Utilizarea electronicii in industria auto

Utilizarea electronicii in industria auto

Toata lumea vorbeste despre computerul auto. Se fac remapari, resoftari, chip-tuning pentru a mari performantele masinii prin rescrierea softului computerului auto. Cand apare o eroare si masina nu mai vrea sa porneasca de pe loc, vinovat e computerul auto. Cand se defecteaza un senzor, computerul auto ne semnaleaza defectul si ne trimite la mecanic fara sa ne acorde nici cea mai mica sansa de a rezolva problema 'in fata blocului'

Calculator de bord sau ECU

(Electronic control unit, „Unitate de control electronic”) este un modul pentru comenzi sau dirijari electronice, care este folosit in locurile unde ceva anume trebuie controlat comandat. Modulul de control electronic este folosit in sectorul auto in multe aplicatii electronice, precum si pentru controlul electronic la dirijarea de masini, instalatii industriale si multe alte procedee tehnice. Aceste modulele fac parte din sistemele incorporate

Ce se ascunde de fapt sub denumirile de 'Computer auto', ECU sau 'Modul de comanda'? Ce face de fapt acest computer auto si cum functioneaza el?

Sub denumirea generica de computer auto se ascunde de fapt un numar mai mic sau mai mare de microprocesoare care au functii dedicate si care controleaza functionarea diferitelor componente ale masinii. Exista microprocesoare care monitorizeaza aprinderea motorului, altele care se ocupa de functionarea airbag-urilor, altele de modulul de aer conditionat, de sistemele de siguranta ABS sau ESP, chiar si de deschiderea sau inchiderea geamurilor. Toate aceste microprocesoare sunt, asa cum le spune si numele, niste calculatoare in miniatura care ruleaza in memoria lor niste programe, primesc in permanenta date de la componentele masinii si prin prelucrarea acestor date de catre programul din memorie, furnizeaza la randul lor niste date de iesire, care se concretizeaza in comenzi transmise catre diferite dispozitive ale masinii.

Pe buna dreptate ne putem intreba cum de au reusit in trecut masinile sa functioneze foarte bine si fara aceste microprocesoare? Simplu. Motoarele erau simple, electronica aproape inexistenta si metodele de protectie a pasagerilor mult mai rudimentare. Pe masura ce au inceput sa apara elemente de comfort si siguranta tot mai avansate, norme de poluare mai stricte si dorinta de a face economie de materiale, constructorii auto au inceput sa apeleze la beneficiile aduse de utilizarea microprocesoarelor si a metodelor de comunicatie moderne.

Practic s-a trecut la utilizarea microprocesoarelor din mai multe motive:
* pentru a simplifica procesul de construire a masinii
* pentru a reduce emisiile poluante ale motorului si a consumului de carburanti
* pentru a reduce cantitatea de cabluri necesare functionarii masinii
* pentru a imbunatati metodele de diagnosticare a defectiunilor

* pentru a putea aduce noi facilitati fara a face modificari majore la designul si componentele deja existente intr-o masina
* nu in ultimul rand pentru cresterea sigurantei pasagerilor

Vom vedea in continuare cum au fost implementate fiecare din aceste masuri cu ajutorul microprocesoarelor din autoturisme.

2 ECU - Engine Control Unit

ECU (il mai gasiti si sub denumirea de UCM - Unitate de Control a Motorului) este de obicei cel mai puternic microprocesor dintre toate care exista in masina pentru ca este pus la treaba cel mai mult. Practic acesta are de facut milioane de calcule pe secunda trebuind sa analizeze datele oferite de zecile de senzori amplasati prin toata masina si apoi sa decida asupra celor mai bune valori care sa le transmita motorului pentru ca acesta sa functioneze cu consum minim de carburant si sa polueze cat mai putin mediul inconjurator.

Ce rol are de fapt acest ECU?

Rolul sau este de a comanda cantitatea de combustibil care intra in camerele de ardere, momentul cel mai bun in care sa aiba loc aprinderea amestecului combustibil si toate acestea in functie de viteza, temperatura motorului si a mediului ambiant, de cantitatea de  si din aerul aspirat de motor.

