Hàng năm, như chúng ta đều tự cảm nhận được cho dù chúng ta là chuyên viên kỹ thuật hay người tiêu dùng đi chăng nữa thì, những chiếc xe ô tô dường như ngày càng phức tạp hơn. Ô tô ngày nay có thể có tới 50 bộ vi xử lý. Những bộ vi xử lý này đã khiến không ít bạn gặp khó khăn khi làm việc với nó, một số trong những bộ vi xử lý đó thực sự giúp chiếc xe dễ bảo dưỡng hơn là mình tưởng.
Một số lý do cho sự gia tăng số lượng bộ vi xử lý này là:
- Cần có sự kiểm soát động cơ một cách tinh vi và tối ưu hoá để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
- Nâng cao sự chẩn đoán nhanh gọn lẹ và chính xác.
- Đơn giản hóa việc sản xuất và thiết kế xe.
- Giảm tối thiểu đường dây điện cần thiết cho xe.
- Dễ dàng tích hợp các tính năng an toàn mới cho người sử dung.
- Dễ dàng nâng cấp khi bán được các option tiện nghi, thuận tiện cho xe khi khách hàng mong muốn nâng cấp.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét từng yếu tố đã ảnh hưởng đến thiết kế chiếc xe ô tô như thế nào.
KIỂM SOÁT ĐỘNG CƠ CHẶT CHẼ
Trước khi luật khí thải được ban hành, động cơ xe hơi trước đây được chế tạo và vận hành mà không cần bộ vi xử lý. Với việc ban hành luật kiểm soát khí thải ngày càng khắt khe hơn, các hãng sản xuất ô tô cần có các phương án kiểm soát chặt chẽ hơn để điều chỉnh tỉ lệ hoà khí và bộ chuyển đổi xúc tác có thể loại bỏ rất nhiều ô nhiễm từ khí thải của xe.
Điều khiển động cơ là công việc đòi hỏi nhiều bộ xử lý nhất trên xe, và bộ điều khiển động cơ (gọi là ECU) là máy tính mạnh nhất trên hầu hết các xe. ECU sử dụng điều khiển vòng kín, sơ đồ điều khiển theo dõi đầu ra của hệ thống để điều khiển đầu vào của hệ thống, quản lý khí thải và tiết kiệm nhiên liệu của động cơ (cũng như một loạt các thông số khác). Thu thập dữ liệu từ hàng chục cảm biến khác nhau, ECU biết mọi thứ từ nhiệt độ nước làm mát đến lượng oxy trong khí thải. Với dữ liệu này, nó thực hiện hàng triệu phép tính mỗi giây, bao gồm tìm kiếm các giá trị trong bảng, tính toán kết quả của các phương trình dài để quyết định thời điểm đánh tia lửa tốt nhất và xác định thời gian mở kim phun nhiên liệu. ECU thực hiện tất cả những điều này để đảm bảo lượng khí thải luôn là thấp nhất và tiết kiệm nhiên liệu tốt nhất.
Một ECU hiện đại có thể chứa bộ vi xử lý 32 bit, 40 MHz. Điều này nghe có vẻ không nhanh so với bộ vi xử lý 500 đến 1.000 MHz mà hầu như mọi người có thể có trong máy vi tính ở nhà hoặc laptop , nhưng hãy nhớ rằng bộ xử lý trong xe đang chạy một loại mã đã được lập trình hiệu quả hơn rất nhiều so với bộ xử lý trong máy vi tính của mọi người. Trung bình các mã code trong ECU chiếm khoảng 1MB (Megabyte) bộ nhớ. Để so sánh, thì máy vi tính ở tiệm nét có thể có ít nhất 5GB (gigabyte) để chạy chương trình trên máy vi tính của mình – gấp 5.000 lần so với một ECU.
CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN TRONG ECU
- Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang thông số điện tử – Các thiết bị này đọc đầu ra của một số cảm biến trong xe, chẳng hạn như cảm biến oxy. Đầu ra
- của cảm biến oxy là điện áp mang tín hiệu tương tự, thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1,1 volt (V). Bộ vi xử lý trong ECU chỉ hiểu được các thông số điện tử, do đó “bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang thông số điện tử” này sẽ chuyển đổi tín hiệu số Volt đó thành dạng số điện tử 10-bit.
