Основы компьютерной диагностики легкового автомобиля

kompyuternaya-diagnostika-legkovogo-avtomobilya
Обновлено:

Компьютерная диагностика современного автомобиля стала неотъемлемой частью при возникновении неисправностей в электронных системах транспортных средств. При нарушении привычной работы двигателя или иной системы автомобиля, которую водитель замечает во время эксплуатации, возникает необходимость сделать компьютерную диагностику автомобиля, для проведения которой требуется специальное диагностическое оборудование.

Первый возникающий вопрос: где сделать компьютерную диагностику автомобиля, чтобы получить правильный диагноз и не потратить время и деньги напрасно, так как предложений по оказанию данной услуги много, а проконтролировать работу диагноста непосвященному в основы компьютерной диагностики человеку практически невозможно.

Знание основ компьютерной диагностики, методов проверки, схемы построения системы связи, устройства и принципа действия дискретных элементов систем автомобиля поможет непосвященному автовладельцу быть в курсе проводимых работ, также самостоятельно считать коды и устранить возникшую неисправность с помощью смартфона и OBD 2 адаптера bluetooth без посторонней помощи.

Содержание

OBD 2 диагностика автомобиля

On-board diagnostics (OBD) - “бортовая диагностика” с 1980-х годов, а OBD 2 с 1996 года в блок управления двигателем (ECM) стала внедряться программа для контроля компонентов системы управления двигателем, прямо или косвенно влияющих на токсичность выхлопных газов.

Все легковые автомобили, продаваемые на европейском рынке с 2001 года с бензиновым двигателем и 2004 года дизельным двигателем, оснащены бортовой диагностикой EOBD. Система контроля двигателя EOBD во время поездки постоянно контролирует допустимые параметры работы двигателя. Основными системами контроля являются:

  1. Контроль датчиков и исполнительных механизмов влияющих на токсичность выхлопных газов,
  2. Контроль системы рециркуляции выхлопных газов (EGR),
  3. Контроль эффективности каталитического нейтрализатора и контура лямбда-регулирования (для автомобилей с бензиновым двигателем),
  4. Контроль управления турбонаддувом для автомобилей с турбокомпрессором,
  5. Контроль топливной системы,
  6. Контроль пропусков воспламенения (для автомобилей с бензиновым двигателем).

При отклонении от допустимых параметров работы во время двух поездок для автомобилей с бензиновым двигателем и трех для автомобилей с дизельным двигателем на приборном щитке включается индикатор модуля управления (MIL), в народе получивший название “чек”, из-за английского перевода «Check engine» - проверьте двигатель.

В память модуля управления двигателем записывается код (коды) неисправности и протокол данных стоп-кадра параметров работы системы во время возникновения неисправности, который может содержать:

  • Пробег автомобиля с момента возникновения неисправности,
  • Скорость автомобиля,
  • Температуру охлаждающей жидкости,
  • Обороты двигателя,
  • Нагрузка двигателя и т. д.

Данные считываются с помощью диагностического прибора подключенного к obd 2 разъему, который с 2002 года должен быть стандартным для всех автомобилей.

Коды ошибок OBD 2

Стандартные диагностические коды неисправностей пятизначные, начинаются с латинского символа, который присвоен системе автомобиля сгенерировавшей код и могут считываться универсальным (мультибрендовым) диагностическим прибором.

Программа диагностики OBD 2 была разработана для контроля параметров силового агрегата, но с появлением и увеличением количества электронных систем в автомобиле, возможности программы OBD 2 были расширены - появилась возможность контролировать другие системы автомобиля.

Каждой системе автомобиля присвоен первый символ в коде ошибке:

  • P - силовой агрегат,
  • B - кузов,
  • C - шасси,
  • U - сеть связи.

Второй символ (число) показывает стандартный это код или код добавлен производителем:

  • х0ххх - стандартный код,
  • х1ххх - код производителя.

Третий символ (число) в коде ошибки силового агрегата указывает на систему двигателя в которой возникла неисправность:

  • Px1xx - дозирование топлива и подача воздуха,
  • Pх2хх - дозирование топлива и подача воздуха,
  • Px3xx - система зажигания, пропуски воспламенения,
  • Pх4хх - оборудование понижения токсичности выхлопа,
  • Pх5хх - скорость автомобиля, система холостого хода и других соответствующих датчиков,
  • Pх6хх - для модуля управления двигателем, маршрутного компьютера и соответствующих сигналов,
  • Px7хх - автоматическая коробка передач,
  • Px8хх - автоматическая коробка передач,
  • Px9xx - резерв,
  • Px0xx - резерв.

Функции бортовой диагностики EOBD

При появлении неисправности в системе управления двигателя, влияющей на повышение предельных значений содержания вредных веществ в выхлопных газах, система бортовой диагностики решает когда и как должно быть предупреждение о возникновении ошибки.

В формате стоп-кадра показывает параметры работы и рабочие условия при возникновении ошибки, обеспечивает отображение параметров работы в стандартных величинах: обороты, температура, время и др.

Содержит стандартные коды (DTC), названия и аббревиатуры для всех производителей. Использует стандартный протокол связи и 16-штыревой разъем (DLC) канала связи для подключения диагностического оборудования.

В EOBD используются следующие термины:

  • Цикл прогрева - увеличение температуры охлаждающей жидкости от 22°C до и более 71°C.
  • Цикл движения - включение зажигания, запуск и остановка двигателя.
  • Поездка - запуск двигателя и окончание процедуры самопроверки мониторами EOBD. Поездка может состоять из нескольких циклов движения. Для автомобилей с дизельным двигателем данные собранные на протяжении одного цикла движения в следующем цикле движения не используются.

После устранения неисправности необходимо очистить память блока управления двигателем (PCM) от сохраненных кодов DTC. Во многих автомобилях после очищения от кодов DTC в память PCM заносится код P1000 который указывает на готовность проведения мониторинга систем.

После совершения поездки с различными условиями движения, определенным временем и удачного завершения мониторинга всех систем, код P1000 исчезает.

Данные в формате стоп-кадра “замороженного кадра”

В зависимости от кода DTC сохраненного в памяти PCM, отображаются условия при которых возникла первая ошибка:

  • Температура двигателя.
  • Обороты двигателя.
  • Скорость автомобиля.
  • Нагрузка двигателя.
  • Корректировочное значение состава смеси (для бензиновых двигателей).
  • Корректировочное значение компенсации износа (для дизельных двигателей).
  • Состояние управления кислородным датчиком (для бензиновых двигателей).
  • Расстояние пройденное с момента появления ошибки.

Мониторы

Для непрерывной проверки корректной работы датчиков и исполнительных устройств, отвечающих за состав выхлопных газов, в модуль PCM интегрированы функции мониторинга.

Постоянно проводится мониторинг всех элементов, пропусков воспламенения и соотношения воздух/топливо. Каждый монитор контролирует параметры при определенной нагрузке, оборотах и температуре двигателя.

Остальные мониторы вовлекаются в работу только при определенных рабочих условиях. Это означает, что в цикле движения проверка выполняется, когда присутствуют соответствующие условия движения, а информация о неисправностях фиксируется и сравнивается с критериями допустимости.

Мониторинг всех элементов (CCM)

Когда CCM обнаруживает элемент, работающий вне допустимого диапазона, он генерирует код (DTC), который записывается в EEPROM, если DTC фиксируется при следующей поездке, включается лампа MIL. CCM контролирует элементы, подсистемы и сигналы которые влияют на токсичность выхлопных газов:

  • CMP - датчик положения распредвала.
  • A/C - муфта включения компрессора кондиционера.
  • IAC - воздушный клапан холостого хода.
  • MAF - датчик массового расхода воздуха.
  • MAP - датчик абсолютного давления во впускном коллекторе.
  • BARO - датчик барометрического давления.
  • IAT - датчик температуры впускного воздуха.
  • ECT - датчик температуры охлаждающей жидкости.
  • CHT - датчик температуры головки цилиндров.
  • HO2S - датчик концентрации кислорода и кислородный датчик мониторинга катализатора.
  • KS - датчик детонации.
  • TP -датчик положения дроссельной заслонки.
  • VSS - датчик скорости автомобиля.
  • EGR - клапан рециркуляции отработавших газов.
  • Топливные форсунки.
  • Турбокомпрессор.

