MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2013 FILIP SEVERA

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Senzorová technika ve vozidlech Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, PhD. Brno 2013 Vypracoval: Filip Severa

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma SENZOROVÁ TECHNIKA VE VOZIDLECH vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis..

5 PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za cenné a odborné rady při psaní této práce. Také bych chtěl poděkovat své rodině a přátelům za podporu v celém průběhu mého studia na této škole.

6 ABSTRAKT Obsah této bakalářské práce se zabývá senzorovou technikou používanou v motorových vozidlech. Úvod práce je věnován měřeným fyzikálním veličinám a snímačům určených k měření těchto veličin. Následující část se zabývá konstrukcí, včetně principu činnosti jednotlivých vybraných snímačů. V závěru práce jsou uvedeny jednotlivé typy datových sběrnic a také popis úpravy a vyhodnocení signálu. KLÍČOVÁ SLOVA Snímače, měření, signál, sběrnice, řídící jednotka ABSTRACT The content of this bachelor thesis deals with sensor technology used in motor vehicles. The introduction of this work is devoted to the measuring of physical quantity and sensors designed to measure it. Following part deals with the question of some selected sensors construction and operation principles. At the end of this work the particular types of data buses along with the signal conditioning and evaluation, are described. KEY WORDS Sensors, measurement, signal, bus, control unit

7 OBSAH 1 ÚVOD A CÍL PRÁCE Úvod Cíl MĚŘENÉ FYZIKÁLNÍ VELIČINY Poloha Otáčky a rychlost Zrychlení a vibrace Tlak Průtok Chemické složení a koncentrace Teplota PRINCIPY ČINNOSTI VYBRANÝCH SNÍMAČŮ Snímač polohy škrticí klapky Konstrukce a princip činnosti Aktivní snímač otáček kol Konstrukce a princip činnosti Piezoelektrický snímač klepání Konstrukce a princip činnosti Mikromechanický snímač tlaku Konstrukce provedení s referenčním vakuem na straně struktury Princip činnosti Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem Konstrukce Princip činnosti Lambda sonda Konstrukce nevyhřívané tyčové sondy Princip činnosti Snímač teploty motoru Konstrukce a princip činnosti ÚPRAVA A VYHODNOCENÍ SIGNÁLU Zpracování signálu

8 4.1.1 Zesílení signálu Kmitočtové filtry Konverze vstupního a výstupního signálu DATOVÉ SBĚRNICE Sériová sběrnice CAN Základní součásti sběrnice CAN Adresování sběrnice CAN Datové sběrnice SCP a ACP Datová sběrnice LIN Rámec zprávy sběrnice LIN Datová sběrnice MOST Struktura funkčního modelu MOST Datová sběrnice FlexRay SENZOROVÉ CLUSTERY Sdružený snímač DRS MM Řídicí jednotka airbagů AB plus ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ

9 1 ÚVOD A CÍL PRÁCE 1.1 Úvod Elektronika se v automobilech vyskytuje už od raných počátků rozvoje automobilového průmyslu a dopravy. S postupem času byly kladeny stále větší požadavky na zlepšení bezpečnosti, výkonnosti, hospodárnosti, pohodlí a také zlepšení životního prostředí. Nejpodstatnější vývoj zaznamenaly automobily ve 20. století a to mimo jiné i díky rozvoji mikropočítačové techniky, bez které by nebylo možné dnes už každodenně využívané systémy, funkce a elektronická zařízení do vozidel aplikovat. Se stále narůstající hustotou silničního provozu stoupá i potencionální nebezpečí nehody. Hlavním účelem vývoje senzorové techniky je tedy snaha o co nejmenší zatížení a snížení tělesné námahy řidiče během řízení automobilu, což se projevuje mimo jiné i na zvýšení jízdní bezpečnosti. 1.2 Cíl Cílem této práce je zpracovat problematiku senzorové techniky. Popsat konstrukci a principy činnosti jednotlivých snímačů používaných v motorových vozidlech, rozebrat teorii zpracování signálu vedoucího od snímače a vytvořit přehled jednotlivých typů nejpoužívanějších sběrnic. V poslední části práce pak nastínit použití senzorových clusterů ve vozidle. 9

10 2 MĚŘENÉ FYZIKÁLNÍ VELIČINY 2.1 Poloha Snímače polohy snímají dráhy a úhly nejrůznějšího druhu. Z tohoto důvodu patří těmto snímačům v motorovém vozidle první místo. V této oblasti lze už delší dobu sledovat snahu o přechod k bezdotykovým, bezkontaktním snímačům, které nepodléhají opotřebení a díky tomu prokazují větší spolehlivost a životnost. Ekonomické důvody i přes pozitiva těchto snímačů, nutí k používání kontaktních snímačů. Mezi snímači polohy jsou hojně zastoupeny potenciometrické snímače, které v současnosti patří k nejlevnějším snímačům dráhy a úhlu. K jejich hlavním výhodám patří jednoduchá konstrukce, vysoká přesnost a široký měřící rozsah. Mezi hlavní nevýhody patří již zmíněné mechanické opotřebení způsobené odíráním, problémy při provozu v tekutině a omezená možnost miniaturizace. [1] Jedním ze snímačů polohy je snímač škrticí klapky. V kapitole 3.1 je popsán princip činnosti a konstrukce tohoto snímače. Tab. 1 Dráha a úhel jako přímé měřené veličiny [1] Měřená veličina Měřící rozsah Poloha škrticí klapky v zážehovém motoru 90 Poloha pedálu akcelerace 30 Úhel náklonu 15 Výška hladiny v palivové nádrži cm Odstup vozidlo vozidlo 150 m 2.2 Otáčky a rychlost Snímače otáček a rychlosti měří podobně jako snímače polohy úhel nebo dráhu, avšak za jednotku času. V obou případech se jedná o relativní měřené veličiny, které se nachází buďto mezi dvěma částmi, nebo jsou vztaženy vůči jízdní dráze, případně k jinému vozidlu. Při měření nastávají situace, kdy je potřeba měřit také absolutní rychlost otáčení v prostoru, případně podél osy vozidla. Jako příklad si můžeme uvést 10

