پردازنده خودرو چگونه کار می‌کند؟

نویسنده: پوریا عباسی

جارستان به نقل از زومیت؛ در دهه‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیر فناوری در دنیای خودروسازی موجب به‌کارگیری هرچه بیشتر پردازنده‌ها و قطعات الکترونیکی پیچیده در خودروها شده است.

هر سال خودروهای جدید درمقایسه‌با مدل‌های پیشین پیچیده‌تر می‌شوند. بعضی خودروهای امروزی به‌حدی پیچیده شده‌اند که به پنجاه ریزپردازنده مجهزند و همین امر سبب شده که امکان تعمیر آن‌ها به‌دست مالکان تا حد زیادی کاهش یابد. در عوض، این میزان از پیچیدگی و استفاده از قطعات الکترونیکی تشخیص و رفع ایراد در خودروهای امروزی را برای متخصصان تسهیل کرده است. باتوجه‌به روند رو‌به‌افزایش میزان پیچیدگی در خودروها، در این مقاله قصد داریم دلایل پیچیدگی و نحوه‌ی کار پردازنده‌ها و قطعات الکترونیکی در خودرو را شرح دهیم.

خودروهای جدید درمقایسه‌با گذشته امن‌تر، پاک‌تر، راحت‌تر و هوشمندترند. پیشرفت در این زمینه‌ها به‌لطف رشد چشمگیر فناوری در عرصه‌ی الکترونیک و تولید پردازنده رقم خورده است. به‌طور خلاصه، دلایل عمده‌ی رشد پیچیدگی در خودروها عبارت‌اند از:

• نیاز به کنترل‌های پیچیده در پیشرانه برای رعایت استانداردهای مصرف سوخت و تولید آلاینده
• نیاز سیستم‌های پیشرفته‌ی عیب‌یابی
• ساده‌سازی تولید و طراحی خودرو
• کاهش سیم‌کشی در خودرو
• نیاز به امکانات ایمنی و رفاهی جدید

درادامه با بررسی هریک از این دلایل، تأثیر آن‌ها بر میزان پیچیدگی خودرو را بیان می‌کنیم.

کنترل‌های پیچیده‌ی پیشرانه

پیش از تصویب قوانین انتشار آلایندگی در خودروها، امکان ساخت پیشرانه بدون نیاز به ریزپردازنده وجود داشت. با تصویب قوانین و استانداردهای بین‌المللی سخت‌گیرانه، نیاز به طراحی سیستم‌های کنترلی پیچیده برای تنظیم نسبت سوخت و هوا حس شد. سیستم کنترلی تنظیم نسبت سوخت به هوا به کاتالیزور امکان پالایش گازهای مضر و جلوگیری از ورود آلاینده‌ها به اتمسفر را می‌دهد.

کنترل پیشرانه سنگین‌ترین و پیچیده‌ترین کار پردازشی و واحد کنترل پیشرانه (ECU) قدرتمندترین واحد پردازنده در خودرو است. ECU از حلقه‌ی کنترلی بسته استفاده می‌کند که وظیفه‌ی آن بررسی خروجی سیستم برای تنظیم ورودی سیستم است که در این مورد کنترل گازهای خروجی از اگزوز و تنظیم مصرف سوخت بهینه است. واحد ECU با جمع‌آوری صدها داده از حسگرهای مختلف تقریبا از همه‌چیز در خودرو مطلع است. دامنه‌ی اطلاعات ورودی به واحد کنترل پیشرانه از دمای مبرد سیستم تهویه تا میزان اکسیژن موجود در سیستم اگزوز گسترده است.

واحد کنترل پیشرانه در هر ثانیه میلیون‌ها پردازش روی داده‌های موجود انجام می‌دهد که مقایسه‌ی داده با مقادیر استاندارد، محاسبات پیچیده برای محاسبه‌ی بهترین زمان جرقه‌زنی شمع‌ها و محاسبه‌ی مدت بازماندن انژکتور برای پاشش سوخت را شامل می‌شود. همه‌ی این ‌کارها تنها برای اطمینان از مصرف سوخت بهینه و رعایت حد استاندارد آلایندگی انجام می‌شود.

