So funktionieren Autocomputer

Der Computer von einem Ford Ranger

Vor dem Erlass der Emissionsgesetze war es möglich, einen Automotor ohne Mikroprozessoren zu bauen. Mit dem Erlass immer strengerer Emissionsgesetze waren ausgefeilte Regelungssysteme erforderlich, um das Luft / Kraftstoff-Gemisch so zu regulieren, dass der Katalysator einen Großteil der Verschmutzung aus dem Abgas entfernen konnte. (Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Katalysatoren.)

Die Steuerung des Motors ist die prozessorintensivste Aufgabe Ihres Autos Motorsteuergerät (ECU) ist der leistungsstärkste Computer in den meisten Autos. Das Steuergerät verwendet Regelung, ein Steuerschema, das die Ausgänge eines Systems überwacht, um die Eingänge in ein System zu steuern, die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch des Motors (sowie eine Vielzahl anderer Parameter) zu verwalten. Das Steuergerät sammelt Daten von Dutzenden verschiedener Sensoren und weiß alles von der Kühlmitteltemperatur bis zur Sauerstoffmenge im Abgas. Mit diesen Daten werden pro Sekunde Millionen von Berechnungen durchgeführt, darunter das Nachschlagen von Werten in Tabellen, das Berechnen der Ergebnisse langer Gleichungen, um den besten Zündzeitpunkt zu bestimmen und zu bestimmen, wie lange der Kraftstoffinjektor geöffnet ist. Das Steuergerät tut dies alles, um die niedrigsten Emissionen und die beste Kilometerleistung sicherzustellen. Weitere Informationen zur Funktionsweise des Steuergeräts finden Sie unter Funktionsweise von Kraftstoffeinspritzsystemen.

Die Stifte an diesem Anschluss sind mit Sensoren und Steuergeräten im gesamten Fahrzeug verbunden.

Ein modernes Steuergerät kann einen 32-Bit-40-MHz-Prozessor enthalten. Dies mag im Vergleich zu dem 500- bis 1.000-MHz-Prozessor, den Sie wahrscheinlich in Ihrem PC haben, nicht schnell klingen, aber denken Sie daran, dass auf dem Prozessor in Ihrem Auto viel effizienterer Code ausgeführt wird als auf Ihrem PC. Der Code in einem durchschnittlichen Steuergerät benötigt weniger als 1 Megabyte (MB) Speicher. Zum Vergleich: Auf Ihrem Computer befinden sich wahrscheinlich mindestens 2 Gigabyte (GB) Programme - das ist das 2.000-fache der Menge in einem Steuergerät.

-Der Prozessor ist in einem Modul mit Hunderten anderer Komponenten auf einer mehrschichtigen Leiterplatte verpackt. Einige der anderen Komponenten in der ECU, die den Prozessor unterstützen, sind:

• Analog-Digital-Wandler - Diese Geräte lesen die Ausgänge einiger Sensoren im Auto, z. B. des Sauerstoffsensors. Der Ausgang eines Sauerstoffsensors ist eine analoge Spannung, normalerweise zwischen 0 und 1,1 Volt (V). Der Prozessor versteht nur digitale Zahlen, daher ändert der Analog-Digital-Wandler diese Spannung in eine digitale 10-Bit-Zahl.
• Hochwertige digitale Ausgänge - Bei vielen modernen Autos zündet das Steuergerät die Zündkerzen, öffnet und schließt die Einspritzdüsen und schaltet den Lüfter ein und aus. Alle diese Aufgaben erfordern digitale Ausgänge. Ein digitaler Ausgang ist entweder ein- oder ausgeschaltet - es gibt kein dazwischen. Beispielsweise kann ein Ausgang zur Steuerung des Lüfters 12 V und 0,5 A an das Lüfterrelais liefern, wenn es eingeschaltet ist, und 0 V, wenn es ausgeschaltet ist. Der digitale Ausgang selbst ist wie ein Relais. Die winzige Menge an Leistung, die der Prozessor ausgeben kann, erregt den Transistor im digitalen Ausgang und ermöglicht es ihm, dem Kühlgebläserelais eine viel größere Menge an Leistung zuzuführen, was wiederum eine noch größere Menge an Leistung an den Kühlgebläse liefert.
• Digital-Analog-Wandler - Manchmal muss die ECU einen analogen Spannungsausgang bereitstellen, um einige Motorkomponenten anzutreiben. Da der Prozessor auf der ECU ein digitales Gerät ist, benötigt er eine Komponente, die die digitale Nummer in eine analoge Spannung umwandeln kann.
• Signalaufbereiter - Manchmal müssen die Ein- oder Ausgänge angepasst werden, bevor sie gelesen werden. Beispielsweise könnte der Analog-Digital-Wandler, der die Spannung vom Sauerstoffsensor liest, so eingerichtet sein, dass er ein 0- bis 5-V-Signal liest, aber der Sauerstoffsensor gibt ein 0- bis 1,1-V-Signal aus. Ein Signalaufbereiter ist eine Schaltung, die den Pegel der ein- oder ausgehenden Signale einstellt. Wenn wir beispielsweise einen Signalaufbereiter anwenden, der die vom Sauerstoffsensor kommende Spannung mit 4 multipliziert, erhalten wir ein 0- bis 4,4-V-Signal, mit dem der Analog-Digital-Wandler die Spannung genauer lesen kann (Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise der analogen und digitalen Aufzeichnung.).
• Kommunikations-Chips - Diese Chips implementieren die verschiedenen Kommunikationsstandards, die für Autos verwendet werden. Es werden mehrere Standards verwendet, aber derjenige, der die Kommunikation im Auto zu dominieren beginnt, wird genannt KÖNNEN (Controller-Area-Networking). Dieser Kommunikationsstandard ermöglicht Kommunikationsgeschwindigkeiten von bis zu 500 Kilobit pro Sekunde (Kbps). Das ist viel schneller als ältere Standards. Diese Geschwindigkeit wird notwendig, da einige Module hunderte Male pro Sekunde Daten auf den Bus übertragen. Der CAN-Bus kommuniziert über zwei Drähte.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns ansehen, wie Kommunikationsstandards das Entwerfen und Bauen von Autos erleichtert haben.

Der Diagnoseanschluss eines Toyota-Minivans

-Ein weiterer Vorteil eines Kommunikationsbusses besteht darin, dass jedes Modul Fehler an ein zentrales Modul übermitteln kann, das die Fehler speichert und an ein externes Diagnosetool übermittelt.

Dies kann es Technikern erleichtern, Probleme mit dem Auto zu diagnostizieren, insbesondere zeitweise auftretende Probleme, die bekanntermaßen verschwinden, sobald Sie das Auto zur Reparatur bringen.

BATauto.com: Technische Infoseiten listet die im Steuergerät gespeicherten Fehlercodes für verschiedene Autohersteller auf. Manchmal kann auf die Codes ohne Diagnosetool zugegriffen werden. Bei einigen Fahrzeugen blinkt beispielsweise die Kontrollleuchte "Motor prüfen" in einem bestimmten Muster, um die Nummer des in der ECU gespeicherten Fehlercodes anzuzeigen, indem zwei der Stifte im Diagnosestecker übersprungen und dann der Zündschlüssel gedreht werden.

Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie Mikroprozessoren und Kommunikationsstandards den Bau von Autos erleichtert haben.

Computer im Dashboard sind für Fahrer leicht zu erkennen. PredragKezic / ThinkStock

-Kommunikationsstandards haben das Entwerfen und Bauen von Autos ein wenig einfacher gemacht. Ein gutes Beispiel für diese Vereinfachung ist das Kombiinstrument des Fahrzeugs.

