Wyposażenie dla motoryzacji to fascynująca gałąź elektroniki. Dzięki postępom w technice produkcji i jakości, samochód może wytrzymać nawet 200 000 mil (320 000 km) przebiegu. Oznacza to ponad dekadę pracy nawet w bardzo trudnych warunkach środowiskowych: od letnich upałów w greckich Atenach po mroźne zimy w Kautokeino w północnej Norwegii. Aby było to możliwe, dostawcy półprzewodników konstruują specjalne układy przeznaczone do użytku w pojazdach lub też oferują standardowe elementy, które jednak przechodzą dodatkową walidację w celu spełnienia wymogów branży motoryzacyjnej.

Po zbudowaniu z nich elektronicznych jednostek sterujących (ECU), systemy te są poddawane procedurom testowym, które mogą sprawiać wrażenie dziwnych i przesadnych, jednak każdy test ma swoje uzasadnienie. Większość z nich powstaje po bardzo szczegółowych analizach zwróconych pojazdów, które mają na celu wyjaśnienie powodów awarii. W końcu nikt nie chce, aby kosztujący dziesiątki tysięcy euro, dolarów czy funtów produkt klasy premium trzeba było zwrócić, bo po miesiącu lusterko elektryczne przestało działać. Aby wesprzeć tych, którzy projektują, testują i serwisują nasze samochody, branża badawczo-pomiarowa udostępnia szeroki zakres urządzeń przeznaczonych do zapewnienia i utrzymania sprawnego działania naszych ulubionych środków transportu.

Rozruch silnika – spadki napięcia – testy zasilania

Pojazdy z silnikami spalinowymi zaczynają tracić popularność, lecz nadal stanowią znaczny odsetek sprzedawanych samochodów. Wprawienie w ruch silnika podczas rozruchu wymaga sporej energii i do elektrycznego rozrusznika płynie w tej chwili duży prąd. Dzięki technologiom oszczędzania paliwa, takim jak Start-Stop, rozruch odbywa się znacznie częściej niż w starszych pojazdach. Z powodu gwałtownego wzrostu pobieranego prądu napięcie zasilania na długich przewodach może spadać, co zakłóca działanie ECU. Ze względu na ten i inne stany awaryjne w pojazdach przemysł motoryzacyjny posługuje się szerokim zakresem standardów, zgodnie z którymi dostawcy muszą testować swoje produkty.

Norma ISO 7673-2 przewiduje ujemne impulsy napięcia powodowane przełączeniami obciążeń indukcyjnych, ze skokami do ponad -75 V w ciągu jednej mikrosekundy, a także impulsy dodatnie, wynikające z odłączania obciążeń i osiągające wartość szczytową 112 V. Natomiast w normie ISO 16750-2:2012 zdefiniowano złożone profile napięciowe, które odzwierciedlają stan zasilania podczas uruchamiania pojazdu (patrz ilustracja 1).

Ilustracja 1. Różne normy ISO opisują przebiegi napięć zasilania i nieciągłości, na które powinny być odporne elektroniczne jednostki sterujące (ECU) w samochodach. (Źródło: B&K Precision)

Testy te są trudne do zaprogramowania w standardowych układach zasilania, lecz urządzenia takie jak B&K Precision 9115-AT generują te stany nieustalone i nieciągłości w ramach dostępnych zestawów funkcji. Zapewniając moc maksymalną 1200 W przy napięciu od 0 do 80 V i natężeniu prądu od 0 do 60 A, zasilacz 9115-AT w inteligentny sposób ustala zakres prądu i napięcia, aby pozostawać w strefie bezpiecznego działania.

Panel przedni tego zasilacza w obudowie rack-mount 1U zawiera klawiaturę numeryczną, czytelny wyświetlacz VFD oraz pokrętła umożliwiające prostą konfigurację wyjścia i funkcji. Z tyłu obudowy znajdują się złącza zdalnych pomiarów, wentylatory oraz analogowe i cyfrowe interfejsy sterowania (GPIB, RS-232, RS-485, USB zgodny z USBTMC). Oczywiście urządzeniem można również sterować za pomocą oprogramowania takiego jak np. LabVIEW. Uwzględniono również profile do testowania instalacji samochodowych. Obejmują one między innymi wprowadzanie stanów nieustalonych do linii zasilającej zgodnie z normą ISO 7637 oraz spadki i nieciągłości zgodne z normą ISO 16750-2:2012.

