مقالات خودرو : فنی : چگونگی عملكرد كامپيوتر خودرو

چگونگي عملكرد كامپيوتر خودرو

به نظر مي‌رسد كه هر سال تغييرات متعدد و پيچيده اي در خودروهاي توليدي روي مي‌دهد. به گونه اي كه روي خودروهاي امروزي 50 ريزپردازنده متعدد قرار دارد كه ممكن است برخي از آنها كار را براي شما مشكل تر، و برخي از آنها عملكرد خودرو را بهتر و آسان تر کنند. برخي از دلايل افزايش اين تعداد ريزپردازنده در ذيل آمده است :

- نياز به سیستم کامپیوتری کنترل موتور به منظور تطابق با استانداردهاي مصرف سوخت و ميزان آلايندگي

- برنامه خطاياب پيشرفته

- ساده سازي طراحي و توليد خودرو

- كاهش ميزان سيم كشي در خودرو

- افزایش ايمني 

- فراهم کردن راحتي و آسودگي بيشتر

سیستم کامپیوتری کنترل موتور

قبل از تصویب قانون کاهش آلایندگی، امکان ساخت موتور بدون وجود ریزپردازنده ها ممکن بود. طبق این قانون، تمامی سیستم های کنترل باید به ترکیب آب و سوخت برای کاتالیز شدن به منظور کاهش آلایندگی تجهیز شوند. کار این سیستم در خودرو بسیار متمرکز و سیستم الکترونیکی کنترل موتور (ECU) یکی از پرقدرت ترین بخش ها در اکثر خودروها محسوب می‌شود. این واحد از حلقه بسته برای کنترل سیستم خروجی و ورودی، مدیریت مواد آلاینده و مصرف سوخت مناسب موتور استفاده می‌کند. جمع آوری اطلاعات از سنسورهای متفاوت، ECU را از دمای خنک کننده تا میزان اکسیژن موجود در اگزوز آگاه می‌سازد. بدین ترتیب می‌توان گفت، ECU در هر ثانیه میلیون ها مورد از جمله بهترین زمان جرقه زنی و تعیین مدت باز ماندن دریچه سوخت را محاسبه می‌کند. این سیستم تمامی این عملیات ها را برای اطمینان از کمترین میزان آلایندگی و طی بهترین مسافت انجام می‌دهد. سیستم ECU جدید دارای پردازنده های 32 بیتی 40 مگاهرتزی هستند. ممکن است که این میزان در مقایسه با پردازنده های 500 تا 1,000 مگا هرتزی کامپیوترهای خانگی زیاد نباشد، اما به خاطر داشته باشید که پردازنده های خودروی شما دارای کدهای کارآمدتری نسبت به کامپیوتر شما هستند. لازم به ذکر است که این کدها در ECU کمتر از 1 مگابایت حافظه را اشغال می‌کنند، در صورتی که ممکن است شما حداقل 2 مگابایت برنامه روی کامپیوترتان داشته باشید که حدودا 2,000 برابر بیشتر از حافظه ECU می‌باشد.

اجزای ECU

پردازنده های این سیستم با صدها جزء دیگر روی یک صفحه مدار چند لایه قرار گرفته‌اند. برخی از دیگر اجزای ECU که از این ریزپردازنده ها حمایت می‌کنند، به شرح ذیل هستند:

- مبدل های آنالوگ به دیجیتال: این دستگاه خروجی های برخی از سنسورها در خودرو همانند سنسور اکسیژن را می‌خواند. خروجی سنسور اکسیژن یک ولتاژ آنالوگ، معمولا بین 0 و 1.1 ولت است؛ به این دلیل که این ریزپردازنده تنها اعداد دیجیتال را می‌شناسد، این مبدل ها این ولتاژ را به یک عدد 10 بیتی دیجیتالی تبدیل می‌کنند.

