Introduktion till fordonselektronik ET054G. Föreläsning 10

Transkript

1 Introduktion till fordonselektronik ET54G Föreläsning Introduktion till fordonselektronik Copyright 27 Börje Norlin

2 PC Vart hittar vi mikrodatorsystem? Bilen (tändningen, färddator, bromsar, etc ) TV-spel Mikrovågsugn TV, video Mobiltelefon Trafikljus Etc... 2 Copyright 27 Börje Norlin

3 Vad är en Mikro Processor Det är den centrala delen i en dator eller i ett chip Utför beräkningar Programmerbar (en eller flera gånger) Utför en serie instruktioner, dvs. ett program Världens första dator Scheutz differencemaskin, år 843 Intel 44, den första kommersiella mikro processorn Niagara 8 kärnors processor Copyright 27 Börje Norlin 3

4 John von Neumann I början av 5-talet kommer matematikern von Neumann med iden att separera instruktionssekvensen (programmet) från hårdvaran. Fortran COBOL C/C++ För det kallas han ibland The inventor of software Pga. sin enkelhet att programmera har VN-arkitekturen blivit den dominerande datorarkitekturen ända fram till idag. Dock med vissa modifieringar!!! 4 Elektriska och elektroniska fordonskomponenter Copyright 27 Börje Norlin

5 Von Neumann Arkitekturen Processor Minne Exekveringsenhet ALU Register Både data och instruktioner på samma systembuss IO-enheter BE IR PC Kontroller Kontrollenhet Systembuss Elektriska och elektroniska fordonskomponenter Copyright 27 Börje Norlin 5

6 Minne : $73 (ADD $23,reg) 23: $55 Exekvering i 5-takt Processor Exekveringsenhet ALU Register IO-enheter BE IR PC: Kontroller Kontrollenhet Hämta instr. Avkoda instr. Hämta operand Utför beräkning Skriv resultat 6 Elektriska och elektroniska fordonskomponenter Copyright 27 Börje Norlin

7 Von Neumann maskinen sammanfattning von Neumann arkitekturen har bara en minnesarea (en systembuss) kod exekveras sekventiellt Instruktion i von Neumann arkitekturen utförs enligt följande läs operationsord, avkoda, läs operand, utför op., skriv resultat Enkel arkitektur för datorkonstruktörer, programmerare, kompilatorkonstruktörer Ineffektiv, bara 2% av exekveringstiden används för verklig exekvering (ALU operationer) Mest använda mikroprocessorarkitekturen (dock modifierad) Vad kan göras för att effektivisera denna arkitektur Prefetch, cache, pipelining, branch prediction, DMA CPU Minne I/O Systembuss 7 Elektriska och elektroniska fordonskomponenter Copyright 27 Börje Norlin

8 Harvard arkitekturen En begränsning i von Neumann arkitekturen uppstår i form av styrkonflikter om vi försöker minska antalet kontrollsteg genom att tex införa en pipeline Till exempel om vi samtidigt försöker läsa en operand samtidigt som vi försöker läsa en instruktion. Detta är inte möjligt i von Neumann arkitekturen efter som vi endast har en system buss och inte kan adressera två minnespositioner samtidigt. Copyright 27 Börje Norlin 8

9 Harvard arkitekturen I Harvard arkitekturen är detta löst genom att ha två separata system bussar: En för instruktioner En för data Dvs: Data och instruktioner kan laddas samtidigt, vilket ökar effektiviteten. Innebär fler I/O signaler Dyrare processor Högre effektförbrukning Används internt i moderna 32- bitars mikroprocessorer och så kallade RISC processorer Mer ovanligt externt Programminne CPU Program-systembuss Dataminne Data-systembuss I/O Copyright 27 Börje Norlin 9

10 Databussar En databuss består av ett antal ledningar. Där alla ledningar är kopplade till ett flertal moduler. Varje modul har en enskild uppgift. T.ex. motorstyrenheten och ABS-styrenheten I fordon har man ett buss-system kallat CAN (Controller Area Network) CAN är en seriell busstyp, och kräver mindre antal kablar än en parallell busstyp Copyright 27 Börje Norlin

11 Varför databussystem Seriell dataöverföring Transmitter Receiver Receiver Transmitter Copyright 27 Börje Norlin

12 Varför databussystem Parallell data överföring Receiver Transmitter Parallel data överföring 2 Copyright 27 Börje Norlin

13 Varför databussystem Singelsystem Central styrenhet S A S A S S A A S A S A A S S A Sensorer och komponenter S 3 Copyright 27 Börje Norlin

14 Varför databussystem Fler styrenheter, utbyte av information mellan fler olika system Central styrenheter Fler sensorer och komponenter 4 Copyright 27 Börje Norlin

15 Varför databussystem Fler styrenheter, Ger konflikt mellan olika styrsystem Fler styrenheter Fler sensorer och komponenter STOP Mer kabel och ledningsnät Begränsning av utrymme för installationer 5 Copyright 27 Börje Norlin

