Comment fonctionnent les ordinateurs de voiture

L'ordinateur d'un Ford Ranger

Avant l'adoption des lois sur les émissions, il était possible de construire un moteur de voiture sans microprocesseurs. Avec la promulgation de lois sur les émissions de plus en plus strictes, des systèmes de contrôle sophistiqués étaient nécessaires pour réguler le mélange air / carburant afin que le convertisseur catalytique puisse éliminer une grande partie de la pollution de l'échappement. (Voir Comment fonctionnent les convertisseurs catalytiques pour plus de détails.)

Le contrôle du moteur est la tâche la plus gourmande en ressources processeur de votre voiture, et le calculateur moteur (ECU) est l'ordinateur le plus puissant de la plupart des voitures. L'ECU utilise contrôle en boucle fermée, un système de contrôle qui surveille les sorties d'un système pour contrôler les entrées d'un système, en gérant les émissions et l'économie de carburant du moteur (ainsi qu'une foule d'autres paramètres). En rassemblant des données provenant de dizaines de capteurs différents, l'ECU sait tout, de la température du liquide de refroidissement à la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement. Avec ces données, il effectue des millions de calculs chaque seconde, y compris la recherche de valeurs dans des tableaux, le calcul des résultats d'équations longues pour décider du meilleur moment d'allumage et la détermination de la durée d'ouverture de l'injecteur de carburant. L'ECU fait tout cela pour garantir les émissions les plus faibles et le meilleur kilométrage. Voir le fonctionnement des systèmes d'injection de carburant pour plus de détails sur ce que fait l'ECU.

Les broches sur cette interface de connecteur avec des capteurs et des dispositifs de contrôle partout dans la voiture.

Un ECU moderne peut contenir un processeur 32 bits, 40 MHz. Cela peut ne pas sembler rapide par rapport au processeur de 500 à 1000 MHz que vous avez probablement dans votre PC, mais n'oubliez pas que le processeur de votre voiture exécute un code beaucoup plus efficace que celui de votre PC. Le code dans un ECU moyen occupe moins de 1 mégaoctet (Mo) de mémoire. En comparaison, vous avez probablement au moins 2 gigaoctets (Go) de programmes sur votre ordinateur - c'est 2000 fois le montant d'un ECU.

-Le processeur est emballé dans un module avec des centaines d'autres composants sur une carte de circuit imprimé multicouche. Certains des autres composants de l'ECU qui prennent en charge le processeur sont:

• Convertisseurs analogique-numérique - Ces appareils lisent les sorties de certains des capteurs de la voiture, tels que le capteur d'oxygène. La sortie d'un capteur d'oxygène est une tension analogique, généralement comprise entre 0 et 1,1 volts (V). Le processeur ne comprend que les nombres numériques, de sorte que le convertisseur analogique-numérique change cette tension en un nombre numérique de 10 bits.
• Sorties numériques de haut niveau - Sur de nombreuses voitures modernes, l'ECU déclenche les bougies d'allumage, ouvre et ferme les injecteurs de carburant et allume et éteint le ventilateur de refroidissement. Toutes ces tâches nécessitent des sorties numériques. Une sortie numérique est activée ou désactivée - il n'y a pas d'intermédiaire. Par exemple, une sortie pour contrôler le ventilateur de refroidissement peut fournir 12 V et 0,5 A au relais du ventilateur lorsqu'il est allumé et 0 V lorsqu'il est éteint. La sortie numérique elle-même est comme un relais. La petite quantité d'énergie que le processeur peut produire alimente le transistor dans la sortie numérique, ce qui lui permet de fournir une quantité beaucoup plus grande d'énergie au relais du ventilateur de refroidissement, qui à son tour fournit une quantité encore plus grande d'alimentation au ventilateur de refroidissement..
• Convertisseurs numérique-analogique - Parfois, l'ECU doit fournir une sortie de tension analogique pour piloter certains composants du moteur. Étant donné que le processeur de l'ECU est un appareil numérique, il a besoin d'un composant capable de convertir le nombre numérique en tension analogique.
• Conditionneurs de signaux - Parfois, les entrées ou sorties doivent être ajustées avant d'être lues. Par exemple, le convertisseur analogique-numérique qui lit la tension du capteur d'oxygène peut être configuré pour lire un signal de 0 à 5 V, mais le capteur d'oxygène émet un signal de 0 à 1,1 V. Un conditionneur de signal est un circuit qui ajuste le niveau des signaux entrant ou sortant. Par exemple, si nous appliquions un conditionneur de signal qui multipliait la tension provenant du capteur d'oxygène par 4, nous obtiendrions un signal de 0 à 4,4 V, ce qui permettrait au convertisseur analogique-numérique de lire la tension plus précisément. (voir Comment fonctionne l'enregistrement analogique et numérique pour plus de détails).
• Puces de communication - Ces puces implémentent les différentes normes de communication utilisées sur les voitures. Plusieurs normes sont utilisées, mais celle qui commence à dominer les communications embarquées s'appelle POUVEZ (mise en réseau de la zone contrôleur). Cette norme de communication permet des vitesses de communication allant jusqu'à 500 kilobits par seconde (Kbps). C'est beaucoup plus rapide que les anciennes normes. Cette vitesse devient nécessaire car certains modules communiquent des données sur le bus des centaines de fois par seconde. Le bus CAN communique à l'aide de deux fils.