Мониторинг пропусков воспламенения

Функция мониторинга пропусков воспламенения работает независимо от других систем. Во время работы двигателя, при воспламенении смеси каждый цилиндр создает ускорение коленчатому валу, при возникновении пропусков воспламенения ускорение уменьшается, что влияет на частоту импульсов, считываемых датчиком коленвала (CKP) и по характеристическому ускорению коленвала, выявляется цилиндр в котором обнаружены пропуски воспламенения.

Пропуски воспламенения классифицируются:

Тип A: вызывающие повышение внутренней температуры каталитического нейтрализатора и выход его из строя. Если за заданное количество оборотов двигателя возникает определенное количество пропусков загорится MIL.

Тип B: увеличивающие токсичность выхлопных газов до максимально допустимого уровня, если при второй поездке, на протяжении заданного количества оборотов двигателя обнаруживаются пропуски воспламенения, загорается MIL, если в течении следующих трех поездок пропуск воспламенения не возникает, MIL выключится.

Мониторинг соотношения "воздух-топливо" (AFR) (кроме автомобилей с дизельным двигателем)

Датчик HO2S1 установленный перед катализатором, измеряет содержание кислорода в отработавших газах и по его сигналу модуль PCM корректирует время открытия топливных форсунок, чтобы поддерживать необходимое значение AFR - кратковременную коррекцию топливоподачи (STFT).

Если такое же изменение регистрируется заданное количество раз, используется постоянный коэффициент коррекции, который называется «долговременной коррекцией топливоподачи» (LTFT), информация о которой сохраняется в EEPROM

.

Когда корректировочные коэффициенты превышают заданные значения, в память EEPROM будет заноситься DTC. Если проблема регистрируется в STFT или LTFT, и она сохраняется на протяжении второй поездки, будет включаться индикатор MIL.

Мониторинг подогреваемого кислородного датчика (HO2S) (кроме автомобилей с дизельным двигателем)

Функция мониторинга контролирует работу переднего (перед каталитическим нейтрализатором) и заднего (после каталитического нейтрализатора) датчиков HO2S. Она определяет отклонения в соотношении «воздух/топливо» (AFR) и неисправности датчиков.

Когда время его реагирования увеличивается выше нормы, работа HO2S будет вызывать увеличение токсичности выхлопных газов. Для проверки датчика измеряется период и подсчитывается число переходов с обедненной смеси на обогащенную, далее рассчитывается сумма действительных периодов.

Чтобы избежать выполнения нехарактерных измерений, период действителен только в том случае, если сигнал HO2S был ниже нижнего порогового значения и выше верхнего порогового значения между двумя последующими переходами с обедненной смеси на обогащенную.

Неисправность признается, когда сумма зарегистрированных периодов превышает сумму соответствующих предельных значений заложенных в программе PCM и загорается индикатор MIL.

Мониторинг эффективности каталитического нейтрализатора (кроме автомобилей с дизельным двигателем)

Эффективность каталитического нейтрализатора определяется его способностью запасать и затем отдавать кислород, чтобы обеспечивать нейтрализацию вредных газов. Эффективность катализатора уменьшается из-за загрязнения и при высоком расходе газов.

Эта функция мониторинга проверяет способность каталитического нейтрализатора к сохранению кислорода (OSC). В течение контролируемого периода, сигнал датчика мониторинга катализатора анализируется, чтобы оценить OSC нейтрализатора. Он представляет количество кислорода, которое фактически используется для окислительной реакции в каталитическом нейтрализаторе.

Если при выполнении проверки катализатора, возникла неисправность в датчике мониторинга каталитического нейтрализатора, выполняется диагностика датчика. В течение контролируемого периода времени, сигнал датчика мониторинга каталитического нейтрализатора измеряется и сравнивается с OSC катализатора.

Если этот сигнал высокий (низкое значение OSC), включится MIL. Если на протяжении контролируемой фазы, повторяемой несколько раз, выходной сигнал заднего датчика не изменяется, режим с обратной связью задерживается, чтобы проверить этот датчик.

Если датчик мониторинга катализатора переключается на обогащение, время впрыска уменьшается для обеднения смеси, и наоборот, если задний датчик переключается на обеднение, время впрыска увеличивается для обогащения до тех пор, пока датчик не переключится или не истечет время задержки. Если время задержки истекает и датчик не переключается, датчик признается неисправным.

Функция мониторинга шума при сгорании (автомобили с системой впрыска Common Rail)

В автомобилях с дизельным двигателем мониторинг шума при сгорании используется для корректировки длительности импульсов впрыска топлива.

Каждая топливная форсунка имеет корректировочные данные, которые определяются при проверке во время изготовления. Функция мониторинга шума при сгорании используется для определения того, как изменяются характеристики на протяжении всего срока службы форсунок, начиная с их первой калибровки.

Мониторинг EGR (автомобили с дизельным двигателем)

Функциональные возможности системы EGR проверяются путем сравнения или выходного сигнала датчика MAP или выходного сигнала потенциометра высоты подъема клапана EGR (в зависимости от варианта) с ожидаемыми значениями параметров работы в предельных допустимых значениях.

Введение в диагностику

Чтобы успешно проводить диагностику неисправностей, непременно требуется иметь информацию по обслуживанию и средства диагностики и уметь правильно обращаться с ними. Однако основой успешной диагностики являются, прежде всего, специальные технические знания и навыки.

Дополнительные сведения о конкретных процедурах в отдельных сегментах диагностики следует выбирать из информации по обслуживанию. Путем соблюдения процедуры диагностики можно посредством систематических проверок исключить из вероятных причин неисправности определенные системные области.

Вследствие этого причина неисправности локализуется. Если неисправности устанавливаются во время диагностики, то их следует устранять, прежде чем продолжить диагностику, иначе эти распознанные неисправности могут оказать влияние на дальнейшее проведение диагностики.

Продолжение проверок предполагает, что предшествующие проверки были проведены безошибочно. Данная процедура диагностики всегда должна соблюдаться, так как в ином случае может последовать серия ошибочных диагнозов и многократных измерений.

Практически невозможно знать все системы автомобиля и их функции. По этой причине в распоряжении должно находится множество информации по обслуживанию, которая содержит как функциональное описание руководства по ремонту, так и руководство по диагностике.

Чтобы правильно проводить диагностику неисправностей, необходимо иметь соответствующую информацию по обслуживанию конкретного автомобиля и уметь ею пользоваться. Для всех моделей автомобилей имеются в распоряжении руководства по диагностике и ремонту в печатной и электронной форме, например, на дисках CD/DVD, или даже, в компьютерной сети.

Перед началом диагностики электрического компонента, необходимо проверить предохранители защищающие его цепь. В большинстве случаев распределительная коробка находится вблизи аккумуляторной батареи. Там наряду с главными предохранителями (60 A/80 A) находятся предохранители мощных потребителей (например, внешнего освещения, вентилятора).

В центральной электрической коробке находятся плавкие предохранители остальных электрических контуров. Если имеются неисправности в электрике/электронике автомобиля, важно подвергнуть визуальному контролю все видимые соединения на "массу".

В большинстве случаев коррозия - причина плохих или прерванных соединений на "массу". Воздействие окружающей среды и агрессивные материалы могут вызывать коррозию металлов. Если клемма соединения на "массу" корродирует, то соединение на "массу" плохое или прерванное, таким образом возникает неисправность или даже разрыв соответствующей электрической цепи.

Если повреждение "массы" явное, локализация проста, если же неисправность "массы" возникает периодически, то поиск неисправности затруднителен. Чтобы установить неисправность, следует пошевелить соединение проводов, сверх этого необходимо проверить сопротивление проводов.

Штекерные разъемы и штекерные соединения нужно проверять на внешнее и внутреннее состояние: следует обратить внимание на то, чтобы корпус штекера не был поврежден, в штекере не было влаги, штырьки штекера не были окислены или деформированы, все штырьки правильно зафиксированы (это можно проверить осторожным надавливанием на отдельные штыри).