Practic, ECU primeste aceste date de la senzorii amplasati in motor si le foloseste ca parametri in ecuatiile pe care le are de rezolvat pentru a produce alte date de iesire care vor comanda mecanismele de control ale motorului: injectoare, pompe, bujii.

ECU functioneaza ca un sistem de reglaj cu circuit inchis (closed-loop control), ceea ce inseamna ca el regleaza valorile parametrilor de iesire in functie de valorile parametrilor de intrare. Cu alte cuvinte, el primeste date de la senzorii care monitorizeaza cantitatea de oxigen din gazele de ardere, viteza autoturismului, temperatura motorului si alte valori pe care le analizeaza, si in functie de aceste valori trimite comenzi catre injectoare si prelungeste sau micsoreaza timpul cat acestea raman deschise, regland in acest fel cantitatea si calitatea amestecului combustibil precum si momentul arderii.

ECU este ca un un mini-calculator care functioneaza foarte eficient. Practic acesta are o viteza mult mai mica decat calculatorul pe care il folositi in acest moment pentru a cititi aceste informatii, are la dispozitie o memorie mult mai mica si cu toate acestea isi face treaba foarte bine. Pentru ca soft-ul pe care il ruleaza el nu este Windows, Linux sau Mac OS. Este un cod masina optimizat care nu stie sa faca altceva decat ceea ce a fost programat sa faca: adica sa calculeze niste valori pe baza datelor primite de la senzori

PROIECT: Grile si spete dreptul transporturilor PROIECT: Libera circulatie a persoanelor - marfurilor, serviciilor, capitalului

Ce se intampla atunci cand se defecteaza unul din senzorii care ii transmit informatii?

ECU este proiectat sa functioneze in toate conditiile de lucru. Inginerii care proiecteaza aceste unitati de control au luat in calcul si variata in care unul sau mai multi senzori se defecteaza. In aceste conditii ECU nu se opreste din functionare ci trece in modul Safe (sau LIMP cum mai este denumit in alte cazuri), ceea ce inseamna ca ECU nu mai tine cont de toate datele furnizate de senzori si trimite comenzile catre motor pe baza unor date prestabilite pe care le are inregistrate in memorie. Practic in memoria sa exista un tabel de valori care a fost conceput de ingineri pentru a asigura buna functionare a motorului pana ce proprietarul remediaza problemele aparute la senzorii defecti. Este de la sine inteles faptul ca in aceste conditii consumul de carburant nu mai este optim ci mai mare decat cel pe care l-ar fi realizat ECU in conditii de functionare normala. Exista cazuri in care nu se defecteaza nici un senzor insa valorile transmise de catre acesta nu se incadreaza in limitele acceptate de ECU, sau valorile primite de la diferiti senzori sunt contradictorii, caz in care ECU considera ca cel putin unul din acesti senzori este defect si nu mai ia in considerare valorile transmise ci le preia din tabelele din memorie.

Componentele ECU

ECU este un dispozitiv destul de complex. Acesta trebuie sa stie sa lucreze cu toate celelalte componente ale motorului. De aceea, exista tot felul de dispozitive ajutatoare care convertesc semnalele primite si trimise de ECU diverselor componente cu care acesta comunica

Convertoare analogice-digitale (A-D):

ECU lucreaza cu date in format digital. De cele mai multe ori, valorile transmise de catre senzori sunt niste valori de tensiune care se incadreaza intre anumite limite. Aceste valori trebuie convertite in format digital, pe un anumit numar de biti, si cu aceste transformari se ocupa convertorul analog-digital.

Convertoare digital-analogice (D-A):

Tot pe principiul convertorului A-D de mai sus, uneori ECU trebuie sa ofere comenzi diferitelor componente pe care le controleaza, sub forma de curent electric cu o anumita tensiune. Cum datele pe care le prelucreaza el sunt in format digital, acestea trebuie convertite in valori analogice, iar de acest lucru se ocupa aceste convertoare Digital-Analigice.