Das Kombiinstrument sammelt und zeigt Daten von verschiedenen Teilen des Fahrzeugs an. Die meisten dieser Daten werden bereits von anderen Modulen im Auto verwendet. Zum Beispiel kennt das Steuergerät die Kühlmitteltemperatur und die Motordrehzahl. Der Getriebesteuerer kennt die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Steuerung für das Antiblockiersystem (ABS) weiß, ob ein Problem mit dem ABS vorliegt.

Alle diese Module senden diese Daten einfach auf den Kommunikationsbus. Mehrmals pro Sekunde sendet das Steuergerät ein Informationspaket aus, das aus einem Header und den Daten besteht. Der Header ist nur eine Zahl, die das Paket entweder als Geschwindigkeits- oder als Temperaturmessung identifiziert, und die Daten sind eine Zahl, die dieser Geschwindigkeit oder Temperatur entspricht. Die Instrumententafel enthält ein weiteres Modul, das nach bestimmten Paketen sucht. Wenn es eines sieht, aktualisiert es das entsprechende Messgerät oder den entsprechenden Indikator mit dem neuen Wert.

Die meisten Autohersteller kaufen die Kombiinstrumente komplett montiert von einem Lieferanten, der sie gemäß den Spezifikationen des Autoherstellers entwirft. Dies erleichtert die Gestaltung der Instrumententafel sowohl für den Autobauer als auch für den Zulieferer erheblich.

Für den Autobauer ist es einfacher, dem Lieferanten mitzuteilen, wie die einzelnen Anzeigen angetrieben werden. Anstatt dem Lieferanten mitteilen zu müssen, dass ein bestimmtes Kabel das Geschwindigkeitssignal liefert und die Spannung zwischen 0 und 5 V variiert und 1,1 V 30 Meilen pro Stunde entsprechen, kann der Autobauer nur eine Liste der Datenpakete bereitstellen . Dann liegt es in der Verantwortung des Autoherstellers, sicherzustellen, dass die richtigen Daten auf den Kommunikationsbus ausgegeben werden.

Für den Lieferanten ist es einfacher, die Instrumententafel zu entwerfen, da er keine Details darüber wissen muss, wie das Geschwindigkeitssignal erzeugt wird oder woher es kommt. Stattdessen überwacht die Instrumententafel einfach den Kommunikationsbus und aktualisiert die Anzeigen, wenn neue Daten empfangen werden.

Diese Art von Kommunikationsstandards machen es für Autohersteller sehr unkompliziert, das Design und die Herstellung von Komponenten auszulagern: Der Autohersteller muss sich nicht um die Details der Ansteuerung der einzelnen Anzeigen oder Lichter kümmern, und der Lieferant, der die Instrumententafel herstellt, tut dies nicht. Sie müssen sich keine Sorgen machen, woher die Signale kommen.

-C-Luster werden jetzt in kleinerem Maßstab für Sensoren verwendet. Beispielsweise enthält ein herkömmlicher Drucksensor ein Gerät, das abhängig vom auf das Gerät ausgeübten Druck eine unterschiedliche Spannung ausgibt. Normalerweise ist der Spannungsausgang nicht linear, hängt von der Temperatur ab und ist eine niedrige Spannung, die verstärkt werden muss.

Einige Sensorhersteller bieten einen intelligenten Sensor an, der in die gesamte Elektronik integriert ist, sowie einen Mikroprozessor, mit dem die Spannung abgelesen, anhand von Temperaturkompensationskurven kalibriert und der Druck digital auf den Kommunikationsbus ausgegeben werden kann.

Dies erspart dem Autobauer, alle schmutzigen Details des Sensors kennen zu müssen, und spart Rechenleistung im Modul, die sonst diese Berechnungen durchführen müsste. Dadurch ist der Lieferant, der ohnehin am meisten über die Details des Sensors informiert ist, für die Bereitstellung eines genauen Messwerts verantwortlich.