Причиной неисправности провода или неисправности жгута проводов является большей частью неправильная укладка, следует обратить внимание на то, чтобы они не были слишком туго натянуты при прокладке, не были зажаты или надломлены, изоляция не была стерта. Для проверки кабеля и наконечников проводов на временные прерывания следует покачать штекерные разъемы во время работы проверяемой системы.

Сеть связи

Современные автомобили оснащаются многочисленными электронными системами управления и регулирования. Сложность этих систем обусловливает увеличение объема передаваемых между ними данных. Поток информации возрос настолько, что традиционный, аналоговый способ связи стал непригодным для рациональной организации обмена данными между модулями управления.

Для этих целей была создана шина передачи данных CAN (Controller Area Network — сеть контроллеров), по которой происходит последовательный обмен данными между электронными модулями для их согласованной работы и такую связь шинной системой связи. Ниже будет рассмотрена система связи с параллельным подключением модулей управления.

Основы цифрового принципа передачи данных

Наша сегодняшняя цифровая техника опирается на то, что в определенный момент электронная система находиться в одном из двух состояний: “включено” или “выключено”. Если разбить промежуток времени на более короткие интервалы, то в течение этого интервала времени на провод можно подать напряжение, например 5 В.

cifrovoj-signal

5 В будет означать "включено" и соответствовать 1, а 0 В – "выключено" и равно 0, это и будут два состояния. Упомянутый выше временной промежуток называют битом (от английского: Binary Digit – двоичный знак). Восемь битов объединены в группу, которая называется байтом.

Если бит имеет значение “1”, то говорят о его доминантном состоянии, если значение “0”, то рецессивном. Эти значения влияют на регулирование по приоритетности в выборе устройств в получении команд.

Таблица пересчета из системы двоичных чисел

tablica-pererascheta-dvoichnyh-chisel

Восемь битов (один байт) дают 256 возможных комбинаций (от 0 до 255). На рисунке приведена таблица пересчета. Она показывает, как с помощью восьми битов можно передать, например, число 89.

Принцип: Каждый бит имеет две возможные комбинации: 0 или 1.Восемь битов дают уже 256 возможных комбинаций. Все зависит лишь от того, какой бит имеет состояние логической "1", а какой – логического "0". Число 89 образуется из суммы битов, имеющих состояние логической "1".

Объединение модулей управления в сеть

Для обмена данными между модулями необходимо соединение электрическими проводами, где каждый модуль мог передавать и получать информацию по одному и тому же проводу, для этого была разработана последовательная передача данных.

obedinenie-modulej-upravleniya-v-set

Шины связи могут быть одно- или двухпроводными в зависимости от требований, которые к ним предъявляются. Если требования к скорости передачи данных невысокие, то используют однопроводные шины передачи данных. При высоких скоростях передачи информации, применяют двухпроводные шины.

signaly-na-shine-can

Второй провод используют для дублирования передаваемого сигнала по первому проводу но с обратной полярностью для увеличения надежности связи. Для уменьшения электрических помех, эти два провода свиваются между собой. Пропадание сигнала на одном из проводов, обнаруживается при самодиагностике и в память блока управления заносится код ошибки связи.

Если информация пересылается двумя модулями одновременно, то по комбинации битов определяется важность блока передаваемых данных. Чем важнее информация, тем выше ее приоритет и тем раньше она обрабатывается.

Протоколы (сообщения)

Всего существует четыре различных протокола, каждый из которых имеет свою область применения:

  • протокол передачи данных,
  • протокол запроса данных,
  • протокол оповещения об ошибках,
  • протокол оповещения о перегрузке.

Данные передаются по проводу последовательно, то есть один бит после другого. Данные имеют определенную структуру, чтобы получатель мог их различить.

struktura-signala-peredachi-dannyh

  • A Протокол передачи данных
  • D Информационный бит 1 ... 8
  • E Стоповый бит
  • S Стартовый бит

На рисунке показан простой протокол передачи данных, который применяется, например, для связи ПК с принтером. Такой простой протокол состоит из одного стартового бита, нескольких информационных битов (в примере их восемь), двух стоповых битов.

С помощью восьми информационных битов (одного байта информации) можно передать 256 различных "информаций". В реальности протокол CAN содержит, разумеется, намного больше информации, чем в приведенном примере.

Типы шин связи

Для связи между электронными модулями, в зависимости от их назначения, в автомобиле применяют шины связи с различными протоколами обмена и передачи данных:

  • ISO (International Organization for Standardization - международная организация по стандартизации)
  • SCP (Standard Corporate Protocol - стандартный корпоративный протокол)
  • ACP (Audio Control Protocol - протокол управления аудиотехникой)
  • LIN (Local Interconnect Network - локальная сеть)
  • CAN (Controller Area Network - сеть модулей управления)

Электронные модули управления, поддерживающие связь по шинам CAN, SCP и/или ISO, можно проверять через obd 2 разъем с помощью мультимарочного автосканера.

Система связи на базе шины ISO

Шина ISO состоит из одного провода связи/коммуникации (провода K). Провод K служит не для связи модулей управления между собой, а исключительно для диагностики отдельного модуля управления. В новых моделях автомобилей, шина ISO все больше вытесняется шиной CAN.

Шина ISO пока сохранилась в большинстве модулей управления и используется для записи и считывания параметров на заводе, в процессе производства. Скорость последовательной передачи данных зависит от модельного года автомобиля, она может составлять от 4,8 до 10,4 кбит/с. При обрыве или коротком замыкании провода К на корпус или плюс, связь между модулем и диагностическим прибором невозможна.

Система связи на базе шины SCP

Шина SCP состоит из витой пары проводов. При повреждении одного из двух проводов, связь между модулем управления и диагностическим прибором сохраняется. Вся информация передается последовательно пакетами (блоками данных). Скорость передачи данных составляет примерно 41,6 кбит/с.

Все модули управления, равноправны, поэтому в реализации той или иной функции, могут участвовать сразу несколько модулей управления. Существует возможность функциональной и физической адресации:

  • Функциональная адресация означает, что информация определена для всех модулей управления.
  • Физическая адресация означает, что информация определена для одного определенного модуля управления.

Если есть необходимость одновременно передать несколько сообщений, они обрабатываются по очереди в соответствии со степенью их важности. На каждое посланное сообщение должен прийти, по меньшей мере, один корректный отклик. Если этого не происходит, в память неисправностей записывается код неисправности.

Система связи на базе шины ACP

Шина ASP имеет сходство с шиной SCP, но отличается более простым протоколом и используется исключительно в аудио- и телефонных системах автомобиля и не проверяется диагностическим оборудованием.

Шина CAN

Шина CAN представляет, аналогично SCP, витая пара проводов, но она использует другой протокол и работает быстрее, она была разработана фирмой Robert Bosch AG специально для автомобильной промышленности как самое экономичное сетевое решение. По причине различных требований, система связи на базе шины CAN делится на два класса:

  • Класс В - в данной системе скорость передачи данных составляет от 5 кбит/с до 125 кбит/с. Она применяется в комфортной и общей электронике.
  • Класс С - в данной системе скорость передачи данных составляет от 125 кбит/с до 1 Мбит/с. Она применяется в системах привода и шасси.

Шина LIN (протокол передачи данных LIN)

Этот стандарт представляет собой недорогое решение, которое часто используется в автомобилях для связи между интеллектуальными (т. е. обладающими собственной вычислительной способностью) датчиками и исполнительными устройствами.

Данная шина применяется повсюду, где нет необходимости в высокой пропускной способности и универсальности шины CAN. Шина LIN – однопроводная. Скорость передачи данных в пределах системы связи на базе шины LIN достигает 20 кбит/с.,но в зависимости от области применения, она может быть и ниже.

Особенности системы связи на базе шины CAN

CAN – это шина с архитектурой Multi-Master, то есть с возможностью подключения сразу нескольких задающих устройств. Это означает, что все ее абоненты (модули управления и проверки) могут как передавать, так и запрашивать данные.

В системе связи на базе шины CAN, отсутствует адресация отдельных абонентов, вместо этого, здесь пересылаемым пакетам данных присваивается Identifier (идентификатор). Любой из абонентов может послать свои данные по шине, т.е. сделать их доступными для всех остальных.

