Como funcionam os computadores para automóveis

O computador de um Ford Ranger

Antes de as leis de emissões serem promulgadas, era possível construir um motor de carro sem microprocessadores. Com a promulgação de leis de emissões cada vez mais rígidas, esquemas de controle sofisticados foram necessários para regular a mistura ar / combustível de forma que o conversor catalítico pudesse remover grande parte da poluição do escapamento. (Veja Como funcionam os conversores catalíticos para mais detalhes.)

Controlar o motor é o trabalho que mais exige processamento em seu carro, e o unidade de controle do motor (ECU) é o computador mais poderoso da maioria dos carros. A ECU usa controle de malha fechada, um esquema de controle que monitora as saídas de um sistema para controlar as entradas de um sistema, gerenciando as emissões e a economia de combustível do motor (bem como uma série de outros parâmetros). Coletando dados de dezenas de sensores diferentes, a ECU sabe de tudo, desde a temperatura do refrigerante até a quantidade de oxigênio no escapamento. Com esses dados, ele executa milhões de cálculos a cada segundo, incluindo a pesquisa de valores em tabelas, o cálculo dos resultados de longas equações para decidir o melhor tempo de ignição e a determinação de quanto tempo o injetor de combustível fica aberto. A ECU faz tudo isso para garantir as emissões mais baixas e a melhor quilometragem. Veja Como funcionam os sistemas de injeção de combustível para obter mais detalhes sobre o que a ECU faz.

Os pinos neste conector fazem interface com sensores e dispositivos de controle em todo o carro.

Uma ECU moderna pode conter um processador de 32 bits e 40 MHz. Isso pode não parecer rápido em comparação com o processador de 500 a 1.000 MHz que você provavelmente tem em seu PC, mas lembre-se de que o processador em seu carro está executando um código muito mais eficiente do que o de seu PC. O código em uma ECU média ocupa menos de 1 megabyte (MB) de memória. Em comparação, você provavelmente tem pelo menos 2 gigabytes (GB) de programas em seu computador - isso é 2.000 vezes a quantidade em um ECU.

-O processador é empacotado em um módulo com centenas de outros componentes em uma placa de circuito multicamadas. Alguns dos outros componentes da ECU que suportam o processador são:

• Conversores analógico para digital - Esses dispositivos leem as saídas de alguns dos sensores do carro, como o sensor de oxigênio. A saída de um sensor de oxigênio é uma voltagem analógica, geralmente entre 0 e 1,1 volts (V). O processador só entende números digitais, então o conversor analógico-digital muda essa tensão para um número digital de 10 bits.
• Saídas digitais de alto nível - Em muitos carros modernos, a ECU acende as velas, abre e fecha os injetores de combustível e liga e desliga o ventilador de refrigeração. Todas essas tarefas requerem saídas digitais. Uma saída digital está ligada ou desligada - não há meio-termo. Por exemplo, uma saída para controlar o ventilador de resfriamento pode fornecer 12 V e 0,5 amperes para o relé do ventilador quando está ligado e 0 V quando está desligado. A própria saída digital é como um relé. A pequena quantidade de energia que o processador pode produzir energiza o transistor na saída digital, permitindo que ele forneça uma quantidade muito maior de energia para o relé da ventoinha de resfriamento, que por sua vez fornece uma quantidade ainda maior de energia para a ventoinha.
• Conversores digital para analógico - Às vezes, a ECU precisa fornecer uma saída de tensão analógica para acionar alguns componentes do motor. Como o processador da ECU é um dispositivo digital, ele precisa de um componente que possa converter o número digital em uma tensão analógica.
• Condicionadores de sinal - Às vezes, as entradas ou saídas precisam ser ajustadas antes de serem lidas. Por exemplo, o conversor analógico-digital que lê a tensão do sensor de oxigênio pode ser configurado para ler um sinal de 0 a 5 V, mas o sensor de oxigênio emite um sinal de 0 a 1,1 V. Um condicionador de sinal é um circuito que ajusta o nível dos sinais que entram ou saem. Por exemplo, se aplicássemos um condicionador de sinal que multiplicasse a voltagem proveniente do sensor de oxigênio por 4, obteríamos um sinal de 0 a 4,4 V, o que permitiria ao conversor analógico-digital ler a voltagem com mais precisão (veja Como funciona a gravação analógica e digital para mais detalhes).
• Chips de comunicação - Esses chips implementam os vários padrões de comunicação usados ​​nos carros. Existem vários padrões usados, mas aquele que está começando a dominar as comunicações dentro do carro é chamado PODE (rede da área do controlador). Este padrão de comunicação permite velocidades de comunicação de até 500 kilobits por segundo (Kbps). Isso é muito mais rápido do que os padrões mais antigos. Essa velocidade está se tornando necessária porque alguns módulos comunicam dados no barramento centenas de vezes por segundo. O barramento CAN se comunica usando dois fios.

