Stand de Testare Pentru Senzori de A.b.s. cu Microcontroler

PROIECT DE DIPLOMĂ

Stand de testare pentru senzori de ABS cu microcontroler

INTRODUCERE

Am ales această temă, ținând cont de faptul că industria auto este într-o continuă expansiune urmărind tot odată siguranță și calitatea serviciilor oferite clienților.

În prezenta lucrare se prezintă o modalitate de testare a senzorilor de rotație (ABS) cu efect Hall din punct de vedere funcțional și calitativ. Unul din motivele care m-au făcut să aleg domeniul auto este strânsa legătură a societății față de piața auto, acesta fiind un argument întemeiat pentru un viitor electronist să îmbunătățească domeniul auto și inclusiv siguranța persoanelor.

În ultimi ani senzori își fac loc din ce în ce mai mult în industria auto, an de an aducându-se îmbunătățiri ale performantelor, confortului, siguranței pasagerilor, înregistrând un trend ascendent spre electrificarea totală a automobilelor. În acest moment, aproximativ 35% din costurile unui autovehicul sunt reprezentate de partea electronică, sunt prezente aproximativ 70 de unități electronice de control (ECU) care conțin între 5-8 milioane de linii de cod care deservesc sistemele electronice prezente în automobile. Aproape toate subsistemele care formează un automobil sunt controlate electronic: sistemul de propulsie, șasiu, climatizare, geamuri, faruri etc.

Pentru a crește încrederea consumatorilor acestei industrii și implicit a calității, trebuie să fim conștienți și să ne asumăm ca și viitori practicieni, că parametrii tehnici ai acestor senzori sunt în standardele ridicate cerute de acest sector.

Calitatea acestor senzori este vitală deoarece senzorii cu funcționalitate defectuoasă pot crea multe probleme, începând cu pierderi de ordin financiar și mergând până la pierderi de vieți omenești. De aceea inginerii din această industrie duc o muncă continuă atât pentru depistarea pieselor neconforme la ieșirea de pe liniile de producție cât și pentru înlăturarea cauzelor care duc la producerea de piese necorespunzătoare.

Consider că oportunitatea oferită încă din 2013 de a lucra într-o companie multinaționala activantă în acest domeniu, mi-a oferit șansa de a pune deja în practică cunoștințele teoretice pe care le-am dobândit în urma celor patru ani de studiu și mi-au trezit curiozitatea spre cercetare în industria auto.

Obiectivele pe care intenționez să le tratez în lucrarea de față, pornesc de la dorința de a realiza un stand de testare în care regăsim în prim plan trei proprietăți esențiale care fac acest tip de stand de testare atractiv. Aceste proprietăți se concretizează prin îmbinarea armonioasă dintre: un cost scăzut de realizare, o interfață utilizator accesibilă și portabilitatea datorată dimensiunilor reduse ale acestuia.

Lucrarea cuprinde cinci capitole astfel: Capitolul 1, Senzori în electronica auto unde sunt descrise diferite tipuri de senzori folosiți în industria auto, modul lor de funcționare, îmbunătățirile aduse acestei industrii, o clasificare generală a acestor senzori în funcție de scopul lor și scurte descrieri legate de sistemele în care acești senzori funcționează.

În cel de-al doilea capitol, numit Microcontrolere se regăsesc informații referitoare la blocurile funcționale care alcătuiesc aceste sisteme, un scurt istoric al microcontrolerelor, o descriere detaliată a microcontrolerului folosit în realizarea părții practice și informații legate de sistemele de afișaj folosite în realizarea proiectelor cu acest tip de dispozitive.

Cel de-al treilea capitol, Tipuri de senzori pentru sistemul ABS, conține informații referitoare la modul de funcționare al acestui sistem, o clasificare din punct de vedere funcțional al senzorilor de rotație punându-se accent pe modul de construcție și de funcționare al senzorilor cu efect Hall. De asemenea în acest capitol se regăsesc detalii legate de efectul Hall și de circuitele integrate, folosite în prezent, pentru realizarea fizică a acestor senzori.

Al patrulea capitol, se axează pe metodele de asigurare a calității în cazul senzorilor de ABS și a analizei rolului testării funcționale.

Realizarea practică, reprezintă ultimul capitol al acestei lucrări de licență, unde este descrisă schema electrică folosită pentru realizarea cablajului imprimat, părțile componente ale interfeței utilizator și toate informațiile conținute de aceasta. Tot în acest capitol este prezentat codul sursă folosit pentru programarea microcontrolerului.

Lucrarea de licență se încheie cu concluziile, pe care mi le-am exprimat în urma analizei pe care am realizat-o prin studiul unor lucrări de specialitate și a standardelor de calitate în vigoare.

Curiozitatea intelectuală s-a format și dezvoltat în cadrul cursurilor universitare cadrul Universității "1 Decembrie 1918", Facultatea de Științe din Alba Iulia.

CAPITOLUL 1. SENZORI ÎN ELECTRONICA AUTO

În acest capitol sunt prezentate tipuri de senzori prezenți în industria auto, din punct de vedere funcțional și tehnic.

Senzorii ar putea fi definiți ca: un dispozitiv electronic care transformă un fenomen fizic într-un fenomen electric.O altă definiție ar putea fi: dispozitive care transformă (sau traduc) cantități fizice cum ar fi accelerația sau presiunea (numite măsurând), în mărimi de ieșire (de obicei electrice) care sunt folosite ca semnale de intrare pentru sisteme de procesare și control.

Senzorii folosiți în industria auto se pot clasifica, în funcție de zona în care acționează în trei mari categorii după cum urmează:

Senzori pentru sistemul de propulsie (consumul de energie al automobilului, performanțe etc). Din aceasta categorie fac parte senzorii pentru motor, transmisie, diagnostice etc.

Senzorii pentru șasiu (manevrabilitate, siguranță etc.) Aici se regăsesc senzorii pentru direcție, suspensie, sistem de frânare și stabilitate.

Senzorii pentru siguranță și confort (nevoile pasagerilor). În această categorie avem senzorii pentru siguranță, confortul, informarea pasagerilor.

În continuare se v-or prezenta câteva tipuri de senzori din toate cele trei categorii punându-se accent pe senzorii și sistemele care au ca scop siguranța auto.

Senzori pentru sistemul de propulsie.

Pentru a furniza cantitatea optimă de combustibil în toate condițiile de funcționare, unitatea de control a motorului (ECU) trebuie sa monitorizeze un număr foarte mare de parametrii, acest lucru realizându-se cu ajutorul senzorilor responsabili de sistemul de propulsie cum ar fi: senzorii de masă de aer (MAF), senzorii de temperatură, senzorul de poziție al pedalei de accelerație, senzorul de temperatură al lichidului de răcire, senzorul de presiune absolută (MAP), senzorul de turație, senzori de oxigen etc. În continuare se va descrie modul de funcționare a câtorva senzori prezentați mai sus.

Senzori de masă de aer (MAF).

Senzorul de masă de aer măsoară cantitatea de aer care intră în cilindri. La motoarele pe benzină acestă informație este utilizată pentru a determina cantitatea de combustibil ce trebuie injectată, iar la motoarele diesel pentru a calcula cantitatea de gaze arse reintroduse în cilindri de sistemul de recirculare a gazelor de eșapament. Acest senzor convertește cantitatea de aer aspirată în motor într-un semnal electric, acest semnal fiind transmis către calculatorul de injecție, care calculează cantitatea de combustibil ce trebuie injectată în cilindru pentru a se obține raportul de aer-combustibil dorit.

Există două tipuri de senzori de masă de aer, un tip care produce la ieșire un semnal sub forma de tensiune (analog), și altul care oferă un semnal sub formă de freqvență (digital). Ambele tipuri de senzori funcționează asemănător, pe principiul firului cald.

Principalele componente ale senzorului MAF sunt : un termistor, un fir de platină și un circuit electronic de control. Termistorul măsoară temperatura aerului care intră în senzor, firul de platină fiind menținut de către circuitul electronic la o temperatură constantă în relație cu termistorul. Când cantitatea de aer crește, temperatura firului de platină va scădea iar circuitul electronic de control va încerca să compenseze această scădere de temperatură trimițând mai mult curent prin fir. Circuitul electronic de control măsoară curentul care trece prin firul de platină și oferă la ieșire un semnal proporțional cu acest curent.

Figura 1.1. Circuitul electric și semnalul de ieșire al senzorului MAF

Senzorul de temperatură al lichidului de răcire ECT(Engine coolant temperature).

Senzorul de temperatură monitorizează temperatura lichidului de răcire al motorului, deci implicit temperatura medie a acestuia. Informația furnizată de senzorul de temperatură este utilizată de calculatorul de injecție în principal pentru controlul turației de ralanti și pentru controlul îmbogățirii amestecului (raportul aer-combustibil), mai ales în faza de pornire a motorului.

Funcționarea senzorului ECT este asemănătoare cu cea a unui termistor, atunci când temperatura crește rezistența electrică scade iar când temperatura scade rezistența electrică crește. Acest senzor are de obicei 2 fire și folosește o tensiune de referință de 5v. Atunci când temperatura motorului este joasă, tensiunea de ieșire a senzorului este aproximativ 4V iar când temperatura este mare tensiunea de ieșire poate fi mai mică de 0,5V.

Figura 1.2. Caracteristica senzorului de temperatură al motorului

Senzorii pentru șasiu.

Sistemele de control al șasiului joacă un rol foarte important în ceea ce privește stabilitatea, frânarea, tracțiunea, amortizarea unui automobil. Din aceste sisteme fac parte: sistemul ABS (Anti-lock braking system), sistemul de control al tracțiunii TCS (Traction control system), sistemul de asistență la virare PAS (electronically controlled power assisted steering), controlul electronic al stabilității (ECS). Toate aceste sisteme funcționează cu ajutorul senzorilor de poziție și rotație.

Senzorii de poziție.

Așa cum spune și numele, senzorii de poziție oferă informații precise referitoare la poziție, mișcare și la prezența sau absența unui obiect, determinând poziția, mișcarea, viteza sau distanța față de acesta.

În funcție de principiul de funcționare al senzorului, cele mai importante tipuri sunt: senzorii de poziție rezistivi, senzorii de poziție capacitivi, senzori optici, senzori magnetici, senzori cu efect Hall.