Каждый из остальных абонентов по идентификатору сам решает, нужны ли ему эти данные, следует ли ему их получать и обрабатывать. Замечательным качеством шины CAN, является высокая надежность передачи. Контроллеры CAN имеющиеся у каждого из абонентов, регистрируют ошибки в передаче данных.

В сети связи ведется статистика и анализ этих ошибок с целью принятия соответствующих мер, вплоть до отключения от системы связи того абонента, который выдает ошибки. Фрейм пакета данных может содержать до восьми байтов. Большие объемы данных пересылаются разбитыми на несколько фреймов.

Максимальная скорость передачи составляет примерно 1 Мбит/с, то есть до 1 миллиона импульсов в секунду, но только при условии, что длина провода не превышает 40 метров, так как сопротивление проводов гасит скорость передачи. При передаче на более длинные расстояния скорость уменьшается:

  • расстояние до 500 метров: до 125 кбит/с
  • расстояние до 1000 метров: до 50 кбит/с

Варианты системы связи на базе шины CAN

В автомобилях находят применение три различные системы связи, выполненных из витых проводов:

  1. Класс С: Высокоскоростная шина CAN (High-Speed = HS-CAN). Скорость передачи 500 кбит/с.
  2. Класс В: Среднескоростная шина CAN (Mid Speed = MS-CAN). Скорость передачи 125 кбит/с.
  3. Шина B-CAN. Скорость передачи 50 кбит/с.

Протоколы (сообщения) CAN

Структуру протокола CAN можно пояснить на примере протокола передачи данных. Протокол передачи данных разбит на семь полей:

  1. стартовое поле (состоит из одного всегда доминантного бита),
  2. поле состояния (11 битов),
  3. контрольное поле (6 битов),
  4. поле данных (до 64 битов = 8 байт),
  5. поле резервного контроля (15 битов),
  6. поле подтверждения (несколько рецессивных битов и один ограничительный бит),
  7. стоповое поле (7 рецессивных битов).

Стартовый бит: сигнализирует всем абонентам CAN о том, что начинается передача данных. Стартовый бит всегда доминантен и призывает всех абонентов CAN к восприятию сообщения.

Поле состояния: за стартовым битом следует поле состояния. Информация, подлежащая пересылке по шине CAN, должна быть сначала помечена. Если передается, например, значение температуры, то оно должно быть снабжено определенной меткой.

Метка температуры может выглядеть, например, как 0815, тогда каждому абоненту известно, что 0815 обозначает температуру, кроме того, поле состояния содержит информацию о приоритетности протокола.

Контрольное поле: далее абонентам необходимо сообщить, сколько значений температуры будет передано. Количество передаваемых значений температуры записывается в контрольном поле.

Поле данных: содержит собственно данные (например – о температуре). Любой абонент может считать эти данные, если они ему необходимы.

Поле резервного контроля: после того как данные получены абонентом, они проверяются на полноту. Контрольные данные содержатся в поле резервного контроля.

Поле подтверждения: если вся информация дошла в правильном виде, абоненты сообщают об этом в поле подтверждения. Поле подтверждения рецессивно посылается передающим модулем и при правильном приеме сообщения доминантно переписывается принимающим модулем. Это сигнализирует передающему модулю только о том, что при передаче данных не возникло сбоев.

Стоповое поле: сигнализирует абонентам об окончании протокола.

Регулирование по приоритетности

Если бы модули управления попытались отправить данные по шине одновременно, то это неминуемо привело бы к конфликту. Избежать этого позволяет следующая стратегия: каждый активный модуль управления начинает передачу, приоритетность каждого отдельного протокола CAN задается в поле состояния, полю состояния предшествует стартовый бит.

regulirovanie-po-prioritetu-signala

Завершается поле состояния стоповым битом. Пример на рисунке показывает, что первые три бита состояния отведены для определения приоритетности. Протокол высокой приоритетности автоматически получает преимущество перед протоколом с более низкой приоритетностью.

Когда модуль управления начинает передачу, он одновременно бит за битом отслеживает, что происходит на шине. Если модуль посылает в поле идентификации доминантный бит (логическую "1"), но обнаруживает на шине рецессивный бит (логический "0"), то он понимает, что его сообщение уступает по важности другому сообщению, и прерывает передачу.

В сети связи на базе шины CAN рецессивный бит называется также более приоритетным, соответственно доминантный бит называется менее приоритетным.

В системе связи на базе шины CAN все абоненты подключены параллельно друг другу. Преимущество: при выходе из строя (отказе) одного абонента работоспособность всей остальной системы сохраняется. Если один из передающих модулей обнаруживает неисправность, он прерывает текущую передачу и передает сообщение об ошибке.

Такое сообщение состоит из последовательности шести доминантных битов и по приоритетности превосходит все остальные протоколы. После этого протокол может быть послан снова. У каждого абонента CAN имеется встроенный счетчик ошибок.

Его задача заключается в том, чтобы не допустить блокирования линии неисправным абонентом. Превышение максимально допустимого количества ошибок ведет к блокированию связи и записи кода неисправности (DTC).

.

Источники помех

Источниками помех на автомобиле являются узлы/системы, работа которых сопровождается искрообразованием или размыканием/замыканием электрических цепей. Другие источники помех – это устройства, излучающие электромагнитные волны, например – мобильные телефоны или радиопередатчики.

Такие источники помех могут нарушить или исказить передачу данных по шине CAN. Чтобы устранить влияние помех на передачу данных, два провода шины перевиваются между собой. Одновременно это позволяет устранить излучение шины, способное создать помехи работе других устройств.

В зависимости от скорости передачи данных оба открытых конца провода шины соединяются с помощью согласующих резисторов. За счет этого гасятся отражения, создающие помехи для связи. В качестве альтернативы согласующие резисторы могут быть встроены в модули управления.

Работа в шинной системе связи

Современные автомобили, как правило, оснащаются системами связи на базе разных шин, кроме того, применение могут находить системы связи с разной скоростью передачи данных например:

  • Шина HS-CAN и
  • Шина MS-CAN

shinnaya-sistema-svyazi

Непосредственное соединение этих двух шин между собой не представляется возможным, поэтому для передачи данных из одной сети в другую требуется дополнительное устройство, интерфейс, через который они смогли бы "общаться".

svyaz-modulej-cherez-shlyuz

  • A PCM
  • B GEM (многофункциональный электронный модуль) (межсетевой интерфейс (шлюз))
  • С Щиток приборов
  • 1 Согласующие резисторы (каждый по 120 Ом)
  • 2 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Такой интерфейс называют шлюзом (или межсетевым интерфейсом). Шлюз передает данные из одной сети в другую и этим делает возможной связь между модулями управления, входящими в состав разных сетей.

Особенности системы связи на базе шины LIN

Пример системы связи на базе шины LIN с GEM в качестве задающего устройства (Master):

svyaz-po-shine-lin

Система связи на базе шины LIN состоит из одного LIN-Master (задающего устройства), одного или нескольких LIN-Slaves (подчиненных устройств) и провода шины. В шине LIN не применяются нагрузочные резисторы. Площадь поперечного сечения провода составляет 0,35 мм². Экранизация для защиты от помех не требуется.

LIN-Master (задающее устройство)

LIN-Master (например, PCM или GEM) знает, в какой временной последовательности должны передаваться данные. По его запросу эти данные передаются соответствующими подчиненными устройствами LIN-Slaves (ультразвуковыми датчиками, блоком переключателей освещения, генератором и др.), после получения соответствующей команды от LIN-Master.

svyaz-po-shine-lin

Кроме того, он выполняет следующие задачи: он контролирует передачу данных и скорость, с которой она осуществляется. В программном обеспечении задающего устройства LIN-Master задан цикл, определяющий, когда, как часто и какие именно сообщения должны пересылаться по шине LIN. Он берет на себя функции преобразователя между модулями управления LIN, подключенными к локальной шине LIN и к шине CAN. Он выполняет диагностику подключенных подчиненных устройств LIN-Slaves.