11 regulaci dynamiky jízdy. V tomto případě se musí snímat rychlost otáčení daného vozidla podél svislé osy, nebo podle osy stáčení vozidla. Praktických příkladů využití snímačů otáček a rychlosti ve vozidle je celá řada. Jmenovitě jsou to snímače otáček klikové a vačkové hřídele, otáček vstřikovacího čerpadla a otáček kol. Poslední jmenovaný snímač je více popsán v kapitole 3.2. Mezi novější aplikace patří například přímá integrace snímačů do ložisek kol apod. [1] 2.3 Zrychlení a vibrace Základní měřenou veličinou je zrychlení a. Snímače zrychlení a vibrací jsou vhodné zejména k regulaci klepání u spalovacích motorů a k vyvolání systémů ochrany, jako jsou airbagy a předpínače bezpečnostních pásů. Slouží také ke snímání zrychlení v zatáčkách a změny rychlosti vozidel, vybavených protiblokovacím systémem ABS, nebo programem elektronicky řízené stability ESP. Všechny snímače zrychlení měří v principu podle 2. Newtonova pohybového zákonu. [1] Zdrojem nežádoucích vibrací ve vozidle může být i tzv. klepání motoru. Jedná se nekontrolovanou formu hoření v prostoru válce motoru, která může vést až k jeho poškození. K nejpoužívanějším snímačům zrychlení a vibrací patří Hallův snímač a snímače mikromechanické a piezoelektrické. Popis činnosti a konstrukce pieozoelektrického snímače klepání je uvedena v kapitole 3.3. [2] 2.4 Tlak Tlak je všesměrové neorientované silové působení vyskytující se v kapalinách a plynech. Velmi dobře se pohybuje také v gelových a měkkých zalévacích hmotách. Těchto látek se proto k měření tlaku v některých případech využívá. Snímače k měření tlaku lze rozdělit na snímače pracující staticky a dynamicky. K nejznámějším dynamicky pracujícím snímačům patří všechny mikrofony, které slouží pouze k měření tlakových kmitů v plynných a kapalných látkách. V oblasti motorových vozidel se však téměř výhradně využívají statické snímače tlaku. Tyto snímače jsou v motorových vozidlech velice často používány. Konkrétně k měření tlaku v sacím potrubí, tlaku oleje a paliva, tlaku v pneumatikách a na dalších 11

12 místech ve vozidle. Příkladem staticky pracujícího snímače je mikromechanický snímač tlaku, uvedený v kapitole 3.4. [1] 2.5 Průtok Na rozdíl od snímačů tlaku je aplikace snímačů průtoku v motorovém vozidle jen na několika málo místech. V dobách kritického nedostatku paliva byly vyvinuty průtokoměry paliva. Využívali se u spalovacích motorů bez elektronického řízení k zobrazení spotřeby paliva za určitou ujetou vzdálenost. V současné době je po těchto snímačích jen velice omezená poptávka a prakticky se nepoužívají. Mezi stále používané snímače patří anemometry. Jedná se o snímače měřící průtok vzduchu, někdy označovaný jako hmotnost vzduchu. Maximální hmotností tok vzduchu se podle výkonu motoru pohybuje v rozmezí 400 až 1200 kg.h -1. Vzduch není motorem odebírán jako kontinuální proud, ale v taktu otevírání sacích ventilů. To dává za vznik pulsacím i v místě měření, které se nachází v sacím potrubí mezi čističem vzduchu a škrticí klapkou. Téměř všechny měřiče množství vzduchu mají velmi zakřivené charakteristiky. Z toho důvodu se měřené signály před následným vyhodnocením musí elektronicky linearizovat, čímž vznikají značné chyby od střední hodnoty. Měřiče množství vzduchu proto ještě dostatečně rychle sledují pulsace, které díky svému průběhu obsahují vysoký podíl vyšších harmonických. To vyžaduje šířku pásma okolo 1000 Hz. Kromě širokého pásma musí snímače disponovat také velice krátkou časovou konstantou spínání. Konstrukce a způsob činnosti měřice hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem je uvedena v kapitole 3.5. [1] 2.6 Chemické složení a koncentrace Koncentrace látky udává, jak velký hmotností nebo objemový podíl je obsažen v určité látce nebo ve směsi jiných látek. U snímače koncentrace, někdy nazývaného jako koncentrační sonda, je důležité, aby byl citlivý pouze na jednu měřenou látku. Ostatní látky by měl v ideálním případě ignorovat. Ve skutečnosti má však každá sonda také křížovou citlivost na jiné látky a to i při konstantním tlaku a teplotě. 12

13 K měřeným veličinám v motorovém vozidle patří obsah kyslíku ve spalinách, obsah oxidu uhelnatého a oxidů dusíku spolu i s vlhkostí vzduchu v kabině vozidla. Mezi další měřené veličiny patří také vlhkost vnějšího vzduchu a v neposlední řadě koncentrace sazí ve spalinách u vznětových motorů. Lambda sonda je jedním z typů koncentračních sond. Konstrukce a popis činnosti je uvedena v kapitole 3.6. [1] 2.7 Teplota V plynných a kapalných látkách je měření teploty bezproblémové ve všech prostorových bodech. U pevných těles se měření omezuje ve většině případů pouze na povrch měřeného tělesa, proto je u většiny snímačů teploty nutný těsný kontakt s měřeným tělesem. Ve speciálních případech je možné využít i bezdotykové snímače teploty. Bezdotykové snímače teploty určují teplotu měřeného tělesa na základě jím vyzařovaného tepelného záření. U motorových vozidel se v naprosté většině případů využívají dotykové teploměry, pracující na základě teplotní závislosti elektrických odporových materiálů s kladným nebo záporným teplotním koeficientem. V poslední době se rozšiřuje i použití bezdotykového snímání teploty. Díky nasazení mikrosystémové techniky je bezdotykové snímání posunuto do cenově přijatelné hranice. Uplatnění nachází například při regulaci teploty v automobilu, podle naměřené teploty kůže cestujících. Konstrukce dotykového snímače teploty motoru je popsán v kapitole 3.7. [1] 3 PRINCIPY ČINNOSTI VYBRANÝCH SNÍMAČŮ 3.1 Snímač polohy škrticí klapky Snímač polohy škrticí klapky má za úkol snímat úhel natočení škrticí klapky pro zjištění vedlejšího signálu zatížení. Tento signál je spolu s dalšími signály využíván 13

