Come funzionano i computer per auto

Il computer di un Ford Ranger

Prima che le leggi sulle emissioni fossero emanate, era possibile costruire un motore per auto senza microprocessori. Con l'emanazione di leggi sulle emissioni sempre più severe, erano necessari schemi di controllo sofisticati per regolare la miscela aria / carburante in modo che il convertitore catalitico potesse rimuovere gran parte dell'inquinamento dallo scarico. (Vedi Come funzionano i convertitori catalitici per maggiori dettagli.)

Controllare il motore è il lavoro più impegnativo per il processore sulla tua auto e il unità di controllo motore (ECU) è il computer più potente sulla maggior parte delle auto. L'ECU utilizza controllo a circuito chiuso, uno schema di controllo che monitora gli output di un sistema per controllare gli input a un sistema, gestendo le emissioni e il risparmio di carburante del motore (oltre a una serie di altri parametri). Raccogliendo dati da dozzine di sensori diversi, l'ECU conosce tutto, dalla temperatura del liquido di raffreddamento alla quantità di ossigeno nello scarico. Con questi dati, esegue milioni di calcoli al secondo, inclusa la ricerca di valori nelle tabelle, il calcolo dei risultati di lunghe equazioni per decidere il miglior tempo di accensione e la determinazione del tempo di apertura dell'iniettore di carburante. L'ECU fa tutto questo per garantire le emissioni più basse e il miglior chilometraggio. Vedi come funzionano i sistemi di iniezione del carburante per molti più dettagli su ciò che fa l'ECU.

I pin di questo connettore si interfacciano con sensori e dispositivi di controllo in tutta l'auto.

Una moderna ECU potrebbe contenere un processore a 32 bit e 40 MHz. Potrebbe non sembrare veloce rispetto al processore da 500 a 1.000 MHz che probabilmente hai nel tuo PC, ma ricorda che il processore della tua auto esegue un codice molto più efficiente di quello del tuo PC. Il codice in una ECU media occupa meno di 1 megabyte (MB) di memoria. In confronto, probabilmente hai almeno 2 gigabyte (GB) di programmi sul tuo computer, ovvero 2.000 volte la quantità in una ECU.

-Il processore è confezionato in un modulo con centinaia di altri componenti su un circuito stampato multistrato. Alcuni degli altri componenti nell'ECU che supportano il processore sono:

• Convertitori analogico-digitale - Questi dispositivi leggono le uscite di alcuni sensori dell'auto, come il sensore di ossigeno. L'uscita di un sensore di ossigeno è una tensione analogica, solitamente compresa tra 0 e 1,1 volt (V). Il processore comprende solo i numeri digitali, quindi il convertitore analogico-digitale cambia questa tensione in un numero digitale a 10 bit.
• Uscite digitali di alto livello - Su molte auto moderne, l'ECU accende le candele, apre e chiude gli iniettori di carburante e accende e spegne la ventola di raffreddamento. Tutte queste attività richiedono uscite digitali. Un'uscita digitale può essere attivata o disattivata, non c'è una via di mezzo. Ad esempio, un'uscita per il controllo della ventola di raffreddamento potrebbe fornire 12 V e 0,5 A al relè della ventola quando è acceso e 0 V quando è spento. L'uscita digitale stessa è come un relè. La piccola quantità di potenza che il processore può emettere eccita il transistor nell'uscita digitale, permettendogli di fornire una quantità molto maggiore di potenza al relè della ventola di raffreddamento, che a sua volta fornisce una quantità ancora maggiore di potenza alla ventola di raffreddamento.
• Convertitori da digitale ad analogico - A volte l'ECU deve fornire un'uscita di tensione analogica per azionare alcuni componenti del motore. Poiché il processore sulla ECU è un dispositivo digitale, necessita di un componente in grado di convertire il numero digitale in una tensione analogica.
• Condizionatori di segnale - A volte gli ingressi o le uscite devono essere regolati prima di essere letti. Ad esempio, il convertitore analogico-digitale che legge la tensione dal sensore di ossigeno potrebbe essere impostato per leggere un segnale da 0 a 5 V, ma il sensore di ossigeno emette un segnale da 0 a 1,1 V. Un condizionatore di segnale è un circuito che regola il livello dei segnali in entrata o in uscita. Ad esempio, se applicassimo un condizionatore di segnale che moltiplicasse per 4 la tensione proveniente dal sensore di ossigeno, otterremmo un segnale da 0 a 4,4 V, che consentirebbe al convertitore analogico-digitale di leggere la tensione in modo più accurato (vedi Come funziona la registrazione analogica e digitale per maggiori dettagli).
• Chip di comunicazione - Questi chip implementano i vari standard di comunicazione utilizzati sulle automobili. Esistono diversi standard utilizzati, ma si chiama quello che sta iniziando a dominare le comunicazioni in auto PUÒ (controller-area networking). Questo standard di comunicazione consente velocità di comunicazione fino a 500 kilobit al secondo (Kbps). È molto più veloce dei vecchi standard. Questa velocità sta diventando necessaria perché alcuni moduli comunicano i dati sul bus centinaia di volte al secondo. Il bus CAN comunica utilizzando due fili.