Подчиненные устройства LIN-Slaves

Подчиненными устройствами LIN-Slaves могут быть: исполнительные механизмы/модули, например: модуль двери или приемный модуль дистанционного радиоуправления. Датчики, например: датчик освещенности/дождя, генератор. Датчики LIN имеют встроенную электронную схему, которая анализирует и оценивает измеренные значения.

Обработанные значения передаются в виде цифровых сигналов по шине LIN. Исполнительные устройства / модули LIN представляют собой интеллектуальные электронные или электромагнитные узлы, которые получают задания в виде сигнала по шине LIN от задающего устройства LIN-Master.

Сигналы

Сигнал на шине LIN

Если по шине LIN не передается никакой протокол (никакое сообщение) или рецессивный бит, в ее проводе присутствует напряжение, примерно равное напряжению аккумулятора. Сигнал – доминантный: для передачи доминантного бита по шине LIN, электронная схема передающего узла подает через трансивер на провод шины массу.

Надежность передачи

dopuski-priema-i-peredachi-signala

Установленные допуски при приеме и передаче рецессивного и доминантного сигналов обеспечивают стабильность передачи данных. Для уверенного приема сигналов в условиях помех допуски на прием сделаны более широкими.

Протоколы (сообщения) LIN

protokol-signala-lin

Протокол LIN состоит из шапки и содержимого. Протокол с ответом подчиненного устройства: задающее устройство LIN-Master через идентификатор в шапке протокола требует от подчиненного устройства LIN-Slave передать информацию, например – данные о состоянии или измеренные значения. Содержимое протокола посылается подчиненным устройством LIN-Slave.

Протокол с командой от задающего устройства: задающее устройство LIN-Master через идентификатор в шапке протокола требует от соответствующих подчиненных устройств · LIN-Slaves использовать данные следующего далее содержимого протокола. Протокол посылается задающим устройством LIN-Master.

Шапка протокола

soderzhanie-protokola-lin

Шапка протокола посылается задающим устройством LIN-Master циклически. В шапке можно выделить четыре поля:

  1. синхронизационная пауза,
  2. синхронизационная граница,
  3. синхронизационное поле,
  4. поле идентификатора.

Синхронизационная пауза имеет длину не менее 13 битов, причем – доминантных. Такая длина (13 битов) необходима для того, чтобы дать всем подсоединенным к подчиненным устройствам LIN-Slaves однозначный сигнал о начале протокола. Синхронизационная граница содержит не менее 1 бита (рецессивного).

Синхронизационное поле состоит из последовательности битов 0101010101. Эта последовательность призывает все подсоединенные подчиненные устройства LIN-Slaves настроиться на тактовую частоту задающего устройства LIN-Master (синхронизация). Синхронизация всех абонентов LIN крайне необходима для бесперебойного обмена данными.

При отсутствии синхронности принимающее устройство расставило бы биты сообщения не по своим местам и в передаче сообщения произошел бы сбой. Поле идентификатора состоит из 8 битов. Первые 6 битов сообщения содержат идентификационную метку протокола и информацию о количестве полей данных.

Два последних бита содержат контрольную сумму первых шести битов для обнаружения ошибок при передаче. Это необходимо для того, чтобы при некорректной передаче идентификатора воспрепятствовать идентификации неверного протокола

.

Содержимое протокола / поле данных

soderzhimoe-protokola-lin

1 Содержимое протокола (передающее устройство: задающее устройство LIN-Master или подчиненное устройство LIN-Slave)

Вслед за шапкой протокола следует собственно содержимое протокола. Содержимое протокола может состоять из 1–8 полей данных. Одно поле данных состоит из 10 битов. Каждое поле данных состоит из одного доминантного стартового бита, одного байта данных (8 бит) и одного рецессивного стопового бита. Стартовый и стоповый биты служат для дополнительной синхронизации и, тем самым, для предотвращения ошибок при передаче.

OBD 2 разъем DLC

Разъем obd 2 сети связи автомобиля для компьютерной диагностики расположен под левой частью панели приборов, но некоторые производители автомобилей устанавливают его в самых непредсказуемых местах и если возникла необходимость сделать компьютерную диагностику автомобиля, для экономии времени, необходимо найти информацию по месторасположению разъема DLC.

obd-2-razem

Распиновка obd 2 разъема стандартная, но в зависимости от оснащения и диагностических возможностей соответствующего типа автомобиля, назначение некоторых штырей могут различаться в выполнении своих функций. В таблице указаны возможные варианты назначения пинов.

raspinovka-obd-2-razema

Управление и регулирование

Автомобиль уже невозможно представить без электронных блоков управления со своими датчиками и исполнительными устройствами. Они произвели революцию в автомобильном мире - все важные функции автомобиля управляются или регулируются посредством компактных электронных блоков.

Управление

При управлении воздействие на работу системы оказывается без обратной связи внутри системы. Пример: Система EGR (рециркуляция отработавших газов) без датчика положения клапана EGR.

upravlenie-sistemoj-egr

В PCM (модуль управления силовым агрегатом) сохранена характеристика для системы EGR, в примере 50%. Эта характеристика задает степень открытия клапана EGR, необходимую для рециркуляции определенного объема отработавших газов.

Электромагнитный клапан EGR активируется PCM в соответствии с этой характеристикой (50%). Информация о фактическом объеме рециркулируемых отработавших газов при этом отсутствует.

Регулирование

При регулировании воздействие на работу системы оказывается с обратной связью внутри системы, действующей в качестве корректировочного фактора. Для обеспечения обратной связи служит датчик встроенный в клапан EGR.

Сохраненная характеристика для клапана EGR в примере опять находится на значении 50%. Но датчик положения в клапане EGR сообщает только о значении 45 % от объема отработавших газов. PCM сравнивает заданное значение 50% с фактическим значением 45% и вычисляет корректировочное значение.

Электромагнитный клапан EGR активируется с использованием вычисленного корректировочного значения (55%). Сообщение обратной связи датчика положения в клапане EGR показывает, что теперь рециркулирует требуемый объем отработавших газов (50%).

Проверка датчиков и исполнительных устройств

В зависимости от назначения и конструкции установленные на автомобиле датчики и исполнительные устройства по разному проверяются на предмет неисправности, при проверке осуществляется сравнение фактического состояния с заданным состоянием.

Это может быть выполнено путем сравнения с известной физической величиной посредством измерительного прибора или путем сравнения заданных характеристик сигнала с фактическими значениями, полученными при помощи осциллографа.

Наблюдение за результатами проверки и их оценка имеют решающее значение для дальнейшей диагностики. Так, например, неисправные/окисленные штекерные соединения или провода могут исказить результат проверки и, тем самым, привести к ненужной замене датчиков, переключателей и исполнительных устройств.

Характеристики сигналов

В экспериментах с коллекторным моторчиком и батарейкой можно заметить, что при частом попеременном включении и выключении электромотора частота вращения его ротора изменяется. То есть происходила регулировка скорости вращения путем периодического включения и отключения тока через моторчик.

Если изменять при этом время в подключенном состоянии и длину паузы между подключениями, можно регулировать скорость вращения мотора. Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию.

Именно этот эффект положен в основу принципа Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ), также встречается английское сокращение - PWM (Pulse-Width Modulation). Широтно-Импульсная Модуляция - это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты.

Сигналы PWM приобретают все большее значение, как при управлении исполнительными устройствами, так и в качестве выходного сигнала датчиков в системах автомобиля. Сигналы PWM являются сигналами прямоугольной формы с постоянной частотой, но с переменной продолжительностью включения.

Соотношение продолжительности включения и выключения называют скважностью. Скважность измеряется в процентах (%). Это означает, например, что при скважности 25% сигнал напряжения активен на 25%.

Зависимость напряжения от скважности ШИМ

На рисунке синим цветом представлены типичные графики ШИМ сигнала. Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (T), остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (эпюра "Б" на рисунке) и наоборот: при расширении импульса пауза сужается (эпюра "В" на рисунке.).

zavisimost-napryazheniya-ot-skvazhnosti-shim

Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот, то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра - не пропускать несущую частоту ШИМ.

Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию. Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, "единицу" и "ноль", можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала.