14 jako přídavná informace pro zjištění provozního stavu motoru a dynamických funkcí. Může být také použit jako nouzový signál při výpadku hlavních snímačů Konstrukce a princip činnosti Jedná se o potenciometrický snímač úhlu s jednou, nebo dvěma lineárními charakteristikami. Hřídel škrticí klapky je spojena s ramenem, na kterém jsou podélně umístněny běžci. Běžci při naklápění škrticí klapky přejíždí po odporových drahách, přičemž potenciometr přenáší poměr napětí přes odporové zapojení do řídící jednotky. [3] Obr. 1 Snímač škrticí klapky [1] 1 Hřídel škrticí klapky, 2 Odporová dráha 1, 3 Odporová dráha 2, 4 Rameno s běžci, 5 Elektrické připojení 3.2 Aktivní snímač otáček kol Z frekvence otáčení kol, snímané snímači otáček kol, odvozují řídící jednotky ABS, ESR a ESP rychlost otáčení kol, z důvodu zabránění blokování, nebo protáčení kol a tím přispívají k řiditelnosti a stabilitě vozidla. Navigační systémy z těchto signálů určují ujetou vzdálenost. [1] 14

15 3.2.1 Konstrukce a princip činnosti Magnety, které v tomto případě zastávají funkci zubů u impulsního kola pasivního snímače kol, jsou integrovány v multipólovém kroužku. Upevněny jsou po celém obvodu kroužku se střídavou polaritou. Při otáčení magnety vytváří střídavé magnetické pole, které je snímáno pomocí měřícího prvku snímače. Nejčastěji se jedná o Hallovy snímače, nebo magnetorezistory. Napětí, které se vytváří je závislé na magnetickém toku měřícího prvku a následně je zpracováno aktivním snímačem. Vyhodnocované napětí není závislé na otáčkách kola, což umožňuje měření otáček téměř až do jeho úplného zastavení. [1] Obr. 2 Aktivní snímač otáček [1] 1 Měřící prvek, 2 Multipólový kroužek, 3 Pouzdro snímače 3.3 Piezoelektrický snímač klepání V motorových vozidlech se vyskytuje celá řada vibrací. Jedním ze zdrojů těchto vibrací může být klepání motoru, které nastává při nekontrolovaném spalování. Snímače klepání převádí tyto vibrace na elektrické signály. Ty jsou poté předány řídící jednotce. [2] 15

16 3.3.1 Konstrukce a princip činnosti Seizmická hmota svojí setrvačností působí na kruhový piezokeramický prvek. Náboj se vlivem těchto sil v keramickém prvku začne pohybovat a vzniká napětí. Vzniklé napětí se snímá kontaktními kruhovými ploškami. Následuje zpracování v řídící jednotce. [1] Umístnění snímače se volí tak, aby mohlo být rozpoznáno klepání z každého válce. Počet použitých snímačů je ovlivněn počtem válců v motoru. S počtem válců roste i počet snímačů. U čtyřválcových řadových motorů se používá zpravidla jeden snímač. Osmiválcové a dvanáctiválcové motory jsou osazeny dvěma a více snímači. [2] Obr. 3 Piezoelektrický snímač klepání KS [1] 1 Piezokeramika, 2 Seizmická hmota, 3 Pozdro, 4 Šroub, 5 Připojení, 6 Elektrická přípojka, 7 Blok motoru, V Vibrace 3.4 Mikromechanický snímač tlaku Mikromechanické snímače tlaku jsou v motorovém vozidle zastoupeny hned na několika místech. Snímač tlaku oleje je jedním z nich. V motorovém vozidle slouží k určení namáhání motoru pro servisní ukazatele. Pro svou vysokou odolnost vůči různým látkám je využíván také k měření tlaku v nízkotlaké části palivové soustavy. Umisťuje se na palivový filtr, případně přímo do palivového filtru. U přeplňovaných motorů se využívá snímač tlaku v sacím potrubí, který má za úkol měřit absolutní tlak mezi dmychadlem a motorem vůči referenčnímu vakuu. [1] 16

17 3.4.1 Konstrukce provedení s referenčním vakuem na straně struktury Základ konstrukce tvoří měřící buňka skládající se z křemíkového čipu, do kterého je mikromechanicky vyleptána membrána tenkého průřezu. K membráně jsou nadifundovány roztažné rezistory. Elektrický odpor těchto rezistorů se mění v závislosti na mechanickém napětí. Další částí snímače je víčko utěsňující měřící buňku. Pod víčkem se také nachází referenční vakuum. V některých případech je v pouzdru snímače integrován i snímač teploty. Takovéto pouzdro umožňuje snímat teplotu i tlak na jednom místě. [1] Princip činnosti V závislosti na velikosti tlaku se membrána měřící buňky nepatrně prohýba. Rezistory mění v závislosti na vznikajícím mechanickém napětí svůj elektrický odpor. Tyto rezistory jsou zapojeny do můstku a při deformaci membrány vzniká nerovnovážnost můstku. Napětí je pak úměrné velikosti tlaku v sacím potrubí. Integrovaná elektronika na čipu zesiluje napětí z můstku, čímž se kompenzuje vliv teploty na tlakovou charakteristiku. [1, 2] Obr. 4 Měřící buňka snímače tlaku - schéma [1] 1 Membrána, 2 Křemíkový čip, 3 Referenční vakuum, 4 Sklo, a Průřez, b Můstkový obvod 17