- Đầu ra thông số điện tử cấp cao – Trên nhiều chiếc xe hiện đại, ECU sẽ điều khiển việc kích hoạt bugi, đóng và mở kim phun nhiên liệu, bật và tắt quạt làm mát vân vân. Tất cả các nhiệm vụ này đều yêu cầu một đầu ra mang thông số điện tử. Một đầu ra thông số điện tử hoạt động theo nguyên tắc BẬT hoặc TẮT. Chẳng hạn, một đầu ra để điều khiển quạt làm mát có thể cung cấp dòng điện 12V và 0,5 ampe cho rơle quạt khi BẬT và 0V khi TẮT. Bản thân đầu thông số điện tử giống như một rơle. Chỉ cần một lượng nhỏ dòng điện mà bộ vi xử lý xuất ra có thể cấp điện cho bóng bán dẫn trong đầu ra thông số điện tử, cho phép nó cung cấp một lượng điện năng lớn hơn kích hoạt rơle quạt làm mát, từ đó cung cấp một lượng điện năng lớn hơn cho quạt làm mát quay.
- Bộ chuyển đổi thông số điện tử sang tín hiệu tương tự – Đôi khi ECU phải cung cấp một đầu ra điện áp tương tự để điều khiển một số thành phần của động cơ. Bộ xử lý trong ECU là một thiết bị kỹ thuật số, nó cần một bộ phận có thể chuyển đổi thông số điện tử thành điện áp tương tự.
- Bộ điều chỉnh tín hiệu – Đôi khi các tín hiệu đầu vào hoặc đầu ra cần phải được điều chỉnh trước khi được ECU đọc. Ví dụ, “bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang thông số điện tử” đọc điện áp từ cảm biến oxy có thể được thiết lập để đọc tín hiệu 0 đến 5V, nhưng cảm biến oxy tạo ra tín hiệu 0 đến 1,1-V. Bộ điều chỉnh tín hiệu là một mạch điều chỉnh mức tín hiệu ra, vào. Chẳng hạn, nếu chúng ta áp dụng bộ điều chỉnh tín hiệu nhân điện áp từ cảm biến oxy lên 4 lần, chúng ta sẽ nhận được tín hiệu từ 0 đến 4,4 V, điều đó cho phép “bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang thông số điện tử” đọc chỉ số điện áp chính xác hơn.
- Những con chip truyền dữ liệu – Những con chip này sẽ thực hiện các tiêu chuẩn thông tin liên lạc khác nhau được sử dụng trên xe. Có một số tiêu chuẩn được sử dụng, nhưng có một tiêu chuẩn bắt đầu thống trị trong giao tiếp thông tin dữ liệu trên xe là mạng CAN (Control Area Network – mạng điều khiển cục bộ ). Chuẩn giao tiếp này cho phép tốc độ liên lạc lên tới 500 kilobit mỗi giây (Kbps). Điều đó nhanh hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn cũ. Tốc độ này đang trở nên ngày càng phát triển và là một sự cần thiết, vì một số mô-đun giao tiếp dữ liệu trên xe xảy ra hàng trăm lần mỗi giây.
SỰ CHẨN ĐOÁN CẤP TIẾN
Một lợi ích khác của việc truyền thông dữ liệu của mạng CAN là mỗi mô-đun có thể giao tiếp các lỗi đến một mô-đun trung tâm, nơi lưu trữ các lỗi và có thể giao tiếp chúng với một công cụ chẩn đoán bên ngoài hệ thống.
Điều này có thể giúp các kỹ thuật viên dễ dàng chẩn đoán các vấn đề xảy ra trên xe, đặc biệt là các sự cố không liên tục, thường xuất hiện rồi biến mất ngay khi xe đang mang đi sửa chữa.
DỄ DÀNG THIẾT KẾ VÀ SẢN XUẤT XE HƠN
Việc có các tiêu chuẩn truyền thông tin dữ liệu đã làm cho việc thiết kế và chế tạo xe trở nên dễ dàng hơn một chút. Một ví dụ điển hình của việc đơn giản hóa này là cụm đồng hồ trên xe.