Омические сопротивления

Омическое сопротивление - это электрическое сопротивление, чье значение в идеальном случае не зависит от напряжения, силы тока и частоты. При создании разного рода датчиков сопротивления используются для генерирования сигналов на основе падения напряжения (потенциометрическая схема). Простейший потенциометр состоит из двух последовательно соединенных резисторов. Потенциометр - это электрическая схема и один из наиболее частых типов схем.

Сопротивления фиксированной величины

Собранные в потенциометрическую схему фиксированные сопротивления разной величины могут, например, выдавать входные сигналы падения напряжения модулю управления, передавая таким образом информацию о необходимых управляющих командах или текущих положениях рычага переключения, углах и т. п.

В частности, такая схема реализована для дистанционного радиоуправления. Здесь электронная управляющая система получает входные сигналы от схемы подключаемых кнопками различных сопротивлений.

Датчик положения со скользящим контактом

В датчике положения со скользящим контактом (также называемым потенциометром со скользящим контактом) скользящий контакт перемещается по дорожке с переменным сопротивлением.

datchik-polozheniya-so-skolzyashchim-kontaktom

Дорожка с переменным сопротивлением устроена таким образом, что она плавно меняет свое сопротивления по мере перемещения по ней от начальной до конечной точки. Через контактную дорожку на датчик подается опорное напряжение. Контактная дорожка имеет на всем своем протяжении одинаковое низкоомное сопротивление.

При задействовании скользящего контакта изменяется снимаемое значение сопротивления. Пропорциональное ему изменяется падение напряжения на дорожке потенциометра, являющееся мерой текущего положения скользящего контакта. Примеры применения:

  • Датчики APP (положение педали акселератора)
  • Датчики TP (положение дроссельной заслонки)

Сопротивление NTC (термистор)

В автомобильной технике часто используют датчики температуры на основе резистора NTC (отрицательный температурный коэффициент). Свойство резистора NTC заключается в том, что при увеличении температуры его сопротивление уменьшается,

  • НИЗКАЯ температура проводника = ВЫСОКОЕ сопротивление
  • ВЫСОКАЯ температура проводника = НИЗКОЕ сопротивление

Датчики температуры NTC являются частью потенциометрической схемы, опорное напряжение которой обычно составляет 5 В. На резисторе NTC наблюдается определенное зависящее от температуры падение напряжения. По этому напряжению соответствующий блока управления определяет температуру датчика. Примеры применения:

  • Датчики ECT (температура охлаждающей жидкости двигателя)
  • Датчики IAT (температура воздухозабора)

Сопротивление PTC (позистор)

В автомобильной технике резистор PTC (положительный температурный коэффициент) часто применяется в электрических нагревательных элементах. Свойство резистора PTC заключается в том, что при увеличении температуры его сопротивление увеличивается.

  • НИЗКАЯ температура проводника = НИЗКОЕ сопротивление
  • ВЫСОКАЯ температура проводника = ВЫСОКОЕ сопротивление

Чаще всего резистор PTC используется для ограничения температуры. При этом за счет характеристики резистора PTC сила проходящего через него тока регулируется (ограничивается) автоматически.

При низких температурах подача напряжения на резисторы PTC вызывает ток большой силы (из-за низкого сопротивления). При росте температуры сопротивление повышается, что уменьшает силу тока. Примеры применения:

  • Дополнительные электрические отопители в дизельных автомобилях
  • Нить накала в лампе накаливания

Упругая мембрана с тензорезисторами

Для измерения давления в автомобильной технике часто используются микромеханические мембранные датчики с тензорезисторами. Для генерации сигнала в датчике предусмотрен механический промежуточный элемент - мембрана, на которую с одной стороны действует давление, под влиянием которого она прогибается.

Под действием возникшего механического напряжения тензорезисторы на мембране меняют электрическое сопротивление. Они размещены на мембране таким образом, что сопротивление одной пары растет, а сопротивление другой пары падает.

izmeritelnyj-most-vitstona

Тензорезисторы соединены по мостовой схеме (мост Витстона). Встроенный в датчик электронный блок предварительной обработки изменяет сигнал в соответствии с требованиями системы. Примеры применения:

  • MAP (абсолютное давление в коллекторе)-датчик
  • BARO (барометрическое давление)-датчик
  • Датчик давления топлива

Если все сопротивления, равны между собой, то, при любых значениях напряжения между точками А и В, токи через все резисторы по закону Ома будут равны между собой. Следовательно, напряжение между точками С и B будет равно нулю. Но если какое-либо сопротивление будет отличаться от трёх других, то между точками C и B появится разность потенциалов (напряжение).

Если же это сопротивление будет менять своё значение под воздействием какого-либо внешнего физического фактора (изменения температуры, светового потока извне и т. д.), то напряжение между точками C и B будет менять своё значение в соответствии с изменением параметров внешнего физического фактора. Таким образом, внешний физический фактор является входным сигналом, а напряжение между точками C и B — выходным сигналом.

Магниторезистивный эффект

Магниторезистивный эффект основан на изменении ориентации локальных магнитных полей в ферромагнитных материалах. Это означает, что он проявляется в материалах, обладающих собственной намагниченностью. Магниторезистивный эффект базируется на зависимости электрического сопротивления от угла между электрическим током и направлением намагничивания ферромагнитного проводящего материала.

Носители заряда (электроны) за счет магнитного поля отклоняются от своего прямолинейного движения, что ведет к удлинению проводника. На практике, чтобы повлиять на направление намагничивания и, таким образом, на сопротивление, применяются две различных возможности:

  • перемещение ферромагнитного материала, например, железа
  • перемещение постоянного магнита

Магниторезистивные датчики состоят из тончайшего, нанометрового магнито чувствительного слоя со структурированными резистивными элементами, соединенными по мостовой схеме Витстона. При изменении сопротивления изменяется отношение электрических напряжений на магниторезисторах.

Встроенный электронный блок предварительной обработки преобразует изменения напряжения в цифровой сигнал. Примеры применения:

  • Датчики угла поворота рулевого колеса
  • Активный датчик частоты вращения колеса
  • Датчики складной крыши

Эффект Холла

При эффекте Холла в помещенном в магнитное поле проводнике, по которому проходит ток, возникает электрическое напряжение. Подача напряжения питания вызывает равномерно распределенный по всей поверхности пластинки Холла поток электронов. В результате образуется магнитное поле.

Из-за равномерного распространения потока электронов на обеих сторонах пластинки Холла возникает выравнивание потенциалов, т. е. разность потенциалов равна нулю. Если северный полюс магнитного поля пластинки Холла совпадает с северным полюсом поднесенного к ней постоянного магнита, то магнитное поле смещается от постоянного магнита.

ehffekt-holla

В результате электроны (отрицательно заряженные частицы), приводимые в движение приложенным вдоль пластинки напряжением питания внезапно отклоняются перпендикулярно направлению тока, от постоянного магнита, (отталкивание потока электронов). В результате между боковыми сторонами пластинки Холла возникает разность потенциалов, т. е. напряжение Холла.

Если северный полюс магнитного поля пластинки Холла совпадает с южным полюсом поднесенного к ней постоянного магнита, то магнитное поле смещается к постоянному магниту. Здесь также за счет резкого отклонения потока электронов генерируется напряжение Холла.

Внимание: Воздействие на магнитное поле, например, импульсным колесом на железной основе приводит к одновременному изменению направления тока электронов. Напряжение Холла, как правило, очень невелико и находится в диапазоне мВ.

Его нужно соответствующим образом предварительно обработать, чтобы его можно было использовать в качестве прямоугольного сигнала для конечного пользователя (например, PCM (модуль управления силовым агрегатом)). Прямоугольный сигнал датчика Холла можно вывести на экран осциллографа. Примеры применения:

  • Датчики CMP (положение распределительного вала)
  • Датчики VSS (датчик скорости автомобиля)
  • Датчики замка ремня безопасности

Индукция

Если электрический проводник движется поперек магнитных линий силового поля, в нем индуцируется напряжение. При этом в проводнике возникает индуцированная электродвижущая сила: свободные электроны перемещаются по проводнику в одном направлении.

inducirovanie-napryazheniya

В результате на противоположном конце проводника образуется большой недостаток электронов. Между концами проводника возникает напряжение, называемое индуцированным напряжением. Направление индуцированного напряжения зависит от направления движения электрического проводника или магнитного поля и от направления магнитного поля. Примеры применения:

  • Индуктивный датчик CKP (положение коленчатого вала)
  • Пассивный датчик частоты вращения колеса

Пассивный датчик частоты вращения колеса

Внутри индуктивного датчика частоты вращения колеса находится постоянный магнит, окруженный катушкой. Датчик частоты вращения колеса закреплен так, что его торцевая сторона находится на определенном расстоянии от зубчатого диска датчика.

