Mỗi năm, ô tô dường như ngày càng phức tạp hơn, và độ thông minh cũng nâng lên đáng kể như điển hình ở những chiếc xe điện. Ô tô ngày nay có thể có tới hơn 50 bộ vi xử lý. Mặc dù những bộ vi xử lý này khiến bạn gặp khó khăn hơn khi làm việc trên ô tô của mình nhưng một số trong số chúng thực sự giúp ô tô của bạn dễ bảo dưỡng hơn.
Một số lý do cho sự gia tăng số lượng bộ vi xử lý này là:
- Nhu cầu kiểm soát động cơ phức tạp để đáp ứng các tiêu chuẩn về khí thải và tiết kiệm nhiên liệu
- Tự chẩn đoán nâng cao
- Đơn giản hóa việc sản xuất và thiết kế ô tô
- Giảm số lượng hệ thống dây điện trên ô tô
- Tính năng an toàn mới
- Tính năng tiện nghi và thoải mái mới
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét từng yếu tố này đã ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế ô tô của bạn.
Trước khi luật phát thải được ban hành, người ta có thể chế tạo động cơ ô tô mà không cần bộ vi xử lý. Với việc ban hành luật phát thải ngày càng chặt chẽ hơn, cần có các kế hoạch kiểm soát tinh vi để điều chỉnh hỗn hợp không khí và nhiên liệu để bộ chuyển đổi xúc tác có thể loại bỏ phần lớn ô nhiễm từ khí thải.
Điều khiển động cơ là công việc sử dụng nhiều bộ xử lý nhất trên ô tô của bạn và điều khiển động cơ đơn vị (ECU) là máy tính mạnh nhất trên hầu hết các ô tô. ECU sử dụng điều khiển vòng kín, một sơ đồ điều khiển giám sát đầu ra của hệ thống nhằm kiểm soát đầu vào của hệ thống, quản lý lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống 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 tra cứu các giá trị trong bảng, tính toán kết quả của các phương trình dài để quyết định thời điểm đánh lửa tốt nhất và xác định kim phun nhiên liệu mở trong bao lâu. ECU thực hiện tất cả những điều này để đảm bảo lượng khí thải thấp nhất và quãng đường đi được tốt nhất.
Một ECU hiện đại có thể chứa bộ xử lý 32 bit, 40 MHz. Điều này nghe có vẻ không nhanh so với bộ xử lý 500 đến 1.000 MHz mà bạn có thể có trong PC của mình, nhưng hãy nhớ rằng bộ xử lý trong ô tô của bạn đang chạy mã hiệu quả hơn nhiều so với mã trong PC của bạn. Mã trong ECU trung bình chiếm ít hơn 1 megabyte (MB) của bộ nhớ. Để so sánh, bạn có thể có ít nhất 2 gigabyte (GB) chương trình trên máy tính của mình, gấp 2.000 lần dung lượng trong ECU.
Linh kiện ECU
Bộ xử lý được đóng gói trong một mô-đun với hàng trăm thành phần khác trên bảng mạch nhiều lớp. Một số thành phần khác trong ECU hỗ trợ bộ xử lý là:
- Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số – Các thiết bị này đọc đầu ra của một số cảm biến trong ô tô, chẳng hạn như cảm biến oxy. Đầu ra của cảm biến oxy là điện áp analog, thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1,1 volt (V). Bộ xử lý chỉ hiểu các số kỹ thuật số, do đó bộ chuyển đổi tương tự sang số sẽ thay đổi điện áp này thành số kỹ thuật số 10-bit.
- Đầu ra kỹ thuật số cấp cao – Trên nhiều ô tô hiện đại, ECU kích hoạt bugi đánh lửa, mở và đóng kim phun nhiên liệu và bật và tắt quạt làm mát. Tất cả các nhiệm vụ này yêu cầu đầu ra kỹ thuật số. Đầu ra kỹ thuật số ở trạng thái bật hoặc tắt – không có khoảng nào ở giữa. Ví dụ: đầu ra để điều khiển quạt làm mát có thể cung cấp 12 Volt và 0,5 ampe cho rơle quạt khi nó bật và 0 Volt khi tắt. Bản thân đầu ra kỹ thuật số giống như một rơle. Lượng điện năng nhỏ mà bộ xử lý có thể tạo ra sẽ cung cấp năng lượng cho bóng bán dẫn ở đầu ra kỹ thuật số, cho phép nó cung cấp lượng điện năng lớn hơn nhiều cho quạt làm mát rơle, từ đó cung cấp lượng điện năng lớn hơn cho quạt làm mát.
- Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự – Đôi khi ECU phải cung cấp đầu ra điện áp analog để điều khiển một số bộ phận của động cơ. Vì bộ xử lý trên ECU là một thiết bị kỹ thuật số nên nó cần một bộ phận có thể chuyển đổi số kỹ thuật số thành điện áp analog.