Cụm đồng hồ tập hợp và hiển thị dữ liệu từ các bộ phận khác nhau của chiếc xe. Hầu hết các dữ liệu này đã được sử dụng bởi các mô-đun khác trong xe. Ví dụ, ECU biết nhiệt độ chất làm mát và tốc độ động cơ. Bộ điều khiển truyền động biết tốc độ xe. Bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) biết nếu có vấn đề với ABS.
Tất cả các mô-đun này chỉ cần gửi dữ liệu này lên kênh giao tiếp thông tin. Vài lần một giây, ECU sẽ gửi một gói thông tin bao gồm tiêu đề và dữ liệu. Tiêu đề chỉ là một con số dùng để xác định gói dữ liệu như là tốc độ hoặc đọc nhiệt độ. Cụm đồng hồ chứa một mô-đun khác nó sẽ biết để tìm kiếm các gói dữ liệu nhất định – bất cứ khi nào nhìn thấy một gói dữ liệu, nó sẽ cập nhật hoặc hiển thị một giá trị mới.
Hầu hết các hãng sản xuất ô tô mua các cụm đồng hồ được lắp ráp hoàn chỉnh từ một nhà cung cấp, họ thiết kế chúng theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất ô tô. Điều này làm cho công việc thiết kế bảng điều khiển dễ dàng hơn nhiều, cho cả nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp.
Các hãng sản xuất ô tô sẽ dễ dàng hơn trong việc cho nhà cung cấp biết mỗi đồng hồ đo sẽ được điều khiển như thế nào. Thay vì phải nói với nhà cung cấp rằng một dây cụ thể nào đó sẽ cung cấp tín hiệu tốc độ xe và nó sẽ là điện áp khác nhau trong khoảng từ 0 đến 5V và 1.1V tương ứng với con số 30km/h giờ, nhà sản xuất ô tô bây giờ chỉ cần cung cấp danh sách các gói dữ liệu. Sau đó, trách nhiệm của hãng sản xuất xe là đảm bảo rằng các dữ liệu chính xác đó được xuất ra trên kênh truyền thông tin giao tiếp.
Nhà cung cấp sẽ dễ dàng hơn trong việc thiết kế cụm đồng hồ điều khiển vì anh ta không cần biết bất kỳ chi tiết nào về cách tín hiệu tốc độ được tạo ra, hoặc nó đến từ đâu. Thay vào đó, bảng điều khiển chỉ đơn giản là giám sát kênh thông tin liên lạc và cập nhật đồng hồ đo khi nhận được dữ liệu mới.
Các loại tiêu chuẩn truyền thông tin giao tiếp này khiến các hãng sản xuất ô tô dễ dàng thuê các công ty bên ngoài thiết kế và sản xuất linh kiện cho họ. Nhà sản xuất ô tô không phải lo lắng về các chi tiết về cách thức đo hoặc ánh sáng được điều khiển, và nhà cung cấp chế tạo bảng điều khiển không phải lo lắng về việc các tín hiệu đến từ đâu.
CẢM BIẾN THÔNG MINH
Các cụm đồng hồ hiển thị, hiện đang được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn cho các cảm biến. Chẳng hạn, một cảm biến áp suất truyền thống chứa một thiết bị tạo ra điện áp khác nhau tùy thuộc vào áp suất áp dụng cho thiết bị đó. Thông thường, đầu ra điện áp không phải là tuyến tính, phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp cấp thấp do đó nó cần được khuếch đại lên.
Một số nhà sản xuất cảm biến đang cung cấp một loại cảm biến thông minh được tích hợp sẵn với tất cả các thiết bị điện tử, cùng với bộ vi xử lý nó cho phép đọc điện áp, hiệu chỉnh nó bằng các phương pháp bù trừ nhiệt độ và cho xuất ra thông số kỹ thuật điện tử sau đó chúng sẽ được gửi lên kênh truyền thông tin dữ liệu.
Điều này giúp các hãng sản xuất ô tô không cần phải kiểm tra tất cả các cảm biến nếu một trong số chúng bị bẩn hoặc hư hại, và tiết kiệm năng lượng xử lý trong mô-đun, nếu không họ sẽ phải tốn rất nhiều thời gian cho việc này. Nó cũng làm cho nhà cung cấp phụ tùng, người hiểu rõ nhất về các chi tiết của cảm biến, chịu trách nhiệm cung cấp một kết quả chính xác.
