یک مبدل ۸ بیتی اطلاعات بیشتری را منتقل می کند. مبدل ها ی آنالوگ به دیجیتال ECU معمولا یک مبدل ۱۰ بیتی هستند. ۱۰ بیت، امکان ۲ به توان ۱۰ یا ۱۰۲۴ حالت را دارا می باشد پس اطلاعات آنالوگ یک سنسور می تواند به صورت ۱۰۲۴ عدد باینری کد شود. مبدل های آنالوگ به دیجیتال به نام ADC “ای تو دی” معروف هستند و معمولا به صورت مدارات مجتمع (IC) در دسترس هستند به عنوان نمونه آی سی با شماره ی ADC0808 یک ADC هشت بیتی معروف است که معمولا ۲۸ پایه دارد.
۲- High-level digital outputs یا خروجی دیجیتال سطح بالا
معمولا خروجی های ECU باید وسایلی را راه اندازی کند که نیاز به جریان بالایی دارند به عنوان مثال: کولر خودرو یا سیستم جرقه زنی. اما خروجی پردازنده می تواند جریان پایینی در حد میلی آمپر را تامین کند در حالی که مثلا ممکن است رله ی کولر خودرو در حالت روشن نیاز به ۱۲ ولت و ۰٫۵ آمپر جریان داشته باشد. برای حل این مشکل از سوییچ های ترانزیستوری استفاده می شود. همان طور که می دانید با یک سوییچ ترانزیستوری می توان با یک جریان کوچک در بیس (یا گیت در سوییچ های FET) جریان بزرگی را در کلکتور (یا درین در سوییچ های FET) کنترل کرد. به عنوان مثال فرض کنیم یک ترانزیستور نیمه قدرت می تواند با جریان ۲۰ میلی آمپر در بیس خود، جریان ۰٫۵ میلی آمپر را در کلکتور خود سوییچ کند و این جریان رله ی کولر خودرو را راه اندازی می کند.
۳- Digital-to-analog converters یا مبدل دیجیتال به آنالوگ
فلسفه ی وجودی این واحد مثل مبدل آنالوگ به دیجیتال است که قبلا بررسی شد، با این تفاوت که این مبدل، خروجی پردازنده ی ECU را که یک سیگنال دیجیتال یا گسسته است به یک سیگنال آنالوگ یا پیوسته تبدیل می کند زیرا بعضی از اجزا خودرو برای راه اندازی نیاز به سیگنال آنالوگ دارند.
۴ – Signal conditioners یا متناسب کننده ی سیگنال
گاهی اوقات ورودی و خروجی ECU قبل از اینکه مورد استفاده قرار بگیرد با تنظیم شود. به عنوان مثال مبدل آنالوگ به دیجیتالی که اطلاعات را از سنسور اکسیژن دریافت می کند باید ورودی آن در محدوده ای بین ۰-۵ ولت قرار داشته باشد در حالی که ممکن است خروجی این سنسور بین ۰-۱٫۱ ولت باشد. متناسب کننده ی سیگنال با ضرب کردن خروجی سنسور اکسیژن در چهار موجب دریافت دقیقتر اطلاعات این سیگنال می شود.
۵ – Communication chips یا تراشه های ارتباطی
این تراشه ها استاندارهای ارتباطی موجود در بخشهای مختلف را مهیا می کنند. در خودرو های محتلف از استادهای مختلفی استفاده می شود اما استاندارد حاکم فعلی CAN (controller-area networking) نامیده می شود. این استاندارد اجازه ی ارتباط بخش های مختلف تا ۵۰۰ کیلو بیت در ثانیه (۵۰۰ Kbps) را می دهد. این سرعت لازم است زیرا برخی اجزا اطلاعات را صدها بار در ثانیه بر روی گذرگاه (BUS) قرار می دهند. این استاندار از دو سیم استفاده می کند.
