Mikrovezérlők a járművekben
Még nem is oly régen egy autóban az elektronikát legfeljebb a rádió képviselte. Ma egy átlag autóvezető meg sem tudja mondani, hány mikroszámítógép szolgálja a vezető és az utasok kényelmét, biztonságát és a jármű gazdaságos, környezetkímélő működését. A Microchip cikke a lehetséges alkalmazások között tallóz.
A 8 és 16 bites MCU-k széles körű alkalmazási lehetőségei
Szögpozíció-érzékelésen alapuló alkalmazások
Egy modern járműben számos követelmény merül fel, amelyeket kicsiny, 8 vagy 10 bites mikrovezérlőkkel lehet kielégíteni. Az alkalmazások köre a helyzetérzékelőktől az ablaktörlő vezérléséig szinte áttekinthetetlen. Például a szögpozíció-érzékelés egyre növekvő fontosságra tesz szert a kefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésében, a pedálok és a kormány szöghelyzetének érzékelésében vagy a kezelőszervek, a jármű ember–gép interfészének (HMI) megvalósításában (1. ábra).
1. ábra Szögpozíció-érzékelő rendszer
A szögpozíció érzékelésén alapuló vezérlőrendszerek elemzik a szenzoroktól érkező információt, és meghatározzák belőle a megfelelő szögelfordulás értékét. Négy fő érzékelési technikát szokás használni az automotív rendszerekben: az optikai, a potenciométeres, a magnetorezisztív és a Hall-szondás érzékelőket.
Gépi látórendszerek
Egyre növekszik a biztonságosabb vezetési élmény eléréséhez használt gépi látórendszerek (2. ábra) elterjedtsége is. Legyen az tolatókamera, parkolássegítő rendszer, oldalirányú objektumérzékelés vagy sávelhagyásra figyelmezető rendszer, a képalkotó eszközökből érkező vizuális információt fel kell dolgozni, és az eredményt az autó vezetője számára meg kell jeleníteni kép, figyelmeztető hangok vagy ezek kombinációja formájában. A tolatókameráknál például a hátra irányított kamera a vezetési körülményeket figyelő szenzorként működik, és a vezető részére videoinformációként kell megjeleníteni.
2. ábra Kamerás látórendszer
Fedélzeti buszkommunikáció
A CAN- és LIN-busz is olyan terület, ahol a mikrovezérlők alkalmazásra találhatnak. A CAN-busz segítségével determinisztikus és egyben hibatűrő adatátviteli megoldás valósítható meg akár 1 Mbit/s sávszélességgel. A Microchip például gyárt egy beágyazott CAN-alkalmazásokra használható termékcsaládot, amelyben önálló CAN-busz vezérlőket, CAN-adóvevőket, valamint integrált CAN-vezérlővel ellátott, 8 és 16 bites mikrokontrollereket és digitális jelfeldolgozó kontrollereket is találunk. A LIN-busz bármilyen, USART-interfésszel felszerelt PIC-mikrovezérlővel megvalósítható (3. ábra). A cég ezenkívül robusztus fizikairéteg-interfészt is gyárt, amely az adatkapcsolati réteg vezérlését is ellátja. Ugyancsak elérhetők a LIN-szabványnak megfelelő meghajtók és különféle fejlesztési segédeszközök, a LIN-buszos referenciaterveket is beleértve.
3. ábra LIN-buszos kommunikáció megvalósítása mikrovezérlővel
Elektronikus iránytű
Hasonlóképpen egy elektronikus iránytű is megvalósítható mikrovezérlő segítségével, amely egyben vezérli a visszapillantó tükör fényre sötétedését a vezetésbiztonság növelése érdekében. Az iránytűrendszer a Föld mágneses terének irányát alapul véve meghatározza a jármű haladási irányának abszolút értékét, valamint a kijelölt iránytól való eltérést. Az irányt – a fényre sötétedő visszapillantó tükörbe integrálva – egy egyszerű, szegmentált LCD-kijelző is mutathatja, de megjeleníthető az autó fedélzeti navigációs rendszerén is. A szenzor szokásosan magnetorezisztív vagy induktív elven működhet.