18 Obr. 5 Mikromechanický snímač tlaku s referenčním vakuem na straně struktury [1] 1 - Snímač teploty, 2 Spodní část pouzdra, 3 Stěna sacího potrubí, 4 Těsnící kroužky, 5 Konektor, 6 Víko pouzdra, 7 Měřící buňka 3.5 Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem Měřič hmotnosti vzduchu snímá hmotnostní proud vzduchu nasávaný motorem, za účelem určení zatížení motoru. Typ s vyhřívaným drátem je nejrychlejší a nejpoužívanější vzduchový průtokoměr. Dokáže sledovat průměrné kolísání až do 1 khz. [1] Konstrukce Základ snímače tvoří válcové pouzdro chráněné po obou stranách mřížkami, kterým proudí proud nasávaného vzduchu. V průřezu pouzdra je lichoběžníkově natažen velmi tenký, vyhřívaný drát vyrobený z platiny. V tělese měřiče je integrován rezistor, sloužící pro kompenzaci teploty nasávaného vzduchu. Vyhřívaný drát i rezistor jsou součástmi regulačního obvodu a působí zde jako teplotně nezávislé rezistory. Regulační obvod se většinou sestává z můstkového zapojení a zesilovače. [1, 2] 18

19 3.5.2 Princip činnosti Rezistor nejprve změří teplotu nasávaného vzduchu. Procházející proud vzduchu následně ochladí vyhřívaný drát. Regulační obvod řídí elektrický proud určený k vyhřívání drátu tak, aby měl drát vyšší teplotu než nasávaný vzduch a to o určitou konstantu. Při tomto principu měření se zohledňuje hustota vzduchu, protože se určuje velikost tepla odevzdaného vyhřívaným drátem vzduchu. Vyhřívací elektrický proud vytváří na přesném rezistoru napěťový signál úměrný hmotnostnímu proudu vzduchu a ten je pak přenášen do řídící jednotky. Při provozu se na povrchu drátu vytváří usazeniny, které způsobují nepřesnosti měření. Z tohoto důvodu je při každém vypnutí motoru drát rozžhaven na teplotu okolo 1000 C po dobu zhruba jedné sekundy. Tím se usazeniny buďto odloupnou, spálí nebo vypaří a drátek se tak vyčistí. [1, 2] Obr. 6 Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem [1] 1 Rezistor pro kompenzaci teploty, 2 Kroužek snímače s vyhřívaným drátem, 3 Měřící rezistor 19

20 3.6 Lambda sonda Lambda sondy zasahují do výfukového potrubí, kde snímají rovnoměrně proud spalin. Měří zde součinitel přebytku vzduchu lambda λ. Lambda je bezrozměrné číslo, určující poměr vzduchu a paliva ve směsi. V případě, že katalyzátor pracuje optimálně, platí λ=1. Činnost lambda sondy je založena na principu galvanického koncentračního článku s elektrolytem v pevné fázi. [1, 2] Konstrukce nevyhřívané tyčové sondy Základ sondy tvoří pevný elektrolyt, složený z jednostranně uzavřeného, pro plyn nepropustného keramického tělesa, na kterém jsou naneseny tenké, porézní, platinové elektrody. Platinová elektroda na vnější straně zasahující do výfukového potrubí pracuje jako katalyzátor. Vnitřní je v kontaktu s venkovním vzduchem, který slouží jako referenční plyn. Kovová trubice s otvory chrání keramické těleso před velkými teplotními rozdíly a před mechanickým poškozením. [1, 2] Princip činnosti Při teplotách okolo 350 C se keramika stává vodivou pro ionty kyslíku. I při provozu s přebytkem paliva, obsahují spaliny zbytkový kyslík. Pokud je obsah kyslíku na obou stranách elektrod rozdílný, začne na elektrodách objevovat elektrické napětí a díky tomu je možné podíl kyslíku ve spalinách použít jako míru pro poměr vzduchu a paliva. Vodivost iontů a tím pádem průběh napětí sondy v závislosti na λ ovlivňuje i teplota keramického tělesa. Na teplotě je také velmi závislá doba odezvy mezi změnou napěťovou a změnou chemické koncentrace. Při 350 C se odezva pohybuje v řádu sekund. Při optimální provozní teplotě okolo 600 C se délka odezvy pohybuje v řádu desítek milisekund. Proto je po nastartování motoru regulace lambda vypnuta a zapíná se až při dosažení optimálních teplot. [1, 2] 20

21 Obr. 7 Vyhřívaná tyčová lambda sonda [1] 1 Pouzdro sondy, 2 Keramická opěrná trubice, 3 Připojovací kabel, 4 Ochranná trubka se štěrbinami, 5 Aktivní keramika, 6 Kontaktní díl, 7 Ochranná objímka, 8 Vyhřívací prvek, 9 Připojovací svorky pro vyhřívaný prvek, 10 Talířová pružina 3.7 Snímač teploty motoru Umístění toho snímače se nachází v okruhu chladicí kapaliny, kde dochází kde sdílení tepla mezi chladicí kapalinou a snímačem. Teplota motoru se usuzuje od teploty chladicí kapaliny. Měřící rozsah je obvykle v rozmezí od -40 C do 130 C. [1, 2] Konstrukce a princip činnosti Snímačů teploty je celá řada (snímač teploty vzduchu, oleje, paliva, spalin) a jejich konstrukce se liší v závislosti na jejich použití. U většiny snímačů teploty se v pouzdře nachází teplotě závislý rezistor. Častěji používanou variantou je rezistor NTC se záporným teplotním koeficientem, u kterého s rostoucí teplotou kapaliny klesá jeho odpor. Měřící rezistor je součástí napěťového děliče. Velikost napětí odpovídá 5V. Úbytek napětí na rezistoru je úměrný teplotě a je vyhodnocován analogově-digitálním převodníkem. V řídicí jednotce motoru je uložena tabulka. Každá hodnota napětí odpovídá určité teplotě. Tím je kompenzována nelineární charakteristika mezi napětím a teplotou. [1, 2] 21