- خروجی های دیجیتال سطح بالا: در اغلب خودروهای امروزی، ECU نقش شمع، باز و بسته کردن سیستم تزریق سوخت و روشن و خاموش کردن فن خنک کننده را دارد؛ برای انجام تمامی این اعمال به خروجی های دیجیتال نیاز است. این خروجی یا خاموش است، یا روشن و هیچگونه حد وسطی برای آن وجود ندارد. به عنوان مثال، خروجی کنترل کننده فن خنک کننده ممکن است 12 ولت و 0.5 آمپلی فایر در زمان روشن بودن و 0 ولت در زمان خاموشی آن باشد. خود خروجی دیجیتال نیز، همانند یک تقویت کننده می‌باشد. میزان قدرت ناچیزی که ریزپردازنده تولید می‌کند، با فراهم آوردن نیروی ترانزیستور، میزان نیروی بیشتری در اختیار رله فن خنک کننده قرار می‌دهد و بدین ترتیب، فن خنک کننده به حرکت درمی‌آید.

- مبدل دیجیتال به آنالوگ: برخی مواقع ECU باید خروجی ولتاژ آنالوگ را برای اجزای موتور فراهم کند. از آنجا که ریزپردازنده روی ECU یک دستگاه دیجیتالی است، به اجزایی برای تبدیل اعداد دیجیتال به ولتاژ آنالوگ نیاز دارد.

- سیگنال تنظیم کننده: برخی اوقات ورودی ها یا خروجی ها قبل از خوانده شدن به تطبیق نیاز دارند. به عنوان مثال، مبدل آنالوگ به دیجیتال که ولتاژ را از سنسور اکسیژن می‌خواند، ممکن است برای خواندن سیگنال 0 تا 5 ولت ایجاد شده باشد، اما خروجی سنسور اکسیژن سیگنال 0 تا 1.1 ولت باشد. سیگنال تنظیم کننده، مداری است که میزان سیگنال ورودی و خروجی را تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، اگر سیگنال تنظیم کننده، ولتاژ سنسور اکسیژن را 4 برابر کند، ما سیگنال 0 تا 4.4 ولت را دریافت می‌کنیم که امکان خواندن دقیق تر ولتاژ را به مبدل آنالوگ به دیجیتال می‌دهد.

- تراشه های ارتباطی: این تراشه ها استانداردهای ارتباطی متعددی را که در خودرو استفاده می‌شود، به مرحله عمل درمی‌آورند . استانداردهای متعددی برای کاربرد وجود دارد، اما یکی از آنهایی که بر ارتباطات داخلی کنترل خودرو مشرف است، شبکه منطقه کنترل گر (CAN) نام دارد. این استاندارد ارتباطی امکان سرعت ارتباطی بالا تا 500 کیلوبیت در هر ثانیه را فراهم می‌کند که این میزان سریعتر از استانداردهای قدیمی است. این سرعت الزامی است، زیرا برخی اطلاعات واحدهای ارتباطی صدها بار در ثانیه بین گذرگاه ها جا به جا می‌شوند.  گذرگاه CAN تنها از دو سیم برای ارتباط استفاده می‌کند. 

برنامه خطایاب پیشرفته

یکی دیگر از مزایای این گذرگاه ارتباطی امکان ارتباط واحدها با قطعه مرکزی است که نقایص را ذخیره و با آنها از طریق ابزار تشخیص غیرفعال ارتباط دارد. این موضوع می‌تواند کشف مشکل خودرو را برای یک مکانیک آسان کرده است، مخصوصا مشکلات ادواری که به محض آوردن به تعمیرگاه از بین می‌روند.کدهای نواقص در لیست های BATauto.com:Technical Info Pages در ECU برای خودروسازان متعدد ذخیره شده است. در برخی امکان دسترسی به این کدها بدون استفاده از ابزار شناسایی ممکن است. به عنوان مثال، در برخی خودروها، با اتصال دو تا از پین های اتصال برنامه خطایاب و سپس استارت زدن، چراغ کنترل موتور برای شناسایی تعداد کدهای خطایاب ذخیره شده در ECU چشمک می‌زند. 

