Cómo funcionan las computadoras para automóviles

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La computadora de un Ford Ranger

Antes de que se promulgaran las leyes de emisiones, era posible construir un motor de automóvil sin microprocesadores. Con la promulgación de leyes de emisiones cada vez más estrictas, se necesitaron esquemas de control sofisticados para regular la mezcla de aire / combustible de modo que el convertidor catalítico pudiera eliminar gran parte de la contaminación del escape. (Consulte Cómo funcionan los convertidores catalíticos para obtener más detalles).

Controlar el motor es el trabajo más intensivo del procesador en su automóvil, y el unidad de control del motor (ECU) es la computadora más poderosa en la mayoría de los automóviles. La ECU utiliza control de circuito cerrado, un esquema de control que monitorea las salidas de un sistema para controlar las entradas a un sistema, administrando las emisiones y la economía de combustible del motor (así como una serie de otros parámetros). Recopilando datos de docenas de sensores diferentes, la ECU sabe todo, desde la temperatura del refrigerante hasta la cantidad de oxígeno en el escape. Con estos datos, realiza millones de cálculos cada segundo, incluida la búsqueda de valores en tablas, el cálculo de los resultados de ecuaciones largas para decidir cuál es la mejor sincronización de la chispa y determinar cuánto tiempo está abierto el inyector de combustible. La ECU hace todo esto para garantizar las emisiones más bajas y el mejor kilometraje. Vea cómo funcionan los sistemas de inyección de combustible para obtener más detalles sobre lo que hace la ECU.

Los pines de este conector interactúan con sensores y dispositivos de control en todo el automóvil.

Una ECU moderna puede contener un procesador de 32 bits y 40 MHz. Es posible que esto no suene rápido en comparación con el procesador de 500 a 1,000 MHz que probablemente tenga en su PC, pero recuerde que el procesador de su automóvil ejecuta un código mucho más eficiente que el de su PC. El código en una ECU promedio ocupa menos de 1 megabyte (MB) de memoria. En comparación, probablemente tenga al menos 2 gigabytes (GB) de programas en su computadora; eso es 2,000 veces la cantidad en una ECU.

-El procesador está empaquetado en un módulo con cientos de otros componentes en una placa de circuito de múltiples capas. Algunos de los otros componentes de la ECU que admiten el procesador son:

  • Convertidores de analógico a digital - Estos dispositivos leen las salidas de algunos de los sensores del automóvil, como el sensor de oxígeno. La salida de un sensor de oxígeno es un voltaje analógico, generalmente entre 0 y 1,1 voltios (V). El procesador solo comprende números digitales, por lo que el convertidor de analógico a digital cambia este voltaje a un número digital de 10 bits.
  • Salidas digitales de alto nivel - En muchos autos modernos, la ECU enciende las bujías, abre y cierra los inyectores de combustible y enciende y apaga el ventilador de enfriamiento. Todas estas tareas requieren salidas digitales. Una salida digital está encendida o apagada, no hay intermedios. Por ejemplo, una salida para controlar el ventilador de refrigeración puede proporcionar 12 V y 0,5 amperios al relé del ventilador cuando está encendido y 0 V cuando está apagado. La salida digital en sí es como un relé. La pequeña cantidad de energía que el procesador puede emitir energiza el transistor en la salida digital, lo que le permite suministrar una cantidad mucho mayor de energía al relé del ventilador de enfriamiento, que a su vez proporciona una cantidad aún mayor de energía al ventilador de enfriamiento..
  • Convertidores de digital a analógico - A veces, la ECU tiene que proporcionar una salida de voltaje analógica para impulsar algunos componentes del motor. Dado que el procesador de la ECU es un dispositivo digital, necesita un componente que pueda convertir el número digital en un voltaje analógico.
  • Acondicionadores de señal - A veces, las entradas o salidas deben ajustarse antes de leerse. Por ejemplo, el convertidor de analógico a digital que lee el voltaje del sensor de oxígeno puede configurarse para leer una señal de 0 a 5 V, pero el sensor de oxígeno emite una señal de 0 a 1,1 V. Un acondicionador de señal es un circuito que ajusta el nivel de las señales que entran o salen. Por ejemplo, si aplicamos un acondicionador de señal que multiplique el voltaje proveniente del sensor de oxígeno por 4, obtendríamos una señal de 0 a 4,4 V, lo que permitiría al convertidor analógico a digital leer el voltaje con mayor precisión. (consulte Cómo funciona la grabación analógica y digital para obtener más detalles).
  • Chips de comunicación - Estos chips implementan los diversos estándares de comunicaciones que se utilizan en los automóviles. Se utilizan varios estándares, pero el que está comenzando a dominar las comunicaciones en el automóvil se llama LATA (red del área del controlador). Este estándar de comunicación permite velocidades de comunicación de hasta 500 kilobits por segundo (Kbps). Eso es mucho más rápido que los estándares más antiguos. Esta velocidad se hace necesaria porque algunos módulos comunican datos al bus cientos de veces por segundo. El bus CAN se comunica mediante dos cables.