Na próxima seção, vamos dar uma olhada em como os padrões de comunicação tornaram mais fácil projetar e construir carros.

A porta de diagnóstico de uma minivan Toyota

-Outro benefício de ter um barramento de comunicação é que cada módulo pode comunicar falhas a um módulo central, que armazena as falhas e pode comunicá-las a uma ferramenta de diagnóstico off-board.

Isso pode tornar mais fácil para os técnicos diagnosticar problemas com o carro, especialmente problemas intermitentes, que são notórios por desaparecerem assim que você leva o carro para reparos.

BATauto.com: Páginas de informações técnicas lista os códigos de falha armazenados na ECU para vários fabricantes de automóveis. Às vezes, os códigos podem ser acessados ​​sem uma ferramenta de diagnóstico. Por exemplo, em alguns carros, saltando dois dos pinos no conector de diagnóstico e, em seguida, girando a chave de ignição para funcionar, a luz "verificar motor" piscará em um determinado padrão para indicar o número do código de falha armazenado na ECU.

Vamos dar uma olhada em como os microprocessadores e os padrões de comunicação tornaram os carros mais fáceis de construir.

Os computadores no painel são facilmente vistos pelos motoristas. PredragKezic / ThinkStock

-Ter padrões de comunicação tornou o projeto e a construção de carros um pouco mais e-asier. Um bom exemplo dessa simplificação é o painel de instrumentos do carro.

o painel de instrumentos reúne e exibe dados de várias partes do veículo. A maior parte desses dados já é usada por outros módulos do carro. Por exemplo, a ECU conhece a temperatura do líquido de arrefecimento e a rotação do motor. O controlador da transmissão conhece a velocidade do veículo. O controlador do sistema de travagem antibloqueio (ABS) sabe se há um problema com o ABS.

Todos esses módulos simplesmente enviam esses dados para o barramento de comunicação. Várias vezes por segundo, a ECU enviará um pacote de informações que consiste em um cabeçalho e os dados. O cabeçalho é apenas um número que identifica o pacote como uma leitura de velocidade ou temperatura, e os dados são um número correspondente a essa velocidade ou temperatura. O painel de instrumentos contém outro módulo que sabe procurar por certos pacotes - sempre que vê um, ele atualiza o medidor ou indicador apropriado com o novo valor.

A maioria dos fabricantes de automóveis compra os conjuntos de instrumentos totalmente montados de um fornecedor, que os projeta de acordo com as especificações do fabricante. Isso torna o trabalho de projetar o painel de instrumentos muito mais fácil, tanto para a montadora quanto para o fornecedor.

É mais fácil para a montadora dizer ao fornecedor como cada medidor será acionado. Em vez de ter que dizer ao fornecedor que um determinado fio fornecerá o sinal de velocidade, e será uma tensão variável entre 0 e 5 V e 1,1 V corresponde a 30 mph, a montadora pode apenas fornecer uma lista dos pacotes de dados . Então, é responsabilidade da montadora garantir que os dados corretos sejam enviados ao barramento de comunicação.

É mais fácil para o fornecedor projetar o painel de instrumentos porque ele não precisa saber nenhum detalhe de como o sinal de velocidade é gerado ou de onde ele vem. Em vez disso, o painel de instrumentos simplesmente monitora o barramento de comunicações e atualiza os medidores quando recebe novos dados.