Cel mai folosit senzor pentru poziție este senzorul rezistiv sau potențiometrul datorită costurilor reduse și faptului că sunt simplu de folosit. Un potențiometru este o rezistență construită astfel încât de-a lungul ei să gliseze un contact electric denumit cursor. El poate fi privit ca un divizor rezistiv cu rezistențe reglabile, a căror sumă este constantă. Într-un montaj ca cel din figura 1.3, considerând că rezistența de sarcină RL nu este conectată, prin deplasarea cursorului se obține la ieșire o tensiune vo reglabilă. Valoarea raportată variază liniar cu spațiul parcurs de cursor.

Potențiometrele utilizate ca senzori de deplasare sunt: liniari, rotativi și cu fir. Cei rotativi sesizează deplasări unghiulare iar cei cu fir deplasări pe distanțe mai mari.

Figura 1.3. Potențiometru alimentat și variația tensiunii în funcție de deplasarea cursorului

Senzorii pentru siguranță și confort.

De la apariția primelor autovehicule la începutul anilor 1900, producătorii din industria auto lucrează la noi tehnici și tehnologii pentru îmbunătățirea siguranței și confortului autoturismelor. În acest fel au luat naștere sistemele de air bag, centurile de siguranță, sistemele de detecție a ploii, sistemul ABS, sistemul de asistență la frânare, sistemul de asistență la parcare etc. Toate aceste sisteme au nevoie de senzori pentru a putea funcționa. Printre acești senzori se număra senzorii de proximitate, senzori ultrasonici, senzori de presiune, senzori de rotație, senzori de greutate, senzori de impact, senzori de accelerație, senzori optici.

Sistemul Airbag.

Unul dintre cele mai importante sisteme de siguranță este sistemul airbag. Vehiculele moderne conțin în general cinci senzori de impact și accelerație: doi senzori poziționați în stânga-față și dreapta-față pentru detecția impacturilor frontale, doi senzori în stânga-lateral și dreapta-lateral pentru detecția impacturilor laterale, și un senzor poziționat în interiorul autovehiculului pentru detecția cu precizie a impactelor.

Deoarece nu este economică umflarea airbag-urilor în cazul unor accidente ușoare, senzorul este proiectat să sesizeze coliziunile mașinii cu obiecte masive la cel puțin 20km/h. Senzorul conține un întrerupător mecanic ce deschide circuitul electric în urma impactului. În același timp un accelerometru sesizează viteza și în cazul în care simte un impact la o viteză mai mare de 20km/h, se dă comanda umflării airbag-urilor.

Sistemul de asistență la parcare.

Un alt sistem important dezvoltat pentru siguranța auto este asistența la parcare. Acest sistem folosește senzori ultrasonici care avertizează șoferul în legătură cu eventualele obstacole aflate în apropierea mașinii.

Senzorul ultrasonic are două părți componente, un transmițător care trimite un semnal și un receptor care reprimește semnalul după ce acesta “se lovește“ de un obiect aflat în apropiere. Senzorul determină perioadă de timp necesară întoarcerii semnalului. Dacă un obiect se alfa foarte aproape de senzor, semnalul se va întoarce foarte repede.

Senzorul va transmite timpul determinat computerului de bord (ECU) iar acesta calculează distanța la care se afla obiectul.

Figura 1.4. Principiul de funcționare al senzorilor ultrasonici

Din punct de vedere constructiv, un senzor ultrasonic este format dintr-un multivibrator fixat elastic la o bază. Acest multivibrator este o combinație de rezonator și vibrator, care este compus dintr-o foaie de metal și o foaie ceramică piezoelectrică. Rezonatorul are formă conică pentru a radia eficient unda ultrasonică generată de vibrație, și de asemenea pentru a concentra unda ultrasonică în partea centrală a vibratorului.

Figura 1.5. Structura senzorului ultrasonic

Sistemul de detecție a ploii.

Un sistem relativ nou folosit în industria auto este cel de detecție a ploii. Acesta detectează atât ploaia cat și cantitatea de precipitații, acționând ștergătoarele de parbriz în funcție de cantitatea de apă aflata pe parbriz.

Un senzor optic aflat în interiorul mașinii proiectează o rază infra-roșie pe parbriz la un unghi de 45°. Atunci când parbrizul este uscat unda este reflectată înapoi la senzor de către parbriz, dar dacă parbrizul este umed, unda de infra-rosu nu va fi reflectată iar sistemul va detecta această întrerupere. Calculatorul de bord va interpreta aceste date și va calcula intensitatea ploii sau a zăpezii, și va acționa ștergătoarele de parbriz.

Figura 1.6. Principiul detecției picurilor de ploaie

CAPITOLUL 2. MICROCONTROLERE.

La modul general, un microcontroler este o structură electronică destinată controlului unui proces, sau mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără a fi necesară intervenția operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate, și a unei electronici analogice complexe, motiv pentru care “străluceau” prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Scurt istoric

În anul 1971, INTEL a anunțat producerea primului microporcesor, acesta fiind momentul trecerii de la electronica implementată cablat, la electronica realizată programat. Primul microprocesor 4004 a fost conceput de E. Hoff ca un procesor puțin simplificat pentru a putea fi implementat, la vremea aceea, pe un singur cip de siliciu. Acest microprocesor nu era foarte puternic, putea realiza doar operații matematice simple, cum ar fi adunarea și scăderea. Totuși acest microprocesor a făcut parte din primul calculator electronic portabil. Inițial, microprocesorul nu a fost un computer-on-a-chip, deși în timp a ajuns la acest stadiu; conceptul de microprocesor sa dezvoltat și spre alte implementări științifice: microcontroler, microcalculator, procesor de semnale (DSP) etc. Oricare din aceste circuite, pentru a deveni parte a unui sistem, impune un proces de proiectare care se bazează în egală măsură atât pe componenta hardware cât și pe cea software.

În anul 1974 apare a doua generație de microprocesoare (8008) ,mult mai puternica, fabricată pe un singur chip. Acest microprocesor este urmat de Intel 8080, ambele modele fiind operate cu o singură sursă de alimentare +5V, folosindu-se tehnologia NMOS. În același timp, Motorola a lansat primul său microprocesor, modelul 6800, care este un procesor de 8 biți având puterea de procesare asemănătoare cu ceea a procesorului Intel 8080, totuși aceste doua microprocesoare având arhitecturi total diferite.

În cazul microprocesoarelor Intel, modelul 8080 a evoluat în 8085 (care avea 8 biți la fel ca 8080). Apoi a apărut a treia generație de microprocesoare de 16 biți numită 8086 care au fost folosite în primele calculatoare IBM. În timp, au urmat modelele 80186, 80286 și 800386 (procesoare de 32 biți), toate acestea ducând la gama de procesoare Pentium (64 biți) disponibile în ziua de azi. Gama de microprocesoare Motorola a urmat același traseu, modelul 6800 fiind înlocuit de modelul 6809 (8 biți), apoi 68000 (16 biți), fiind urmate de microprocesoarele 68010, 68020, 68030 folosite în multe aplicații cum ar fi calculatoarele MAC produse de Apple.

După cum se poate observa, majoritatea microcontrolerelor din ziua de azi, se bazează pe cele două arhitecturi de microprocesoare, 8080 produse de Intel și 6800 produse de Motorola.

Structura de bază a unui microcontroler.

În figura 2.1 este prezentată structura de bază a unui microcontroler. Acestea sunt formate din următoarele blocuri: unitatea centrală de procesare (CPU), dispozitive de intrare-ieșire seriale și paralele, generatorul de tact, memoria (RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM), convertoare A/D și D/A, periferice. Blocurile componente ale unui microcontroler sunt legate între ele printr-o magistrală internă (bus). Magistrala vehiculează semnale de adresă, de date și semnale de control. Mărimea acestor magistrale constituie una dintre caracteristicile cele mai importante ale unui microcontroler.

Figura 2.1 Schema bloc a unui microcontroler.

Unitatea centrala de procesare (CPU).

Unitatea centrală de procesare, este compusă din unitatea aritmetică logică (UAL) și din unitatea de control.

Unitatea aritmetică și logică este secțiunea responsabilă cu efectuarea operațiilor aritmetice și logice asupra operanzilor care ii sunt furnizați. Unitatea de control este responsabilă cu decodificarea codului operației conținut de codul unei instrucțiuni. Pe baza decodificării, unitatea de control elaborează semnale pentru comanda celorlalte blocuri funcționale pentru a finaliza executarea unei instrucțiuni.

Unitatea centrală de procesare este structurată pe locații de memorie, aceste locații de memorie numindu-se regiștri. În general CPU conține un set de regiștrii generali (în mod normal 16-32, dar pot fi și mai mulți), fiecare dintre ei putând fi sursa sau destinația unei operații. CPU mai poate conține regiștrii dedicați, cum ar fi registrul acumulator, care este folosit pentru operații aritmetice și logice sau registrul index folosit pentru anumite moduri de adresare.

Figura 2.2. Unitatea centrală de procesare

Memoria.

Funcția unei memorii este aceea de a stoca informații – fiind asemănătoare cu cea a regiștrilor. În general, regiștrii sunt parte a microprocesorului și pot stoca cantități mici de date, disponibile, pentru folosirea imediată, putând realiza, de asemenea, instrucțiuni de deplasare și de rotație. Memoria este proiectată pentru a stoca cantități mai mari de informații decât regiștrii, unele tipuri de memorii având capacitatea de a păstra informațiile atunci când sursa de alimentare este oprită. Această capacitate, împarte memoriile în două categorii: memorii volatile (RAM) și memorii non-volatile(ROM).

Figura 2.3. Tipuri de memorie

Memoria RAM (Random Acces Memory): este o memorie volatilă care poate fi citită sau scrisă de unitatea centrală. Locațiile din RAM sunt accesibile în orice ordine. Pe chip, memoria RAM ocupă mult loc și implicit costurile de implementare sunt mari. Această memorie are o viteză de acces mare și un număr nelimitat de ștergeri și reînscrieri. Memoria RAM este împărțita în două categorii: SRAM (Static Random Acces Memory) și DRAM (Dynamic Random Acces Memory).

Memoria ROM (Read Only Memory): este cea mai ieftină și cea mai simplă memorie și se folosește la stocarea programelor în faza de fabricație. Unitatea centrală poate citi informațiile, dar nu le poate modifica.