Műszerfal
Az autóban a lényeges információkat, a jármű alrendszereinek állapotát a vezető előtti műszeregyüttes, a „műszerfal” jeleníti meg. Az olcsó, fejlődő piacokra tervezett járművek műszerfalában rendszerint mutatós műszerek és szegmentált LCD-kijelzők kombinációjával jelenítik meg a sebesség, a fordulatszám, az üzemanyagszint, az olajnyomás, az akkumulátorfeszültség és a motorhőmérséklet értékeit. Ez is olyan terület, amelyre a PIC-vezérlők körében megoldást találunk. A tervező olyan mikrokontrollert választhat, amely elegendő teljesítménnyel rendelkezik a mutatós műszerek léptetőmotorjainak nullpozíció-meghatározásához oly módon, hogy egyben a megfelelő teljesítőképesség, a valósidejű vezérlés és a kis fogyasztás követelményeit is kielégíti. A nullpozíció-érzékelés arra szolgál, hogy meghatározza a mutatós műszerek alapértelmezett kezdő pozícióját, és ezzel kalibrálja a mutatókat mozgató léptetőmotorokat. A mikrovezérlőbe integrált impulzusszélesség-modulátor (PWM) lehetővé teszi a mikroléptetéses vezérlőalgoritmus könnyű megvalósítását, ezzel is egyszerűsítve az áramkör felépítését.
Belső világítás
Mikrovezérlőt használhatunk akár egy ledes belső világítás megvalósítására is, amely egy RGB-led fényforrás színét és fényintenzitását vezérli. Ezzel a megoldással megszűnik a beltéri világítás egyhangúsága. A beállítható színű RGB-ledek lehetővé teszik, hogy az utasok az igényeiknek megfelelően állíthassák be a beltéri világítást. A ledek kis mérete pedig kisebb helyigényű megoldást tesz lehetővé.
Beavatkozó-vezérlés
A beavatkozók (aktuátorok) teszik lehetővé, hogy a mikrokontrollerek intelligens feladatokat hajthassanak végre. Ezeket egyre szélesebb körben használják a motorvezérlésben például arra a célra, hogy növekedjen az autó üzemanyag-felhasználási hatásfoka, és csökkenjenek az üzemeltetés költségei. Ilyen alkalmazás lehet például a turbófeltöltők vagy az EGR[1] szelepvezérlése.
Kulcs nélküli ajtónyitás
A kulcs nélküli ajtónyitó rendszereknek kétféle megoldása ismeretes: a passzív és a távvezérelt. A távvezérelt ajtónyitás anélkül teszi lehetővé az autó ajtóinak nyitását és zárását, hogy kulcsot kéne helyeznünk az ajtó zárjába. A távvezérlő a rajta levő gomb megnyomásával egy kódolt UHF-jelet bocsát ki, amelyet az autóban elhelyezett vevő érzékel. A vevőmodul végzi el a kódolt jel alapján a jogosultság ellenőrzését, a helyes kód felismerése esetén pedig utasítja az elektronikus vezérlőegységet a zár állapotának megváltoztatására.
A kulcs nélküli ajtónyitás passzív változatánál (4. ábra) az ajtó nyitásához nincs szükség gombnyomásra. A jármű ajtajában elhelyezett modul egyenlő időtartamonként ismétlődő jelcsomagokkal kommunikációt kezdeményez, amellyel felismeri a vele összepárosított, érintésmentesen működő elektronikus „kulcs” közeli jelenlétét. Ha az ajtó zárva van, a kulcs válaszul egy jóváhagyó jelet küld vissza, amely utasítást ad az ajtó nyitására. Ehhez egy kisfrekvenciás adójelet kell előállítani az autó ajtajában elhelyezett modulban. Ezt például azzal a PWM-vezérlővel is megvalósíthatjuk, amelyet kisebb mikrovezérlők is (például a Microchip PIC12, PIC16 és PIC18 típuscsaládjának tagjai) beépítetten tartalmaznak. A szűrést és a kódolt jel vevőoldali visszafejtését az önállóan használható és integrált analóg frontenddel ellátott eszközök is el tudják látni, amelyek kisméretű, 8 vagy 16 kivezetéses tokokban kaphatók. Ezzel az „elektronikus kulcs” valóban kis méretben is megvalósítható. Az elektronikus kulcs és az ajtóba épített vevőmodul közötti UHF-kommunikációra a Microchip is ajánl adóáramköröket, amelyek akár frekvencia-, akár amplitúdómodulációval képesek a jel vezetékmentes továbbítására. Alkalmas vevőeszközök is rendelkezésre állnak, amelyek a vezetékmentes adás szűrését és a titkosított adás visszafejtését is el tudják végezni.