Một ưu điểm khác của cảm biến thông minh là tín hiệu số truyền qua kênh truyền thông tin dữ liệu ít bị nhiễu điện hơn. Một điện áp tương tự đi qua một dây có thể nhận thêm điện áp khi nó đi qua một số thành phần điện nhất định, hoặc thậm chí từ các đường dây điện có điện áp lớn hơn nằm gần đó.
ĐƠN GIẢN HOÁ VIỆC ĐI ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN
Sự ghép kênh là một kỹ thuật có thể đơn giản hóa hệ thống dây điện trong xe. Trong những chiếc xe cũ, dây từ mỗi công tắc sẽ truyền điện áp đến mỗi thiết bị điện nhất định. Nhưng với việc ngày càng nhiều thiết bị và xe được lái và điều khiển ngày càng tăng, việc ghép kênh là thật sự cần thiết để giữ cho hệ thống dây điện không bị mất kiểm soát. Trong một hệ thống ghép kênh, một mô-đun chứa ít nhất một bộ vi xử lý hợp nhất đầu vào và đầu ra cho một khu vực của xe.
Chẳng hạn, những chiếc xe có nhiều điều khiển nằm trên cửa có thể có mô-đun bên cửa người lái. Một số xe có cửa sổ chỉnh điện, gương chỉnh điện, khóa điện và thậm chí cả ghế điều khiển điện sẽ nằm ngay trên cửa. Thực sự khá khó khăn khi chạy các bối dây dày xuất phát từ một hệ thống như thế này ra khỏi cửa người lái. Thay vào đó, mô-đun bên cửa người lái sẽ giám sát và theo dõi tất cả các công tắc này.
Đây là cách nó hoạt động: Nếu người lái nhấn công tắc cửa sổ của mình, mô-đun cửa sẽ đóng một rơle cung cấp năng lượng cho mô tơ quay kính. Nếu tài xế nhấn công tắc để điều chỉnh gương phía bên hành khách, mô-đun cửa của tài xế sẽ gửi một gói dữ liệu lên kênh truyền thông tin dữ liệu của xe. Gói này sẽ nói với một mô-đun khác để cung cấp năng lượng cho một trong các mô tơ gương chỉnh điện. Theo cách này, hầu hết các tín hiệu rời khỏi cửa tài xế được hợp nhất vào hai dây tạo thành kênh truyền thông tin dữ liệu.
AN TOÀN, TIỆN NGHI VÀ THUẬN TIỆN
Trong thập kỷ gần đây, chúng ta đã thấy các hệ thống an toàn như ABS và túi khí trở nên rất phổ biến trên xe và ngày nay cũng được áp dụng trên những chiếc xe mô tô phân khối lớn. Các tính năng an toàn khác như hệ thống kiểm soát lực kéo và kiểm soát ổn định cũng đang bắt đầu trở nên phổ biến. Mỗi hệ thống này bổ sung một mô-đun mới cho xe và mô-đun này chứa nhiều bộ vi xử lý. Trong tương lai, sẽ có ngày càng nhiều các mô-đun này trên xe khi các hệ thống an toàn mới được thêm vào.
Mỗi hệ thống an toàn này đòi hỏi nguồn năng xử lý cao hơn và thường được đóng gói trong mô-đun điện tử của riêng nó. Trong những năm tới, chúng ta sẽ có tất cả các loại tính năng tiện lợi mới trong ô tô và mỗi loại này yêu cầu nhiều mô-đun điện tử hơn chứa nhiều bộ vi xử lý hơn.
Dường như không có giới hạn công nghệ mà các hãng sản xuất ô tô sẽ thêm vào cho mỗi chiếc xe qua mỗi năm. Việc bổ sung tất cả các tính năng điện tử này là một trong những yếu tố thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô tăng điện áp hệ thống trên ô tô từ hệ thống 12V, 14V hiện tại lên hệ thống 48V. Điều này sẽ giúp cung cấp thêm năng lượng mà các mô-đun yêu cầu, khi đó sẽ lại xuất hiện nhiều công nghệ tiên tiến mà chúng ta hiện tại bây giờ chưa nghĩ tới.