Memoria PROM (Programable Read Only Memory): este similară cu memoria ROM, dar ea poate fi programată de către utilizator. După posibilitățile de ștergere, această memorie poate fi de mai multe feluri:

Memoria EPROM (Erasable PROM) se poate șterge prin expunere la raze ultraviolete. Ștergerea este neselectivă, adică se poate șterge doar întreaga informație, memoria putând fi ștearsa și rescrisă de un număr finit de ori.

Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) poate fi ștearsă electric de către unitatea centrală în timpul funcționării, ștergerea fiind selectivă. Memoria este lentă și numărul de ștergeri/rescrieri este limitat (tipic 10000).

Memoria FLASH este o memorie asemănătoare EPROM și EEPROM în sensul că poate fi ștearsă și reprogramată în sistemul în care este folosită (fără a fi necesar un sistem dedicat). Aceasta memorie poate fi programată și ștearsă electric. Memoria FLASH nu permite ștergerea individuală de locații, utilizatorul putând să șteargă doar întregul conținut.

Bus-ul

Unitatea centrală de procesare comunică cu memoriile și cu perifericele prin magistrale (trasee) numite Bus. Fizic, bus-ul reprezintă un grup de 8,16 sau mai multe fire. Există două tipuri de bus-uri: bus de adresă și bus de date.

Primul constă din atâtea linii cât este numărul de cifre binare (16 biți=16+1 fire, 1 fir fiind masa), iar celălalt atât de lat cât sunt datele. Primul servește la transmiterea adreselor de la CPU la memorie, iar cel de al doilea la conectarea tuturor blocurilor din interiorul microcontrolerului.

Figura 2.4. Bus-ul

Dispozitivele I/O

Dispozitivele I/O introduc funcții speciale scutind unitatea centrală de toate aspectele specifice de comandă și control în funcția respectivă. În arhitectura microcontrolerelor se găsesc multe categorii de dispozitive I/O care îndeplinesc anumite funcții cum ar fi: operații generale de comunicație (transfer de date), funcții de protecție, funcții speciale de comandă, operații de conversie analog/numerică, funcții generale de timp (generare de impulsuri, numărare de evenimente) etc.

Dispozitivele I/O sunt văzute de unitatea centrală ca porturi. Unitatea centrală apelează porturile prin semnale de selecție construite din decodificarea magistralelor de adrese și control. Porturile sunt localizate fie în spațiul de memorie, fie într-un spațiu propriu. Unitatea centrală poate opera scrieri sau citiri cu porturile la fel ca și cu memoria. În continuare v-or fi descrise o serie de dispozitive I/O întâlnite în structura microcontrolerelor.

Module de comunicație serială.

SPI (Serial Pheriferal Interface) a fost dezvoltată de Motorola pentru a oferi o interfață simplă între microcontrolere și dispozitivele periferice. SPI este o interfață serială sincronă, cu patru fire, toate transmisiile fiind sincronizate cu un semnal de ceas comun furnizat de master (microcontroler). Perifericul receptor (sclav) utilizează semnalul de ceas la achiziția fluxului de biți seriali. Această interfață poate fi folosită pentru conectarea la dispozitive diverse cum ar fi: memorie, convertoare analog-digitale, convertoare digitale-analogice, senzori, alte microcontrolere, LCD(Liquid Crystal Display) etc.

SCI (Serial Communications Interface) este un subsistem I/O serial independent de tipul full duplex UART (Universal Asynchronous receiver/transmitter) asincron. SCI poate fi folosit pentru comunicațiile între microcontroler și un terminal, un calculator PC sau alt microcontroler. Rata transferului este controlată de un generator propriu, care furnizează frecvențe pentru rate de transfer standard, folosind oscilatorul microcontrolerului.

SCI+ este similar cu SCI, dispunând în plus de suport pentru comunicații seriale sincrone. Poate transfera date în mod sincron cu dispozitive de tip SPI.

I2C (Inter Integrated Circuit) este o magistrală ieftină și eficientă, sincronă, bidirecțională și de viteză mică. Fiecare dispozitiv conectat la magistrală este identificat printr-o adresă unică, și poate funcționa ca transmițător sau receptor. I2C este o magistrală serială, cu două fire (linii), care transportă informații între dispozitivele conectate, cele doua linii fiind SDA (Serial Data) și SCL (Serial Clock).

Module timer.

Sistemul timer (circuit de timp) este folosit pentru a măsura timpul și pentru a genera semnale cu perioade și frecvențe dorite. În modulul timer sunt implementate câteva mecanisme care pun la dispoziția utilizatorului funcții specifice, acest modul putând fi folosit practic pentru orice funcție de timp, inclusiv pentru generarea unor forme de undă sau conversii D/A simple.

Mecanismul IC (Input capture) este folosit pentru a determina momentul apariției unui eveniment sau pentru a măsura perioada sau durata unui semnal de intrare. Acest mecanism este folosit pentru sincronizarea evenimentelor externe.

Mecanismul OC (Output compare) este folosit pentru a determina o schimbare la ieșire la un moment de timp dorit. Mecanismul este folosit pentru a genera spre exterior referințe de timp.

Mecanismul PWM (Pulse Width Modulation) este folosit la generarea semnalelor pentru comanda motoarelor, a comutatoarelor de putere etc.

Module A/D și D/A.

Convertoarele analog-digitale și digitale-analog sunt circuite integrate care transformă semnale analogice în semnale digitale și invers. Microprocesoarele pot lucra doar cu semnale digitale, de aceea aceste convertoare sunt folosite pentru a realiza conversia semnalelor primite de la senzori și traductori în semnale digitale.

Convertoarele A/D sunt folosite de obicei pentru a măsura mărimi analogice cum ar fi: temperatura, presiunea, umiditatea etc, în timp ce convertoarele D/A sunt folosite pentru conversia semnalelor digitale primite de la procesor în semnale analogice folosite în diverse aplicații.

Module de protecție.

Aceste module îndeplinesc funcții de protecție atunci când apar erori în funcționarea microcontrolerelor. Unul dintre cele mai cunoscute astfel de module este modulul COP (Computer operating properly). Acesta este un circuit timer numit și watchdog care previne erorile cauzate de o funcționare defectuoasă atât din punct de vedere hardware cât și din punct de vedere software. În timpul operării normale, microcontrolerul resetează circuitul watchdog la perioade regulate de timp. Dacă sistemul are o funcționalitate anormală și circuitul watchdog nu este resetat, se va genera un semnal care are scopul de a iniția acțiuni corective, cum ar fi plasarea sistemului în safe mode sau ducerea sistemului într-o stare de funcționare cunoscută, stabilită anterior.

Arduino Uno V3

Pentru realizarea sistemelor specializate, sunt anumite criterii de care se ține cont atunci când se alege microcontrolerul, astfel încât acesta să poată îndeplinii toate funcțiile necesare funcționării sistemului în condiții normale, aceste criterii fiind: viteza de operare, consumul de energie, capacitatea memoriei RAM si ROM încorporate pe chip, numărul de intrări și ieșiri, tensiunea de alimentare, proprietăți fizice (dimensiune, greutate) etc.

Pentru proiectul practic, am ales să folosesc o placă de dezvoltare Arduino Uno V3 deoarece oferă toate resursele necesare realizării proiectului și oferă un raport calitate-preț ridicat.

Arduino Uno V3 folosește un microcontroler Atmega328. Are 14 pini digitali de intrare/ieșire (din care 6 pot fi folosiți ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un rezonator ceramic de 16MHz, conexiune prin USB și buton de reset.

Tabel 2.1. Specificații tehnice Arduino

Placa Arduino Uno V3 poate fi alimentată atât de la USB cât și de la o sursă de tensiune externă, cu o tensiune de alimentare între 6 și 20V. Dacă placa este alimentată cu mai puțin de 7V este posibil ca tensiunea pinului de 5V să scadă sub 5V și placa să devină instabilă. Dacă placa este alimentată la mai mult de 12V este posibil ca aceasta să se supraîncălzească, acest lucru putând duce la distrugerea microcontrolerului, de aceea este recomandată alimentarea la o tensiune cuprinsă între 7 – 12V.

Arduino Uno oferă posibilitatea de comunicare cu calculatorul, cu o altă placă Arduino sau cu alt microcontroler. Atmega328 oferă posibilitatea comunicării seriale UART TTL (5V), care este disponibilă pe pini digitali 0(RX) și 1(RX). Microcontrolerul folosește driverele standard USB și nu necesită instalarea altor drivere externe. De asemenea Atmega328 suporta comunicații I2C și SPI.

Programarea plăcii Arduino Uno se realizează cu programul oferit de Arduino. Aceasta vine cu un program preinstalat, numit bootloader, care permite încărcarea de programe noi, direct de pe calculator, fără a avea nevoie de programatoare specializate. De asemenea, programarea se poate face direct, folosind ICSP (In Circuit Serial Programming).

Sisteme de afișaj.

Pentru comunicarea cu mediul exterior, sistemele care folosesc microcontrolere au nevoie de dispozitive de afișaj, care să facă legătura între microcontroler și operatorul uman. Există o gama larga de dispozitive care pot realiza această legătură, începând de la cele mai simple, cum ar fi un simplu LED mergând până la sisteme complexe cum ar fi dispozitivele LCD și afișajele cu plasmă care pot reda imagini video și foto în timp real. De asemenea, informațiile prelucrate de microcontroler pot fi afișate direct pe calculator prin conectarea microcontrolerului la portul de comunicație seriala al calculatorului.

Pentru proiectul practic, datorită numărului mare de parametrii pe care doresc sa îi afișez, pentru necesitatea salvării parametrilor măsurați și pentru nevoia realizării unor reprezentări grafice, am decis folosirea calculatorului pentru afișarea datelor cu ajutorul unui software numit PLX-DAQ.

PLX-DAQ este un program de achiziții de date, dezvoltat de compania Parallax, care permite transmiterea datelor, în timp real, prin comunicație serială de la microcontroler către Microsoft Excel. Acesta permite transmiterea de până la 26 de coloane de date simultan, viteze de până la 128KB și realizarea graficelor cu ajutorul uneltelor oferite de Microsoft Excel.