Ilustracja 2. 9115-AT firmy B&K Precision to w pełni programowalny zasilacz o mocy 1200 W ze zintegrowanymi profilami do testowania samochodowych systemów elektronicznych

Wyszukiwanie usterek w instalacjach samochodowych

Mrugające światła, regularnie przepalające się bezpieczniki i zespoły lamp, które świecą się nawet po wyłączeniu, to tylko niektóre z problemów elektrycznych, które mogą pojawić się w samochodach. Gdy kabli do sprawdzenia są całe kilometry, znalezienie wśród nich winowajcy jest nie lada wyzwaniem. Dochodzą do tego wpływy środowiskowe prowadzące do korozji połączeń, oraz trudności z dostępem do przewodnika w złączu. Zestaw combo mierników samochodowych Fluke 88 serii V/A jest idealny dla osób pracujących w pojeździe, pod nim i wokół niego, poszukujących przyczyn problemów elektrycznych.

To urządzenie jest chronione przed upadkami przez żółty, zdejmowany futerał z wbudowanym schowkiem na przewody pomiarowe i sondy. Dzięki zakresowi pomiarowemu od 600 mV do 1000 V i od 60 mA do 10 A prądu stałego (DC) i przemiennego (AC), przyrząd ten może sprostać wszystkim potrzebom pomiarowym w motoryzacji. Zawiera również omomierz (600 Ω do 50 MΩ).

Kluczowym wyróżnikiem w stosunku do standardowego multimetru jest zakres sond i dodatków. Sonda z czujnikiem indukcyjnym RPM80 jest idealna do pomiarów prędkości obrotowej, natomiast wieszak magnetyczny TPAK uwalnia obie ręce do trzymania sond. Dostępne są również sondy TP220, nadające się do skorodowanych zacisków, krokodylki oraz sonda temperaturowa 80BK. Opcjonalne dodatki obejmują również końcówki sond do przebijania izolacji i typu back-probe oraz przetwornik ciśnienia/próżniowy.

Ilustracja 3. Fluke 88V/A łączy znany, solidny żółty multimetr z sondami, kablami i czujnikami do codziennych pomiarów elektryki pojazdu. (Źródło: Fluke)

Badanie magistral danych

Wiele przewodów w wiązkach kablowych samochodu przesyła dane, stosując różne protokoły szeregowe przeznaczone do zastosowań motoryzacyjnych. Standard CAN (Controller Area Network), opracowany w latach 80. przez firmę Bosch, to solidny interfejs szeregowy, który łączy centralny ECU z funkcjami pojazdu takimi jak elektroniczne hamulce postojowe, start/stop czy systemy wspomagania parkowania. Wymagając dwóch przewodów, mikrokontrolerów z dedykowanym układem peryferyjnym CAN oraz transceivera, ta sieć samochodowa może jednak okazać się zbyt skomplikowana lub kosztowna dla niektórych zastosowań.

LIN (Local Interconnect Network –  sieć połączeń lokalnych) to jednoprzewodowa magistrala działająca z prędkością do 19,2 kb/s na kablach o długości do 40 m. Potrzebując tylko standardowego interfejsu szeregowego UART i odpowiedniego transceivera, magistrala LIN jest często stosowana w funkcjach komfortu jazdy, oświetleniu i sterownikach silników elektrycznych – czyli w zastosowaniach, w których użycie CAN byłoby przesadą. Jest jeszcze standard FlexRay, który zapewnia interfejs o wyższej przepustowości i lepszym determinizmie niż CAN. Jest on przeznaczony do systemów „x-by-wire” w układach kierowniczych i hamulcowych.

Oscyloskopy sygnałów mieszanych (MSO) i domen mieszanych (MDO) dzięki połączeniu rejestracji sygnałów analogowych i cyfrowych umożliwiają programistom szczegółowe badanie tego, co dzieje się w złożonych jednostkach ECU. Dekodowanie i analiza sieci samochodowych wymaga jednak modułów dodatkowych, na przykład DPO4AUTO dla serii MDO4000C firmy Tektronix. Po jego zainstalowaniu oscyloskop może przechwytywać dane CAN lub LIN przez kanały analogowe lub cyfrowe, obsługując magistrale CAN, CAN-FD, LIN 1.x i LIN 2.x.

Dekodowanie tych protokołów jest uproszczone dzięki unikalnym oznaczeniom barwnym, między innymi startu, synchronizacji, identyfikatora, danych, błędów dodawania bitów i sum kontrolnych. Zawartość pakietów danych również może być wykorzystywana do wyzwalania oscyloskopu. Moduł MDO4000C Serial Application obsługuje przeszukiwanie danych w pakietach, pozwalając użytkownikom na zlokalizowanie problematycznego obszaru w celu przyspieszenia rozwiązania problemu. Obsługiwane jest również tabelaryczne wyświetlanie danych przechwyconych z magistrali.

