Проблемы разработки
Для эффективного применения электроники требуются три основных компонента: электронные блоки управления (ЭБУ), исполнительные механизмы и датчики. Конструкции блоков управления и исполнительных механизмов отработаны достаточно хорошо. Но с датчиками дело обстоит по-другому.
Датчики являются ответственным звеном в электронной системе управления или измерения и влияют на эффективность ее работы. Они обеспечивают абсолютные измерения того, чем надо управлять или что следует измерять, будь это поток воздуха в двигателе или количество топлива в баке. Но сегодня датчики как бы «ахиллесова пята» в электронных системах управления.
Надежность датчиков всегда была проблемой. Большинство из них взяты из аэрокосмической или полупроводниковой техники и обходятся очень дорого из-за непригодности конструкции к массовому производству. В основном они не подходят для интенсивной эксплуатации в автомобилях.
Многие фирмы - изготовители датчиков осознали возможности бизнеса, которые появляются на рынке автомобильной промышленности. Они с завистью смотрят на явно огромные объемы этого рынка. В недавнем анализе, проведенном фирмой «BIS Strategic Decisions» (г. Лутон, Великобритания), предполагается, что в США спрос на автомобильные датчики будет ежегодно расти на 15,4%. Эта фирма ориентировочно подсчитала, что существующий американский рынок таких датчиков составляет 835 млн. долл. и в ближайшие годы вырастет до 1,5 млрд. долл. Автомобильные компании продолжают придавать особое значение датчикам и в последующем обратятся ко многим электронным фирмам за поддержкой в этой актуальной области. Однако здесь существует несколько основных проблем.
Необходимо преодолеть два основных барьера. Первый стоит на стадии выработки концепции или конструирования. Многие предлагают измерительные устройства, требующие слишком большой компенсации побочных влияний, например, температуры и термического расширения. В результате требуется дорогостоящее усовершенствование, приводящее к трудностям при изготовлении и тарировании; самый желательный датчик - наиболее эффективный, генерирующий сильный выходной сигнал без компенсации. Хороший пример тому - кислородный датчик, действия которого базируются на фундаментальной химической реакции, предсказуемой и точной.
Другая основная проблема связана с конструированием для применения в автомобиле. В слишком многих конструктивных концепциях главный упор делают на чувствительный элемент, не уделяя внимания монтажу для специфического размещения в автомобиле. Это результат подетального подхода, когда конструктор сосредотачивается только на чувствительном элементе - сердце прибора. Истинно системный подход привел бы конструктора к основательному пониманию окружающей прибор среды и ее взаимодействия с электронной системой.
Критическим моментом является эффективный взаимный подбор электрических характеристик. Самое важное для его «жизнеспособности» - физическое исполнение всего прибора. Корпус датчика должен быть рассчитан на экстремальные температуры, вибрацию и удар, быть устойчивым к загрязнителям и эксплуатироваться не менее 10 лет.
Одно из самых слабых мест в эффективном конструировании датчиков, вероятно, объясняется недостатком тесного взаимодействия между конструкторами автомобилей и электронных устройств.
В настоящее время имеются громадные возможности привлечения изготовителей датчиков в качестве поставщиков для автомобильной промышленности. Но эти поставщики вначале должны полностью понять, как датчики используются, каковы ограничения в цене и требования конструкций для массового производства. Сегодня эти датчики в основном продаются вдвое дороже, чем приемлемо для применения в автомобилях. Особенно высоки капиталовложения в разработку конструктивных концепций и производственное оборудование. Для получения обоснованной окупаемости должны быть большие объемы выпуска продукции.
Проблемы применения
По мере того как снижаются цены, ужесточаются правительственные требования к топливной экономичности и чистоте отработавших газов, растет потребность в датчиках электронных систем и расширяется их рынок. Но какие датчики нужны?
Все определяется не только стоимостью, но и требованиями интегрирования датчиков в систему. Чтобы резко снизить себестоимость всех составных частей электронных систем (микропроцессоров, датчиков), нужно создавать заново систему в целом. Но автомобильная промышленность развивается эволюционным путем, а не революционным. Для создания «авангардной» технологии необходимо 8-10 лет, в то время как применение традиционной для налаживания серийного производства новой электронной системы требуется только 4 года.
В большинстве случаев цену на новую продукцию удается снизить благодаря расширению объемов выпуска и приобретению опыта. Но это затрудняет в дальнейшем перевод принятой технологии на новую основу, продлевая жизнь старой, но отлаженной. Это имеет положительную сторону. С ростом применения датчиков в автомобильных электронных системах теряет значение то, какая технология является лучшей в конкретном случае и даже какое количество датчиков и какая стратегия управления всей системой будет необходима в будущем._
Сегодня полупроводниковые датчики считаются новым компонентом, их достоинством является преобразование синусоидального сигнала в серии прямоугольных импульсов. Микропроцессоры могут воспринимать только логические единицы и нули. Поэтому на выходе синусоидальный сигнал необходимо сравнивать с пороговой величиной и в период, когда его уровень превышает пороговую величину, считать сигнал равным нулю, а в период, когда уровень сигнала меньше порогового значения - единице. А частота импульсов характеризует скорость процесса.
