КОМПЮТРИ (МОДУЛИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ) - АВТОЧАСТИ

С всяка изминала година автомобилите изглежда стават все по-сложни. Колите произвеждани днес, може да имат до 50 микропроцесора (т.нар. компютри) вградени в тях. Въпреки че тези компютри ви лишават от възможността сами да си бърникате по колата и да си поправяте каквото решите, някои от тях реално правят обслужването в оторизиран сервиз в пъти по-лесно.

Някои от причините за увеличението на броя на компютрите в днешните автомобили са:

• Нуждата от управление и оптимизаци я на сложните процеси протичащи в двигателя, за да се посрещнат все по-строгите стандарти за емисии и изисквания към разхода на гориво.
• Бърза комплексна диагностика.
• Намаляване на обема и количеството на кабелите в колите.
• Нови функции за безопасност.
• Нови функции за комфорт и удобство.

Нека разгледаме всеки един от тези фактори по отделно, за да оценим какво влияние е имал той върху проектирането на вашата кола.

Компютърно управление на двигателя

Преди да се наложат нормите за допустими емисии, беше възможно да се проектира автомобилен двигател в чистия му механичен вариант, без микропроцесори и компютърно управление. С прилагането на все по-строги норми за емисии, единствения начин производителите на автомобили да посрещнат новите стандарти бе да приложат сложни схеми за нагаждане на горивно-въздушната смес спрямо условията на околната среда и режима на работа на двигателя, за да може катализатора да неутрализира възможно най-голяма част от вредните газове.

Именно управлението на горивния процес на двигателя изисква най-голяма производителност от микропроцесорите, затова и компютъра на двигателя (Engine Control Unit – ECU) е често най-мощния компютър в една кола. Компютъра на двигателя използва схема за контрол и регулиране по затворен цикъл (closed loop control), която оценява изходни данни и според тях нагажда входните параметри на системата, регулирайки емисиите и разхода на гориво на двигателя (както и редица други показатели). Събирайки данни от няколко различни сензора (в някои случаи над 10), компютъра на двигателя ECU знае всичко от температурата на антифриза до количеството кислород в изпускателната система. С тези данни, той прави милиони калкулации в секунда, включително да намира кореспондиращи стойности в таблици, да изчислява резултатите от дълги уравнения за решаването на най-добрия момент за подаване на искра и определяне колко дълго да е отворен инжектора на гориво. Всичко това се прави от компютъра, за да се осигури най-ефективното изгаряне на гориво и съответно да се постигне икономичност и екологичност в работата на двигателя.

Пиновете на буксата на ECU-то са свързани към различни сензори разположени по колата

Един модерен компютър на двигателя (ECU) може да съдържа 32-битов, 40 MHz процесор. Това може и да не ви се струва много бързо в сравнение с 2000 MHz процесора, който вероятно имате във вашия лаптоп, но не забравяйте, че процесора в колата ви обработва много по-ефективен код, от колкото този на вашия лаптоп. Кодът в повечето ECU-та заема не повече от 1 мегабайт (MB) памет. За сравнение, на вашия домашен компютър или лаптоп вие най-вероятно имате над 2 гигабайта (GB) програми – това е 2000 пъти съдържанието на един автомобилен компютър.

Части на компютър двигател (ECU)

Процесора е само част от целия модул, съдържащ стотици компоненти разположени върху многослойна платка. Някои от по-важните части на един автомобилен компютър, поддържащи ролята на процесора са:

• Аналогово-цифрови преобразуватели – тези устройства служат за разчитане на данните от някои сензори в автомобила като например ламбда сондата. Изходните данни от ламбда сондата са под формата на аналогов електрически сигнал, обикновено в диапазона между 0 и 1,1 волта (V). Процесорът обаче работи само с цифрови сигнали, затова аналогово-цифров преобразувател е необходим, за да променя това напрежение (аналоговия електрическия сигнал) в 10-битова цифрова стойност..
• Цифрови изходи – на много съвременни автомобили, ECU или компютър на двигателя изпълнява запалването на свещите, отваря или затваря горивните инжектори и включва и изключва вентилатора за охлаждане. Всички тези задачи изискват цифрови изходи. Тези изходи имат само две положения – включен или изключен – нямат междинно положение. Например, изхода за контрол на охлаждащия вентилатор може да осигури 12V и 0,5А на релето на вентилатора, когато той е включен и 0V, когато е изключен. Цифровия изход сам по себе си е като реле. Слабия ток, който може да отдава процесора, задейства транзистора в цифровия изход, който от своя страна осигурява много по-силен ток на релето на вентилатора, а то на свой ред осигурява още по-силен ток на крайния консуматор - охлаждащия вентилатор.
• Цифрово-аналогови преобразуватели – понякога компютъра на двигателя трябва да осигури аналогов изходен сигнал, за да задейства някои части на двигателя. Понеже процесора е цифрово устройство, той се нуждае от компонент, който да конвертира цифровия сигнал в аналогово напрежение.
• Сигнален конвертор – понякога входящите и изходящите сигнали трябва да се преобразуват преди да се четат. Например, аналогово-цифровия преобразувател, който разчита напрежението подавано от ламбда сондата може да бъде настроен да чете сигнал с волтаж от 0 до 5 волта, но сондата издава сигнал само в диапазона от 0 до 1,1 волта. Сигналния конвертор е платка, която регулира нивото на входящите или изходящи сигнали. Така например, ако се приложи сигнален конвертор, който умножава напрежението идващо от ламбда сондата по 4, ще се получи диапазон на сигнала от 0 до 4,4 волта, който ще позволи на аналогово-цифровия преобразувател да разчете напрежението много по-точно.
• Чипове за комуникация – тези чипове прилагат различни стандарти за пренос на данни, които се използват в автомобилите за изпълняване на информационния обем между многобройните изпълнителни и управляващи устройства, всевъзможни датчици и контролери. Има няколко различни стандарта, но този, който доминира в автомобилните комуникационни мрежи е т.нар. CAN bus. Съкращението CAN идва от Controller Area Network, а "bus" на български се превежда като шина - понятие, идващо от компютърните технологии. Мрежовия интерфейс CAN е създаден преди повече от 20 години като съвместна разработка на Bosch и INTEL, a днес CAN шината е основополагаща за сложната бордова електроника на съвременните автомобили. Мрежовия стандарт CAN позволява скорост на комуникация (пренос на данни) до 500 Kbps, което е в пъти по-бързо от по-старите стандарти. Тази скорост се превръща в необходимост, защото някои модули комуникират данни по мрежата стотици пъти в секунда. Комуникацията между различните датчици, контролери и модули става само с два проводника, което е и основното предимство на CAN, понеже по-старите системи, макар и някои от тях да си били способни на подобни скорости на предаване на данни, изисквали отделни проводници за съединяването на един контролер с друг. Именно това прави възможно интеграцията на толкова много електроника в днешните автомобили и улеснява проектирането и производството им.

Улеснено проектиране и производство на автомобили

Прилагането на стандарти за комуникационни мрежи прави проектирането и производството на автомобили малко по-лесно. Един добър пример за това опростяване са приборите на арматурното табло на автомобила. На арматурното табло има няколко прибора или информационен дисплей, който показва данни събирани от различни части на колата. Повечето от тези данни вече се използват и от други модули в автомобила. Например, компютъра на двигателя знае каква е температурата на антифриза и оборотите на двигателя. Компютъра на скоростната кутия знае с каква скорост се движи автомобила. ABS компютъра знае ако има проблем с антиблокиращата спирачна система.

Всички тези компютри или модули просто изпращат тази информация на комуникационната шина. Няколко пъти в секунда, компютъра на двигателя изпраща пакет с информация съдържащ заглавие и основна част. Заглавието е числов код, който идентифицира пакета като такъв за данни за обороти, температура или нещо друго, а в основната част на пакета се намира стойност, която съответства на оборотите, температурата или друг показател. Арматурното табло съдържа модул, който е програмиран да следи за определени пакети данни – когато види такъв, той актуализира съответния прибор на таблото или чек лампа с нова стойност.

Повечето автомобилни производители купуват готови арматурни табла от доставчик, който ги проектира според техните спецификации. Това прави проектирането и дизайна на арматурното табло много по-лесно, както за производителя на автомобили, така и за доставчика на арматурните табла.

За автопроизводителя е по-лесно да каже на доставчика, как ще се задвижват отделните прибори. Вместо да се налага да казва на доставчика, че определена жичка ще отговаря за сигнала на скоростомера и той ще бъде да речем различно напрежение в диапазона между 0 и 5 V и че примерно 1,1 V съответства на скорост 50 км/ч, автопроизводителя може просто да предостави списък с различните пакети данни. Доставчика на табла трябва да ги програмира спрямо този списък с цифрови данни, за да показват уредите правилни стойности, четими от шофьора. Останалото е грижа на автопроизводителя, който трябва да се увери, че данните, които ще се предават към уредите по CAN мрежата ще бъдат точни.

Това прави работата на производителя на арматурното табло по-лесна, тъй като той не трябва да се тревожи за начина на генериране на сигнал за скоростта или пък източника на този сигнал. Вместо това, арматурното табло просто следи комуникационната шина CAN и актуализира приборите, когато получи нови данни.

Тези комуникационни стандарти правят възможно предоставянето на производството на различни компоненти на външни доставчици: автопроизводителя не трябва да се ангажира с механиката или електрониката на уредите или дигиталните дисплеи, а външния доставчик, който произвежда арматурното табло не се интересува по какъв начин се генерират входящите сигнали.

