هر سال خودروهاي جديد درمقايسه‌با مدل‌هاي پيشين پيچيده‌تر مي‌شوند. بعضي خودروهاي امروزي به‌حدي پيچيده شده‌اند كه به پنجاه ريزپردازنده مجهزند و همين امر سبب شده كه امكان تعمير آن‌ها به‌دست مالكان تا حد زيادي كاهش يابد. در عوض، اين ميزان از پيچيدگي و استفاده از قطعات الكترونيكي تشخيص و رفع ايراد در خودروهاي امروزي را براي متخصصان تسهيل كرده است. با توجه به روند رو‌به‌افزايش ميزان پيچيدگي در خودروها، در اين مقاله قصد داريم دلايل پيچيدگي و نحوه‌ي كار پردازنده‌ها و قطعات الكترونيكي در خودرو را شرح دهيم.
خودروهاي جديد درمقايسه‌با گذشته امن‌تر، پاك‌تر، راحت‌تر و هوشمندترند. پيشرفت در اين زمينه‌ها به‌لطف رشد چشمگير فناوري در عرصه‌ي الكترونيك و توليد پردازنده رقم خورده است. به‌طور خلاصه، دلايل عمده‌ي رشد پيچيدگي در خودروها عبارت‌اند از:
- نياز به كنترل‌هاي پيچيده در پيشرانه براي رعايت استانداردهاي مصرف سوخت و توليد آلاينده
- نياز سيستم‌هاي پيشرفته‌ي عيب‌يابي
- ساده‌سازي توليد و طراحي خودرو
- كاهش سيم‌كشي در خودرو
- نياز به امكانات ايمني و رفاهي جديد
درادامه با مطالعه هريك از اين دلايل، تأثير آن‌ها بر ميزان پيچيدگي خودرو را بيان مي‌كنيم.
كنترل‌هاي پيچيده‌ي پيشرانه
پيش از تصويب قوانين انتشار آلايندگي در خودروها، امكان ساخت پيشرانه بدون نياز به ريزپردازنده وجود داشت. با تصويب قوانين و استانداردهاي بين‌المللي سخت‌گيرانه، نياز به طراحي سيستم‌هاي كنترلي پيچيده براي تنظيم نسبت سوخت و هوا حس شد. سيستم كنترلي تنظيم نسبت سوخت به هوا به كاتاليزور امكان پالايش گازهاي مضر و جلوگيري از ورود آلاينده‌ها به اتمسفر را مي‌دهد.
كنترل پيشرانه سنگين‌ترين و پيچيده‌ترين كار پردازشي و واحد كنترل پيشرانه (ECU) قدرتمندترين واحد پردازنده در خودرو است. ECU از حلقه‌ي كنترلي بسته استفاده مي‌كند كه وظيفه‌ي آن مطالعه خروجي سيستم براي تنظيم ورودي سيستم است كه در اين مورد كنترل گازهاي خروجي از اگزوز و تنظيم مصرف سوخت بهينه است. واحد ECU با جمع‌آوري صدها داده از حسگرهاي مختلف تقريبا از همه‌چيز در خودرو مطلع است. دامنه‌ي اطلاعات ورودي به واحد كنترل پيشرانه از دماي مبرد سيستم تهويه تا ميزان اكسيژن موجود در سيستم اگزوز گسترده است.
واحد كنترل پيشرانه در هر ثانيه ميليون‌ها پردازش روي داده‌هاي موجود انجام مي‌دهد كه مقايسه‌ي داده با مقادير استاندارد، محاسبات پيچيده براي محاسبه‌ي بهترين زمان جرقه‌زني شمع‌ها و محاسبه‌ي مدت بازماندن انژكتور براي پاشش سوخت را شامل مي‌شود. همه‌ي اين كارها تنها براي اطمينان از مصرف سوخت بهينه و رعايت حد استاندارد آلايندگي
هر واحد پردازنده‌ي مدرن از پردازنده‌ي ۳۲ بيتي ۴۰ مگاهرتز تشكيل شده است كه درمقايسه‌با پردازنده‌هاي كامپيوترهاي شخصي بسيار ضعيف به‌انديشه متخصصين مي‌رسد؛ اما بايد بدانيد كه كدهاي موجود در ECU بسيار بهينه‌تر و سبك‌تر از يك پردازنده كامپيوتر شخصي است.