Ein weiterer Vorteil des intelligenten Sensors besteht darin, dass das über den Kommunikationsbus übertragene digitale Signal weniger anfällig für elektrisches Rauschen ist. Eine analoge Spannung, die durch ein Kabel fließt, kann zusätzliche Spannung aufnehmen, wenn sie bestimmte elektrische Komponenten oder sogar Freileitungen durchläuft.

Kommunikationsbusse und Mikroprozessoren vereinfachen auch die Verkabelung Multiplexing. Schauen wir uns genauer an, wie sie das machen.

Türen mit vielen Schaltern werden immer häufiger.

-Multiplexing ist eine Technik, die die Verkabelung in einem Auto vereinfachen kann. Bei älteren Autos verlaufen die Kabel von jedem Schalter zu dem Gerät, das sie mit Strom versorgen. Mit immer mehr Geräten, die jedes Jahr vom Fahrer kommandiert werden, Multiplexing ist notwendig, um zu verhindern, dass die Verkabelung außer Kontrolle gerät. In einem Multiplexsystem konsolidiert ein Modul, das mindestens einen Mikroprozessor enthält, Ein- und Ausgänge für einen Bereich des Fahrzeugs. Zum Beispiel können Autos, die viele Bedienelemente an der Tür haben, ein Fahrertürmodul haben. Einige Autos haben elektrische Fensterheber, elektrische Spiegel, elektrische Verriegelung und sogar elektrische Sitzsteuerungen an der Tür. Es wäre unpraktisch, das dicke Drahtbündel, das von einem solchen System kommt, aus der Tür zu führen. Stattdessen überwacht das Fahrertürmodul alle Schalter.

So funktioniert es: Wenn der Fahrer seinen Fensterschalter drückt, schließt das Türmodul ein Relais, das den Fenstermotor mit Strom versorgt. Wenn der Fahrer den Schalter drückt, um den Beifahrerspiegel einzustellen, sendet das Fahrertürmodul ein Datenpaket an den Kommunikationsbus des Fahrzeugs. Dieses Paket weist ein anderes Modul an, einen der Leistungsspiegelmotoren mit Strom zu versorgen. Auf diese Weise werden die meisten Signale, die die Fahrertür verlassen, auf den beiden Drähten zusammengefasst, die den Kommunikationsbus bilden.

Die Entwicklung neuer Sicherheitssysteme hat auch die Anzahl der Mikroprozessoren in Autos erhöht. Wir werden im nächsten Abschnitt darüber sprechen.

-In den letzten zehn Jahren haben wir gesehen, dass Sicherheitssysteme wie ABS und Airbags in Autos üblich werden. Andere Sicherheitsmerkmale wie Traktions- und Stabilitätskontrollsysteme werden ebenfalls allgemein üblich. Jedes dieser Systeme fügt dem Auto ein neues Modul hinzu, und dieses Modul enthält mehrere Mikroprozessoren. In Zukunft wird es immer mehr dieser Module im ganzen Auto geben, wenn neue Sicherheitssysteme hinzugefügt werden.

Jedes dieser Sicherheitssysteme benötigt mehr Rechenleistung und ist normalerweise in einem eigenen Elektronikmodul verpackt. Aber es endet nicht dort. In den kommenden Jahren werden wir in unseren Autos alle möglichen neuen Komfortfunktionen haben, und für jede dieser Funktionen sind mehr Elektronikmodule erforderlich, die mehrere Mikroprozessoren enthalten.

Es scheint, dass es keine Grenzen gibt, wie viel Technologie die Autohersteller in unsere Autos packen werden. Die Hinzufügung all dieser elektronischen Funktionen ist einer der Faktoren, die die Automobilhersteller dazu veranlassen, die Systemspannung an Autos vom aktuellen 14-V-System auf ein 42-V-System zu erhöhen. Dies wird dazu beitragen, die zusätzliche Leistung bereitzustellen, die diese Module benötigen.

Weitere Informationen zu Autocomputern und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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