Esses tipos de padrões de comunicação tornam muito descomplicado para as montadoras terceirizar o projeto e a fabricação de componentes: A montadora não precisa se preocupar com os detalhes de como cada medidor ou luz é acionado, e o fornecedor que fabrica o painel de instrumentos não não tenho que se preocupar com a origem dos sinais.

-C-lusters agora estão sendo usados ​​em uma escala menor para sensores. Por exemplo, um sensor de pressão tradicional contém um dispositivo que emite uma tensão variável, dependendo da pressão aplicada ao dispositivo. Normalmente, a saída de tensão não é linear, depende da temperatura e é uma tensão de baixo nível que requer amplificação.

Alguns fabricantes de sensores estão fornecendo um sensor inteligente que é integrado com todos os componentes eletrônicos, junto com um microprocessador que permite ler a tensão, calibra-o usando curvas de compensação de temperatura e envia digitalmente a pressão para o barramento de comunicação.

Isso evita que a montadora tenha que saber todos os detalhes sujos do sensor e economiza energia de processamento no módulo, que de outra forma teria que fazer esses cálculos. Isso torna o fornecedor, que é o mais informado sobre os detalhes do sensor, responsável por fornecer uma leitura precisa.

Outra vantagem do sensor inteligente é que o sinal digital que viaja pelo barramento de comunicação é menos suscetível a ruído elétrico. Uma tensão analógica viajando através de um fio pode pegar uma tensão extra quando passa por certos componentes elétricos, ou mesmo de linhas de energia aéreas.

Barramentos de comunicação e microprocessadores também ajudam a simplificar a fiação através multiplexação. Vamos dar uma olhada em como eles fazem isso.

Portas com muitos interruptores estão se tornando cada vez mais comuns.

-A multiplexação é uma técnica que pode simplificar a fiação em um carro. Em carros mais antigos, os fios de cada interruptor vão para o dispositivo que eles alimentam. Com mais e mais dispositivos ao comando do motorista a cada ano, multiplexação é necessário para evitar que a fiação fique fora de controle. Em um sistema multiplexado, um módulo contendo pelo menos um microprocessador consolida entradas e saídas para uma área do carro. Por exemplo, os carros que têm muitos controles na porta podem ter um módulo para a porta do motorista. Alguns carros têm vidros elétricos, espelho elétrico, trava elétrica e até controles de assento elétrico na porta. Seria impraticável colocar pela porta o grosso feixe de fios que viria de um sistema como esse. Em vez disso, o módulo da porta do motorista monitora todos os interruptores.

Funciona assim: se o motorista pressiona o interruptor da janela, o módulo da porta fecha um relé que fornece energia para o motor da janela. Se o motorista pressiona o botão para ajustar o espelho do lado do passageiro, o módulo da porta do motorista envia um pacote de dados para o barramento de comunicação do carro. Este pacote informa um módulo diferente para energizar um dos motores do espelho elétrico. Desta forma, a maioria dos sinais que saem da porta do motorista são consolidados nos dois fios que formam o barramento de comunicação.

O desenvolvimento de novos sistemas de segurança também aumentou o número de microprocessadores nos carros. Falaremos sobre isso na próxima seção.

-Na última década, vimos sistemas de segurança como ABS e airbags se tornarem comuns nos carros. Outros recursos de segurança, como sistemas de controle de tração e estabilidade, também estão começando a se tornar comuns. Cada um desses sistemas adiciona um novo módulo ao carro, e esse módulo contém vários microprocessadores. No futuro, haverá cada vez mais desses módulos em todo o carro, à medida que novos sistemas de segurança forem adicionados.

Cada um desses sistemas de segurança requer mais poder de processamento e geralmente é embalado em seu próprio módulo eletrônico. Mas não termina aí. Nos próximos anos, teremos todos os tipos de novos recursos de conveniência em nossos carros, e cada um deles requer mais módulos eletrônicos contendo vários microprocessadores.

Parece que não há limite para a quantidade de tecnologia que os fabricantes de automóveis colocarão em nossos carros. A adição de todos esses recursos eletrônicos é um dos fatores que levam os fabricantes de automóveis a aumentar a tensão do sistema nos carros do sistema atual de 14 V para um sistema de 42 V. Isso ajudará a fornecer a energia extra que esses módulos exigem.

Para mais informações sobre computadores automotivos e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.

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