CAPITOLUL 3. TIPURI DE SENZORI PENTRU SISTEMUL ABS

Sistemul ABS

În anul 1978 compania germana Mercedes-Benz, a prezentat, generația modernă a sistemului ABS (Anti-lock Braking System), dezvoltat împreună cu firma producătoare de componente auto Bosch, acesta fiind primul sistem care permitea șoferului să mențină controlul autovehiculului în momentul frânării bruște, totodată scurtând distanța de frânare.

Funcția sistemului ABS, este aceea de a preveni blocarea roților unui vehicul motorizat, în timpul frânării. Atunci când frânele unui autovehicul controlat cu sistem ABS sunt utilizate, intensitatea frânării este ajustată astfel încât nu se permite blocarea roților chiar dacă forța de apăsare a pedalei de frână rămâne constantă(și de valoare mare).

Structura de bază a sistemului ABS este formată din: senzori de rotație, o unitate electronică de control ECU (Electronic Control Unit), o unitate hidraulică de control HCU (Hydraulic Control Unit) și actuatori hidraulici. Câte un senzor măsoară viteza de rotație a fiecărei roti și transmite aceste informații către unitatea electronica de control. Unitatea electronică de control prelucrează aceste informații, iar în timpul frânarii, dacă valorile transmise de către senzori depășesc anumite valori prestabilite, ECU va trimite informațiile prelucrate către unitatea hidraulică de control care va mări sau va scădea presiunea de frânare a actuatorilor hidraulici.

Figura 3.1. Schema bloc a sistemului ABS

În figura 3.1 este prezentată schema bloc a sistemului ABS unde avem:

15 – terminal conectat la contactul mașinii

30 – terminalul (+) de alimentare a unității de control

31 – terminalul (-) ground

A2 – unitatea electronica de control ECU

B25,B26 – senzorii de turație ai roților față-stânga respectiv față-dreapta

B27,B28 – senzorii de turație ai roților spate-stânga respectiv spate-dreapta

H1,5 – bec de semnalizare

S29/S43 – întrerupătoare, semnale de intrare de la pedala de frână

WSS – semnal de intrare pentru unitatea HCU

X13 – “diagnostic link”

Tipuri de senzori de rotație folosiți în sistemul ABS.

Există doua tipuri de senzori de rotație folosiți în sistemele ABS, senzorii de rotație inductivi și senzori de rotație cu efect Hall. Deoarece această lucrare propune studierea funcțională și calitativă a senzorilor cu efect Hall, în continuare se va pune accent pe studierea acestui tip de senzor.

Senzori de rotație inductivi.

Senzorii de rotație inductivi sunt folosiți în diverse aplicații care necesită înregistrarea unei viteze de rotație, convertind această viteză întru-un semnal electric. În figura 3.2 sunt prezentate părțile componente ale unui astfel de senzor.

1 – cablu ecranat

2 – magnet permanent

3 – carcasa senzorului

4 – suport senzor

5 – miez metalic

6 – bobina

7 – distanța dintre senzor și roata dințată

8 – roată dințată cu marcaj de referință

Figura 3.2. Părțile componente ale senzorului inductiv

Modul de funcționare al senzorilor inductivi este următorul: miezul metalic al senzorului este înconjurat de o înfășurare (împreună formând bobina), și poziționat la o distantă mică de roata dințată, perpendicular pe aceasta. Acest miez metalic este conectat direct la un magnet permanent, al cărui câmp magnetic se extinde până la roata dințată fiind influențat de către aceasta. Când un dinte al roții dințate trece prin fața senzorului, concentrează câmpul magnetic amplificând fluxul magnetic prin bobină în timp ce fluxul magnetic este atenuat atunci când prin fața senzorului trece un spațiu dintre dinții roții dințate. În timpul rotației, fluxul magnetic prin bobină se schimbă datorită succesiunii dinților și a spațiilor, acestă schimbare inducând o tensiune alternativă în bobină, a cărei frecvență este direct proporțională cu viteza de rotație a roții.

Figura 3.3. Semnalul generat de un senzor de rotație inductiv

Senzori de rotație cu efect Hall.

Efectul Hall este cunoscut de peste o sută de ani, dar a început să fie foarte folosit în ultimele trei decenii. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor semiconductoare a devenit posibilă folosirea dispozitivelor cu efectul Hall în produse fabricate la scară largă. Astăzi, dispozitive care funcționează pe baza efectului Hall se regăsesc în multe industrii începând de la industria producătoare de calculatoare, industria auto, industria producătoare de echipamente medicale și până la industria aeronautică.

Caracteristicile generale care recomandă folosirea senzorilor cu efect Hall în diferite aplicații sunt: durată da funcționare lungă, viteză mare de operare (până la 100 kHz), posibilitatea de a lucra cu intrări și ieșiri logice, repetabilitatea rezultatelor, posibilitatea de a funcționa într-o gamă largă de temperaturi (-40; +150°C).

Efectul Hall

Atunci când un conductor sau un semiconductor, străbătut de un curent electric, este plasat într-un câmp magnetic, o tensiune va fi generată perpendicular cu câmpul magnetic și cu direcția curentului. Acest efect este cunoscut ca efectul Hall.

În figura 3.4 este ilustrat principiul de bază al efectului Hall. Se prezintă o bucată de material semiconductor (elementul Hall) prin care trece un curent electric. Conexiunile de ieșire sunt perpendiculare pe direcția curentului. Când nu este prezent un câmp magnetic, distribuția curentului este uniformă iar la ieșire nu va exista o diferență de potențial.

Figura 3.4. Principiul Hall, fără câmp magnetic

Când un câmp magnetic perpendicular pe direcția curentului este prezent, cum se poate vedea în figura 3.5, se exercită o forță Lorentz asupra curentului. Această forță modifică distribuția curentului, rezultând o diferență de potențial la ieșire. Tensiunea rezultată se numește tensiune Hall și are formula următoare: VH = I x B.

Figura 3.5. Principiul Hall, în prezența câmpului magnetic

Tensiunea Hall este proporțională cu vectorul produsului dintre curentul (I) și câmpul magnetic (B). Acesta este, pentru silicon, de aproximativ 30 uV din această cauză este necesară amplificarea pentru aplicațiile practice.

Siliconul prezintă efecte piezoelectrice, adică o schimbare a rezistenței electrice proporțională cu presiunea. Este recomandată diminuarea acestui efect pe cât posibil. Acest lucru se poate obține prin folosirea mai multor elemente Hall într-un IC și prin orientarea diferită a acestora. În figura 3.6 sunt prezentate doua elemente Hall, aflate la mica distanță într-un circuit integrat. Ele sunt sunt poziționate în acest fel pentru a suporta aceeași presiune cauzată de ambalare, presiune reprezentată de ΔR. Excitarea se aplica de-a lungul axei verticale pentru primul element Hall, iar pentru cel de-al doilea de-a lungul axei orizontale. Adunând ieșirile celor doua elemente se elimină această problemă. În general, circuitele integrate folosesc două sau patru astfel de elemente Hall.

În figura 3.7 este prezentată configurația de bază a unui senzor cu efect Hall.

Figura 3.6. Orientarea elementului Hall

Figura 3.7. Schema de bază a unui senzor Hall.

Modul de funcționare al senzorilor de rotație cu efect Hall

Configurația cu magnet încorporat.

Senzorii de rotație cu efect Hall au în componență un circuit integrat Hall și un magnet poziționat perpendicular pe acest IC și pot detecta mișcarea obiectelor feromagnetice. Toate componentele acestor senzori sunt încapsulate într-un material non-magnetic pentru protecție fizică și pentru o instalare ușoară. În figura 3.8 se poate observa configurația unui astfel de senzor.

Figura 3.8. Configurația senzorului de rotație și schema sa electrică.

Atunci când dintele unei roți dințate feromagnetice trece prin fața senzorului, concentrează fluxul magnetic al magnetului incorporat. Senzorul detectează o schimbare a fluxului, această schimbare ducând la o modificare a semnalului de ieșire. Această cădere a valorii curentului (de obicei valoarea curentul de ieșire este ridicată) duce la comutarea dintre tensiunea de alimentare și tensiunea de saturație a tranzistorului de ieșire (Vezi figura 3.9 pentru forma de undă a semnalului de ieșire).

Un circuit de feedback este integrat în IC și este folosit la reducerea efectelor temperaturii și a altor factori externi care pot influența funcționarea senzorului. Acest circuit folosește un capacitor discret pentru a stoca o tensiune de referință, care este proporțională cu puterea câmpului magnetic atunci când în fața senzorului se află spațiul dintre doi dinți ai roții. Prin folosirea acestui model, este necesar ca la alimentarea senzorului, un spațiu al roții dințate sa fie trecut prin fața senzorului pentru a se stabili această tensiune de referință. Circuitul de declanșare folosește această tensiune pentru a stabili un nivel de referință pentru punctul de operare.

Când câmpul magnetic simțit elementul Hall depășește o valoare predefinită, semnalul de la elementul Hall depășește punctul de operare al circuitului de declanșare iar tranzistorul de ieșire este comutat în starea ON. Circuitul de declanșare comută tranzistorul de ieșire în starea OFF atunci când puterea câmpului magnetic este redusă la mai puțin de 75%.

Performanțele acestor senzori sunt dependente de următoarele variabile:

Materialul din care e confecționată roata dințată și geometria acesteia

Distanța dintre roata dințată și senzor

Temperatura ambientală și umiditatea

Materiale magnetice aflate în apropierea senzorului sau a roții dințate

Figura 3.9. Semnalul de ieșire în funcție de poziția roții dințate

Configurația fără magnet încorporat.

Diferența dintre configurația senzorilor cu magnet și cea a senzorilor fără magnet încorporat, este dată de faptul că senzorii prezentați mai sus au magnetul încorporat și nu au nevoie de un câmp magnetic extern pentru a funcționa, în timp ce senzorii fără magnet au nevoie de acest câmp magnetic extern.

Acest tip de senzori nu v-or mai fi stimulați cu o roată dințată, în schimb pentru a opera au nevoie de fie de un magnet montat pe un disc, fie de un inel magnetic cu alternanțe de poli nord-sud. În figura 3.10 este prezentat modul de stimulare al acestor tip de senzori.