هر واحد پردازنده‌ی مدرن از پردازنده‌ی ۳۲ بیتی ۴۰ مگاهرتز تشکیل شده است که درمقایسه‌با پردازنده‌های کامپیوترهای شخصی بسیار ضعیف به‌نظر می‌رسد؛ اما باید بدانید که کدهای موجود در ECU بسیار بهینه‌تر و سبک‌تر از یک پردازنده کامپیوتر شخصی است.

اجزای واحد کنترل پیشرانه (ECU)

پردازنده‌ی مرکزی ECU همراه صدها جزء دیگر روی مداری چندلایه به‌صورت یکپارچه تعبیه شده است. بعضی از اجزای مهم ECU عبارت‌اند از:

مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال

این مبدل‌ها وظیفه‌ی بازخوانی خروجی حسگرها نظیر حسگر اکسیژن و تبدیل آن به سیگنالی فهم‌شدنی برای پردازنده را برعهده دارند. خروجی حسگرها به‌صورت سیگنالی با ولتاژ ۰ تا ۱/۱ است و به‌دلیل آنکه پردازگر فقط می‌تواند سیگنال‌های دیجیتال را بفهمد، مبدل ولتاژ را به رشته عدد‌ی دیجیتال ۱۰ بیتی تبدیل می‌کند.

خروجی دیجیتال سطح بالا

در بسیاری از خودروهای مدرن، واحد کنترل پیشرانه وظیفه‌ی کنترل هم‌زمان شمع‌ها و میزان پاشش سوخت و فن سیستم خنک‌کاری را برعهده دارد. تمام این وظایف فقط با سیگنال خروجی دیجیتال امکان‌پذیر است. سیگنال دیجیتال به‌صورت روشن یا خاموش تعریف می‌شود و هیچ حد میانه‌ای را شامل نمی‌شود. پردازنده با تولید سیگنال خروجی بسیار ضعیف به‌طور مستقیم نمی‌تواند اجزای خودرو را کنترل کند؛ به‌همین‌دلیل، سیگنال خروجی از پردازنده به ترانزیستور موجود در خروجی دیجیتال سطح بالا منتقل می‌شود و آن را فعال می‌کند تا با افزایش انرژی سیگنال به سطحی بالاتر، انرژی موردنیاز برای کنترل اجزای مختلف را فراهم کند.

مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ

همان‌طورکه پیش‌تر اشاره شد، سیگنال خروجی ECU به‌صورت دیجیتال است و سیگنال ورودی به بعضی از اجزای خودرو باید به‌صورت آنالوگ باشد؛ ازاین‌رو، مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ وظیفه‌ی تبدیل این سیگنال‌ها را برعهده دارند.

نویزگیر/بهبوددهنده‌ی سیگنال

گاهی برای بهبود قابلیت خواندن سیگنال‌های ورودی و خروجی باید تنظیماتی روی آن‌ها انجام شود. برای مثال، مبدل آنالوگ به دیجیتال که وظیفه‌ی خواندن سیگنال حسگر اکسیژن را برعهده دارد، به‌گونه‌ای طراحی شده که سیگنال‌های بین ۰ تا ۵ ولت را شناسایی کند؛ اما حسگر اکسیژن سیگنال‌های بین ۰ تا ۱/۱ ولت تولید می‌کند. با وجود قرارگیری سیگنال در دامنه‌ی کاری مبدل، بهتر است به‌منظور به‌حداقل‌رساندن خطای سیستم، به‌کمک بهبوددهنده سیگنال حسگر را تا محدوده‌ی ۰ تا ۴/۴ ولت افزایش دهیم.

چیپ‌های ارتباطی

این چیپ‌ها وظیفه‌ی رعایت انواع استانداردهای ارتباطی را در خودرو برعهده دارند. درحال‌حاضر، مهم‌ترین استاندارد ارتباطی که در خودروها رعایت می‌شود، اجازه می‌دهد که سرعت ارتباطات تا ۵۰۰ کیلوبایت‌بر‌ثانیه باشد. این سرعت درمقایسه‌با گذشته افزایش چشمگیری یافته است؛ چراکه در خودروهای امروزی سرعت تبادل اطلاعات میان اجزای مختلف بسیار ضروری است و برخی اجزا صدها بار در ثانیه اطلاعات را به گذرگاه‌های ارتباطی ارسال می‌کنند.