Частота и амплитуда сигнала изменяются в зависимости от увеличения или уменьшения частоты вращения колеса. Частота сигнала датчика служит считывающему блоку управления (в данном случае модуль ABS (антиблокировочной системы тормозов)) входным значением для расчета текущей частоты вращения.

Пьезоэлектрический эффект

В автомобилестроении пьезо технологии применяются в основном в датчиках детонации, датчиках давления, датчиках ультразвука и датчиках ускорения, а также в исполнительных устройствах для открывания топливных форсунок (в некоторых дизельных двигателях) или предупредительных зуммерах.

Так называемый пьезоэлектрический эффект был впервые открыт на натуральных кристаллах.В настоящее время вместо кварцевых кристаллов используются пьезокерамические материалы с большим КПД. На практике различается прямой и косвенный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэлектрический эффект используется в основном в датчиках. Косвенный пьезоэлектрический эффект используется в основном в исполнительных устройствах.

Прямой пьезоэлектрический эффект

При деформации кварцевого кристалла под воздействием механических сил заряды внутри него смещаются / перераспределяются. Обусловленное пьезоэффектом распределение зарядов (изменение напряжения) зависит от типа механической деформации: растяжения или сжатия.

На приведенных в действие электродах это распределение зарядов можно измерить как электрическое напряжение. В зависимости от типа механической деформации изменяется полярность. Примеры применения:

  • Датчики детонации
  • Датчики ускорения (акселерометры)

Емкость

Измерение емкости основано на свойствах конденсатора. Одно из физических свойств конденсатора заключается в том, что емкость конденсатора зависит, в том числе, от расстояния между его пластинами. Расстояние между пластинами соответствует разности потенциалов между пластинами. Это свойство используется при измерении емкости.

svojstva-kondensatora

Если пластины расположены относительно далеко друг от друга, то разность потенциалов между пластинами относительно небольшая. Если пластины сблизить, разность потенциалов увеличивается пропорционально. Изменение разности потенциалов регистрируется и анализируется соответствующим блоком управления. Примеры применения:

  • Датчик тормозного давления в системе ABS
  • Датчики ускорения (акселерометры)
  • Датчики удара
  • Бесконтактные датчики

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение (также называемое тепловым излучением) является частью оптического излучения, т. е. частью электромагнитного спектра. Оно граничит с видимым излучением, и имеет большие длины волн. Каждое "теплое" тело (т.е. тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля -273 °C) излучает в инфракрасном спектре.

Излучаемая энергия и распределение длин волн излучения зависят от температуры тела. Чем теплее тело, тем больше энергии в виде инфракрасного излучения оно отдает. Примеры применения:

  • Инфракрасное дистанционное управление
  • Датчик дождя

Лазерное излучение

Лазерное излучение возникает при усилении света на атомарном уровне. В случае лазерного излучения речь идет о монохромном свете, состоящем из практически параллельных световых пучков. Вследствие этого возможно периодическое получение светового потока с высокой точностью пульсации.

Существуют различные принципы измерения дальности с помощью лазера. При измерении времени задержки импульса излучается временной световой импульс. Время задержки импульса является временным интервалом, который необходим световому импульсу для отраженного возвращения к своему источнику.

Измеряя время этой задержки, и используя величину скорости света, можно определить расстояние между источником и объектом. Примеры применения:

  • Active City Stop

Ультразвук

За некоторый короткий промежуток времени ультразвуковой датчик попеременно работает в качестве источника и приемника. В этом цикле измерения ультразвуковой датчик излучает неслышные для человеческого слуха ультразвуковые волны определенной частоты (более 16 кГц).

ultrazvukovoj-datchik

Ультразвуковой датчик состоит из пьезоэлемента, на котором расположено конусообразное тело. Этот конус функционирует как диффузор, который передает колебания через отверстие наружу. Пьезоэлемент составлен из двух пьезопластин разного размера.

Когда ультразвуковой датчик действует в качестве передатчика, электрическая энергия преобразуется в механическую. При подаче соответствующего переменного напряжения пьезопластины начинают колебаться с высокой частотой и излучать соответствующие звуковые волны перпендикулярно относительно поверхности.

В качестве приемника ультразвука используются такие же элементы. Теперь механическая энергия преобразуется в электрическую. Приходящая звуковая волна вызывает колебания пьезопластин.

В результате генерируется электрическое напряжение. В электронном блоке предварительной обработки оба сигнала напряжения сравниваются друг с другом, чтобы, например, определить расстояние до препятствия. Примеры применения:

  • Датчики системы помощи при парковке
  • Датчики охраны салона

Оптоэлектронные элементы

Слово "оптоэлектроника" происходит от сочетания слов "оптика" и "электроника". Сюда относятся все электронные элементы и процессы, преобразующие электрическую энергию в свет или свет в электрическую энергию.

optoehlektronnye-ehlementy

Оптоэлектронные элементы - это элементы, действующие в качестве интерфейса между электрическими и оптическими компонентами, или также устройства, содержащие такие элементы. Одновременно сюда также относится преобразование электрической энергии в свет и наоборот на основе полупроводниковой техники. В датчиках применяются следующие элементы:

  • Фотодиод
  • Фототранзистор
  • Фоторезистор
  • LED (светодиод)

Примеры применения элементов:

  • Датчик солнечной радиации
  • Датчик освещенности
  • Внутреннее зеркало заднего вида с функцией затемнения

Оптоэлектронный датчик

Датчики, действующие по оптоэлектронному принципу, дистанционно улавливают изменение положения задающего ротора с помощью фотоэлемента. Задающим ротором может быть, например, диск с отверстиями (см. рисунок).

datchiki-ugla-povorota-rulevogo-kolesa

Отверстия по краю диска пропускают световые лучи, материал диска, напротив, прерывает луч светового затвора. Количество прерванных лучей является показателем пройденного расстояния. Примеры применения:

  • Датчики угла поворота рулевого колеса
  • Датчики ускорения (акселерометры)

Принцип работы гальванических элементов

Гальванический элемент состоит из двух разных металлов, находящихся в растворе электролита. В растворе металлы могут образовывать ионы с разной интенсивностью и заряжаться с разной интенсивностью электронами. В результате между металлами возникает разность потенциалов.

galvanicheskij-ehlement

Например, обычные лямбда-зонды работают по тому же принципу, что и гальванический элемент, за исключением того, что в них содержится не жидкий, а твердый электролит, а именно – диоксид циркония (ZrO2). Начиная с 300 °C этот керамический электролит пропускает ионы кислорода, но не пропускает электроны. Примеры применения:

  • Аккумуляторная батарея автомобиля
  • HO2S (подогреваемый кислородный датчик)

Радар

Слово "радар" относится к "радиообнаружению и дальнометрии". Используются электромагнитные волны микроволнового диапазона частотой около 10 Гигагерц. Излучаются направленные лучи и анализируются их отраженные сигналы.

Принцип измерений, относящихся к определению скорости объекта, базируется на так называемом эффекте Доплера, который исходит из того, что волна изменяет свою частоту в зависимости от того, происходит ли удаление от ее источника или приближение к нему.

Радар Доплера использует этот принцип, сравнивая частоту излучаемого импульса с частотой возвратившегося отраженного сигнала. Таким образом, исходя из изменения частоты, определяется скорость объекта, отразившего сигнал. Примеры применения:

  • Датчики – контроля мертвой зоны
  • Датчик – системы управления скоростью

Переключатели/клавиши

Включатели, выключатели или переключатели не являются датчиками в обычном смысле этого слова. Тем не менее, они имеют полное право быть причисленными к датчикам, т. к. путем коммутации массы или плюса они сообщают о давлении, механическом положении включения, упора или угла электронным системам управления, которые занимаются дальнейшей обработкой этих сигналов.