En la siguiente sección, veremos cómo los estándares de comunicación han facilitado el diseño y la construcción de automóviles..

El puerto de diagnóstico de una minivan Toyota

-Otro beneficio de tener un bus de comunicaciones es que cada módulo puede comunicar fallas a un módulo central, que almacena las fallas y puede comunicarlas a una herramienta de diagnóstico externa..

Esto puede facilitar que los técnicos diagnostiquen problemas con el automóvil, especialmente problemas intermitentes, que son notorios por desaparecer tan pronto como se lleva el automóvil a reparar..

BATauto.com: Las páginas de información técnica enumeran los códigos de falla almacenados en la ECU para varios fabricantes de automóviles. A veces, se puede acceder a los códigos sin una herramienta de diagnóstico. Por ejemplo, en algunos automóviles, al saltar dos de los pines en el conector de diagnóstico y luego girar la llave de encendido para que funcione, la luz de "revisar el motor" parpadeará un patrón determinado para indicar el número del código de falla almacenado en la ECU.

Echemos un vistazo a cómo los microprocesadores y los estándares de comunicaciones han facilitado la construcción de automóviles..

Los conductores pueden ver fácilmente las computadoras en el tablero. PredragKezic / ThinkStock

-Tener estándares de comunicación ha hecho que diseñar y construir automóviles sea un poco más sencillo. Un buen ejemplo de esta simplificación es el cuadro de instrumentos del automóvil..

los Combinación de instrumentos recopila y muestra datos de varias partes del vehículo. La mayoría de estos datos ya los utilizan otros módulos del automóvil. Por ejemplo, la ECU conoce la temperatura del refrigerante y la velocidad del motor. El controlador de la transmisión conoce la velocidad del vehículo. El controlador del sistema de frenos antibloqueo (ABS) sabe si hay un problema con el ABS.

Todos estos módulos simplemente envían estos datos al bus de comunicaciones. Varias veces por segundo, la ECU enviará un paquete de información que consta de un encabezado y los datos. El encabezado es solo un número que identifica el paquete como una lectura de velocidad o temperatura, y los datos son un número correspondiente a esa velocidad o temperatura. El panel de instrumentos contiene otro módulo que sabe buscar ciertos paquetes; cada vez que ve uno, actualiza el medidor o indicador apropiado con el nuevo valor.

La mayoría de los fabricantes de automóviles compran los grupos de instrumentos completamente ensamblados a un proveedor, que los diseña según las especificaciones del fabricante de automóviles. Esto facilita mucho el trabajo de diseñar el panel de instrumentos, tanto para el fabricante de automóviles como para el proveedor..

Es más fácil para el fabricante de automóviles decirle al proveedor cómo se manejará cada indicador. En lugar de tener que decirle al proveedor que un cable en particular proporcionará la señal de velocidad, y será un voltaje variable entre 0 y 5 V, y 1,1 V corresponde a 30 mph, el fabricante de automóviles solo puede proporcionar una lista de los paquetes de datos. . Entonces, es responsabilidad del fabricante de automóviles asegurarse de que se envíen los datos correctos al bus de comunicaciones..

Es más fácil para el proveedor diseñar el panel de instrumentos porque no necesita saber ningún detalle de cómo se genera la señal de velocidad o de dónde proviene. En cambio, el panel de instrumentos simplemente monitorea el bus de comunicaciones y actualiza los medidores cuando recibe nuevos datos..

Estos tipos de estándares de comunicación hacen que sea muy sencillo para los fabricantes de automóviles subcontratar el diseño y la fabricación de componentes: el fabricante de automóviles no tiene que preocuparse por los detalles de cómo se maneja cada indicador o luz, y el proveedor que fabrica el panel de instrumentos no lo hace No tienes que preocuparte de dónde vienen las señales..