سیستم‌های پیشرفته‌ی عیب‌یابی

یکی از مزایای مهم استفاده از گذرگاه‌های ارتباطی در خودروها امکان انتقال پیام بروز خطا به‌واسطه‌ی هر بخش از خودرو به ماژول مرکزی است. ماژول مرکزی با ذخیره‌ی خطاهای مخابره‌شده امکان بازیابی آن‌ها به‌کمک دستگاه دیاگ را فراهم می‌کند. این فناوری باعث تسهیل عیب‌یابی در مواقعی می‌شود که ایراد به‌صورت متناوب بروز می‌کند؛ مثلا صدایی که گاهی و در شرایطی خاص از پیشرانه به گوش می‌رسد.

ساده‌سازی تولید و طراحی خودرو

داشتن استاندارد ارتباطی در خودروها سبب تسهیل فرایند طراحی و تولید خودرو شده است. برای توضیح این موضوع ساده‌سازی طراحی و تولید صفحه‌ی کیلومترشمار را بررسی می‌کنیم. صفحه‌ی کیلومترشمار که در خودروهای مدرن به‌صورت کاملا دیجیتال درآمده است، وظیفه‌ی جمع‌آوری و نمایش اطلاعات را برعهده دارد. سایر بخش‌های خودرو از بیشتر اطلاعات ارائه‌شده‌ی این نمایشگر به‌طور لحظه‌ای استفاده می‌کنند. برای مثال، واحد کنترل پیشرانه (ECU) به‌طور لحظه‌ای از سرعت پیشرانه و دمای مبرد موجود در سیستم خنک‌کاری خودرو آگاه است. کنترل‌کننده‌ی سیستم انتقال قدرت نیز از سرعت لحظه‌ای خودرو و کنترل‌کننده‌ی سیستم ترمز ضدقفل از ایرادات موجود در این سیستم اطلاع دارد.

همه‌ی این اجزا تمام اطلاعات خود را به گذرگاه ارتباطی ارسال می‌کنند. واحد کنترل پیشرانه نیز چندبار در ثانیه مجموعه‌ای از داده‌ها را به این گذرگاه ارسال می‌کند که حاوی دسته‌بندی و اطلاعات است. هر بخش از خودرو داده‌های مربوط به خود را تشخیص می‌دهد و دریافت می‌کند و براساس دستورها ECU تغییرات لازم را اعمال می‌کند. در این میان، کیلومترشمار با دریافت اطلاعات خاصی که باید به نمایش بگذارد، به‌طور لحظه‌ای وضعیت اطلاعات موردنیاز راننده را تغییر می‌دهد.

بیشتر خودروسازان کیلومترشمار و سایر اجزای مربوط به آن را به‌طور کامل و مونتاژشده از تأمین‌کنندگان می‌خرند. این امر سبب می‌شود که تأمین‌کننده باتوجه‌به نیازهای خودروساز امکان تغییر در کیلومترشمار را داشته باشد و فرایند طراحی و تولید برای خودروساز و تأمین‌کننده تسهیل می‌شود. این امر به‌لطف پیشرفت در طراحی گذرگاه‌های ارتباطی و دانش الکترونیک انجام می‌شود. برای مثال، خودروساز به‌جای ارائه‌ی اطلاعات و نمودارهای مربوط به هر پارامتر در خودرو، تنها بسته‌های اطلاعاتی تولیدشده‌ی ECU را دراختیار تأمین‌کنندگان می‌گذارد و تأمین‌کنندگان به‌جای آنکه وقت خود را صرف اطلاع از نحوه‌ی تولید سیگنال‌های سرعت باتوجه‌به سرعت چرخش لاستیک‌ها کنند، سیستمی را طراحی می‌کنند که با خواندن اطلاعات موجود در بسته‌های اطلاعاتی و برقراری ارتباط مناسب با گذرگاه‌های ارتباطی، اطلاعات لحظه‌ای خودرو را به‌نمایش بگذارد. این امر درمجموع سبب جذابیت برون‌سپاری طراحی برای خودروساز و تسهیل همکاری میان تأمین‌کننده و خودروساز می‌شود.