Nella prossima sezione, daremo uno sguardo a come gli standard di comunicazione hanno reso più facile la progettazione e la costruzione di automobili.

La porta diagnostica di un minivan Toyota

-Un altro vantaggio di avere un bus di comunicazione è che ogni modulo può comunicare i guasti a un modulo centrale, che memorizza i guasti e può comunicarli a uno strumento diagnostico esterno.

Ciò può rendere più facile per i tecnici diagnosticare i problemi con l'auto, in particolare i problemi intermittenti, che sono noti per scomparire non appena si porta l'auto per la riparazione.

BATauto.com: Pagine di informazioni tecniche elenca i codici di guasto memorizzati nella ECU per varie case automobilistiche. A volte, è possibile accedere ai codici senza uno strumento diagnostico. Ad esempio, su alcune auto, saltando due dei pin nel connettore diagnostico e quindi girando la chiave di accensione per avviare, la spia "motore di controllo" lampeggerà di un determinato schema per indicare il numero del codice di guasto memorizzato nella ECU.

Diamo un'occhiata a come i microprocessori e gli standard di comunicazione hanno reso le auto più facili da costruire.

I computer sul cruscotto sono facilmente visibili dai conducenti. PredragKezic / ThinkStock

-Avere standard di comunicazione ha reso la progettazione e la costruzione di automobili un po 'più online. Un buon esempio di questa semplificazione è il quadro strumenti dell'auto.

Il strumentazione raccoglie e visualizza i dati da varie parti del veicolo. La maggior parte di questi dati è già utilizzata da altri moduli dell'auto. Ad esempio, l'ECU conosce la temperatura del liquido di raffreddamento e la velocità del motore. Il controller della trasmissione conosce la velocità del veicolo. Il controller per il sistema di frenata antibloccaggio (ABS) sa se c'è un problema con l'ABS.

Tutti questi moduli inviano semplicemente questi dati al bus di comunicazione. Più volte al secondo, la ECU invierà un pacchetto di informazioni costituito da un'intestazione e dai dati. L'intestazione è solo un numero che identifica il pacchetto come una lettura della velocità o della temperatura, ei dati sono un numero corrispondente a quella velocità o temperatura. Il cruscotto contiene un altro modulo che sa cercare determinati pacchetti: ogni volta che ne vede uno, aggiorna lo strumento o l'indicatore appropriato con il nuovo valore.

La maggior parte delle case automobilistiche acquista i quadri strumenti completamente assemblati da un fornitore, che li progetta secondo le specifiche della casa automobilistica. Questo rende molto più semplice il lavoro di progettazione del cruscotto, sia per la casa automobilistica che per il fornitore.

È più facile per la casa automobilistica dire al fornitore come verrà guidato ogni indicatore. Invece di dover dire al fornitore che un particolare filo fornirà il segnale di velocità, e sarà una tensione variabile tra 0 e 5 V, e 1,1 V corrisponde a 30 mph, la casa automobilistica può semplicemente fornire un elenco dei pacchetti di dati . Quindi, è responsabilità della casa automobilistica assicurarsi che i dati corretti vengano emessi sul bus di comunicazione.

È più facile per il fornitore progettare il cruscotto perché non ha bisogno di conoscere alcun dettaglio su come viene generato il segnale di velocità o da dove proviene. Invece, il cruscotto controlla semplicemente il bus di comunicazione e aggiorna gli indicatori quando riceve nuovi dati.

Questi tipi di standard di comunicazione rendono molto semplice per le case automobilistiche affidare all'esterno la progettazione e la produzione di componenti: la casa automobilistica non deve preoccuparsi dei dettagli di come viene azionato ogni indicatore o luce, e il fornitore che realizza il cruscotto non lo fa ''. Non devi preoccuparti della provenienza dei segnali.