اجزاي واحد كنترل پيشرانه (ECU)
پردازنده‌ي مركزي ECU همراه صدها جزء ديگر روي مداري چندلايه به‌صورت يكپارچه تعبيه شده است. بعضي از اجزاي مهم ECU عبارت‌اند از:
مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال
اين مبدل‌ها وظيفه‌ي بازخواني خروجي حسگرها نظير حسگر اكسيژن و تبديل آن به سيگنالي فهم‌شدني براي پردازنده را برعهده دارند. خروجي حسگرها به‌صورت سيگنالي با ولتاژ ۰ تا ۱/۱ است و به‌دليل آنكه پردازگر فقط مي‌تواند سيگنال‌هاي ديجيتال را بفهمد، مبدل ولتاژ را به رشته عدد‌ي ديجيتال ۱۰ بيتي تبديل مي‌كند.
خروجي ديجيتال سطح بالا
در بسياري از خودروهاي مدرن، واحد كنترل پيشرانه وظيفه‌ي كنترل هم‌زمان شمع‌ها و ميزان پاشش سوخت و فن سيستم خنك‌كاري را برعهده دارد. تمام اين وظايف فقط با سيگنال خروجي ديجيتال امكان‌پذير است. سيگنال ديجيتال به‌صورت روشن يا خاموش تعريف مي‌شود و هيچ حد ميانه‌اي را شامل نمي‌شود. پردازنده با توليد سيگنال خروجي بسيار ضعيف به‌طور مستقيم نمي‌تواند اجزاي خودرو را كنترل كند؛ به‌همين‌دليل، سيگنال خروجي از پردازنده به ترانزيستور موجود در خروجي ديجيتال سطح بالا منتقل مي‌شود و آن را فعال مي‌كند تا با افزايش انرژي سيگنال به سطحي بالاتر، انرژي موردنياز براي كنترل اجزاي مختلف را فراهم كند.
مبدل‌هاي ديجيتال به آنالوگ
همان‌طوركه پيش‌تر اشاره شد، سيگنال خروجي ECU به‌صورت ديجيتال است و سيگنال ورودي به بعضي از اجزاي خودرو بايد به‌صورت آنالوگ باشد؛ ازاين‌رو، مبدل‌هاي ديجيتال به آنالوگ وظيفه‌ي تبديل اين سيگنال‌ها را برعهده دارند.
نويزگير/بهبوددهنده‌ي سيگنال
گاهي براي بهبود قابليت خواندن سيگنال‌هاي ورودي و خروجي بايد تنظيماتي روي آن‌ها انجام شود. براي مثال، مبدل آنالوگ به ديجيتال كه وظيفه‌ي خواندن سيگنال حسگر اكسيژن را برعهده دارد، به‌گونه‌اي طراحي شده كه سيگنال‌هاي بين ۰ تا ۵ ولت را شناسايي كند؛ اما حسگر اكسيژن سيگنال‌هاي بين ۰ تا ۱/۱ ولت توليد مي‌كند. با وجود قرارگيري سيگنال در دامنه‌ي كاري مبدل، بهتر است به‌منظور به‌حداقل‌رساندن خطاي سيستم، به‌كمك بهبوددهنده سيگنال حسگر را تا محدوده‌ي ۰ تا ۴/۴ ولت افزايش دهيم.
چيپ‌هاي ارتباطي
اين چيپ‌ها وظيفه‌ي رعايت انواع استانداردهاي ارتباطي را در خودرو برعهده دارند. درحال‌حاضر، مهم‌ترين استاندارد ارتباطي كه در خودروها رعايت مي‌شود، اجازه مي‌دهد كه سرعت ارتباطات تا ۵۰۰ كيلوبايت‌بر‌ثانيه باشد. اين سرعت درمقايسه‌با گذشته افزايش چشمگيري يافته است؛ چراكه در خودروهاي امروزي سرعت تبادل اطلاعات ميان اجزاي مختلف بسيار ضروري است و برخي اجزا صدها بار در ثانيه اطلاعات را به گذرگاه‌هاي ارتباطي ارسال مي‌كنند.