Figura 3.10. Modul de stimulare al senzorilor cu efect Hall fără magnet

Tipuri de circuite integrate folosite în construcția senzorilor cu efect Hall

TLE4941

Circuitul integrat TLE4941 este proiectat pentru a oferii informații asupra vitezei de rotație în cadrul autovehiculelor moderne și a sistemului de ABS. Semnalul de ieșire a fost modelat ca o interfață de curent cu două fire. Senzorul operează fără alte componente externe și combină un timp de pornire rapid cu o frecvență de taiere scăzută.

Caracteristici

Interfață de curent cu două fire

Principiu de auto-calibrare dinamic

Sensibilitate ridicată

Rezistență ridicată la efecte piezo

Funcționare într-un interval de temperatură mare

Acuratețe ridicată

Robust din punct de vedere ESD (Electrostatic Discharge) și EMC (Electromagnetic Compatibility)

Acest IC (circuit integrat) poate detecta mișcarea structurilor feromagnetice și a magneților permanenți măsurând densitatea diferențială de flux a câmpului magnetic. Starea ON și OFF a circuitului integrat este dată de consumul de curent High și Low.

Figura 3.11. Configurația pinilor și dimensiunile fizice ale TLE4941

Figura 3.12. Diagrama bloc a TLE4941

Circuitul este alimentat intern de un regulator de tensiune de 3V. Un oscilator integrat este folosit ca un generator de tact pentru partea digitală a circuitului. Calea de semnal este compusă dintr-o pereche de probe Hall, distanțate una față de cealaltă la 2,5mm, un amplificator diferențial care include un filtru de zgomot trece jos și un comparator. În plus, acesta mai conține un procesor digital de semnal (DSP) și un convertor D/A pentru anularea compensării. În timpul fazei de pornire (modul necalibrat), ieșirea este dezactivată (I = ILow).

Semnalul diferențial de intrare este digitalizat în convertorul A/D și este transmis către DSP. Valorile minime și maxime ale semnalului de intrare sunt extrase și media lor aritmetică este calculată. Compensația acestei valori medii este determinată și este transmisă către convertorul DAC pentru anularea compensării. După corecția compensării comutarea ieșirii este permisă.

În modul de funcționare calibrat, algoritmul DSP pentru corecția compensării este comutat într-un mod special, pentru a se evita oscilația convertorului de compensație DAC. Comutarea are loc la trecerea semnalului de intrare prin zero (de exemplu trecerea prin zero a semnalelor sinusoidale). Aceasta este afectată doar de o compensare (foarte mică) a comparatorului și de un timpul de întârziere al semnalului cauzat de filtrul de zgomot. Semnalele mai mici decât un prag predefinit nu sunt detectate pentru a se evita comutări parazite nedorite.

Forma semnalului de ieșire.

În condiții ideale, semnalul de ieșire are un factor de umplere de 50%. În condiții normale de operare, factorul de umplereeste determinat de dimensiunile fizice ale roții generatoare de semnal și de toleranțele acesteia.

Figura 3.13. Forma de undă a semnalului de ieșire

Caracteristici electrice generale.

Tabel 3.1. Caracteristici electrice.

În figurile următoare este prezentată comportarea semnalului de ieșire în funcție de temperatură (figura 3.14) și în funcție de tensiunea de alimentare (figura 3.15).

Figura 3.14. Semnalul de ieșire în funcție de temperatură

Figura 3.15. Semnalul de ieșire în funcție de tensiunea de alimentare

TLE4942

Circuitul integrat TLE4941 este proiectat pentru a oferii informații legate de viteza de rotație, direcția de rotație, poziția de asamblare și limita de airgap în cadrul autovehiculelor moderne și a sistemului de ABS. Deoarece aplicația practică a acestei lucrări a fost proiectată doar pentru testarea senzorilor care folosesc IC TLE4941 nu se va insista pe principiile de funcționare ale TLE4942 ci doar pe diferențele dintre acesta și TLE4941.

Figura 3.16. Forma de undă a semnalului de ieșire în funcție de semnalul de intrare

TLE4942 oferă următoarele funcții suplimentare față de TLE4941: avertizare legată de limita de airgap, informații legate de poziția de asamblare, direcția de rotație stânga și direcția de rotație dreapta.

Avertizare legată de limita de airgap: această informație este dată prin lungimea de puls atunci când valoarea câmpului magnetic este sub o valoare critică (distanța dintre IC și roata generatoare de semnal depășește o valoare critică.). În acest caz funcționalitatea senzorului este restrânsă.

Informații privind poziția de asamblare: informațiile legate de poziția de asamblare sunt date prin lungimea de puls atunci când valoarea câmpului magnetic este sub o valoare predefinită (distanța dintre IC și roata generatoare de semnal depășește o valoare predefinită.). În acest caz, senzorul funcționează în parametrii normali.

Direcția de rotație dreapta (DR-L): informații privind direcția de rotație (dreapta) sunt date în lungimea de puls atunci când roata generatoare de semnal, aflată în fața circuitului integrat, se mișcă de la pinul GND către pinul VCC.

Direcția de rotație stânga (DR-R): informații privind direcția de rotație (stânga) sunt date în lungimea de puls atunci când roata generatoare de semnal, aflată în fața circuitului integrat, se mișcă de la pinul VCC către pinul GND.

Mai multe informații privind modul de funcționare și caracteristicile generale ale TLE4942 pot fi găsite consultând foaia de catalog a acestui circuit integrat

Figura 3.17. Definiția direcției de rotație.

TLE4953

Față de TLE4942, TLE4953 oferă o proprietate suplimentară foarte importantă, și anume suprimarea semnalelor false cauzate de vibrații.

Informațiile privind amplitudinea semnalului magnetic și a direcției de rotație sunt folosite pentru detectarea semnalelor magnetice parazite. Semnale magnetice nedorite pot fi cauzate, de exemplu, de vibrațiile privind airgap-ul (în acest caz distanța dintre roata generatoare de semnal și senzor nu este constantă din cauza vibrațiilor mecanice). Când astfel de semnale sunt cauzate, impulsurile de ieșire ale senzorului sunt suprimate.

Un semnal de intrare magnetic este considerat ca fiind parazit atunci când:

Amplitudinea semnalului de ieșire este mai mic decât histerezisul intern

Amplitudinea semnalului de direcție este mai mic decât o limită internă

Semnalul de direcție este alcătuit din informații alternative dreapta/stânga

Calitatea suprimării semnalelor false cauzate de vibrații (punctul a și b) depinde de limitele de histerezis și de amplitudinea semnalului magnetic. Cu cât histerezisul este mai mare cu atât suprimarea semnalelor parazite este mai bună.

Pentru semnalele parazite în care limitele de la punctele a-c nu sunt foarte clare, suprimarea semnalelor parazite nu este garantată. Performanțele algoritmului de detecție a direcției de rotație și de suprimare a semnalelor false depinde de circuitul magnetic folosit și de calitatea roții generatoare de semnal.

CAPITOLUL 4. CALITATEA ȘI TESTAREA FUNCȚIONALĂ A DISPOZITIVELOR ELECTRONICE.

Testarea funcțională

Descoperirea defectelor în cazul dispozitivelor electronice este un proces în continua dezvoltare, având ca scop îmbunătățirea proceselor tehnologice, a calității și reducerea costurilor de producție, din acest proces făcând parte și testarea funcțională.

Testarea funcțională este în general ultimul pas în cadrul unei linii de producție. Prin testarea funcțională se testează funcționalitatea întregului produs cu scopul descoperirii eventualelor erori, componente lipsă etc. Aceasta constă în verificarea tuturor parametrilor dispozitivelor testate, în condiții cat mai apropiate de cele în care dispozitivul va funcțional.

Echipamentele de testare sunt aparate care efectuează teste asupra unui dispozitiv, aceste dispozitive având în general denumirea de DUT (Device Under Test), folosind automatizări pentru a realiza măsurătorile și pentru a evalua rezultatele. Aceste echipamente pot fi destul de simple, cum ar fi un multimetru digital controlat de un calculator și mergând până la sisteme complicate care folosesc instrumente de testare complexe capabile de diagnoze și măsurători complicate.

Deoarece testarea adaugă costuri suplimentare, nu toate dispozitivele sunt testate la fel. În funcție de cerințele clienților se pot realiza sau nu testarea tuturor parametrilor. De exemplu, în cazul dispozitivelor folosite în aplicațiile medicale, trebuie testați toți parametrii funcționali iar unii parametrii trebuie garantați. În luarea deciziei asupra parametrilor care trebuie testați, se iau în considerare factorii economici, numărul de piese produse, specificațiile tehnice, importanța fiecărui parametru etc.

Mai mulți pași trebuie luați în considerare pentru realizarea testării funcționale:

Pregătirea datelor de test bazate pe specificațiile tehnice.

Cerințele din punct de vedere al datelor de intrare.

În funcție de specificațiile tehnice, determinarea datelor de ieșire.

Execuția testului.

Observarea și interpretarea rezultatelor.

Pentru realizarea unor măsurători corecte, pe lângă parametrii funcționali, trebuie luați în considerare și alți factori cum ar fi: parametrii de mediu, calibrarea echipamentului de testare, verificarea periodică a echipamentului de testare.

Calibrarea echipamentelor de testare se realizează la perioade bine definite de timp, folosindu-se etaloane (standarde), a căror parametrii sunt bine definiți, astfel comparându-se valorile de ieșire ale echipamentului de testare cu valorile etaloanelor.

O altă metodă de verificare a echipamentelor de testare presupune folosirea unor probe, numite și master sample, frecvența verificării prin această metodă fiind mai ridicată decât în cazul calibrării. Această metodă, presupune folosirea a două piese, una bună din punct de vedere funcțional și alta defectă, astfel verificându-se dacă echipamentul de testare oferă la ieșire datele corecte atunci când se testează o piesă funcțională și dacă acesta detectează erorile în cazul piesei defecte.

În cadrul aplicației practice, se v-or verifica următorii parametrii ai senzorilor de rotație cu efect Hall: curent minim, curent maxim, frecvență și raportul dintre curentul maxim și curentul minim. De asemenea se va verifica temperatura și umiditatea ambientală.