22 Obr. 8 Snímač teploty chladicí kapaliny [1] 1 Elektrická přípojka, 2 Pouzdro, 3 Těsnící kroužek, 4 Upevňovací závit, 5 Měřící rezistor, 6 Chladicí kapalina 4 ÚPRAVA A VYHODNOCENÍ SIGNÁLU 4.1 Zpracování signálu Zpracováním signálu se nazývají všechny operace, které jsou prováděny na signálech putujících od senzoru k finálnímu zobrazení. Mezi používané operace patří zesílení, usměrnění, linearizace, A/D nebo D/A převod signálu a mnoho dalších funkcí. Tyto funkce jsou ve formě integrovaných obvodů s označením ASIC. Obvody jsou přizpůsobeny pro dané specifické použití. Nachází se buďto jako zabudované přímo ve snímači nebo v řídicí jednotce. V mnoha případech jsou funkce rozděleny mezi snímačem a řídicí jednotkou. Výhodou integrace obvodů do snímače je ta, že se snímač spolu se zpracováním signálu mohou navzájem kompenzovat a vyvažovat. Zároveň tím vznikne jednotka velice odolná vůči rušení. Pomocí zpracování signálu se převede signál snímače na elektrický signál, který je více vhodný k následnému zobrazení. Zpracováním signálu se dociluje i zvýšení přesnosti, spolehlivosti nebo srozumitelnosti celého měření. K další výhodám patří i vyhlazení frekvenční odezvy senzoru. Lze jej také využít k převodu jednotek. 22

23 Zpracování signálu může být provedeno digitálně nebo analogově. Vzhledem k tomu, že trend v automobilovém průmyslu směřuje k používání plně digitalizovaného přístrojového vybavení je i většina elektrických signálu zpracována pomocí digitálního počítače. [1, 4] Obr. 9 Schéma obecného měřicího řetězce [6] Zesílení signálu Jak je již uvedeno v kapitole 4.1, signál snímače je výhodné převést na elektrický signál. Jedním ze způsobů úpravy signálu je zesílení signálu. Tato úprava zesiluje napěťovou, případně výkonovou úroveň, což je nutné ze dvou základních důvodů. Zesílení signálu eliminuje rušení v řetězci měření. Hlavním důvodem však je zefektivnění zpracování v následujících členech celého měření. K zesílení napěťového signálu jsou určeny měřící zesilovače. Jejich účelem je zesílení pasivních i aktivních analogových výstupních signálů. Při velkém zesílení bylo dříve velmi složité odstranit vznikající šumové napětí a navíc v požadovaném frekvenčním rozsahu. Dnešní digitální zpracování signálu tyto problémy odstraňuje. Moderní zesilovače signálu jsou kromě vlastního zesílení také schopny převodu mezi jednotlivými druhy signálu. Například převod proudového signálu na napěťový a opačně. Se zesilováním signálů úzce souvisí kmitočtové filtry. [6] Kmitočtové filtry Vhodným příkladem počítačově zpracovaného signálu je použití filtru na výstupní signál snímače. Nízkopropustný filtr umožní průchod nízkofrekvenčním signálům, ale zabraňuje průchodu signálům vysokofrekvenčním. Vysokopropustný filtr funguje přesně na opačném principu. Propouští vysokofrekvenční signály a zabraňuje průchod 23

24 signálům nízkofrekvenčním. Frekvenční pásmové filtry umožňují průchod pouze určitému pásmu frekvence. Frekvencím nad a pod tímto pásmem je průchod znemožněn. Analogové filtry používají odporové, kapacitní a induktivní komponenty. V některých případech jsou v těchto filtrech obsaženy i zesilovače. Digitální nízkopropustné a frekvenční pásmové filtry lze naprogramovat tak, aby prováděli téměř shodné funkce jako filtry analogové. [4] Praktické využití digitálního nízkopropustného filtru Digitálního zpracování signálu je velmi atraktivní, protože i jeden počítač může sloužit k zpracování několika různých druhů signálů. Nespornou výhodou je také to, že charakteristika digitálního filtru se dá měnit pouze softwarovou cestou. U analogových filtrů je v tomto případě většinou nutná výměna celých komponent. Na rozdíl od filtrů analogových, digitální filtry nepodléhají vlivům okolního prostředí, jako je teplota nebo vlhkost. Digitální nízkopropustný filtr může být použit například k vyhlazení signálu ze senzoru množství paliva v palivové nádrži automobilu. Snímač množství paliva vytváří elektrický signál, který je úměrný k výšce hladiny paliva v centru nádrže. Při spotřebovávání paliva se bude tento bod měnit. Stejně tak při zatáčení, zrychlování, zpomalování apod. Tím se bude široce měnit i výstupní napětí snímače. Pokud by bylo toto napětí zasláno přímo na palivoměr, výsledný údaj by se měnil velice rychle a jeho čtení řidičem by bylo obtížné a nepřesné. K vyhlazení tohoto signálu lze docílit například tímto způsobem: Mikropočítač, ve kterém je zabudován tento filtr se naprogramuje tak, aby odebíral signál v intervalu jedné sekundy. Po uplynutí jedné minuty se z 60 měření vypočítá průměrná hodnota tohoto vzorku. Ta je uložena mikropočítačem a odeslána k digitálnímu zobrazení. Po naměření nového vzorku je starý vzorek vymazán. Počítač tedy uchovává v paměti pouze poslední aktuální vzorek. [4] 24