Следующий шаг - обеспечение предварительной обработки сигнала перед подачей его в контроллер системы. Такие так называемые «интеллектуальные» датчики освободят центральный контроллер от предварительных вычислений, расширяя его возможности для реализации алгоритма управления и распределения информации между системами. «Интеллектуальные» датчики, вероятно, не будут непосредственно распределять информацию. Многие пользователи, подключая к одному датчику несколько систем, затрудняют его функционирование.
Интеллектуальные датчики будут следующим шагом вперед. Заказчики требуют от будущих датчиков способности к самодиагностике, распознаванию сбоев и ложных сигналов, удобства технического обслуживания. В настоящее время особенно растет потребность в приборах измерения ускорений - акселерометрах.
В новейших системах управления надувными подушками безопасности для измерения ударного воздействия используются акселерометры, установленные непосредственно в блоке управления, расположенном в салоне автомобиля. Это исключает необходимость иметь множество внешних датчиков (неэлектронные системы обычно содержат 4-5 механических датчиков), сокращает длину проводов и объем требуемого для размещения системы пространства. Снижается также и время срабатывания подушки. Механическая система обеспечивала время срабатывания около 22 мс, сейчас это время составляет 17,5 мс.
Но акселерометры используются не только в системах управления подушками. Они могут применяться также в антиблокиро-вочных системах (АБС), системах регулирования тягового условия (РТУ), в активных и полуактивных подвесках, навигационных системах и системах контроля детонации в двигателе. А новое поколение миниатюрных датчиков - трехмерные структуры, выполненные в кремнии, могут получить применение в новых областях. В системе с акселерометрами, измеряющими ускорения вертикальных перемещений колес (например, в активных подвесках), и датчиками, измеряющими воздействие водителя на рулевое колесо, можно определять поперечное ускорение без использования сигнала другого акселерометра для управления АБС и системой РТУ. В ближайшие годы будет наблюдаться рост числа датчиков на автомобиле (рис. 73), но долгосрочная тенденция пока не ясна.
Рис. 73. Применение датчиков в электронных системах управления
В некоторых (но не во всех) случаях акселерометры могут быть заменены оптическими датчиками. Основанные на использовании инфракрасных излучателей (светоизлучающих диодов) и детекторов, эти оптические датчики могут быть использованы для измерения скорости автомобиля, его положения и высоты, уровней жидкостей в гидросистемах и светового потока, для определения состава рабочей смеси в случае многотопливного двигателя. Однако широкого распространения оптические датчики не получат до освоения волоконно-оптической технологии и мультиплексирования. До того времени оптические датчики будут применяться в тех случаях, когда они имеют очевидные функциональные или экономические преимущества.
В настоящее время имеется, однако, одна технология, которая может быть использована практически во всех существующих электронных системах - это полимерные толстые пленки (PTF) с электропроводящими наполнителями (серебром, углеродом, никелем, медью).
Как и всегда, имеется одно препятствие для широкого распространения толстопленочной технологии - высокая стоимость. В тех случаях когда миниатюризация, сокращение числа деталей и облегчение пространственной компоновки не являются главными задачами, толстопленочная технология не дает ощутимого выигрыша.
Интеллектуальные датчики
Датчик давления, объединенный с микрокомпьютером, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь, дает возможность точно измерять давление и поддерживать взаимодействие с центральным компьютером или с другими компьютерными узлами управления автомобиля. Датчики, которые сочетают полностью совместимый преобразованный сигнал на выходе и пьезорезистивный элемент с линейной характеристикой, представляют собой новое поколение «интеллектуальных» датчиков давления на базе интегральных микросхем. Такие датчики выполняют основные функции преобразования сигнала для взаимодействия с системой и компенсации влияния температуры, обладают памятью для автокалибровки, обеспечивают автокомпенсацию и (или) адресуемость и интерактивную связь с микропроцессором. Сочетание усовершенствований датчиков и микропроцессоров обеспечивает все функции, необходимые для получения действительно «интеллектуального» датчика всего на двух полупроводниковых компонентах.
Сначала берутся две кремниевые пластины, чтобы сделать пьезорезистивный кремниевый датчик давления. Верхняя пластина протравливается до тех пор, пока не получится тонкая квадратная диафрагма толщиной примерно 0,025 мм. В дополнение к квадратной эталонной диафрагме, служащей для измерения абсолютного давления, датчик позволяет прикладывать атмосферное или эталонное давление к одной стороне прибора через отверстие, полученное путем микрообработки в кремниевой ограничивающей пластине. Электронная схема необходима, чтобы отрегулировать смещение нуля и диапазон измерений, скомпенсировать влияние температуры, а также получить усиленный сигнал на той же микросхеме, что и диафрагма. Четырехкаскадная схема подгоняется в интерактивном режиме с помощью лазера тоже в единой монолитной структуре в дополнение к основному чувствительному элементу.