طراحی و تولید آسان تر

داشتن استانداردهای ارتباطی، طراحی و ساخت خودروها را کمی آسان تر کرده است؛ نمونه خوب این ساده سازی مجموعه ابزارهای خودرو است. صفحه کیلومترشمار اطلاعات بخش های مختلف خودرو را جمع آوری و نمایش می‌دهد. اکثر این اطلاعات توسط قطعات مجزای دیگر در خودرو استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، ECU دمای خنک کننده و سرعت موتور را می‌داند. کنترل گر سیستم تعلیق نیز، سرعت خودرو را می‌داند. کنترل گر سیستم ترمز ضدقفل (ABS) در صورت بروز مشکل در ABS از آن آگاه می‌شود.

تمامی این قطعات، این اطلاعات را به گذرگاه ارتباطی ارسال می‌کنند. ECU چندین بار در ثانیه، مجموعه ای از اطلاعات شامل عنوان و داده را ارسال می‌کند. عنوان، عددی است که مشخص می‌کند مشکل به وجود آمده مربوط به سرعت است یا دما؛ داده عددی متناظر با سرعت یا دما. صفحه کیلومترشمار قطعه مجزای دیگری است که به جستجوی اطلاعات مشخصی می‌پردازد و  هر زمان که آن را ببیند، اعداد نمایش داده شده را تغییر و اطلاعات جدید را نمایش می‌دهد. اکثر خودروسازان این ابزار را از یک عرضه کننده که آنها را با مشخصه های تولیدکنندگان طراحی می‌کند، خریداری می‌کنند. این کار، طراحی صفحه کیلومترشمار را هم برای خودروساز و هم عرضه کننده بسیار آسان تر کرده است. گفتن چگونه بودن این گیج ها به عرضه کنندگان توسط سازندگان آسان تر است. به جای گفتن به عرضه کننده که یک سیم خاص سیگنال سرعت را فراهم می‌کند، و ولتاژ مناسب برای تطابق با مصرف سوخت 30 لیتر میان 0 و 5 و 1.1 ولت است، خودروسازان می‌توانند لیستی ازاطلاعات را ارایه کنند. مسئولیت اطمینان از صحت داده های خروجی در گذرگاه ارتباطی بر عهده خودروساز می‌باشد. طراحی صفحه کیلومترشمار برای عرضه کننده به دلیل عدم نیاز به دانستن جزییات سیگنال سرعت تولیدی یا چگونگی به وجود آمدن آن آسان است. در عوض، صفحه کیلومترشمار صرفا گذرگاه ارتباطی را مشاهده و گیج را در زمان دریافت اطلاعات جدید به روز رسانی می‌کند. این نوع استانداردهای ارتباطی آن را برای طراحی و تولید اجزا آسان کرده است. خودروسازان هیچ نگرانی در خصوص جزییات چگونگی عملکرد هر گیج نخواهند داشت، و عرضه کنندگان نیز، در خصوص به وجود آمدن سیگنال نخواهند داشت. 

سنسورهای هوشمند

اکنون نمایشگرها در مقیاس کوچکی برای سنسورها استفاده می‌‍‌شوند. به عنوان مثال، سنسور فشار قدیمی شامل دستگاهی با ولتاژ متغیر بسته به میزان فشار به کار رفته برای دستگاه است. معمولا خروجی ولتاژ خطی نیست و بسته به دما و ولتاژ پایین به تقویت (دامنه افزایی) نیاز دارد. برخی تولید کنندگان سنسور، سنسور هوشمندی را ارایه می‌کنند که با تمامی قطعات الکترونیکی به همراه ریزپردازنده با توانایی خواندن ولتاژ ادغام می‌شود، و آن را با استفاده از منحنی تعدیل دما و خروجی فشار گذرگاه ارتباطی تنظیم می‌کند. این مسئله موجب مصون بودن تولیدکنندگان از دانستن تمامی جزییات در خصوص سنسورها و فرایند نیرو در واحدها می‌شود. این موضوع بر عهده عرضه کنندگان برای ارایه یک قطعه با توانایی خواندن دقیق کدها است. مزیت دیگر این سنسورهای هوشمند حرکت سیگنال دیجیتال در گذرگاه ارتباطی با مستعد بودن به نویزهای برقی است. حرکت ولتاژ انالوگ در سیم می‌تواند ولتاژ اضافی را در زمان عبور از اجزای مشخص برقی یا حتی از خطوط برقی بردارد. گذرگاه ارتباطی و ریزپردازنده ها نیز، از طریق مولتی پلکس به ساده سازی سیم کشی کمک می‌کنند.