16 Varför databussystem CAN nätverk med tre styrenheter 6 Copyright 27 Börje Norlin

17 CAN bus varianter Kedja Stjärna Ring 7 Copyright 27 Börje Norlin

18 CAN-Bus Prioritetsordning ABS/EDS styrdon Automatväxellåda styrdon Motorstyrdon Copyright 27 Börje Norlin

19 CAN-Bus Prioritetsordning Prioritet Data från... Information ABS/EDS styrdon Motorstyrdon Dataprotokoll Nr. Motorstyrdon Dataprotokoll Nr. 2 Styrdon för automatväxellåda - Motorbroms kontrollsignal - Motorvarvtal - Gasspjällsläge - Kickdown - Kylvätsketemperatur - Bilhastighet - Växelväljarläge - Växellåda i nöd-läge - Växling 9 Copyright 27 Börje Norlin

20 Signalöverföring Control unit Control unit 2 Control unit 3 Control unit 4 Provide data Transmit data 2 Copyright 27 Börje Norlin

21 Signalöverföring Control unit Control unit 2 Control unit 3 Control unit 4 Provide data Receive data Transmit data Receive data Receive data 2 Copyright 27 Börje Norlin

22 Signalöverföring Control unit Control unit 2 Control unit 3 Control unit 4 Provide data Check data Check data Check data Receive data Transmit data Receive data Receive data 22 Copyright 27 Börje Norlin

23 Signalöverföring Control unit Control unit 2 Control unit 3 Control unit 4 Accept data Provide data Delete data Accept data Check data Check data Check data Receive data Transmit data Receive data Receive data 23 Copyright 27 Börje Norlin

24 Electromagnetisk Strålning Gammastrålning, Röntgenstrålning, UV-ljus, Synligt ljus, IR-ljus, Mikrovågor, Radiovågor Copyright 27 Börje Norlin 24

25 Elektromagnetisk Strålning EM-strålning är en vågrörelse som fortplantas i tid och rum Utbredningen styrs av Maxwells ekvationer Består av 2 komponenter, elektrisk och magnetisk Alla elektriska apparater ger ut EM-vågor (och kan ta upp) Följer Maxwells ekvation 25 Copyright 27 Börje Norlin

26 EMC EMC ElectroMagnetic Compability Det finns ett regelverk som ställer krav på elektriska komponenters EMC Krav på hur mycket Elektromagnetisk strålning (EMvågor) dom får ge ut Krav på hur mycket EM-strålning dom ska tåla Styrs av EU-direktivet 24/8/EG, direktivet om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). EMC-lagen (SFS 992:52), förordningen (SFS 993:67) och föreskriften (ELSÄK-FS 27:) Copyright 27 Börje Norlin 26

27 EMC Kan orsakas av: Galvanisk koppling Kapasitiv koppling Induktiv koppling Strålning 27 Copyright 27 Börje Norlin

28 EMC Skydd mot EMI i kablar Tvinnade kablar Skärmade kablar Skärmad tvinnad kabel 28 Copyright 27 Börje Norlin

29 Givare En givare (sensor, probe, pickup) kan omvandla en fysisk eller en kemisk storhet till en elektrisk signal. Ex. på fysiska och kemiska storheter: Temperatur, tryck, hastighet, rotationshastighet, vibrationer, syrehalt, CO-koncentration, fukt, kraft, acceleration etc. Ex. på elektriska signaler Ström, spänning, amplituden på ström och spänning, frekvens, fas, pulser, cykler, oscillation, resistans, induktans, kapacitans Copyright 27 Börje Norlin 29

30 Givare Definition av en givare matematiskt Givarens utsignal: E = f(ϕ,y,y2, ) Mätvariabel: ϕ = g(ei,y,y2, ) Där E = energi/kraft Ei = fysisk/kemisk kvantitet Yx = störningar (temperatur, vibrationer, EMC, ) 3 Copyright 27 Börje Norlin

31 Givare 3 Copyright 27 Börje Norlin

32 Givare Man kan dela in en bils givare i 3 områden Funktionella givare/sensorer Tempgivare, tryckgivare, Givare/sensorer för säkerhet ABS-givaren, Larm, Sensorer för övervakning av system OBD (On Board Diagnostic) Bränsleförbrukning, felkontroller, 32 Copyright 27 Börje Norlin

33 Givare Höga krav ställs på givare monterade i en bil, dom ska tåla: Mekanisk stress: Vibrationer, stötar, Klimatet: Från kallaste vintern till hetaste öken, höga temperaturer från motorn Kemisk påverkan: Salt, batterisyra, olja fett, bränsle, EMC: Strålning, lokala strömpulser, överspänningar, Sen ska dom vara billiga att tillverka, hålla en viss standard och ha hög noggrannhet 33 Copyright 27 Börje Norlin

34 Givare Ofta gör man om den analoga signalen i en givare till en digital signal. Då använder man sig av AD-omvandlare. A/D och D/A omvandling Innehåll: Digital-till-analog omvandling Spänningsdelare Viktade resistorer R-2R resistorstege Analog-till-digital omvandling Nivåramp Successiv approximation Flash 34 Copyright 27 Börje Norlin