4. ábra Passzív, kulcs nélküli ajtónyitórendszer tömbvázlata
Két keréken…
A mikrovezérlők azonban nem csak az autókban találnak alkalmazási lehetőséget. A robogókban, motorkerékpárokban és mopedekben általánosan használják a kondenzátor kisütésén alapuló gyújtórendszert. Ebben egy forgó mágnes által keltett energiával egy tárolókondenzátort töltenek. Ha ez kisül, egy feszültségnövelő transzformátor révén nagyfeszültségű impulzus keletkezik, amely a gyújtógyertya segítségével begyújtja a hengerben levő üzemanyag-levegő keveréket. A gyújtóimpulzus időzítésének pontos meghatározásával növelhető a motor hatásfoka, energiahordozót lehet megtakarítani, és csökkenthető a motor károsanyag-kibocsátása is.
A mikrovezérlők az integrált perifériák széles választékát kínálják, amivel változatos lehetőséget adnak az ilyen rendszerek megvalósításához. Például a motor fordulatszáma ellenőrizhető ugyanazzal a mikrovezérlővel, amely a gyújtószikra pontos időzítését határozza meg. A gyújtószikra egy adott motorfordulatszámnál a főtengely szögelfordulásának bármely fázisában előállítható, és ezzel – a megfelelő előgyújtási szög beállítása révén – javítható az üzemanyag-felhasználás hatásfoka, és csökkenthető a károsanyag-kibocsátás.
Az ablaktörlő vezérlése
Az ablaktörlő vezérlőrendszere (5. ábra) a mikrovezérlők alkalmazásának jó példája. A rendszer vezérli az ablaktörlőmotort, a mosófolyadék szivattyúját, és további intelligens működést is megvalósít a LIN-buszon csatlakozó esőérzékelő és a bajuszkapcsolóval. A KIN-átjárón (gateway) megvalósuló, kétirányú kommunikáció jobb rendszervezérlést és diagnosztikát tesz lehetővé. A PIC16 és PIC18 MCU-k rendelkeznek azzal az integrált perifériakészlettel, ami intelligensebbé teheti az ablaktörlő rendszert. Amint az ablaktörlő-megoldások színvonala túllépte az ablaktörlőlapátot mozgató motor primitív vezérlésének szintjét, a nagyobb intelligencia és a kommunikatív képesség iránti követelményeket már ki kell elégítenie a rendszertervezőnek.
5. ábra Az ablaktörlő vezérlőrendszere
A kis méretek miatt a mikrovezérlő közvetlenül az ablaktörlőmotor házába integrálható anélkül, hogy az a funkcionalitás rovására menne, és egyben csökkenti az egész rendszer tömegét. A tervező a LIN-protokoll megvalósítására alkalmas, integrált perifériákkal rendelkező mikrovezérlőt választhat, amely jól illeszkedik a rendszerkövetelményekhez.
Összefoglalás
Amint láttuk, a mikrovezérlő-alkalmazások köre már ma is széles, és egyre tovább szélesedik a jelenkor járműveiben. Az autógyártók abban az irányban haladnak, amelynek során több intelligenciát és kommunikációs képességet építenek be gyártmányaikba, és ez a tendencia folytatódik. A cikkben bemutatott 8 és 16 bites mikrovezérlők lehetőséget kínálnak számukra ahhoz, hogy alkalmazkodhassanak a jelen és a jövő autóinak funkciói iránti követelményekhez.
[1]EGR (Exhaust Gas Recirculation): a belső égésű motorok nitrogén-oxid (NOx) kibocsátásának csökkentésére szolgáló módszer, amely a kipufogógáz egy részének szabályozott visszaforgatásán alapul – A ford. megj.
www.microchip.com
Még több Microchip
Címkék: autóelektronika | automotív | mikrovezérlő | mikrokontroller | MCU