بررسی سیستم های الکترونیکی خودروهای جدید
این مقاله در مورد سیستمها الکترونیکی موجود در خودرو های جدید است،اگرچه از زمان فراگیر شدن میکرو کنترلر ها که حدود بیست سال از آن می گذرد، در خودرو های پیشرفته ی دنیا از سیستم های کنترل الکترونیکی استفاده می شود اما چند سالی است که در خودرو های ساخت داخل کشور هم از این امکانات استفاده می شود. به عنوان مثال اگر شما به سیستم برق پژو ۲۰۶ آشنا باشید می بینید که این خودرو از لحاظ سیستم های الکترونیکی د ر سطح پیشرفته ای قرار دارد و یا در مدل هایی از خودروی فورد از حدود ۵۰ میکروپروسسور استفاده شده است. اگرچه این سیستم ها باعث می شوند تعمیر این نوع خودروها نیاز به دانش فنی ویژه ای داشته باشد اما دارای مزایایی است که ارزش زیادی دارند. به طور کلی هدف از استفاده از کامپیوتر های الکترونیکی در خودرو ها عبارتند از:
– نیاز به کنترل دقیق مقدار سوخت مصرفی در خودرو برای رسیدن به استاندارهای اقتصادی و زیست محیطی
– عیب یابی پیشرفته
– کاهش مقدار سیم های استفاده شده در خودرو (با استفاده از روشهای مالتی پلکسینگ)
– افزایش امنیت (در برابر سوانح رانندگی و سرقت)
– افزایش امکانات رفاهی در خودرو
به طور کلی کنترل موتور مهم ترین وظیفه ی سیستم کامپیوتری موجود در خودرو است. از این رو واحد کنترل موتور یا ECU قدرتمندترین کامپیوتر موجود در خودرو است. (لازم به ذکر است که واژه ی “کامپیوتر”ی که در این جا از آن استفاده می کنیم به معنای آن کامپیوتری که الان شما از آن این مطالب را می خوانید نیست بلکه از این کامپیوتر ها در فرهنگ الکترونیک به Embedded System یا سیستم های جاسازی شده یاد می شود.) روش کنترلی که ECU از آن استفاده می کند، Closed Loop Control نام دارد. در مورد این روش کنترل کافی است بدانید که به سیستم هایی که از خروجی خود برای کنترل سیستم نمونه برداری می کنند، کنترل حلقه بسته یا Closed Loop Control می گویند . ECU برای استفاده از این روش کنترل، از طریق تعداد زیادی سنسور، اطلاعات زیادی از وضعیت قسمت های مختلف (مثل دمای سیستم خنک کننده یا مقدار اکسیژن در اگزوز) بدست می آورد. ECU با استفاده از این اطلاعات بدست آمده و قرار دادن آن در تعداد زیادی فرمول، بهترین زمان جرقه در موتور و مدت زمان باز بودن پاشنده ی سوخت (Fuel Injector) را تعیین می کند. در واقع ECU این کار را برای به کمینه رساندن مقدار مصرف سوخت انجام می دهد.در یک ECU مدرن ممکن است از یک پردازنده ی ۳۲ بیتی و ۴۰ مگاهرتزی استفاده شود. اگرچه در نگاه اول ممکن است این مقادیر را با پردازنده ی ۲ یا ۳ گیگا هرتزی کامپوتر خود مقایسه کنید ولی این مقایسه ی درستی نیست زیرا در سیستم های جاسازی شده یا Embedded System حجم کدهایی که مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب کمتراز حجم نرم افزارهایی است که شما در کامپیوتر خود اجرا می کنید.
به عنوان مثال حافظه های مورد استفاده در ECU ها در حدود ۱ مگابایت هستند در حالی که شما ممکن است نرم افزاری با حجم ۳۰۰ مگابایت را در کامپیوتر خود اجرا کنید، یعنی ۳۰۰ برابر! پس ECU ها خیلی هم قدرتمند هستند!
در شکل زیر تصویر یک ECU استفاده شده در خودروی فورد را مشاهده می کنید:
در این مدار، پردازنده به همراه صدها قطعه ی الکترونیکی دیگر بر روی یک برد چند لایه قرار گرفته است. تعدادی از اجزای الکترونیکی که به همراه پردازنده در این مدار قرار دارند عبارتند از:
– Analog-to-digital converters یا مبدل آنالوگ به دیجیتال
– High-level digital outputs یا خروجی دیجیتال سطح بالا
– Signal conditioners یا متناسب کننده ی سیگنال
– Communication chips یا تراشه های ارتباطی
مجموعه: پروژه های تحقیقاتی