Компоновка дополнительной схемы завершается кремниевой площадкой, необходимой для поддержки диафрагмы. Лазерная подгонка выполняется на возможно ранней стадии сборки. Так как корпус, использованный для полностью интегрального датчика, подобен корпусу базового элемента, то могут быть применены сборочные технологии, оборудование и статистический контроль, разработанные для массового производства.
Остальные элементы системы строятся на базе 8-битового микропроцессора, аналого-цифровой преобразователь состоит из 8-битового преобразователя с последовательной аппроксимацией и 16-канального мультиплексора. Восемь каналов необходимы для входного сигнала, а другие восемь отведены для внутренних тестовых функций. Имеется также 8-битовый управляющий регистр состояния, который используется для индикации того, что генератор и источники тока стабилизированы и что преобразование завершено. Результат сохраняется в отдельном 8-битовом регистре.
Так как микрокомпьютер Motorola МС68НСО5В6 имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и больше возможности, чем требуется во многих случаях, была разработана методология, которая позволяет определять, какие заказные микроконтроллеры должны быть сконструированы в соответствии с требованиями конкретного случая. Микросхема CSIC (Customer Specific Integrated Circuit - заказная интегральная схема) - отличается от ASIC (Application Specific Integrated Circuit - специализированная интегральная схема) достижимыми рабочими параметрами и плотностью компоновки. Микросхема ASIC обычно имеет кристалл больших размеров из-за применения средств автоматизированного проектирования.
Раздельное совершенствование «чувствительности» и «интеллектуальности» может быть использовано для реализации лучшей комбинации этих свойств.
Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных датчиков
В отечественном авто- и тракторостроении до недавнего времени датчики использовались в основном в системах контроля за работой двигателя: номенклатура и конструкция этих традиционных датчиков установились в начале 70-годов. Совершенно новое положение сложилось с появлением систем электроники: для таких систем требуются датчики значительно более высокого технического уровня, главным образом электронные, при производстве которых используются современные микроэлектронные технологии групповой обработки.
Микроэлектронные датчики абсолютного и относительного давления воздуха ДДА-100Р; ДДА-100А; НДП-1 (рис. 74) созданы совместно с предприятиями МНТП «Инсеп» (г. С.-Петербург) и МХО «Новокон» (г. Раменское Московской обл.), выпускаются серийно. Все датчики выполнены с кремниевым монокристаллическим тензопреобразователем в виде мембраны с тензорезисторами и схемой термокомпенсации. Они предназначены для микропроцессорных систем управления автомобильными двигателями и по некоторым параметрам, как видно из табл. 11, превосходят аналогичные датчики зарубежных фирм (например, датчик 136RC15A2).
Рис. 74. Датчики давления: а - ДДА-100Р; б - ДДА-100А; в - НДП-1
Таблица 12
Датчики угла и угловой скорости на эффекте Холла (рис. 75) содержат многополюсный магнитный ротор, который действует на специальную микросхему с элементом Холла, что обеспечивает (в зависимости от числа полюсов) от 4 до 10 импульсов на оборот.
Существует три варианта таких датчиков для применения в щитковых приборах контроля, электронных спидометрах или тахометрах, в маршрутном компьютере. Их производитель - АО «КЗАМЭ».
Рис. 75. Датчики скорости: а - с проходным валом (1-й вариант); 6 - то же (2-й вариант); в - с непроходным валом
Основные характеристики датчиков скорости следующие:
- Диапазон измерения, мин-1 — 0...3500
- Напряжение, В: питания — 5-18
- логической единицы — 0,9 Un
- логического нуля — 0,3
- Диапазон рабочих температур, К (°C) — 238...398 (-40...+125)
Датчики температуры жидкости и воздуха (рис. 76) построены на одной и той же микросхеме, имеют линейную характеристику с чувствительностью 10 мВ/K, что обеспечивает большой сигнал, совместимый с современными АЦП (табл. 12). Разработанные датчики температуры воздуха 29.3839 и жидкости 22.3828 готовятся к серийному производству. Они имеют значительно большие погрешность и инерционность, чем датчик температуры жидкости 19.3828, который выпускается АО «КЗАМЭ».
Рис. 76. Датчики температуры: а -19.3828; б - 29.3839; в - 22.3828
Таблица 12
Микроэлектронные датчики контроля уровня жидкости выполнены на основе единого фольгового терморезистора. Они применяются в масляном щупе для автомобилей ВАЗ-2108 и ВАЗ-2110 и для контроля уровня жидкости в гидроусилителе рулевого управления автомобилей УАЗ.
Рис. 77. Приборы контроля уровня жидкости: а - масляный щуп; 6 - датчик уровня жидкости в гидроусилителе рулевого управления
Основные характеристики датчиков (рис. 77) следующие:
- Температурный рабочий диапазон, К (°С) — 213...398 (-60...+125)
- Погрешность контроля уровня, мм —±1
Применение единого терморезистора и простой микросборки позволяет проектировать датчики на один или несколько контрольных уровней автомобильных жидкостей.