Parametrii ambientali

În general, specificațiile de testare ale dispozitivelor electronice oferă cerințe clare din punct de vedere al parametrilor ambientali în care aceste dispozitive funcționează corect. În cazul senzorilor cu efect Hall, atunci când se face testarea funcțională, trebuie luată în considerare temperatura și umiditatea ambientală. În cazul în care acești doi factori nu sunt monitorizați, sau valorile lor se află în afara limitelor, datele rezultate în urmă măsurătorii pot fi eronate. Pentru aplicația practică s-au folosit doi senzori, pentru umiditate SYH-2R și pentru temperatură LM-50.

Specificații tehnice SYH-2R

Tensiunea nominală: AC 1VRMS (1KHz)

Putere nominală: AC 0.22 mW

Temperatură de operare: 0 – 60 °C

Umiditate de operare: 20 – 95% RH

Caracteristici standard: 33 kΩ (la 25°C, 60%RH)

Acuratețe: ±5%RH (la 25°C, 60%RH)

Timp de răspuns: <60 sec (40 – 80% RH)

Histerezis: ±2%RH (40 – 80% RH)

Figura 4.1. Curba caracteristică a senzorului de umiditate.

Specificații tehnice LM-50

LM-50 este un senzor de temperatură integrat care poate detecta temperaturi între -40 , +125°C folosind o singură linie de alimentare. Tensiunea de ieșire a acestui senzor este proporțională cu temperatura adică +10 mV/°C.

Specificații:

Tensiune de alimentare: 4.5 – 10 V

Acuratețe: ±2°C ( la 25°C )

Curent de ieșire: 10mA

Gama de temperatură: -40 + 125°C

Rezistența de ieșire: maxim 4000Ω

Asigurarea calității și a fiabilității senzorilor cu efect Hall folosiți în sistemele ABS.

Deoarece industria auto este un domeniu cu exigențe foarte ridicate și eventualele defecțiuni ale dispozitivelor electronice folosite pot avea efecte grave trebuie verificată și garantată calitatea și fiabilitatea acestor dispozitive.

Una din abordările de testare ale dispozitivelor electronice complexe presupune patru faze:

Testarea hardware

Testarea funcțională

Stresarea dispozitivelor

Testarea robusteței

Fiecare fază este executată secvențial, tranziția la faza următoare fiind posibilă doar în cazul raportului pozitiv primit de la faza anterioară. Avantajul folosirii unei astfel de abordări este acela că se pot depista eventualele erori în funcție de parametrii folosiți în testul anterior, putându-se astfel determina momentul exact și condițiile care au dus la cedarea dispozitivului testat.

Testarea hardware.

În cazul senzorilor pentru ABS, testarea hardware presupune verificarea senzorilor din punct de vedere hardware cum ar fi:

verificarea vizuală: verificarea vizuală a conectorului, a cablului, a zonei senzorului etc.

verificarea x-ray: se folosesc mașini speciale pentru a se inspecta interiorul senzorului. Se verifică sudura cablului la pini circuitului integrat, poziționarea circuitului integrat, eventuale scurt circuite cauzate de sudura incorectă sau de folosirea pastei de sudură în exces, eventuale defecte ale circuitului integrat etc.

testarea etanșeității și a rezistenței izolației.

Testarea funcțională.

Cea de a doua fază presupune testarea funcțională. În cazul senzorilor pentru ABS după testarea hardware, testarea funcțională verifică funcționalitatea senzorului cu ajutorul standurilor de testare, care simulează condițiile de funcționare ale senzorilor. Mai multe detalii au fost prezentate în capitolul 4.1. și de asemenea v-or fi prezentate în cadrul capitolului 5.

Stresarea dispozitivelor.

Această fază urmărește stabilitatea sistemului atunci când condițiile de mediu și de exploatare sunt diferite de cele nominale, definite de specificațiile dispozitivelor. Standardele de testare definesc aceste condiții de testare și durata testelor, dar și condițiile în care se consideră ca proba a trecut testul.

În cazul senzorilor pentru ABS, se pot efectua următoarele teste:

Șocuri de temperatură: în cadrul acestui tip de test, senzorii sunt supuși la o temperatură înaltă (peste 100°C), după care sunt trecuți imediat la o temperatură joasă (sub -30°C), această trecere efectuându-se foarte rapid (sub 5 secunde). Prin aceste șocuri se testează etanșeitatea structurii senzorului și rezistența circuitului integrat.

Depozitarea la temperaturi înalte/joase: senzorii sunt depozitați la o temperatură înaltă (peste 100°C) sau joasă (sub -30°C), pentru o perioada lungă de timp, în cazul acestui test nu se produc șocuri de temperatură. La fel ca în cazul șocurilor de temperatură, se testează etanșeitatea structurii senzorului și rezistența circuitului integrat.

Test de vibrații: acest test presupune montarea senzorilor pe plăci vibratoare, care simulează vibrațiile la care pot fi supuși senzorii în timpul funcționării. De asemenea, în cadrul acestui test se pot folosii diferite cicluri de temperatură înaltă și joasă. Acest test verifică rezistența sudurii și a circuitului integrat.

Test de tensionare a cablului: cablul probelor este tensionat la anumite forțe astfel încât se verifică rezistența sudurii și a cablului.

Testele prezentate sunt cele mai uzuale, dar se pot realiza și alte teste în funcție de cerințele clientului.

Testarea robusteței.

Această ultimă etapă este asemănătoare cu cea de a treia, în această etapă condițiile de testare fiind duse la extrem, pentru a se simula folosirea improprie a senzorilor și consecințele acestor situații. Robustețea este definita ca limita până la care un dispozitiv sau un sistem poate funcționa corect în condiții extreme.

Planurile de testare definesc condițiile în care dispozitivele trebuie testate, condițiile de mediu, durata testului, și rezultatele care se așteaptă în urma testului.

Figura 4.2. Exemplu plan de testare.

CAPITOLUL 5. REALIZARE PRACTICĂ

Prezentare generală

În cadrul aplicației practice am realizat un stand de testare pentru senzori de ABS cu efect Hall. Pentru realizarea lui am folosit un motor de curent continuu care are rolul de a acționa o roată generatoare de semnal folosită pentru stimularea senzorilor testați. Viteza de rotație a motorului este controlată cu placa de dezvoltare Arduino Uno V3. De asemenea citirea și interpretarea datelor este executată de același microcontroler. În timpul funcționării, sunt înregistrați parametrii de mediu (temperatură și umiditate) cu ajutorul a doi senzori dedicați. Datele citite, sunt afișate pe calculator, cu ajutorul aplicație PLX-DAQ, aplicație care transmite datele în Microsoft Excel.

În continuare sunt enumerați parametrii verificați ai senzorilor de ABS și celelalte date afișate în timpul testării:

Curentul minim de ieșire al senzorului (ILOW).

Curentul maxim de ieșire al senzorului (IHIGH).

Raportul ILOW/IHIGH.

Frecvența semnalului de ieșire.

Afișarea grafică a semnalului de ieșire

Viteza de rotație a roții, parametru direct proporțional cu frecvența semnalului de ieșire.

Temperatura mediului ambiant.

Umiditatea mediului ambiant.

Limitele parametrilor de ieșire ai senzorilor.

Coduri de eroare și explicația lor.

Numele persoanei care realizează testarea.

Data testării.

Ora testării.

Schema electrică

Figura 5.1. Schema electrică și conectarea la arduino V3

În figura 5.1 este prezentată schema electrică a circuitului folosit pentru realizarea standului de testare împreună cu modul de conectare a acesteia la placa de dezvoltare Arduino V3. Schema electrică și simularea ei au fost realizate în programul Multisim, special creat de compania National Instruments, care permite proiectarea si simularea circuitelor electronice.

Listă de componente:

T1: transformator de putere TST 100/003

D1: punte redresoare GBI10A

SW1: întrerupător general

D2: dioda FES8DT

S1: motor CC

Q1: tranzistor de putere BD911

U1: stabilizator de tensiune LM317T

C1: capacitor 4700 uF

C2: capacitor 4,7 uF

R1: rezistor 2 kΩ±5%

R2: rezistor 240 Ω±5%

R3: rezistor 1 kΩ±5%

R4: rezistor 75 Ω±1%

R5: rezistor 200 Ω±5%

După cum se poate observa în figura 5.1, partea de circuit formată din transformatorul T1, puntea redresoare D1 și condensatorul C1 formează partea de alimentare a motorului folosit pentru acționarea roții generatoare de semnal și pentru alimentarea senzorului în timpul testării. Acest circuit este un redresor dublă alternanță în punte. Transformatorul T1 modifică tensiunea de la rețea (230V) în valoarea tensiunii dorite după redresare (în acest caz 12V). Această tensiune modificată este aplicată la bornele punții redresoare, care este formată din patru diode, în fiecare alternanță aflându-se în conducție doua diode celelalte fiind polarizate invers. Pentru filtrarea semnalului este folosit condensatorul C1. În figura 5.3 sunt afișate formele de undă de la ieșirea din transformatorul T1 (a), forma de undă a semnalului redresat (b), și forma de undă după filtrare (c).

Figura 5.3.

La alegerea componentelor necesare pentru realizarea circuitului redresor sa ținut cont de faptul că motorul este un consumator mare de energie (maxim 60W), de aceea puntea redresoare și transformatorul sunt componente de putere. În tabelul următor se prezintă principalii parametrii ai acestor componente.

Tabel 5.1. Caracteristici generale ale transformatorului și ale punții redresoare folosite

Motorul folosit pentru acționarea roții generatoare de semnal este un motor de curent continuu cu comutație internă cu perii, alimentat la 12 V DC. Pentru controlarea vitezei de rotație a motorului am folosit tranzistorul de putere Q1 BD911.

Tranzistorul Q1 este conectat în circuit într-o conexiune cu emitor comun. Funcționarea tranzistorului în acest tip de conexiune este următoarea, orice curent aplicat în bază (IB) este multiplicat cu factorul de amplificare al tranzistorului hFE, tranzistorul putând fi folosit ca amplificator.

Tranzistorul are trei stări de operare:

Starea OFF: în această stare curentul de bază IB=0 iar tensiunea VCE = VCC

Starea ON activa: această zonă este folosită atunci când tranzistorul este folosit ca un amplificator de semnal deoarece acesta se află in zona de amplificare liniară. Orice modificare a curentului IB va produce a modificare a IC.

Zona ON saturată: în această zonă orice modificare a IB nu va mai produce modificarea IC deci IC va fi constant.