-I C-luster vengono ora utilizzati su scala ridotta per i sensori. Ad esempio, un sensore di pressione tradizionale contiene un dispositivo che emette una tensione variabile a seconda della pressione applicata al dispositivo. Di solito, l'uscita di tensione non è lineare, dipende dalla temperatura ed è una tensione di basso livello che richiede un'amplificazione.

Alcuni produttori di sensori stanno fornendo un sensore intelligente che è integrato con tutta l'elettronica, insieme a un microprocessore che gli consente di leggere la tensione, calibrarla utilizzando curve di compensazione della temperatura ed emettere digitalmente la pressione sul bus di comunicazione.

Ciò evita alla casa automobilistica di dover conoscere tutti i dettagli sporchi del sensore e risparmia potenza di elaborazione nel modulo, che altrimenti dovrebbe eseguire questi calcoli. Rende il fornitore, che è comunque più al corrente dei dettagli del sensore, responsabile di fornire una lettura accurata.

Un altro vantaggio del sensore intelligente è che il segnale digitale che viaggia sul bus di comunicazione è meno suscettibile al rumore elettrico. Una tensione analogica che viaggia attraverso un filo può assorbire una tensione extra quando passa attraverso determinati componenti elettrici o anche da linee elettriche aeree.

Anche i bus di comunicazione e i microprocessori aiutano a semplificare il cablaggio multiplexing. Diamo un'occhiata più da vicino a come lo fanno.

Le porte con molti interruttori stanno diventando sempre più comuni.

-Il multiplexing è una tecnica che può semplificare il cablaggio in un'auto. Nelle auto più vecchie, i fili di ogni interruttore vanno al dispositivo che alimentano. Con sempre più dispositivi al comando del conducente ogni anno, multiplexing è necessario per evitare che il cablaggio vada fuori controllo. In un sistema multiplex, un modulo contenente almeno un microprocessore consolida gli ingressi e le uscite per un'area dell'auto. Ad esempio, le auto che hanno molti controlli sulla portiera possono avere un modulo porta del conducente. Alcune auto hanno alzacristalli elettrici, specchietti elettrici, blocco elettrico e persino i comandi del sedile elettrico sulla portiera. Sarebbe poco pratico far passare fuori dalla porta lo spesso fascio di cavi che provengono da un sistema come questo. Invece, il modulo porta del conducente controlla tutti gli interruttori.

Ecco come funziona: se il conducente preme l'interruttore del finestrino, il modulo porta chiude un relè che fornisce alimentazione al motore del finestrino. Se il conducente preme l'interruttore per regolare lo specchietto lato passeggero, il modulo porta conducente invia un pacchetto di dati al bus di comunicazione dell'auto. Questo pacchetto dice a un modulo diverso di eccitare uno dei motori dello specchio di potenza. In questo modo la maggior parte dei segnali che escono dalla portiera del conducente vengono consolidati sui due fili che formano il bus di comunicazione.

Lo sviluppo di nuovi sistemi di sicurezza ha anche aumentato il numero di microprocessori nelle automobili. Ne parleremo nella prossima sezione.

-Negli ultimi dieci anni, abbiamo visto sistemi di sicurezza come ABS e airbag diventare comuni sulle auto. Anche altre caratteristiche di sicurezza come i sistemi di controllo della trazione e della stabilità stanno iniziando a diventare comuni. Ciascuno di questi sistemi aggiunge un nuovo modulo all'auto e questo modulo contiene più microprocessori. In futuro, ci saranno sempre più di questi moduli in tutta la vettura man mano che verranno aggiunti nuovi sistemi di sicurezza.

Ciascuno di questi sistemi di sicurezza richiede una maggiore potenza di elaborazione e di solito è confezionato in un proprio modulo elettronico. Ma non finisce qui. Nei prossimi anni, avremo tutti i tipi di nuove funzionalità di convenienza nelle nostre auto e ognuna di queste richiede più moduli elettronici contenenti più microprocessori.

Sembra che non ci siano limiti alla quantità di tecnologia che le case automobilistiche inseriranno nelle nostre auto. L'aggiunta di tutte queste caratteristiche elettroniche è uno dei fattori che spingono le case automobilistiche ad aumentare la tensione del sistema sulle auto dall'attuale sistema a 14 V a un sistema a 42 V. Ciò contribuirà a fornire la potenza extra richiesta da questi moduli.

Per ulteriori informazioni sui computer per auto e sugli argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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