3 Controlul digital al unor echipamente de putere

De multe ori, ECU trebuie sa comande pornirea sau oprirea unor subansamble care folosesc o putere mult mai mare decat cea cu care lucreaza el. De aceea, anumite comenzi trebuie sa fie transformate din valorile digitale 0 si 1 (care pot fi considerate echivalente cu starile oprit si pornit ale unui dispozitiv) in comenzi de oprire si pornire a unor relee care mai departe comanda echipamentele cu pricina.

Ajustarea valorilor:

De multe ori, valorile transmise de catre senzori nu pot fi procesate de convertoarele analogice-digitale si au nevoie de o ajustare inainte de procesare. De exemplu, unii senzori pot oferi valori in domeniul de tensiuni: 0 - 1.1 volti, valori care nu pot fi prelucrate de catre convertorul analogic-digital care stie sa lucreze cu valori cuprinse intre alte limite. De aceea, aceste valori trebuie mai intai ajustate pentru a ajunge la intervalul de valori cu care lucreaza convertorul A-D sau D-A.

Chip-uri de comunicatie:

Acestea se ocupa cu transmiterea si receptionarea datelor prin magistrala de comunicatii. Toate dispozitivele microprocesoare comunica folosind aceeasi magistrala de date, prezentata in paragraful urmator.

Mai putine cabluri in autovehicul

Unul dintre avantajele aduse de utilizarea microprocesoarelor auto este si reducerea numarului de cabluri electrice necesare bunei functionari a sistemelor electrice si electronice ale masinii.

In trecut, cand nu se utilizau aceste microprocesoare, pentru a face legatura dintre un panou de comanda si elementul comandat de acesta era nevoie de unul sau mai multe cabluri care sa faca legatura directa intre acestea. Ne putem imagina acest lucru daca ne gandim la o masina moderna care permite deschiderea si inchiderea geamurilor atat din usa soferului cat si din usa respectivului geam. Aceasta ar fi insemnat ca sa existe legaturi directe intre butoanele din usa soferului cu fiecare din geamurile comandate. Pe acest principiu, adunate toate aceste cabluri si conectori duceau uneori la zeci de kilograme in plus si sute de metri de cabluri, mai ales la masinile mai sofisticate.

Rezolvarea a venit odata cu utilizarea microprocesoarelor si introducerea sistemelor de transmisie a datelor printr-o magistrala de date seriala. Aceasta inseamna ca toate datele sunt transmise prin aceleasi fire electrice insa exista un protocol de control al datelor numit multiplexare care stie sa faca distinctie intre aceste date si sa le dirijeze catre modulele de control de care apartin.

Utilizarea sistemului centralizat de comunicatie in cadrul vehiculului ofera multe beneficii, unele dintre acestea fiind abia descoperite si exploatate:

* un numar redus de cabluri si cablaje care duce in final la costuri de fabricatie mult reduse, greutate mai mica, cresterea fiabilitatii, usureaza depanarea si instalarea

* toate datele furnizate de senzori (viteza, temperatura, etc. ) sunt disponibile tuturor dispozitivelor conectate la reteaua de date din autovehicul

* ofera flexibilitate mult mai mare producatorilor deoarece multe dotari optionale se pot adauga doar prin actualizarea soft-ului sau prin adaugarea unor module separate

Desi acest sistem de comunicatie a fost disponibil de mai mult timp, nu s-a folosit imediat pentru ca cei mai mari fabricanti din Statele Unite erau bine integrati pe verticala, si nu erau legati prea mult de furnizorii de subansamble externi. Lucrurile au stat insa diferit in Europa unde constructorii auto apelau la multi producatori de subansamble, iar acestia la randul lor furnizau aceste subansamble mai multor producatori, utilizand specificatii diferite pentru aceleasi componente. De aceea in Europa acest sistem a prins mai repede, fiind apoi adoptat din ce in ce mai mult si in SUA.