Dans la section suivante, nous verrons comment les normes de communication ont facilité la conception et la construction de voitures..

Le port de diagnostic d'une minifourgonnette Toyota

-Un autre avantage d'avoir un bus de communication est que chaque module peut communiquer les défauts à un module central, qui stocke les défauts et peut les communiquer à un outil de diagnostic externe..

Cela peut permettre aux techniciens de diagnostiquer plus facilement les problèmes avec la voiture, en particulier les problèmes intermittents, qui sont connus pour disparaître dès que vous apportez la voiture pour réparation..

BATauto.com: les pages d'informations techniques répertorient les codes d'erreur stockés dans l'ECU pour différents constructeurs automobiles. Parfois, les codes sont accessibles sans outil de diagnostic. Par exemple, sur certaines voitures, en sautant deux des broches dans le connecteur de diagnostic, puis en tournant la clé de contact pour démarrer, le voyant «vérifier le moteur» clignotera selon un certain schéma pour indiquer le numéro du code d'erreur stocké dans l'ECU.

Voyons comment les microprocesseurs et les normes de communication ont rendu les voitures plus faciles à construire.

Les ordinateurs du tableau de bord sont facilement visibles par les conducteurs. PredragKezic / ThinkStock

-Le fait d'avoir des normes de communication a rendu la conception et la construction de voitures un peu plus électroniques. Un bon exemple de cette simplification est le tableau de bord de la voiture.

le tableau de bord recueille et affiche les données de diverses parties du véhicule. La plupart de ces données sont déjà utilisées par d'autres modules de la voiture. Par exemple, l'ECU connaît la température du liquide de refroidissement et la vitesse du moteur. Le contrôleur de transmission connaît la vitesse du véhicule. Le contrôleur du système de freinage antiblocage (ABS) sait s'il y a un problème avec l'ABS.

Tous ces modules envoient simplement ces données sur le bus de communication. Plusieurs fois par seconde, l'ECU enverra un paquet d'informations composé d'un en-tête et des données. L'en-tête est juste un nombre qui identifie le paquet comme une lecture de vitesse ou de température, et les données sont un nombre correspondant à cette vitesse ou température. Le tableau de bord contient un autre module qui sait rechercher certains paquets - chaque fois qu'il en voit un, il met à jour la jauge ou l'indicateur approprié avec la nouvelle valeur.

La plupart des constructeurs automobiles achètent les groupes d'instruments entièrement assemblés auprès d'un fournisseur, qui les conçoit selon les spécifications du constructeur automobile. Cela facilite grandement la conception du tableau de bord, tant pour le constructeur automobile que pour le fournisseur..

Il est plus facile pour le constructeur automobile de dire au fournisseur comment chaque jauge sera conduite. Au lieu d'avoir à dire au fournisseur qu'un fil particulier fournira le signal de vitesse, et qu'il s'agira d'une tension variant entre 0 et 5 V, et 1,1 V correspond à 30 mph, le constructeur automobile peut simplement fournir une liste des paquets de données . Ensuite, il est de la responsabilité du constructeur de s'assurer que les données correctes sont sorties sur le bus de communication.

Il est plus facile pour le fournisseur de concevoir le tableau de bord car il n'a pas besoin de connaître les détails sur la manière dont le signal de vitesse est généré, ni sur sa provenance. Au lieu de cela, le tableau de bord surveille simplement le bus de communication et met à jour les jauges lorsqu'il reçoit de nouvelles données.

Ces types de normes de communication font qu'il est très simple pour les constructeurs automobiles d'externaliser la conception et la fabrication des composants: le constructeur automobile n'a pas à se soucier des détails de la façon dont chaque jauge ou lumière est conduite, et le fournisseur qui fabrique le tableau de bord ne le fait pas. Vous devez vous soucier de la provenance des signaux.