25 4.1.3 Konverze vstupního a výstupního signálu V případě následného digitálního zpracování signálu, musí být všechny analogové vstupy převedeny do digitálního formátu a to za použití A/D převodníků. Digitální vstupy jsou samozřejmě již v požadovaném formátu. Převod z analogového do digitálního formátu (nebo obráceně) vyžaduje vždy určitou dobu, která je primárně ovlivněna rychlostí převodníku. V případě že tedy známe hodnotu analogového průběhu signálu, který chceme digitalizovat, je nutné provést diskretizaci časového průběhu původního signálu. To znamená, že se signál bude vzorkovat po určité časové periodě. Dále je nutná kvantizace, kdy se provede amplitudová diskretizace signálu. Po skončení převodu je digitální výstup z A/D převodníku co nejblíže aproximován k hodnotě analogového napětí a to s využitím binárních čísel a poté je digitální výstup převeden do registru v počítači. Pokud má být tento digitální výstup zobrazen digitálně, může být zobrazen přímo bez nutnosti dalšího převodu. Jestliže chceme tento digitální výstup zobrazit analogově, je nutné převést binární číslo na odpovídající analogový signál pomocí D/A převodníku. [4, 6] 5 DATOVÉ SBĚRNICE Vývoj v automobilovém průmyslu vede k neustálému zlepšování v oblasti bezpečnosti, pohodlí, výkonu, celkové výbavy vozu a v neposlední řadě také ekologie provozu a to se snahou o zachování příznivé ceny pro koncového zákazníka. Část těchto požadavků lze vyřešit použitím většího množství elektroniky. S nárůstem použité elektroniky v automobilu ale nepříznivě vzrůstá i množství a složitost kabeláže. U konvenčního elektrického vybavení motorového vozidla představovala potřebná kabelová montáž velice rozsáhlou a propletenou síť, která dosahovala celkové délky až několika kilometrů. Sběrnicová multikomplexní koncepce šetří kabelový materiál, počet pohyblivých a zástrčkových dílů. Tím se zvyšuje spolehlivost celkového systému. [5] 25

26 5.1 Sériová sběrnice CAN Tento sériový komunikační protokol byl původně vyvinut firmou Bosch a je používán v automobilech od roku Controller Area Network je speciální typ lineární sběrnice, ve které je tok dat řešen sériově po jednom společném vedení. Přístup ke sběrnici mají všichni její účastníci. Díky propojení do sítě může na jednom vedení sběrnice probíhat několik datových komunikací a data lze načítat i vícekrát. Toto zapojení má i bezpečnostní výhody. Při výpadku jednoho účastníka je sběrnice stále přístupná a použitelná pro zbývající fungující účastníky a nedojde tak k celkovému selhání. Mezi připojované stanice patří řídící a zobrazovací jednotky, snímače nebo akční členy, které pracují na principu Multi-Master. To znamená, že všechny zúčastněné stanice mají stejná rovnocenná přístupová práva a není nutné použít nadřízenou správu. Typické přenosové rychlosti sběrnice CAN se pohybují v rozmezí od 125 kbit s -1 do 1 Mbit s -1 v závislosti na místě použití. [5] Základní součásti sběrnice CAN Sběrnice se skládá z jednoho řadiče, jednoho vysílače, dvou ukončení a dvou vedení datové sběrnice. Řadič přijímá od mikropočítače v řídící jednotce data, která mají být poslána. Řadič je poté připraví a pošle je vysílači. Současně však i data od vysílače přijímá. Ty jsou po přípravě předány dále mikropočítači v řídící jednotce. Vysílač je zároveň vysílačem i přijímačem, který mění data od řadiče v elektrické signály. Stejně tak přijímá elektrické signály, které mění na data pro řadič. Datová sběrnice je ukončena odpory. Odpory zabraňují už jednou poslaným datům jejich navrácení z konců sběrnice zpět. Tím by docházelo ke zkreslování nových dat. Vedení datové sběrnice je bidirekcionální a umožňuje tok dat oběma směry. [5] 26

27 5.1.2 Adresování sběrnice CAN Informace u sběrnice CAN jsou adresovány nikoli podle znaků, ale podle jejich obsahu. Každá informace má pevně přidělený identifikátor, který označuje obsah této informace. Identifikátor také rozhoduje o prioritě přednosti, kterou informace při odesílání má. Nejvyšší prioritu má nejnižší binární číslo a naopak. Priorita informace je odvozena například z rychlosti změny obsahu nebo z hlediska bezpečnostního. Zároveň nemůže nastat situace, kdy by měly dvě informace stejnou prioritu. Ve zprávě vysílané po sběrnici není obsažena žádná informace o cílovém uzlu. Zprávy jsou přijímány všemi připojenými uzly ke sběrnici. Protokol CAN zajišťuje, aby na základě přiřazeného identifikátoru přijímal zprávy pouze uzel, kterého se vyslaná zpráva týká. [5] Obr. 10 Možnosti zapojení jednotlivých zařízení [7] 1 Řídicí jednotka, 2 Zařízení 5.2 Datové sběrnice SCP a ACP V případě sběrnice typu Standart Corporate Protocol a Audio Control Protocol jsou všechna data spolu s informacemi ukládány do článku a to dle své funkce. Takovýto balík se skládá z dat v přesně definovaném pořadí bitů, které se sekvenčně přenáší. Na provádění jedné funkce se může podílet několik řídicích jednotek, protože všechny jejich uzly mají stejné oprávnění k přístupu dat. Jako v případě CAN i zde platí, že nejprve je doručena zpráva s nejvyšší vahou. Důležitost zprávy je definována během vývoje systému a je softwarově uložena do protokolů v řídicích jednotkách. Ke každé odeslané zprávě je vyžadováno nejméně jedno platné zpětné hlášení. 27

28 Sběrnice ACP je velice podobná sběrnici SCP. Má však jednoduší protokol, protože je určena výhradně pro audio-aplikace a telefonní systémy v automobilu. [5] 5.3 Datová sběrnice LIN Sběrnice Local Interconnect Network byla vytvořena v roce 1999 ve spolupráci sedmi firem. Jedná se o otevřený sériový standard automobilové sběrnice. Hlavním cílem bylo vytvoření několikanásobně levnější sběrnice, která by byla schopná vhodně doplnit sběrnici CAN zejména na místech, kde není potřeba rychlost a bezpečnost sběrnice CAN. Mezi typické aplikace patří řízení dveří, oken, zrcátek, zámků, střešních oken, sedaček, stěračů a jiné. Konfigurace sítě LIN se skládá z jedné jednotky master a jedné či více jednotek slave. Jednotka master řídí celý provoz na síti. Síť LIN je zavedena pouze jedním vodičem. Není potřeba speciálních řadičů, takže požadavky splní běžný jednočipový řadič. Tyto faktory snižují náklady na realizaci. Jde o sběrnici nízkorychlostní. Přenosové rychlosti se pohybují do 20 kbit s -1 [5] Rámec zprávy sběrnice LIN Centrální master jednotka komunikuje s několika slave jednotkami. Master jednotka koordinuje přenos na sběrnici a poskytuje datovým signálům přesnou synchronizaci se slave jednotkami. Komunikace probíhá pomocí rámce LIN zprávy. Tento rámec se dále dělí na dva menší rámce message header (hlavička zprávy) a message response (odpověď na zprávu). Message header je vyslán vždy pouze jednotkou master. Message response může být vyslán jednotkou slave i master. Mezi oběma rámci se nachází mezera s variabilní délkou tzv. response time. Je to čas uplynulý od přijmutí žádosti jednotkou slave od jednotky master, až po vyslání odpovědi. [5] 28