Умни сензори

Клъстерите вече се използват в умален мащаб за сензори. Така например, сензор за налягане обикновено съдържа устройство, чийто изходен сигнал е напрежение, което се изменя в зависимост от приложеното върху датчика налягане. Обикновено изходното напрежение не е линейно, зависи от температурата и е с нисък волтаж, който се нуждае от усилване. За преобразуването на това напрежение в точна цифрова стойност показваща стойността на налягането са необходими електронни модули, които да обработят и модифицират сигнала, така че той да е четим от дигиталните устройства, които управляват двигателя или други агрегати на автомобила.

Някои производители на сензори предлагат умни сензори, интегрирани с цялата тази електроника. В самия сензор се съдържа микропроцесор, който им позволява да разчитат напрежението и да го калибрират в зависимост от компенсаторната температурна крива, заложена в програмирането на датчика. Така от сензора директно излиза дигитален сигнал съдържащ стойност за налягане, който може да се подаде на CAN шината.

Това спестява на автопроизводителя грижата да знае всички особености на сензора и спестява процесорна мощ на модулите и компютри, които използват данните от сензора, понеже не се налага те да правят тези изчисления, а ги получават наготово от сензора. Така отговорността за верността и точността на данните пада изцяло върху производителя на сензори, който и без това е най-наясно с техните особености и начина им работа.

Друго предимство на умните сензори е, че цифровия сигнал, който те предоставят по CAN шината е много по-малко податлив към електромагнитни смущения, отколкото аналоговия сигнал на обикновените сензори. Това е, защото аналоговото напрежение, което се предава по жица, може да се усили, когато преминава през определени електрически компоненти или дори когато минава в близост до захранващи проводници.

Комуникационните шини (CAN-bus) и микропроцесорите също така спомагат за опростяване на окабеляването в един автомобил посредством мултиплексиране.

Опростено окабеляване

Мултиплексирането е техника, която намалява значително количеството на проводниците в една кола. При по-старите коли, жиците от всеки превключвател бяха прокарвани до устройството, което задвижват. С всяка изминала година обаче, устройствата, които водача има на разположение стават все повече, а прокарването на жици от всеки превключвател до самото устройство ще създаде огромен сноп от кабели и съответно пълна бъркотия. Тук влиза на помощ мултиплексирането. В една мултиплексна система, модул (компютър) съдържащ поне един микропроцесор консолидира командите за дадена област на автомобила. Така например, коли които имат много бутони на вратата, могат да бъдат оборудвани с контролен модул на шофьорската врата. Някои коли имат бутони за ел. стъклата, бутони за ел. огледалата, бутон за заключване на вратите и дори бутони за ел. седалката, всички монтирани на шофьорската врата. Би било непрактично да прокараме през вратата огромния сноп кабели, който е свързан с една такава инсталация. Вместо това, модула за управление на шофьорската врата следи всички сигнали от бутоните и превключвателите на вратата.

Ето как става това: ако водача натисне копчето за стъклото, модула за управление на шофьорската врата затваря реле, което осигурява захранване към мотора на стъклоповдигача. Ако пък водача реши да настрои нещо, което не се намира в самата врата, като например дясното странично огледало, когато той натиска джойстика, модула за управление на шофьорската врата изпраща пакет данни по комуникационната (CAN) шина. Този пакет данни дава команда на друг модул да пусне захранване и да задвижи електромотора на огледалото. По този начин повечето сигнали, които напускат шофьорската врата са консолидирани в само два проводника, които формират комуникационната шина.

Автомобилни системи за сигурност, комфорт и удобство

През последните 10-20 години сме свидетели как системи като ABS и въздушните възглавници, станаха стандартни за всички автомобили. През последното десетилетие масовост придобиха и системи като Traction Control и ESP. Всяка една от тези системи, добавя по един нов модул в колата, а този модули съдържат по няколко микропроцесора всеки. В бъдеще с добавянето на нови системи за сигурност, ще има все повече и повече такива модули или компютри както още ги наричат.

Дори усъвършенстването на съществуващите в момента системи, поставя допълнителни изисквания към производителността на процесорите на компютрите в колата. Така например въздушната възглавница в някои модерни автомобили не само се издува, а има няколко степени на надуване в зависимост от скоростта на автомобила и теглото на пътника. Всички тези допълнителни възможности изискват по-голяма производителност от модулите за управление. Но необходимостта от повече микропроцесори и компютри не се изчерпва със системата на въздушните възглавници. През идните години ще имаме все повече системи за комфорт и функции за удобство в нашите автомобили, а всяка от тях ще изисква допълнителен модул за управление и още микропроцесори.

Изглежда няма ограничение колко технологии и електроника автомобилните производители ще могат да внедрят в нашите коли в бъдеще. Добавянето на всички тези електронни функции е един от факторите, подтикващи автопроизводителите да увеличат напрежението на електрическите системи в автомобилите и да преминат от сегашните 14V системи, към 42V системи. Това ще помогне да се осигури допълнителната мощност, която тези модули изискват.