Figura 5.4. Stările de funcționare ale tranzistorului cu emitor comun.

Pentru lucrarea practică, tranzistorul este alimentat în bază cu un semnal PWM de la pinul numărul 10 al microcontrolerului. În funcție de factorul de umplere al semnalului PWM este controlată viteza de rotație a motorului. În timpul funcționării tranzistorul este menținut în regiunea activă astfel încât să se poată mării și scădea viteza de rotație a motorului. Dacă tranzistorul ar fi dus în starea saturată, din acest punct, viteza de rotație a motorului nu ar mai fi putut fi mărită.

De obicei, în cazul acestui tip de configurație, se folosește o rezistență în baza tranzistorului pentru limitarea curentului de bază, dar deoarece în cazul microcontrolerului Atmega 328 curentul de ieșire pe pini digital este limitat la 40 mA, sa renunțat la folosirea acestei rezistențe.

Pentru testarea senzorilor, sa dorit obținerea unei viteze de rotație a roții generatoare de semnal, de 1048 ± 10% rotații pe minut, această viteză de rotație fiind specificată în unele standarde de testare. Pentru a obține această viteză de rotație, factorul de umplere al semnalului PWM este 58% după cum se poate observa în figura 5.5.

Figura 5.5. Captura osciloscop a semnalului PWM folosit pentru obținerea unei viteze de

rotație de 1048 rot/min

La această viteză de rotație, am obținut următoarele valori măsurate:

IC: 1.64 A

IB: 21.2 mA

VCE: 7.66 v

Figura 5.6. IC Figura 5.7. IB Figura 5.8 VCE

Pentru aceste valori măsurate, factorul de amplificare al tranzistorului este:

(1)

Deoarece în timpul funcționării, puterea disipată pe tranzistorul Q1 este destul de mare (aprox 13W), iar puterea ce poate fi disipată pe componentele cu capsulă TO-220 este de maxim 1,5W pe suprafața acestuia sa montat un radiator de răcire din aluminiu.

Dioda D2 este folosită pentru protecția circuitului împotriva tensiunii electromotoare inverse care apare atunci când motorul se oprește sau atunci când direcția de rotație a acestuia se schimbă.

Tabel 5.2. Caracterisiti generale ale Q1 și ale diodei folosite:

Pentru alimentarea senzorului în timpul testării, s-a folosit regulatorul de tensiune LM317. În această configurație, LM317 oferă la ieșire o tensiune continuă reglabilă, cu valori între 1,25 și 37V. Reglarea acestei tensiuni de ieșire se face prin variația valorii rezistenței R1.

Formula de calcul a tensiunii de ieșire este:

(2)

Ω (3)

Conform foii de catalog, Vref = 1,25V și R2 poate lua valori între 0,1 și 1kΩ dar se recomandă folosirea valorii de 240Ω. Conform formulei, prin folosirea unei rezistențe R1=2,3kΩ, se va obține la ieșire o tensiune de 12V. Pentru testarea senzorului este nevoie de o tensiune de 12V±10%.

Rezistența R1 este folosită pentru limitarea curentului de alimentare al ledului, led folosit pentru avertizare vizuală atunci când circuitul este alimentat. Deoarece curentul maxim suportat de led este de 20 mA și căderea de tensiune de aproximativ 3V, sa obținut valoarea rezistenței R3 pentru alimentarea cu un curent de 10mA cu formula:

900Ω (4)

În urma acestui calcul am decis folosirea unei rezistențe standard de 1kΩ.

Rezistența R4 este rezistența de măsură specificată în foaia de catalog a circuitului integrat folosit la construcția senzorilor de ABS. Deoarece semnalul de ieșire al senzorului este în curent, pentru măsurarea acestui curent se folosește această rezistență de măsură, valoarea curentului fiind obținută, conform legii lui Ohm cu formula:

. (5)

De exemplu, pentru un curent prin rezistență de 10mA, tensiunea la bornele acesteia va fi de 0,75V.

Deoarece în timpul testării, valoarea curentului de ieșire al senzorului se obține prin măsurarea căderii de tensiune pe rezistența R4 și datorită faptului că valoarea maximă de tensiune ce poate fi măsurată cu placa de dezvoltare Arduino este de 5V, pentru protecția microcontrolerului la scurt-circuit, între linia de alimentare de 12V și rezistența de măsură sa adăugat rezistența R5. Acest scurt-circuit poate apărea din cauza firelor deteriorate ale senzorului, a pastei de sudură în exces între pini circuitului integrat etc. Rezistența R4 și R5 funcționează ca un divizor de tensiune. Valoarea rezistenței R5 sa obținut cu formula divizorului de tensiune.

(6)

Având în vedere că valoarea Vin = 12V în cazul unui scurt circuit, R4 = 75Ω și tensiunea maximă pe R4= 5V sa calculat R5 astfel:

Ω (7)

Valoarea minimă a rezistenței R5 este de 105Ω. Pentru mai multă siguranță am folosit o rezistență de 200Ω, în acest caz tensiunea maximă pe R4 este de 3,27V.

Realizarea cablajului imprimat.

Proiectarea cablajului imprimat sa realizat folosind programul Eagle PCB Design, versiunea 6.5.0. Acest program permite realizarea schemelor electrice și a circuitelor imprimante, oferind utilizatorului toate uneltele necesare proiectării și realizării cablajelor electrice. În figura 5.9 este prezentată schema electrică realizată în Eagle Schematic.

Toate componente folosite au fost create de către mine astfel încât dimensiunile acestora să corespundă în totalitate cu dimensiunile fizice ale componentelor folosite la realizarea practică a cablajului.

Figura 5.9. Schema electrică realizată în Eagle.

Pentru desenarea traseelor dintre componentele cablajului (rutare) și realizarea amprentei cablajului sa folosit Eagle Board. Cablajul este realizat cu o singură față (single-side) și rutarea sa realizat manual. În figura 5.10 se poate observa amprenta cablajului imprimat.

Figura 5.10. Amprentă cablaj imprimat realizată în Eagle

În figura 5.11 este prezentată varianta finală a cablajului. Această variantă este versiunea a 3-a circuitului, înainte de acesta existând alte două versiuni. La versiunea 3 sa ajuns prin îmbunătățirea versiunilor 1 și 2, care vor fi și ele prezentate în continuare.

Figura 5.11. Varianta finală a cablajului electric.

Prima versiune a circuitului a fost realizată pe o placă de teste, prin aceasta versiune dorindu-se testarea funcțională a circuitului și a componentelor folosite. Această versiune diferă destul de mult față de varianta finală.

În primul rând, au fost realizate două cablaje diferite, unul pentru circuitul de control al motorului și cealaltă pentru circuitul de alimentare al senzorului (Figura 5.12).

Circuitul de control al motorului a fost prevăzut cu un potențiometru cu ajutorul căruia se putea modifica viteza de rotație a motorului, dar pentru versiunea finală sa renunțat la acest potențiometru. Circuitul de alimentare al senzorului a fost prevăzut, pentru această variantă, cu un potențiometru pentru variația tensiunii de alimentare. Am dorit să observ comportarea senzorului cu diferite tensiuni de alimentare, dar pentru versiunea finală sa renunțat la acest potențiometru, tensiunea de alimentare a senzorului fiind fixă.

În urma testării acestei prime versiuni, am constatat faptul că temperatura tranzistorului Q1 era foarte mare în timpul funcționării, de aceea am decis folosirea unui radiator de răcire pentru versiunea a 2-a. De asemenea, odată cu versiunea 2, ambele circuite au fost realizate pe un singur cablaj (Figura 5.13). Versiunea 2 a fost foarte apropiată de cea finală.

Față de versiunea 2, versiunea 3 este prevăzută cu rezistența R5 folosită pentru protecția la scurt circuit și cu comutatorul principal SW1. De asemenea au fost adăugate cele 4 șuruburi pentru o mai bună fixare și stabilitate a circuitului.

Figura 5.12. Versunea 1

Figura 5.13. Versiunea 2

Figura 5.14. Testarea funcționalității lucrării practice.

Codul sursă.

Pentru programarea plăcii de dezvoltare Arduino sa folosit programul oferit de către producător, Arduino IDE (Integrated Development Environment). Acest mediu de dezvoltare oferă toți pașii necesari creării unui program: editarea codului sursă, depanarea, compilarea, testarea etc. Programarea se realizează în limbajul C. În continuare este prezentat codul sursă folosit pentru această aplicație:

enum States {low, high} State;

unsignedint measure;

unsignedlong lowVoltage;

unsignedlong highVoltage;

unsignedlong period;

constunsignedint treshold =154;

constint inputPin = A2;

constdouble voltageConv =3.1465984551e-4;

constdouble period2freq =7500000.0;

constint transistorPin =10;

unsignedlong mark;

unsignedlong Now;

unsignedlong disp =500;

int VitezaRotatie =107;

constint alimSenUmid =8;

constint alimSenTemp =12;

constint GndUmid =7;

float Ilow ;

float Ihigh ;

void setup(){

Serial.begin(128000);

Serial.println("CLEARDATA");

Serial.println("LABEL,Ora,Data,Nume Operator,Umiditate[%],Temperatura[C],V.Rotatie,Ilow[mA],Ihigh[mA],Frecventa[Hz]");

Serial.print("DATA,TIME,DATE,Hategan Daniel,");

mark = micros();

pinMode(transistorPin, OUTPUT);

pinMode(alimSenUmid, OUTPUT);

pinMode(GndUmid, OUTPUT);

digitalWrite(GndUmid, LOW);

digitalWrite(alimSenUmid, HIGH);

pinMode(alimSenTemp, OUTPUT);

digitalWrite(alimSenTemp, HIGH);

int sensorValueUmid = analogRead(A3);

int sensorValueTemp = analogRead(A4);

float outputValueUmid = map(sensorValueUmid,0,1023,20,95);

float outputValueTemp = map(sensorValueTemp,0,1023,0,165);

Serial.print(outputValueUmid*1.6,1);

Serial.print(",");

Serial.print(outputValueTemp,1);

Serial.print(",");

Serial.println((VitezaRotatie*9.8)-0.6);

Serial.print(",");