سيستم‌هاي پيشرفته‌ي عيب‌يابي
يكي از مزاياي مهم استفاده از گذرگاه‌هاي ارتباطي در خودروها امكان انتقال پيام بروز خطا به‌واسطه‌ي هر بخش از خودرو به ماژول مركزي است. ماژول مركزي با ذخيره‌ي خطاهاي مخابره‌شده امكان بازيابي آن‌ها به‌كمك دستگاه دياگ را فراهم مي‌كند. اين فناوري باعث تسهيل عيب‌يابي در مواقعي مي‌شود كه ايراد به‌صورت متناوب بروز مي‌كند؛ مثلا صدايي كه گاهي و در شرايطي خاص از پيشرانه به گوش مي‌رسد.
ساده‌سازي توليد و طراحي خودرو
داشتن استاندارد ارتباطي در خودروها سبب تسهيل فرايند طراحي و توليد خودرو شده است. براي توضيح اين موضوع ساده‌سازي طراحي و توليد صفحه‌ي كيلومترشمار را مطالعه مي‌كنيم. صفحه‌ي كيلومترشمار كه در خودروهاي مدرن به‌صورت كاملا ديجيتال درآمده است، وظيفه‌ي جمع‌آوري و نمايش اطلاعات را برعهده دارد. ساير بخش‌هاي خودرو از بيشتر اطلاعات ارائه‌شده‌ي اين نمايشگر به‌طور لحظه‌اي استفاده مي‌كنند. براي مثال، واحد كنترل پيشرانه (ECU) به‌طور لحظه‌اي از سرعت پيشرانه و دماي مبرد موجود در سيستم خنك‌كاري خودرو آگاه است. كنترل‌كننده‌ي سيستم انتقال قدرت نيز از سرعت لحظه‌اي خودرو و كنترل‌كننده‌ي سيستم ترمز ضدقفل از ايرادات موجود در اين سيستم اطلاع دارد.
همه‌ي اين اجزا تمام اطلاعات خود را به گذرگاه ارتباطي ارسال مي‌كنند. واحد كنترل پيشرانه نيز چندبار در ثانيه مجموعه‌اي از داده‌ها را به اين گذرگاه ارسال مي‌كند كه حاوي دسته‌بندي و اطلاعات است. هر بخش از خودرو داده‌هاي مربوط به خود را تشخيص مي‌دهد و دريافت مي‌كند و براساس دستورها ECU تغييرات لازم را اعمال مي‌كند. در اين ميان، كيلومترشمار با دريافت اطلاعات خاصي كه بايد به نمايش بگذارد، به‌طور لحظه‌اي وضعيت اطلاعات موردنياز راننده را تغيير مي‌دهد.
بيشتر خودروسازان كيلومترشمار و ساير اجزاي مربوط به آن را به‌طور كامل و مونتاژشده از تأمين‌كنندگان مي‌خرند. اين امر سبب مي‌شود كه تأمين‌كننده با توجه به نيازهاي خودروساز امكان تغيير در كيلومترشمار را داشته باشد و فرايند طراحي و توليد براي خودروساز و تأمين‌كننده تسهيل مي‌شود. اين امر به‌لطف پيشرفت در طراحي گذرگاه‌هاي ارتباطي و دانش الكترونيك براي مثال، خودروساز به‌جاي ارائه‌ي اطلاعات و نمودارهاي مربوط به هر پارامتر در خودرو، تنها بسته‌هاي اطلاعاتي توليدشده‌ي ECU را دراختيار تأمين‌كنندگان مي‌گذارد و تأمين‌كنندگان به‌جاي آنكه وقت خود را صرف اطلاع از نحوه‌ي توليد سيگنال‌هاي سرعت با توجه به سرعت چرخش لاستيك‌ها كنند، سيستمي را طراحي مي‌كنند كه با خواندن اطلاعات موجود در بسته‌هاي اطلاعاتي و برقراري ارتباط مناسب با گذرگاه‌هاي ارتباطي، اطلاعات لحظه‌اي خودرو را به‌نمايش بگذارد. اين امر درمجموع سبب جذابيت برون‌سپاري طراحي براي خودروساز و تسهيل همكاري ميان تأمين‌كننده و خودروساز مي‌شود.