29 Obr. 11 Rámec zprávy sběrnice LIN [8] Obr. 12 Směr komunikace Master-Slave [5] 1 Jednotka master, 2 Jednotka slave 5.4 Datová sběrnice MOST Media Oriented System Transport sběrnice byla vyvinuta z důvodu neustále vzrůstající komplexnosti palubní sítě, zejména její audiovizuální části. Jde o optickou vysokorychlostní síť se synchronním datovým přenosem. Umožňuje přenos třech různých typů dat. Konkrétně to jsou data synchronní, mezi které spadají audio a video signály, dále pak asynchronní, mezi které patří například obrázky a zprávy a nakonec data řídicí. V tomto případě byla zvolena kruhová topologie obsahující až 64 síťových uzlů. Princip činnosti je podobně jako v případě CAN založena na jednotkách master a slave s tím rozdílem, že pozici master jsou schopny plnit všechny uzly. Jako master se chová nejčastěji nejlépe vybavená řídicí jednotka. Výhodou této sběrnice je standart plug-and-play, díky kterému lze snadno připojit novou jednotku do vhodného místa v kruhu a to bez softwarových či hardwarových zásahů. 29

30 Kruhová topologie má ale i své nevýhody. V případě, že dojde k poruše nebo výpadku na jednom uzlu, hrozí rozpad komunikace v celém systému. Z tohoto důvodu je sběrnice opatřena dvěma záchrannými procedurami, které se snaží alespoň o zmírnění problémů v případě nečekaných poruch. Pokud je komunikace narušena poruchou jednoho z uzlů, dojde na tomto uzlu k přemostění a tento uzel dál do komunikace na sběrnici nezasahuje. V případě že dojde k mechanické poruše samotného optického vlákna, komunikace nevyhnutelně zaniká a následuje diagnostika sítě. Ta má za úkol zjistit, ve kterém místě trasy k poruše došlo. [5] Struktura funkčního modelu MOST Model vychází z referenčního modelu ISO/OSI a je složen celkem ze čtyř vrstev. 1) Fyzická vrstva skládá se z optického vlákna a vysílače/přijímače signálu. 2) Systémové služby nízké vrstvy řízena vysílačem/přijímačem MOST, který představuje jádro komunikace celého systému. 3) Systémové služby základní vrstvy funkce této vrstvy jsou realizovány pomocí mikrokontroléru příslušné řídící jednotky. Mikrokontrolér má za úkol inicializaci komunikace, diagnózu poruch a podobně. 4) Aplikační vrstva specifický hardware řídicí jednotky. [5] Referenční model ISO/OSI 7 Aplikační vrstva 6 Prezentační vrstva 5 Relační vrstva 4 Transportní vrstva 3 Síťová vrstva Tab. 2 Struktura MOST [5] Funkční model MOST 4 Aplikační vrstva 3 Systémové služby základní vrstvy 2 Spojová vrstva 2 Systémové služby nízké vrstvy 1 Fyzická vrstva 1 Fyzická vrstva 30

31 5.5 Datová sběrnice FlexRay Standart FlexRay byl vyvinut pro aplikaci ve vozidlech na místech, jako jsou řízení (Steer-by-Wire) a brzdění (Brake-by-Wire). Účelem je nahradit hydraulickou vazbu při brzdění a řízení za pomoci vodičů. Jde o systém s velmi přesným časováním, řízením a ochranou proti různým druhům chyb, které se mohou v těchto systémech případně objevit. FlexRay je moderní, vysokorychlostní sběrnice využívající dvoukanálové struktury. Je tedy vhodná pro kritické aplikace z hlediska bezpečnosti, jako jsou právě brzdové systémy. Datová propustnost je v tomto případě až 10 Mbit s -1. Tento protokol je používán zejména v novějších automobilech značky BMW, kde má na starosti systémy jízdní stability, řízení a bezpečnosti. FlexRay nabízí široké možnosti propojení z pohledu topologie. Lze vytvořit propojení od bodu k bodu, pasivní sběrnicovou topologii a pasivní i aktivní hvězdu. Tyto typy propojení lze mezi sebou kombinovat. Sousedící jednotky mohou být od sebe vzdáleny až na vzdálenost 24 m. Tímto lze vytvořit celou řadu clusterů. [5, 9] Obr. 13 Propojení jednotlivých typů sběrnic ve vozidle [9] 1 Jízdní dynamika, 2 Podpora řidiče, 3 Hnací ústrojí, 4 Zábavní systémy, 5 Karoserie, 6 Pasivní bezpečnost, 7 Centrální přístupový bod vozidla 31

32 6 SENZOROVÉ CLUSTERY Senzorový cluster neboli sdružený snímač je elektronické zařízení, které kombinuje jednotlivé funkce více snímačů do jednoho modulu. První firmou, která započala sériovou výrobu a následnou aplikaci ve vozidlech byla firma Bosch. Použití senzorových clusterů je typickým znakem bezpečnostního systému Electronic Stability Program. [10] 6.1 Sdružený snímač DRS MM5 Jedná se o novou verzi sdruženého snímače. Jeho velikost se oproti staršímu předchůdci DRS MM3 snížila o 60 %. Výhodou je také kompatibilnost se starším předchůdcem. Zmenšení velikosti modulu usnadňuje zejména integraci ve vozidle. Tento modul snímá ve vozidle rychlost stáčení kolem svislé osy, příčné a podélné zrychlení. Data jsou předávána bezpečnostním a asistenčním systémům. Kvalita signálu splňuje vysoké požadavky na dynamiku a přesnost. Takovéto požadavky jsou vyžadovány zejména u systémů jako je Electronic Stability Program (ESP) nebo u systémů podpory pro rozjíždění v kopci Hill Hold Control. K měření jsou využity prvky s povrchovou mikromechanikou. Senzory měřící rychlost stáčení zde využívají Coriolisův efekt. Vysoká rezonanční frekvence 15 khz spolu s uzavřenými okruhy pohonu a vyhodnocení napomáhají k odolnosti vůči mechanickým poruchám. Zrychlení je vyhodnocováno v závislosti na kapacitní změně v mikromechanické struktuře. Digitální zpracování signálu je přizpůsobeno použité šířce pásma signálu, čímž je redukován šum. Kromě toho je v modulu také zabudována koncepce sledování a bezpečnosti. [10] 32