Protocoalele standardizate permit modulelor furnizate de diferiti producatori sa se interconecteze mult mai usor intre ele, intr-un fel de arhitectura deschisa. Aceasta permite utilizarea unor testere standardizate si aduce economii importante din productia la scara mare a acestor componente. Practic, pe furnizorii acestor componente nu ii mai intereseaza ce se intampla mai departe cu datele furnizate de modulele lor, iar pe constructorii de autoturisme nu ii mai intereseaza modul de functionare al subansamblului atata timp cat el furnizeaza datele de care are nevoie.

Dupa cum am mentionat anterior modulele electronice de control al motoarelor, au fost utilizate in primul rand pentru reglarea aprinderii acestora. Din anul 1987 aceste module electonice sunt folosite pentru reglarea aprinderii si la motoarele diesel. Aproximativ de la mijlocul anilor 90 sistemele de reglare mecanice la motoarele cu combustie interna, au fost aproape complet inlocuite de catre modulele de control electronice. Modulele de control ECU din componenta autovehiculelor includ in afara sistemului de aprindere, printre altele si: sistemul de pornire, de anti-blocare al franelor (ABS), de climatizare, de control airbag, controlul de distanta, etc.

Unitati de control vizibile sunt pe tahometru, in forma lui noua impreuna cu turometru si diverse alte indicatoare. Senzori cum ar fi, nivelul combustibilului in rezervor, presiunea uleiului pot dispune de propriul modul electronic care sunt, printre altele, memorate pe termen lung.

4 Functionarea modulelor electronice

Modulele electronice lucreaza dupa principiul „IPO”, (in engleza Input-Process-Output, „introducere-prelucrare-debitare”). Pentru inregistrarea valoriilor sunt disponibili senzorii care stabilesc o caracteristica fizica, cum ar fi viteza presiunea temperatura, etc. Aceasta valoare este comparata sau calculata cu o valoare memorata

in ECU. In cazul in care valoarea masurata cu valoare prevazuta in ECU nu se potrivesc, modulul electronic reglementeaza valoarea prin proces fizic, astfel incat valorile reale masurate sa corespunda cu dimensiunile nominale programate in ECU.

In timp ce cu anii din urma aprinderiile electronice erau construite din circuite electronice analogice, ECU-urile de azi sunt de obicei inzestrate cu un „sistem cu propria inteligenta” (in engleza Embedded system, sistem incorporat), care consta dintr-un computer separat, sub forma unui sistem incorporat.

Marimea acestui computer variaza in functie de complexitatea sarcinilor sale. In mod semnificativ acesta variaza de la un circuit integrat cu un microprocesor (cu memorie RAM si ROM) pana la sisteme multifunctionale cu un sistem de productie grafica.

De obicei programarea este realizata prin utilizarea ROM (in engleza Read Only Memory, „Memorie doar citibila”) . Unele sisteme insa permit actualizarea programului din ECU, prin reprogramarea a memoriei flash la atelierele de specialitate.

Aparatele schimba informatiile cu privire la conditiile de functionare si alte date relevante ale vehiculului, prin diferite sisteme de interfete (CAN LIN MOST FlexRay). In afara acestora, prin aceste interfete se pot face legatura la OBD respectiv diagnosticarea vehiculului. Acesta pot fi legate de aparate de diagnosticare sau cu calculatoare personale, notebook, avind o interfata corespunzatoare prin care poate sa comunice. In principal sunt cautate si identificate greselile pe care modulul electronic a inregistrat la propriile teste sau la sensorii de legatura. Astfel in atelierle de reparatii, cu astfel de mesaje la defectiuni, se poate evita timp de lucru indelungat. Adesea sunt utilizate protocoalele de diagnostic KWP2000 sau UDS, care acesta este specivicat in ISO 14229-1. In vederea cresterii complexitatii si solicitarii la software, precum si comunicarea intre ECU-uri, sistemul OSEK-VDX, bazind pe sistemul de comunicare RTOS. O alta masura in vederea cresterii de standardizare a comunicarii ECU-urilor. este AUTOSAR

Intre timp, intr-un automobil sunt amplasate mai mult de zece module electronice. Unele automobilele moderne de lux, au instalate chiar peste 70 de module electronice. Gama de microcipuri variaza de la 8- la 32-bit de calculator.