- Bộ điều hòa tín hiệu – Đôi khi, đầu vào hoặc đầu ra cần được điều chỉnh trước khi đọc. Ví dụ: bộ chuyển đổi tương tự sang số đọc điện áp từ cảm biến oxy có thể được thiết lập để đọc tín hiệu 0 đến 5-V, nhưng cảm biến oxy lại phát ra tín hiệu 0 đến 1,1-V. Bộ điều hòa tín hiệu là mạch điều chỉnh mức tín hiệu vào hoặc ra. Ví dụ: nếu chúng ta áp dụng bộ điều hòa tín hiệu nhân điện áp đến từ cảm biến oxy với 4, chúng ta sẽ nhận được tín hiệu từ 0 đến 4,4-V, tín hiệu này sẽ cho phép bộ chuyển đổi tương tự sang số đọc được điện áp chính xác hơn.
- Chip giao tiếp – Những con chip này triển khai các tiêu chuẩn liên lạc khác nhau được sử dụng trên ô tô. Có một số tiêu chuẩn được sử dụng nhưng tiêu chuẩn đang bắt đầu thống trị hoạt động liên lạc trong ô tô được gọi là CAN (mạng vùng điều khiển). Chuẩn truyền thông này cho phép tốc độ liên lạc lên tới 500 kilobit mỗi giây (Kbps). Tốc độ đó nhanh hơn rất nhiều so với các tiêu chuẩn cũ. Tốc độ này đang trở nên cần thiết vì một số mô-đun truyền dữ liệu lên Bus hàng trăm lần mỗi giây. Bus CAN giao tiếp bằng hai dây.
Chẩn đoán nâng cao
Một lợi ích khác của việc có bus truyền thông là mỗi mô-đun có thể truyền đạt lỗi đến mô-đun trung tâm, mô-đun này lưu trữ các lỗi và có thể truyền đạt chúng đến một công cụ chẩn đoán bên ngoài.
Điều này có thể giúp các kỹ thuật viên chẩn đoán các vấn đề của xe dễ dàng hơn, đặc biệt là các vấn đề không liên tục, thường biến mất ngay khi bạn mang xe đến sửa chữa.
Trang thông tin kỹ thuật liệt kê các mã lỗi được lưu trữ trong ECU của các nhà sản xuất ô tô khác nhau. Đôi khi, mã có thể được truy cập mà không cần công cụ chẩn đoán. Ví dụ, trên một số ô tô, bằng cách nối hai chân trong đầu nối chẩn đoán rồi vặn chìa khóa điện để chạy, tín hiệu “kiểm tra động cơ” đèn sẽ nhấp nháy theo một mẫu nhất định để biểu thị số mã lỗi được lưu trong ECU.
Thiết kế và sản xuất dễ dàng hơn
Việc có các tiêu chuẩn truyền thông đã khiến việc thiết kế và chế tạo ô tô trở nên dễ dàng hơn một chút. Một ví dụ điển hình cho sự đơn giản hóa này là cụm đồng hồ của ô tô, cụm công cụ thu thập và hiển thị dữ liệu từ nhiều bộ phận khác nhau của xe. Hầu hết dữ liệu này đã được các mô-đun khác trong ô tô sử dụng. Ví dụ, ECU biết nhiệt độ nước làm mát và tốc độ động cơ. Bộ điều khiển hộp số biết tốc độ của xe. Bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) biết liệu ABS có vấn đề hay không.
Tất cả các mô-đun này chỉ đơn giản gửi dữ liệu này lên bus truyền thông. Vài lần trong một giây, ECU sẽ gửi một gói thông tin bao gồm tiêu đề và dữ liệu. Tiêu đề chỉ là một con số xác định gói là tốc độ hoặc nhiệt độ và dữ liệu là một con số tương ứng với tốc độ hoặc nhiệt độ đó. Bảng điều khiển chứa một mô-đun khác biết tìm kiếm các gói nhất định — bất cứ khi nào nhìn thấy một gói, nó sẽ cập nhật thước đo hoặc chỉ báo thích hợp với giá trị mới.
Hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều mua cụm đồng hồ được lắp ráp hoàn chỉnh từ một nhà cung cấp, người 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 rất nhiều đối với cả nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp.
Nhà sản xuất ô tô sẽ dễ dàng hơn trong việc thông báo cho nhà cung cấp cách điều khiển từng đồng hồ đo. Thay vì phải nói với nhà cung cấp rằng một dây cụ thể sẽ cung cấp tín hiệu tốc độ và nó sẽ có điện áp thay đổi trong khoảng từ 0 đến 5 V và 1,1 V tương ứng với tốc độ 30 dặm/giờ, nhà sản xuất ô tô chỉ có thể cung cấp danh sách các gói dữ liệu. Sau đó, trách nhiệm của nhà sản xuất ô tô là đảm bảo rằng dữ liệu chính xác được xuất ra trên bus truyền thông.
Nhà cung cấp sẽ dễ dàng thiết kế bảng điều khiển hơn vì họ không cần biết bất kỳ chi tiết nào về cách tạo ra tín hiệu tốc độ hoặc tín hiệu đó đến từ đâu. Thay vào đó, bảng điều khiển chỉ giám sát bus truyền thông và cập nhật đồng hồ đo khi nhận được dữ liệu mới.