35 Copyright 27 Börje Norlin Jan Thim 35 Digital till Analog omvandling t t V D/A x V

36 Digital till Analog omvandling Omvandling av det binära talet x till spänningen V. x =. xx2 x3 där x 7/8 2 3 där Eref är en referensspänning. 2 + x2 2 + x3 2 ) E ref Referensspänningen är en skalfaktor V = ( x V (normerat till E ref ) 8/8 7/8 6/8 5/8 Fullt utslag då x= V=7/8 E ref 4/8 3/8 2/8 /8 x Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 36

37 Resistornät för spänningsdelning Princip för D/A med spänningsdelning MSB x x 2 x 3 LSB E ref 7/8 E ref 6/8 E ref 5/8 E ref 4/8 E ref 3/8 E ref 2/8 E ref /8 E ref /8 E ref Analog MUX V = /8 E ref Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 37

38 V = 7R 8R E ref D/A med spänningsdelning R x x 2 x 3 E ref R R R R R R 7/8 E ref 6/8 E ref 5/8 E ref 4/8 E ref 3/8 E ref 2/8 E ref /8 E ref /8 E ref Analog MUX V R Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 38 38

39 x D/A med viktade resistorer R 2R i i F x 2 - V x 3 4R i 2 + 8R i 3 E ref i = i2 = 4 2 i 3 Viktade resistorer ger viktade strömmar som summeras vid OP:n V = ( x 2 + x x ) E ref Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 39

40 D/A med R-2R resistorstege R R i i 2 2R 2R x x V E ref R i 3 2R x 3 Virtuell jordpunkt 2R Oavsett läget på switchen kommer den högra anslutningen kopplas till potentialen V Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 4 4

41 Strömmarna i en R-2R resistorstege E ref i i 2R I varje förgrening delas inkommande ström i två lika stora strömmar R i 2 2R E ref i i 2R 2R 2R//2R = R R 2R i 3 2R 2R R 2R i 2 2R E ref R i Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 4

42 V Analog till Digital omvandling Kvantisering: det analoga värdet tilldelas ett siffervärde t A/D Resultatet är en serie tidsdiskreta värden som är kvantiserade Sampling med konstant frekvens (samplingsfrekvens) Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 42

43 Analog_in A/D-omvandlare nivåramp + V - V DAC < V start styrenhet Vdac_lt_v clear stop start räknare reset enable DA omvandlare x x 2 V DAC clock ready clock x 3 clock X Digital utsignal (3-bitar) Omvandling_klar Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 43

44 Omvandlingstid nivåramp V 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 /8 V DAC Omvandlingen klar: V DAC >V??? Omvandlingstiden varierar: -tiden är kortare för omvandling av små spänningar -Maximal omvandlingstid är: t c = 2 n T clock Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 44 44

45 Styrenhet nivåramp Styrenheten är en tillståndsmaskin Tillståndsgraf start = / clear=; stop=; ready = WAIT CONVERT start = / clear=; stop=; ready = Vdac_lt_V = / clear=; stop=; ready = Vdac_lt_V = / clear=; stop=; ready = Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 45

46 Analog_in A/D-omvandlare successiv approximation + V - V DAC < V Succ. Approx. Reg (SAR) start Vdac_lt_v start DA omvandlare x x 2 V DAC clock ready x 3 clock Omvandling_klar X Digital utsignal (3-bitar) Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 46

47 E REF 8/8 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 Omvandling med succ. approximation V V IN = 5.5/8 / t Det omvandlade talet blev 5/8 E REF Omvadnlingstiden är 4 cykler (n+, där n är antal bitar Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 47

48 Succ. Appr. Register (SAR) En tillståndsmaskin som tar fram ett digitalt tal enligt intervall-halveringsmetod S SAR=2 S SAR=4 / / S2 SAR=6 Format: Vdac_lt_V / ready Om V dac < V: Vdac_lt_V = Annars: Vdac_lt_V = / / / S3 SAR= S4 SAR=3 / / / / S5 SAR=5 S6 SAR=7 / / / / / S7 SAR= S8 SAR=2 S9 SAR=4 S SAR=6 Exempel: omvandling där Det analoga värdet motsvarar det digitala talet Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 48

49 A/D-omvandlare Flash 3/6 E ref - + Avkodare: termometerkod till binärkod Resistornät för spänningsdelning /6 E ref - + Digital utsignal (3-bitar) 9/6 E ref - + 7/6 E ref - + X = E ref 5/6 E ref - + 3/6 E ref - + /6 E ref - + Analog_in /6 E ref Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 49 49

50 Avkodare termometer till binärkod termometerkod Kombinatorisk logik C 7 C X -X 3 C 7 C 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C X 3 X 2 X Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 5 5

51 omvandlingstid -- antal klockcykler Jämförelse Omvandlingstider nivåramp Succ. approx. t c t = 2 c n = n antal bitar t c flash = Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 5

52 Jämförelse komplexitet Nivå-ramp och succ. approximation är av samma komplexitet Flash omvandlaren kräver n- komparatorer för en n- bitars omvandlare Ex. En bitars omvandlare kräver 23 komparatorer Jan Thim Copyright 27 Börje Norlin 52 52