33 Obr. 14 Senzorový cluster DRS MM5 [10] 6.2 Řídicí jednotka airbagů AB plus Spolu s airbagy se ESP stává standardním vybavením mnoha novějších automobilů dnešní doby. Jak už samotný název napovídá, AB plus v sobě kombinuje funkci řídící jednotky airbagů spolu se senzorovým clusterem ESP. Takovéto uspořádání ještě více snižuje nároky na prostor k montáži a v neposlední řadě také koncovou cenu pro zákazníka. Do řídící jednotky AB plus lze dále integrovat kompletní sadu snímačů, měřící uhlové rychlosti a zrychlení ve všech třech osách. Tato jednotka je kromě těchto funkcí schopna spolupráce se systémy aktivního řízení podvozku. Je také využívána k detekci přední, boční a zadní kolize. V případě pokročilejší verze AB plus enhanced umožňuje tato jednotka detekci převrácení vozidla a také podporu pasivních systémů bezpečnosti pro ochranu chodců. [11] Obr. 15 Řídicí jednotka AB plus [11] 33

34 7 ZÁVĚR V této bakalářské práci jsem se snažil sestavit ucelený přehled senzorové techniky používané v dnešních vozidlech, zejména pak v osobních automobilech a popsat činnost jednotlivých členů v tomto rozsáhlém řetězci a to od snímačů snímající fyzikální veličiny, přes zpracování signálu, až po sběrnice, které tyto důležité data shromažďují a předávají je jednotlivým řídícím jednotkám. Senzorová technika je v automobilovém průmyslu odvětvím, ve kterém je vývoj v neustálém pohybu. To je zapříčiněno zejména stále se zpřísňujícími emisními normami a požadavky na bezpečnost cestujících a jejich pohodlí. Důležitou roli zde hraje mikromechanická a mikropočítačová technika, která umožňuje nejen zmenšování rozměrů snímačů, ale také zpřesňování celého měření jednotlivých fyzikálních veličin. S narůstajícím počtem používané elektroniky v automobilech narůstá i objem přenášených dat. Dnešní nejnovější sběrnice dosahují přenosové rychlosti okolo 10 Mbit s -1 a využívají k tomu moderní technologie, jako jsou optické vlákna apod. Pokročilé bezpečnostní systémy se stávají stále častějšími položkami už v základní výbavě nových vozidel. Je proto z hlediska potřebného prostoru a výrobních nákladů vhodné tyto systémy integrovat do jednoho modulu, tzv. clusteru. Použití senzorových clusterů je typickým znakem bezpečnostních systémů jako je například ESP. Řada zemí usiluje o zavedení toho systému jako součást povinné výbavy všech automobilů. Vzhledem k těmto faktům, lze očekávat další podporu vývoje právě v této oblasti. 34

35 8 POUŽITÁ LITERATURA [1] KAMPÁN T., 2003: Snímače v motorových vozidlech. Robert Bosch, Praha, 148 s. [2] VLK F., 2002: Elektronické systémy motorových vozidel: Díl 1. František Vlk, Brno, 298 s. [3] VLK F., 2006: Automobilová elektronika: Systémy řízení motoru a převodů 3. František Vlk, Brno, 355 s. [4] RIBBENS W., 2003:Understanding Automotive Electronics. Elsevier Science, USA, 470 s. [5] VLK F., 2006: Automobilová elektronika: Systémy řízení podvozku a komfortní systémy 2. František Vlk, Brno, 308 s. [6] Čupera J., Štěrba P., 2010: Automobily 7 Diagnostika motorových vozidel I. Avid, Brno, 195 s. [7] Ni.com., 2011: Controller Area Network (CAN) Overview [online]. [8] Ni.com., 2011: Introduction to the Local Interconnect Network (LIN) Bus [online]. [cit ]. Dostupné na: < [9] Vojáček A., 2007: Hw.cz Použití komunikace FlexRay a integrované řadiče Freescale. [online] [cit ]. Dostupné na: [10] Roman P., 2010: Nový sdružený snímač DRS MM5 společnosti Bosch pro systémy řízení dynamiky jízdy [online]. [cit ]. Dostupné na: < [11] Bosch.cz., 2010: AB plus Airbag kontrol unit with integrated inertial sensor [online]. [cit ]. Dostupné na: [cit ]. Dostupné na: < < < _4/ab_plus_datenblatt_2010_de.pdf> 35

36 9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Snímač škrticí klapky Obr. 2 Aktivní snímač otáček Obr. 3 Piezoelektrický snímač klepání KS Obr. 4 Měřící buňka snímače tlaku - schéma Obr. 5 Mikromechanický snímač tlaku s referenčním vakuem na straně struktury Obr. 6 Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem Obr. 7 Vyhřívaná tyčová lambda sonda Obr. 8 Snímač teploty chladicí kapaliny Obr. 9 Schéma obecného měřicího řetězce Obr. 10 Možnosti zapojení jednotlivých zařízení Obr. 11 Rámec zprávy sběrnice LIN Obr. 12 Směr komunikace Master-Slave Obr. 13 Propojení jednotlivých typů sběrnic ve vozidle Obr. 14 Senzorový cluster DRS MM Obr. 15 Řídicí jednotka AB plus