-Les lusters C sont maintenant utilisés à plus petite échelle pour les capteurs. Par exemple, un capteur de pression traditionnel contient un appareil qui délivre une tension variable en fonction de la pression appliquée à l'appareil. Habituellement, la tension de sortie n'est pas linéaire, dépend de la température et est une tension de bas niveau qui nécessite une amplification.

Certains fabricants de capteurs fournissent un capteur intelligent intégré à toute l'électronique, ainsi qu'un microprocesseur qui lui permet de lire la tension, de l'étalonner à l'aide de courbes de compensation de température et d'émettre numériquement la pression sur le bus de communication..

Cela évite au constructeur automobile d'avoir à connaître tous les détails sales du capteur et économise de la puissance de traitement dans le module, qui aurait autrement à faire ces calculs. Cela rend le fournisseur, qui est le plus au courant des détails du capteur de toute façon, responsable de fournir une lecture précise.

Un autre avantage du capteur intelligent est que le signal numérique circulant sur le bus de communication est moins sensible au bruit électrique. Une tension analogique traversant un fil peut capter une tension supplémentaire lorsqu'elle traverse certains composants électriques, ou même des lignes électriques aériennes.

Les bus de communication et les microprocesseurs aident également à simplifier le câblage multiplexage. Regardons de plus près comment ils font cela.

Les portes avec beaucoup d'interrupteurs sont de plus en plus courantes.

-Le multiplexage est une technique qui peut simplifier le câblage dans une voiture. Dans les voitures plus anciennes, les fils de chaque interrupteur vont à l'appareil qu'ils alimentent. Avec de plus en plus d'appareils à la disposition du conducteur chaque année, multiplexage est nécessaire pour éviter que le câblage ne devienne incontrôlable. Dans un système multiplexé, un module contenant au moins un microprocesseur consolide les entrées et les sorties pour une zone de la voiture. Par exemple, les voitures qui ont beaucoup de commandes sur la porte peuvent avoir un module de porte conducteur. Certaines voitures ont des commandes de lève-vitre électrique, de rétroviseur électrique, de verrouillage électrique et même de commandes de siège électrique sur la portière. Il ne serait pas pratique de faire passer l'épais faisceau de fils qui proviendrait d'un système comme celui-ci hors de la porte. Au lieu de cela, le module de porte conducteur surveille tous les interrupteurs.

Voici comment cela fonctionne: Si le conducteur appuie sur son interrupteur de fenêtre, le module de porte ferme un relais qui alimente le moteur de la fenêtre. Si le conducteur appuie sur l'interrupteur pour régler le rétroviseur côté passager, le module de porte conducteur envoie un paquet de données sur le bus de communication de la voiture. Ce paquet indique à un module différent de mettre sous tension l'un des moteurs du miroir de puissance. De cette manière, la plupart des signaux qui sortent de la porte conducteur sont consolidés sur les deux fils qui forment le bus de communication.

Le développement de nouveaux systèmes de sécurité a également augmenté le nombre de microprocesseurs dans les voitures. Nous en parlerons dans la section suivante.

-Au cours de la dernière décennie, nous avons vu des systèmes de sécurité tels que l'ABS et les coussins gonflables devenir courants sur les voitures. D'autres caractéristiques de sécurité telles que les systèmes de contrôle de traction et de contrôle de la stabilité commencent également à devenir courantes. Chacun de ces systèmes ajoute un nouveau module à la voiture, et ce module contient plusieurs microprocesseurs. À l'avenir, il y aura de plus en plus de ces modules partout dans la voiture à mesure que de nouveaux systèmes de sécurité seront ajoutés..

Chacun de ces systèmes de sécurité nécessite plus de puissance de traitement et est généralement emballé dans son propre module électronique. Mais ça ne s'arrête pas là. Dans les années à venir, nous aurons toutes sortes de nouvelles fonctionnalités pratiques dans nos voitures, et chacune d'entre elles nécessite plus de modules électroniques contenant plusieurs microprocesseurs..

Il semble qu'il n'y ait pas de limite à la quantité de technologie que les constructeurs automobiles vont mettre dans nos voitures. L'ajout de toutes ces fonctionnalités électroniques est l'un des facteurs qui poussent les constructeurs automobiles à augmenter la tension du système sur les voitures du système actuel 14 V à un système 42 V. Cela aidera à fournir la puissance supplémentaire dont ces modules ont besoin.

Pour plus d'informations sur les ordinateurs de voiture et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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