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