سیم کشی ساده

مولتی پلکس تکنیکی برای ساده کردن سیم کشی در خودرو است. در خودروهای قدیمی، هر سیم از هر کلید به دستگاهی که از آن نیرو می‌گرفت، متصل می‌شد. با افزایش روز افزون دستگاه های درخواستی رانندگان در هر سال، مولتی پلکس به یک ابزار مهم برای حفظ سیم کشی و رهایی از سیم کشی های درهم و برهم تبدیل شد. در این سیستم، یک قطعه مجزا شامل حداقل یک ریزپردازنده جهت تثبیت ورودی ها و خروجی ها برای یک قسمت خودرو است. به عنوان مثال، خودرویی با داشتن تعداد زیاد دکمه های کنترل روی درب ممکن است یک واحد برای درب راننده داشته باشد. برخی خودروها دارای کنترل شیشه های برقی، آینه برقی، قفل برقی و حتی صندلی برقی روی درب ها هستند. بنابراین استفاده از مجموعه ای سیم پهن برای چنین تجهیزاتی کاری غیرعملی است. به جای آن، واحد درب راننده تمامی این کلیدها را کنترل می‌کند. 

نحوه کارکرد این کلید به شرح زیر است : اگر راننده کلید پنجره اش را فشار دهد، واحد مخصوص، رله ای که نیرو را برای موتور شیشه بالابر فراهم می‌کند، می‌بندد. اگر راننده کلید شیشه سرنشین را برای اجرای تنظیمات فشار دهد، واحد درب راننده، بسته ای از اطلاعات را به گذرگاه ارتباطی خودرو ارسال می‌کند. این بسته اطلاعاتی به یک واحد دیگر دستور می‌دهد که انرژی لازم برای یکی دیگر از موتورهای شیشه بالابر را تامین کند. در این روش، اکثر سیگنال هایی که از درب راننده ساطع می‌شوند، درون دو سیم که گذرگاه ارتباطی را تشکیل می‌دهند، ادغام می‌شوند. 

ایمنی، راحتی، و آسایش

در طول چند دهه اخیر، شاهد متداول شدن سیستم های امنیتی همانند ترمز ضد قفل (ABS)،  کیسه هوا، کنترل کشش و پایداری در خودروها هستیم. هر یک از این سیستم ها، یک واحد جدید با ریزپردازنده های متفاوت را به خودرو اضافه کرده است. در آینده نیز، به محض اضافه شدن هر سیستم امنیتی به خودرو تعداد این قطعات افزایش خواهد یافت. هر یک از این سیستم های امنیتی به فرایند نیروی بیشتری نیاز دارند که معمولا در قطعات الکتریکی خودشان قرار می‌گیرد. سال های آینده، شاهد همه نوع سیستم جدیدی برای راحتی بیشتر سرنشینان خودروهای مختلف خواهیم بود و هر یک از آنها به قطعات برقی بیشتری که شامل چندین ریزپردازنده هستند، تجهیز می‌شوند. به نظر می‌رسد که هیچ گونه محدودیتی از نظر وجود فن آوری در خودرو وجود ندارد؛ اضافه شدن تمامی این تجهیزات الکتریکی، یکی از عوامل برای  خودروسازان جهت افزایش سیستم ولتاژ در خودرو از سیستم 14 ولت کنونی به سیستم 42 ولت محسوب می‌شود و بنابراین به ارایه قطعات برقی بیشتر، کمک می‌کند.