DPO4AUTOMAX dodatkowo obsługuje technologię FlexRay, a oprogramowanie na komputery PC umożliwia analizę wykresów oczkowych pobranych danych naniesionych na maskę TP1 zgodnie z definicją normy. Dla użytkowników oscyloskopów WaveSurfer 4000HD firmy Teledyne LeCroy dostępna jest podobna aktualizacja, obsługująca wszystkie trzy systemy magistral samochodowych, o nazwie WS4KHD-AUTO TD.

Pilnowanie temperatury

Pojazdy bardzo się nagrzewają, zarówno w kabinie, jak i pod maską. Monitorowanie wszystkich możliwych punktów jednocześnie może być trudne, ponieważ systemom akwizycji danych (DAQ) szybko zaczyna brakować kanałów. Jednakże problem ten mogą łatwo przezwyciężyć tanie rozwiązania komputerowe w postaci Raspberry Pi z dużą ilością pamięci masowej na zarejestrowane pomiary. Przyrząd Digilent MCC 134 to nakładka typu HAT do akwizycji danych z termopar, którą można łączyć w stos o wysokości do ośmiu poziomów na listwie przyłączeniowej Raspberry Pi (ilustracja 4).

Ilustracja 4. MCC 134 firmy Digilent to rozszerzenie w standardzie HAT dla Raspberry Pi, które obsługuje cztery termopary i może być łączone w stos o wysokości do ośmiu poziomów.

Nakładka w standardzie HAT jest wyposażona w zaciski śrubowe dla maksymalnie czterech termopar (TC), których sygnały są konwertowane za pomocą 24-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego z wejściem różnicowym (ilustracja 5). Urządzenie zawiera również kompensację zimnego złącza i linearyzację termopary, a także wykrywa otwarty obwód termopary, co można zgłaszać za pomocą dostępnego oprogramowania. Zasilanie pobierane jest bezpośrednio z listwy. Ze względu na ciepło generowane przez Raspberry Pi zaleca się użycie małego wentylatora, aby zapewnić przepływ powietrza zmniejszający błędy pomiarowe w nakładce HAT umieszczonej najbliżej procesora.

Ilustracja 5. Schemat blokowy nakładki HAT MCC 134, przedstawiający przetwornik A/C i kompensację zimnego złącza termopary wraz z pamięcią EEPROM I²C do konfiguracji płytki.

Jak dla wszystkich innych platform tego typu, dostępne są liczne przykłady oprogramowania w językach C, C++ i Python w serwisie GitHub. Dostępna jest również usługa wyzwalania If-This-Then-That (IFTTT), napisana w języku Python. Do repozytorium dołączona jest dokładna instrukcja instalacji. Kompatybilne typy termopar to J, K, R, S, T, N, E i B.

Narzędzia testowe do każdego wyzwania motoryzacyjnego

Branża motoryzacyjna dostarcza wielu wyzwań zarówno twórcom nowych pojazdów, jak i tym, którzy zajmują się ich utrzymaniem i naprawą podczas eksploatacji. W motoryzacji szczególnie dużo zakłóceń pojawia się w przewodach zasilających, a oczekiwania dotyczące działania ECU w tych warunkach osobom niewtajemniczonym mogą wydać się ekstremalne. Programowalne zasilacze, które mogą symulować wszystkie profile testowe z obowiązujących norm są idealne do sprawdzania zgodności w laboratorium. Zestawy multimetrów samochodowych zapewniają wszystkie niezbędne sondy i przetworniki oraz możliwość wykonywania pomiarów nawet na najbardziej skorodowanych złączach.

Tym, którzy zmagają się z sieciami samochodowymi, aktualizacje dla oscyloskopów pozwalają nie tylko na dekodowanie, ale także na wyzwalanie przez błędy danych i protokołów. Wraz z innymi sygnałami pomagają one zespołom serwisowym szybko lokalizować źródła problemów. Także temperatury stanowią duże wyzwanie w motoryzacji. Jeśli system akwizycji danych (DAQ) wyczerpał swoje możliwości, rozszerzenie HAT w połączeniu z Raspberry Pi może okazać się idealnym rozwiązaniem do rejestrowania wysokich i niskich wartości termicznych podczas jazdy testowej.