مثال ديگر، تلاش تأمين‌كنندگان براي ساده‌سازي توليد و طراحي خودرو درزمينه‌ي ساخت حسگرهاي هوشمند است. در گذشته، حسگرهاي موجود در خودرو با انتقال سيگنال‌هاي الكتريكي كه اغلب دقت كافي نداشتند، وضعيت لحظه‌اي اجزاي خودرو را دراختيار واحد كنترل پيشرانه مي‌گذاشتند. در سال‌هاي اخير با ظهور حسگرهاي هوشمند كه به ريزپردازنده و بهبوددهنده‌ي سيگنال ديجيتال مجهز شده‌اند، سبب شده اطلاعات حسگرها به‌طور مستقيم به گذرگاه‌هاي ارتباطي منتقل شود. انتقال مستقيم داده‌ها علاوه‌بر افزايش سرعت پاسخ‌گويي، سبب افزايش دقت و كاهش نويز در سيگنال‌ها مي‌شود.
كاهش سيم‌كشي در خودرو
در خودروهاي قديمي، هريك از دكمه‌هاي موجود در خودرو ازطريق سيمي مستقل به وسيله‌ي مدانديشه متخصصين متصل بود كه با افزايش تعداد دكمه‌ها سيم‌كشي در خودرو پيچيده و هزينه‌بر مي‌شد. با پيشرفت فناوري و پيچيده‌ترشدن خودروها، استفاده از تكنيك تسهيم‌سازي (Multiplexing) در شبكه‌ي سيم‌كشي خودرو اجتناب‌ناپذير شد. تكنيك مالتي‌پلكسينگ به عمل تركيب جريان‌هاي ترافيك و تجميع آن‌ها به‌عنوان جرياني واحد مي‌گويند كه ازطريق يك خط ارسال مي‌شود. در سيستم تسهيم‌ساز، هر ماژول كه حداقل به يك ريزپردازنده مجهز است، وظيفه‌ي ادغام سيگنال‌هاي ورودي و خروجي بخشي از خودرو را برعهده دارد. براي مثال، در خودروهايي كه تعداد زيادي دكمه‌ي كنترلي روي در آن‌ها موجود است، احتمالا از ماژولي تسهيم‌ساز بهره مي‌برند كه وظيفه‌ي ادغام سيگنال‌هاي بخش در خودرو را برعهده دارد. اين ماژول با مطالعه و ادغام تمام سيگنال‌هاي ورودي و خروجي از كنترل‌هاي موجود روي در، سبب حذف سيم‌كشي اضافي و ساده‌سازي سيستم‌هاي برقي در خودرو مي‌شود.
براي درك بهتر نحوه‌ي كار اين سيستم تصور كنيد كه راننده براي تنظيم آينه‌بغل خودرو دكمه‌اي را فشار مي‌دهد. با فشردن اين دكمه، ماژول در داده‌اي به گذرگاه ارتباطي خودرو ارسال مي‌كند. اين اطلاعات به ماژولي ديگر فرمان مي‌دهد كه موتور آينه‌بغل را در جهت تعيين‌شده حركت دهد. تمام اين دستورها ازطريق سيگنال‌هاي ادغام‌شده‌ي دو رشته سيم انتقال مي‌يابد.
نياز به امكانات ايمني و رفاهي جديد
در سال‌هاي گذشته، خودروها به سيستم‌هاي ايمني متعددي نظير ترمز ضدقفل (ABS) و كيسه‌هاي هوا مجهز شده‌اند. سيستم‌هاي ايمني جديدتر نظير كنترل كشش و كنترل پايداري نيز كم‌كم به‌عنوان موارد استاندارد در تمام خودروها به‌كار برده مي‌شوند. هريك از اين سيستم‌ها ماژول كنترلي جديدي به خودرو اضافه مي‌كند كه خود چند ريزپردازنده دارد. با افزوده‌شدن هر سيستم رفاهي يا ايمني جديد توان پردازشي موردنياز افزايش مي‌يابد. با توجه به چشم‌انداز موجود در عرصه‌ي خودروسازي، در آينده شمار سيستم‌هاي ايمني و رفاهي در خودروها بسيار بيشتر از گذشته خواهد بود و همه‌ي اين‌ها به‌معناي افزايش توان‌پردازشي و درنتيجه، افزايش نياز الكتريكي خودروها است. اين موضوع سبب شده خودروسازان براي پاسخ‌گويي به نياز الكتريكي روبه‌رشد به‌جاي استفاده از سيستم‌هاي ۱۴ ولتي به‌سوي به‌كارگيري سيستم‌هاي ۴۲ ولتي حركت كنند.
هم انديشي ها