汽车各控制单元在控制各用电器工作时需要根据当前的物理量来确定怎么控制。例如在控制散热风扇是否运转时,需要根据发动机的温度来确定是否要开启电子扇,以及转速是多高,同时会根据空调系统的压力来确定是否要开启电子扇。控制单元必须要知道当前的发动机温度和空调系统的压力,然后根据电脑存储的温度曲线来计算出电子扇是否该启动了。 温度和压力是我们熟知的物理量,而控制单元却不认识这些物理量,因此需要把这些物理量转变为电信号提供给控制单元,否则控制单元无法识别出温度和压力等物理量。能把物理量转变为电信号的装置,称为传感器。 汽车上有很多传感器:转速传感器,把转速转变为电信号;挡位传感器,把挡位转变为电信号;进气压力传感器,把进气压力转变为电信号;进气流量传感器,把进气流量转变为电信号……那么传感器到底把物理量变为了什么样的电信号呢? (1)直流模拟信号。 图9-1所示为发动机水温传感器,它是一个随温度变化进而内部阻值发生变化的传感器。通过电阻串联分压取出变化的电压,用这个变化的电压来代表当前的温度变化,这样就构成了一个简单的温度传感器。 这个传感器给出的是一个什么样的电信号呢?我们通过图9-2来认识一下。
以0V代表140℃,4.9V代表-40℃。电脑识别到传感器上的电压在0~4.9V之间变化,任意一个电压都有一个对应的温度。把这种信号称为直流模拟信号。其特点是信号电压是连续变化的。
这种以电压代表一个物理量的传感器特别多,例如空调压力传感器、进气压力传感器等,都是把物理量转变为电压信号。
(2)频率调制信号。
首先认识一下什么是频率。某一根导线上的电压在0V和5V之间来回跳变,这种信号称为脉冲信号,如图9-3所示。我们看下几个专业术语:电压为0V时称为低电平;电压为5V时称为高电平(当然高电平不一定就是5V);一个高电平和一个低电平形成一个周期,在1s内有多少个周期,频率就是多少赫兹。假如1s内有50个周期,则频率为50赫兹,记为50Hz。
在实际使用中,汽车有很多传感器是把物理量的变化转变为频率变化的电信号。例如,新款大众/奥迪的空气流量计就是把进气量的变化转变为频率变化的电信号,以当前的频率来代表进气量的多少,这种信号称为频率调制信号。
般汽车用频率调制信号使用的都是标准的矩形波(图9-3),它的低电平所用时间和高电平所用时间是一样的,且从低电平到高电平的变化是直接跳转的(这里把低电平到高电平的变化时间称为上升沿)，从高电平到低电平的变化也是直接跳转的(把高电平到低电平的变化时间称为下降沿)。
(3)占空比信号。
占空比信号是汽车在信号采集以及执行器控制上应用非常多的一种信号,占空比信号也称PWM信号。那么占空比信号到底是什么样的呢?
如图9-4所示,把第一个周期所用的时间称为100%,那么高电平大约占整个周期的33%,低电平大约占整个周期的67%。把高电平所占时间称为占空比,即第一个周期的占空比是33%;同样的第二个周期高电压占了整个周期的67%,那么称第二个周期的占空比为67%。
①占空比信号在传感器上的应用。现在有的传感器采用输出占空比变化的信号来代表当前物理量的变化,例如新款的大众空调压力传感器,它就是输出一个占空比跟随空调系统压力变化的信号,电脑只要看信号的占空比变化,就知道当前的压力变化了。
②占空比信号在执行器上的应用。现在汽车很多执行器使用占空比信号来驱动,应用占空比信号来驱动执行器,其实质都是调整流过执行器的电流。那么占空比的调整是怎么做到调整电流的呢?
图9-5所示为一个简单的灯泡控制电路,电路中只要开关闭合,灯泡就亮,电路中就有电流流过。现在假设开关闭合0.01s后立即断开0.09s,这样反复操作,闭合和断开就构成了一个周期。闭合就是高电位,断开就是低电位。那么高电位就占整个周期的10%。这时候会发现灯泡非常的暗(因为我们的视觉有延迟,所以看不到灯泡闪烁),灯泡暗说明流过灯泡的电流减少了,这是因为在一个周期中只给了10%的时间供电,因此流过灯泡的电流只有全负荷的10%。同样的道理,如果增加开关闭合的时间,减少断电时间,整个周期还是0.1s,这时候会发现灯泡变亮了。
通过改变占空比来改变流过用电器的电流,这种执行器驱动方式在很多地方都有应用,例如空调的鼓风机、水箱风扇及VVT电磁阀等。
(4)数字信号。
在前面的信号中都是以电压、频率、占空比变化来实现信号的传递的,还有一种是以数字编码的形式来实现信号传递的方式。
在这里我们简单地了解一下数字电路。前面讲的频率信号是一个高电平和低电平变化的信号,如果规定高电平为数值1,低电平为数值0,识别一个数值的时间为1ms,那么高低变化的脉冲电压就变成了数值信号,电路中跳变的高低电平就变成了数字0和1。那么简单的0和1又有什么用呢?
现在我们这样：
水温传感器温度50℃用编码0001 0001代表;
水温传感器温度51℃用编码0001 0010代表;
水温传感器温度52℃用编码0001 0011代表;
……这样你会发现0和1的组合变得非常有意思了,我们可以通过改变规则实现用0和1的组合来代表任意一种物理量。
我们这里只是简单地了解下数字信号,这对后面学习总线非常有用。如果大家感兴趣,可以自行学习一下数字电路以及二进制、十进制与十六进制转换。