Кроме того, они используются как выключатели тепловой защиты. Примеры применения:

  • Переключатель управления стеклоподъемником
  • Переключатель обогрева заднего стекла
  • Кнопка старт/стоп

Выключатели с кодировкой напряжения

При кодировке напряжения управляющая команда дается посредством падения напряжения различных измерительных резисторов. В схему включены разные резисторы. При нажатии на клавишу на блок управления, в зависимости от резистора, передается соответствующий электрический сигнал.

На основании сигнала блок управления определяет, какая клавиша была нажата и с учетом всех необходимых параметров управляет соответствующей функцией системы. В зависимости от варианта применения клавиши могут быть связаны с соответствующим блоком управления посредством смешанного или параллельного соединения. Примеры применения:

  • Джойстик управления аудиосистемой
  • Система круиз-контроля
  • Выключатель ручного переключения передач на рулевом колесе (в автомобилях с автоматической коробкой передач с функцией ручного выбора передач - Tiptronic)

Геркон

Геркон бесконтактно реагирует на незначительное изменение тока или магнитного поля. В стеклянную трубку с вакуумом или инертным газом паяны, в зависимости от вида схемы, два или три контакта. Благодаря защищенности контактов срок службы геркона практически неограничен.

normalno-zamknutye-i-normalno-razomknutye-gerkony

Герконы при срабатывании могут или размыкать, или замыкать контакты (соответственно нормально замкнутые и нормально разомкнутые герконы). Примеры применения:

  • Выключатель крышки заливной горловины топливного бака в автомобилях с сажевым фильтром и системой добавления присадки
  • Датчик уровня жидкости.

Принцип работы исполнительных устройств

Датский физик Кристиан Эрстед (1777 – 1851) обнаружил в 1819 году, что стрелка компаса отклоняется вблизи проводника, по которому проходит ток. Он установил, что возникающее в результате прохождения электрического тока магнитное поле расширяется в пространстве и порождает силу, которую можно преобразовать в движение, и наоборот.

Электромагнетизм

Если проводник электрического тока (например, медь) намотать на катушку, то сила магнитного поля зависит от числа витков обмотки и силы тока возбудителя. Если в силовом поле находится железо, оно притягивается. Находящийся в катушке железный сердечник сводит силовые линии и усиливает магнитное действие.

Электромагнитные поля находят в настоящее время разнообразное применение, например, в генераторах, трансформаторах, реле, электродвигателях и электромагнитах. Примеры применения:

  • Катушки в топливных форсунках или в замке багажного отделения
  • Реле для управления рабочими циклами
  • Электромагнитный клапан для ABS (антиблокировочной системы тормозов) или автоматической коробки передач
  • Электромагнитная муфта для компрессора системы кондиционирования.

Реле

Реле используются для включения больших токов, так как при помощи небольшого управляющего тока может быть включен большой рабочий ток. Примеры применения:

  • Реле стартера
  • Реле вентилятора обдува
  • Реле обогрева заднего стекла.

Электродвигатель

Электродвигатель с помощью магнитных полей преобразует электрическую энергию в механическую работу. В электродвигателе сила, с которой магнитное поле воздействует на проводник катушки, по которому проходит ток, превращается в движение.

princip-raboty-ehlektrodvigatelya

Электродвигатель состоит из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). Диапазон мощности составляет от нескольких милливатт до десятков мегаватт. Электродвигатели могут работать с разной частотой вращения. В современных автомобилях применяются следующие электродвигатели:

  • Электродвигатель постоянного тока
  • Бесщеточный электродвигатель постоянного тока
  • Шаговый электродвигатель.

Электродвигатель постоянного тока

В электродвигателе постоянного тока статор состоит из магнита, а ротор (якорь) из железного сердечника, на который намотана одна или несколько медных катушек. Концы катушек соединены с коллектором. Для передачи тока используются так называемые щетки (в основном из графита), которые через коллектор передают ток к медной катушке(ам).

Шаговый электродвигатель

Шаговые электродвигатели используются для точного механического позиционирования под нужным углом. В отличие от электродвигателя постоянного тока в шаговом электродвигателе катушки находятся в статоре, а ротор имеет магнитные полюса (постоянные магниты).

shagovyj-ehlektrodvigatel

При прохождении тока через катушки в статоре создается магнитное поле. За счет этого ротор отклоняется в магнитном поле и, тем самым, приводится во вращение. При изменении направления тока в катушках статора на противоположное в определенной последовательности генерируется вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор

.

Активацией катушек статора управляет блок управления (например, PCM (модуль управления силовым агрегатом) в случае клапана EGR (рециркуляция отработавших газов)). Примеры применения:

  • Клапана EGR
  • Исполнительное устройство заслонки впускного трубопровода
  • Привод аналоговых указателей щитка приборов

Косвенный пьезоэлектрический эффект

Косвенный пьезоэлектрический эффект используется в основном в исполнительных устройствах. При работе данного эффекта электрическое напряжение преобразуется пьезокерамическим материалом в механическую деформацию.

В принципе косвенный пьезоэлектрический эффект работает так же, как и прямой, только наоборот: в нем электрическое напряжение деформирует материал. Расположение пьезокерамического материала определяет направление механической деформации. В зависимости от полярности электрического напряжения пьезокерамический материал сжимается или расширяется. Пример применения:

  • Форсунка
  • Звуковой сигнал (зуммер).

Пиротехника

Пиротехника в легковых автомобилях применяется в исполнительных устройствах системы подушек и ремней безопасности. Примером такого узла является надувная подушка безопасности. На протяжении всего срока службы автомобиля она должна надежно срабатывать без какого-то ни было техобслуживания.

Высвобождаемое усилие должно быть очень большим, но при этом точно дозированным для того, чтобы принять тело водителя, не отбросив его назад. Система подушек и ремней безопасности должна работать автономно, поскольку в попавшей в аварию машине не может быть надежных источников питания. Примеры применения:

  • Замки и натяжители ремней безопасности
  • Система фронтальных подушек безопасности водителя и пассажира
  • Боковая подушка, подушка защиты коленей и подушка для защиты головы
  • Система защиты при опрокидывании.

pirotekhnika

В целом в новых системах подушек и ремней безопасности все исполнительные устройства имеют воспламенитель. В исполнительных устройствах с электрическим приводом воспламенитель состоит из нити накаливания и пиропатрона. В нем содержится небольшое количество черного пороха.

При срабатывании системы через нить накаливания пропускается запальный ток. Выделяющегося при этом тепла достаточно для воспламенения черного пороха. В зависимости от типа исполнительного устройства, это вызывает воспламенение пиротехнического заряда газогенератора или открывание предохранительной мембраны газового баллона (у гибридной подушки).

Заключение

Компьютерная диагностика автомобиля - сфера деятельности, в которой нет предела знаниям при обучении - наука и техника постоянно развиваются, и новые технологии внедряются в автомобили, но есть первые базовые знания, которые Вы сегодня получили, если внимательно прочитали эту статью.

История компьютерной диагностики началась задолго до появления электронных систем впрыска и систем контроля двигателя EOBD, еще контактные системы зажигания с механическим реле-регулятором проверялись компьютерным стендом для диагностики автомобилей, и по параметрам осциллограммы делались выводы о работе двигателя и электрооборудования. Узнать, как это происходит, можно здесь.

Если Вы дочитали до этого места, то тема устройства и компьютерной диагностики автомобиля своими руками Вам интересна. Подписывайтесь на рассылку, чтобы не забыть получить новую “порцию” знаний в области устройства автомобиля и его систем. Если есть вопросы, задавайте их в комментариях.

С уважением, Олег!

Сделай репост – выиграй ноутбук!

Каждого 1 и 15 числа iBook.pro разыгрывает подарки.

  • Нажми на одну из кнопок соц. сетей
  • Получи персональный купон
  • Выиграй ноутбук LENOVO IdeaPad

Подробно: ibook.pro/konkurs

LENOVO IdeaPad Intel Core i5, 8ГБ DDR4, SSD, Windows 10

Нет комментариев

Добавить комментарий

Отправить комментарий Отменить

Сообщение