مثال دیگر، تلاش تأمین‌کنندگان برای ساده‌سازی تولید و طراحی خودرو درزمینه‌ی ساخت حسگرهای هوشمند است. در گذشته، حسگرهای موجود در خودرو با انتقال سیگنال‌های الکتریکی که اغلب دقت کافی نداشتند، وضعیت لحظه‌ای اجزای خودرو را دراختیار واحد کنترل پیشرانه می‌گذاشتند. در سال‌های اخیر با ظهور حسگرهای هوشمند که به ریزپردازنده و بهبوددهنده‌ی سیگنال دیجیتال مجهز شده‌اند، سبب شده اطلاعات حسگرها به‌طور مستقیم به گذرگاه‌های ارتباطی منتقل شود. انتقال مستقیم داده‌ها علاوه‌بر افزایش سرعت پاسخ‌گویی، سبب افزایش دقت و کاهش نویز در سیگنال‌ها می‌شود.

کاهش سیم‌کشی در خودرو

در خودروهای قدیمی، هریک از دکمه‌های موجود در خودرو ازطریق سیمی مستقل به وسیله‌ی مدنظر متصل بود که با افزایش تعداد دکمه‌ها سیم‌کشی در خودرو پیچیده و هزینه‌بر می‌شد. با پیشرفت فناوری و پیچیده‌ترشدن خودروها، استفاده از تکنیک تسهیم‌سازی (Multiplexing) در شبکه‌ی سیم‌کشی خودرو اجتناب‌ناپذیر شد. تکنیک مالتی‌پلکسینگ به عمل ترکیب جریان‌های ترافیک و تجمیع آن‌ها به‌عنوان جریانی واحد می‌گویند که ازطریق یک خط ارسال می‌شود. در سیستم تسهیم‌ساز، هر ماژول که حداقل به یک ریزپردازنده مجهز است، وظیفه‌ی ادغام سیگنال‌های ورودی و خروجی بخشی از خودرو را برعهده دارد. برای مثال، در خودروهایی که تعداد زیادی دکمه‌ی کنترلی روی در آن‌ها موجود است، احتمالا از ماژولی تسهیم‌ساز بهره می‌برند که وظیفه‌ی ادغام سیگنال‌های بخش در خودرو را برعهده دارد. این ماژول با بررسی و ادغام تمام سیگنال‌های ورودی و خروجی از کنترل‌های موجود روی در، سبب حذف سیم‌کشی اضافی و ساده‌سازی سیستم‌های برقی در خودرو می‌شود.

برای درک بهتر نحوه‌ی کار این سیستم تصور کنید که راننده برای تنظیم آینه‌بغل خودرو دکمه‌ای را فشار می‌دهد. با فشردن این دکمه، ماژول در داده‌ای به گذرگاه ارتباطی خودرو ارسال می‌کند. این اطلاعات به ماژولی دیگر فرمان می‌دهد که موتور آینه‌بغل را در جهت تعیین‌شده حرکت دهد. تمام این دستورها ازطریق سیگنال‌های ادغام‌شده‌ی دو رشته سیم انتقال می‌یابد.

نیاز به امکانات ایمنی و رفاهی جدید

در سال‌های گذشته، خودروها به سیستم‌های ایمنی متعددی نظیر ترمز ضدقفل (ABS) و کیسه‌های هوا مجهز شده‌اند. سیستم‌های ایمنی جدیدتر نظیر کنترل کشش و کنترل پایداری نیز کم‌کم به‌عنوان موارد استاندارد در تمام خودروها به‌کار برده می‌شوند. هریک از این سیستم‌ها ماژول کنترلی جدیدی به خودرو اضافه می‌کند که خود چند ریزپردازنده دارد. با افزوده‌شدن هر سیستم رفاهی یا ایمنی جدید توان پردازشی موردنیاز افزایش می‌یابد. باتوجه‌به چشم‌انداز موجود در عرصه‌ی خودروسازی، در آینده شمار سیستم‌های ایمنی و رفاهی در خودروها بسیار بیشتر از گذشته خواهد بود و همه‌ی این‌ها به‌معنای افزایش توان‌پردازشی و درنتیجه، افزایش نیاز الکتریکی خودروها است. این موضوع سبب شده خودروسازان برای پاسخ‌گویی به نیاز الکتریکی روبه‌رشد به‌جای استفاده از سیستم‌های ۱۴ ولتی به‌سوی به‌کارگیری سیستم‌های ۴۲ ولتی حرکت کنند.