-Los C-lusters ahora se utilizan a menor escala para los sensores. Por ejemplo, un sensor de presión tradicional contiene un dispositivo que genera un voltaje variable dependiendo de la presión aplicada al dispositivo. Por lo general, la salida de voltaje no es lineal, depende de la temperatura y es un voltaje de bajo nivel que requiere amplificación..

Algunos fabricantes de sensores están proporcionando un sensor inteligente que está integrado con toda la electrónica, junto con un microprocesador que le permite leer el voltaje, lo calibra usando curvas de compensación de temperatura y envía digitalmente la presión al bus de comunicaciones..

Esto evita que el fabricante de automóviles tenga que conocer todos los detalles sucios del sensor y ahorra potencia de procesamiento en el módulo, que de otro modo tendría que hacer estos cálculos. Hace que el proveedor, que de todos modos está más al tanto de los detalles del sensor, sea responsable de proporcionar una lectura precisa.

Otra ventaja del sensor inteligente es que la señal digital que viaja por el bus de comunicaciones es menos susceptible al ruido eléctrico. Un voltaje analógico que viaja a través de un cable puede generar voltaje adicional cuando pasa por ciertos componentes eléctricos, o incluso de líneas eléctricas aéreas..

Los microprocesadores y buses de comunicación también ayudan a simplificar el cableado mediante multiplexación. Echemos un vistazo más de cerca a cómo hacen esto..

Las puertas con muchos interruptores son cada vez más comunes.

-La multiplexación es una técnica que puede simplificar el cableado de un automóvil. En los automóviles más antiguos, los cables de cada interruptor van hasta el dispositivo que alimentan. Con más y más dispositivos al mando del conductor cada año, multiplexación es necesario para evitar que el cableado se salga de control. En un sistema multiplexado, un módulo que contiene al menos un microprocesador consolida entradas y salidas para un área del automóvil. Por ejemplo, los automóviles que tienen muchos controles en la puerta pueden tener un módulo en la puerta del conductor. Algunos autos tienen ventanas eléctricas, espejos eléctricos, seguros eléctricos e incluso controles de asientos eléctricos en la puerta. No sería práctico sacar por la puerta el grueso haz de cables que vendría de un sistema como este. En cambio, el módulo de la puerta del conductor monitorea todos los interruptores.

Así es como funciona: si el conductor presiona el interruptor de la ventana, el módulo de la puerta cierra un relé que proporciona energía al motor de la ventana. Si el conductor presiona el interruptor para ajustar el espejo del lado del pasajero, el módulo de la puerta del conductor envía un paquete de datos al bus de comunicación del automóvil. Este paquete le dice a un módulo diferente que energice uno de los motores del espejo eléctrico. De esta forma, la mayoría de las señales que salen de la puerta del conductor se consolidan en los dos cables que forman el bus de comunicación..

El desarrollo de nuevos sistemas de seguridad también ha aumentado el número de microprocesadores en los automóviles. Hablaremos de esto en la siguiente sección..

-Durante la última década, hemos visto sistemas de seguridad como ABS y bolsas de aire que se vuelven comunes en los automóviles. Otras características de seguridad, como los sistemas de control de tracción y control de estabilidad, también están comenzando a ser comunes. Cada uno de estos sistemas agrega un nuevo módulo al automóvil, y este módulo contiene múltiples microprocesadores. En el futuro, habrá más y más de estos módulos en todo el automóvil a medida que se agreguen nuevos sistemas de seguridad..

Cada uno de estos sistemas de seguridad requiere más potencia de procesamiento y generalmente está empaquetado en su propio módulo electrónico. Pero no termina ahí. En los próximos años, tendremos todo tipo de nuevas funciones de conveniencia en nuestros automóviles, y cada una de ellas requiere más módulos electrónicos que contengan múltiples microprocesadores..

Parece que no hay límite para la cantidad de tecnología que los fabricantes de automóviles van a incorporar a nuestros automóviles. La adición de todas estas características electrónicas es uno de los factores que impulsa a los fabricantes de automóviles a aumentar el voltaje del sistema en los automóviles desde el sistema actual de 14 V a un sistema de 42 V. Esto ayudará a proporcionar la energía adicional que requieren estos módulos..

Para obtener más información sobre las computadoras del automóvil y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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