Những loại tiêu chuẩn truyền thông này khiến các nhà sản xuất ô tô không gặp khó khăn gì khi thuê ngoài thiết kế và sản xuất các bộ phận: Nhà sản xuất ô tô không phải lo lắng về các chi tiết về cách mỗi đồng hồ đo hoặc đèn được điều khiển và nhà cung cấp sản xuất bảng điều khiển không phải lo lắng về việc tín hiệu đến từ đâu.
Cảm biến thông minh
Các cụm hiện đang được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn cho các cảm biến. Ví dụ, một cảm biến áp suất truyền thống có chứa một thiết bị tạo ra điện áp khác nhau tùy thuộc vào áp suất tác dụng lên thiết bị. Thông thường, điện áp đầu ra không tuyến tính, phụ thuộc vào nhiệt độ và là điện áp mức thấp cần khuếch đại.
Một số nhà sản xuất cảm biến đang cung cấp cảm biến thông minh được tích hợp với tất cả các thiết bị điện tử, cùng với bộ vi xử lý cho phép nó đọc điện áp, hiệu chỉnh điện áp bằng cách sử dụng các đường cong bù nhiệt độ và xuất áp suất kỹ thuật số lên bus truyền thông.
Điều này giúp nhà sản xuất ô tô không phải biết tất cả các chi tiết bẩn của cảm biến và tiết kiệm năng lượng xử lý trong mô-đun, nếu không sẽ phải thực hiện các phép tính này. Nó khiến nhà cung cấp, người nắm rõ nhất các chi tiết của cảm biến, chịu trách nhiệm cung cấp kết quả đọc chính xác.
Một ưu điểm khác của cảm biến thông minh là tín hiệu số truyền qua bus truyền thông ít bị nhiễu điện hơn. Điện áp tương tự truyền qua dây có thể nhận thêm điện áp khi nó đi qua một số bộ phận điện nhất định hoặc thậm chí từ đường dây điện trên cao.
Đấu dây đơn giản
Ghép kênh là một kỹ thuật có thể đơn giản hóa việc nối dây trong ô tô. Ở những chiếc ô tô cũ, dây từ mỗi công tắc sẽ chạy đến thiết bị mà chúng cấp nguồn. Với ngày càng nhiều thiết bị theo lệnh của người lái mỗi năm, ghép kênh là cần thiết để giữ cho hệ thống dây điện không bị mất kiểm soát. Trong hệ thống ghép kênh, một mô-đun chứa ít nhất một bộ vi xử lý sẽ hợp nhất các đầu vào và đầu ra cho một khu vực của ô tô. Ví dụ: ô tô có nhiều nút điều khiển trên cửa có thể có mô-đun cửa người lái. Một số xe có cửa sổ chỉnh điện, gương chỉnh điện, khóa điện và thậm chí cả ghế chỉnh điện trên cửa. Sẽ là không thực tế nếu chạy bó dây dày đến từ một hệ thống như thế này ra khỏi cửa. Thay vào đó, mô-đun cửa tài xế sẽ giám sát tất cả các công tắc.
Đây là cách hoạt động: Nếu người lái nhấn công tắc cửa sổ, mô-đun cửa sẽ đóng một rơ-le cung cấp điện cho động cơ cửa sổ. Nếu người lái nhấn công tắc để điều chỉnh gương bên hành khách, mô-đun cửa bên người lái sẽ gửi một gói dữ liệu lên bus liên lạc của ô tô. Gói này yêu cầu một mô-đun khác cung cấp năng lượng cho một trong các động cơ gương chỉnh điện. Bằng cách này, hầu hết các tín hiệu rời khỏi cửa lái sẽ được hợp nhất vào hai dây tạo thành bus liên lạc.
An toàn, thoải mái và tiện lợi
Trong thập kỷ qua, chúng ta đã thấy các hệ thống an toàn như ABS và air túi trở nên phổ biến trên ô tô. Các tính năng an toàn khác như hệ thống kiểm soát lực kéo và kiểm soát độ ổn định cũng bắt đầu trở nên phổ biến. Mỗi hệ thống này bổ sung thêm một mô-đun mới cho ô tô và mô-đun này chứa nhiều bộ vi xử lý. Trong tương lai, sẽ ngày càng có nhiều mô-đun này trên khắp xe khi các hệ thống an toàn mới được bổ sung.
Mỗi hệ thống an toàn này đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý hơn và thường được đóng gói trong mô-đun điện tử riêng. Nhưng nó không kết thúc ở đó. Trong những năm tới, chúng ta sẽ có tất cả các loại tính năng tiện lợi mới trên ô tô và mỗi loại tính năng này đều yêu cầu nhiều mô-đun điện tử chứa nhiều bộ vi xử lý hơn.
Có vẻ như không có giới hạn nào về số lượng các nhà sản xuất ô tô công nghệ sẽ trang bị cho ô tô của chúng ta. 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 12-V hiện tại lên hệ thống 48-V. Điều này sẽ giúp cung cấp thêm năng lượng mà các mô-đun này yêu cầu.
Quốc Huy