}//setup()

uint8_t howManyTimes =5;

uint8_t howManyTimes2 =2;

void loop(){

if( howManyTimes >0){

analogWrite(transistorPin, VitezaRotatie);

howManyTimes–;

delay (500);

}//if

else{

digitalWrite (transistorPin ,0);

}//else

measure = analogRead(inputPin);

switch(State){

case low:

if(measure>treshold){

State = high;

Now = micros();

period += Now-mark;

period -= period>>4;

mark = Now;

return;

}else{

lowVoltage += measure;

lowVoltage -= lowVoltage>>4;

}//else

break;

case high:

if(measure<treshold){

State = low;

Now = micros();

period += Now-mark;

period -= period>>4;

mark = Now;

return;

}else{

highVoltage += measure;

highVoltage -= highVoltage>>4;

}//else

}//switch(State)

Ilow =(lowVoltage*voltageConv)/0.075;

Ihigh =(highVoltage*voltageConv)/0.075;

if(disp<millis()&&(period2freq/period)>((VitezaRotatie*192)/60)&&(period2freq/period)<((VitezaRotatie*200)/60)){//each 500ms

Serial.print("DATA,");Serial.print(",");Serial.print(",");Serial.print(","); Serial.print(","); Serial.print(","); Serial.print(",");

Serial.print(Ilow,3);

Serial.print(",");

Serial.print(Ihigh,3);

Serial.print(",");

Serial.print((period2freq/period)*2.35);

Serial.print(",");

disp +=3500;

Serial.println("ROW,SET,4");

}//if(displaytime)

elseif((Ihigh>20&&Ilow==0)&&(howManyTimes2>0)){

howManyTimes2–;

Serial.print("DATA,");Serial.print(",");Serial.print(",");

Serial.print(",");Serial.print(","); Serial.print(","); Serial.print(",");

Serial.print(Ilow,3);

Serial.print(",");

Serial.print(Ihigh,3);

Serial.print(",");

Serial.print((period2freq/period)*2.35);

Serial.print(",");

disp +=3500;

Serial.println("ROW,SET,4");

}//else if

}//loop()

Interfața utilizator.

Interfața utilizator este modalitatea prin care o persoana (utilizatorul) poate interacționa cu un sistem electronic informatic. În figura 5.15 este afișată interfața utilizată pentru aplicația practică.

Figura 5.15. Interfața utilizator

În partea de sus a interfeței se regăsesc următoarele date:

Data, ora și numele operatorului. Data și ora sunt transmise în funcție de data și ora setate pe calculator iar numele operatorului poate fi modificat în codul sursă folosit la programarea microcontrolerului.

Umiditatea și temperatura. Aceste date sunt citite cu ajutorul celor doi senzori dedicați, datele fiind prelucrate și transmise de către microcontroler.

Viteza de rotație. Acest parametru este calculat în funcție de factorul de umplere al semnalului PWM folosit pentru comandarea vitezei de rotație a motorului. Prin modificarea factorului de umplere se va modifica și viteza de rotație.

Curentul minim (Ilow), curentul maxim (Ihigh) și frecvența sunt date citite de la senzorul de ABS testat. Aceste date sunt factorul de decizie privind funcționalitatea senzorului. Signal Ratio este calculat în funcție de curentul minim și curentul maxim, parametru calculat direct în Microsoft Excel.

Figura 5.16. Partea de sus a interfeței.

În stânga interfeței se află graficul semnalului generat de senzorul de ABS testat. Graficul este generat în Microsoft Excel folosind valorile curentului maxim, minim și a frecvenței semnalului. Prin modificarea acestor parametrii se modifică și forma de undă a semnalului. În figura 5.17 este graficul afișat după testarea senzorului de ABS. În figura 5.18 este forma de undă a semnalului generat de senzorul de ABS, semnalul fiind afișat pe osciloscop.

Figura 5.17. Afișarea grafică a semnalului generat de senzorul de ABS.

Figura 5.18. Captura osciloscop.

În centrul interfeței se află panoul de comandă al aplicației PLX-DAQ. Cu ajutorul acestui panou de comandă se poate selecta portul serial (trebuie selectat același port serial ca și cel selectat al plăcii Arduino), viteza de comunicație serială, se face conectarea și deconectarea la placa Arduino etc.

Figura 5.18. Panoul de comandă PLX-DAQ

În partea din dreapta a interfeței se află limitele minime și maxime ale parametrilor măsurați în timpul testării, confirmarea grafică a valorilor măsurate prin afișarea mesajului OK, cu fundal verde, în cazul în care parametrii sunt în limitele impuse și mesajul NOK, cu fundal roșu, atunci când parametrii sunt în afara limitelor impuse.

Tot în partea dreaptă, este zona în care se afișează codurile de eroare în cazul în care valorile parametrilor măsurați sunt în afara limitelor impuse. Prin introducerea codului de eroare în chenarul din dreapta jos se va afișa mesajul de eroare și anumite măsuri corective. Există 7 mesaje de eroare după cum urmează:

Codul 100: Umiditatea în afara limitelor admise ;Verificați senzorul de umiditate ; Verificați umiditatea ambientală cu un alt dispozitiv

Codul 101: Temperatura în afara limitelor admise; Verificați senzorul de temperatura ; Verificați temperatura ambientală cu un alt dispozitiv;

Codul 102: Curentul minim în afara tolerantelor; Verificați air gap ; Posibil IC defect ; Retestați senzorul.

Codul 103: Curentul maxim în afara tolerantelor; Verificați air gap ; Posibil IC defect ; Retestați senzorul.

Codul 104: Frecventa în afara limitelor; Verificați viteza de rotație a roții; Verificați air gap.

Codul 105: Raportul dintre curentul minim și curentul maxim în afara limitelor; Verificați air gap; Posibil IC defect.

Codul 106: Polaritate inversă ; Fire conectate greșit; Verificați conexiunea senzorului la echipamentul de testare. Scurt circuit; Verificați cablul senzorului și pini circuitului integrat.

Codul 107: Senzorul nu comută; Verificați air gap; Posibil IC defect.

Codul 108: Nu există contact; Verificați conexiunea senzorului la standul de testare; Posibil cablu deteriorat

În continuare sunt afișate câteva imagini cu afișarea codurilor de eroare și confirmarea grafică a valorilor parametrilor testați.

Figura 5.19.

Figura 5.20.

Repetabilitatea rezultatelor.

Repetabilitatea sau testarea-retestarea, reprezintă variația rezultatelor unei măsurători realizate de aceeași persoană, folosind același instrument și aceeași probă, în aceleași condiții și realizată într-o perioadă scurtă de timp.

O măsurătoare poate fi considerată repetabilă atunci când variația dintre două măsurători este mai mică decât valoarea unui criteriu de acceptanță prestabilit.

Pentru a determina repetabilitatea rezultatelor în cazul standului de testare realizat, sa procedat astfel: sau realizat 20 de măsurători, în aceleași condiții, într-o perioadă scurtă de timp, de către același observator, pe același senzor. Rezultatele obținute sunt prezentate în figura 5.21.

Figura 5.21. Valori obținute în urma a 20 de măsurători.

După aceea sa continuat cu calcularea deviației standard pentru fiecare parametru luat în considerare. Calcularea deviației se face astfel:

Se calculează media celor 20 de valori obținute.

Se scade fiecare valoarea obținută în urma măsurătorii din medie și se ridică la pătrat

Se calculează media valorilor obținute în urma ridicării la pătrat.

Se face extragerea de sub radical a mediei nou obținute obținute.

În urma calculelor, deviația standard obținută a fost:

Pentru ILOW: 0,007156

Pentru IHIGH: 0,029287

Pentru frecvență: 2,299669

În continuare am calculat procentul reprezentat de deviația standard din toleranța fiecărui parametru obținând:

Pentru ILOW: 0,286 % din toleranță

Pentru IHIGH: 0,585 % din toleranță

Pentru frecvență: 1,367% din toleranță

După cum se poate observa, repetabilitatea rezultatelor în cazul curentului minim și maxim este foarte ridicată, deviația acestora reprezentând doar 0,286 % respectiv 0,585 % din toleranța fiecărui parametru.

În cazul frecvenței, repetabilitatea este mai scăzută, deoarece frecvența semnalului este direct proporțională cu viteza de rotație a motorului și acesta nu are viteza de rotație constantă la fiecare testare datorită mai multor factori cum ar fi sursa de alimentar, tranzistorul, semnalul PWM generat de microcontroler etc. Frecvența semnalului se calculează astfel

Hz (9)

De asemenea, standul de testare a fost calibrat folosind probe calibrate în prealabil cu aparate de măsură profesionale.

În urma rezultatelor dobândite, se poate spune cu siguranță, că echipamentul de testare obținut se ridică la standardele ridicate cerute de industria auto, iar rezultatele oferite în urma testării sunt de încredere, putându-se face delimitarea între senzorii funcționali și cei defecți testați cu acest echipament.

CONCLUZII ȘI PROPUNERI

În urma analizei efectuate pe parcursul studierii temei „Stand de testare pentru senzori de ABS cu microcontroler” am evidențiat o multitudine de elemente privind caracteristicile senzorilor din industria auto, tipurile de testare ale acestor senzori, microcontrolere și despre senzorii cu efect Hall folosiți la sistemele ABS în particular.

De asemenea am încercat în studiul de caz parcurg toate obiectivele propuse în momentul alegerii acestei teme, lucru care sa și întâmplat. În urma îmbinării practice a elementelor necesare construirii unui stand de testare, urmărind obiectivele invocate, am realizat pentru început circuitul necesar operării motorului folosit pentru acționarea roții generatoare de semnal precum și circuitul necesar alimentării senzorului testat. Apoi am continuat cu crearea codului sursă folosit pentru programarea microcontrolerului pentru ca acesta să îndeplinească funcția de citire, prelucrare și afișare a datelor generate de senzorul cu efect Hall în timpul testării. O atenție deosebită am acordat de asemenea realizării interfeței utilizator astfel încât aceasta să îndeplinească obiectivul propus, adică acela de a oferi utilizatorului informații exacte, accesibile și ușor de interpretat.

Am observat că o atenție deosebită trebuie acordată corectitudinii datelor și a metodei de testare, costurilor de realizare a acestui stand, categoria de utilizatori pentru care a fost creat, tipurilor de senzori care pot fi testați cu acest stand de testare precum și fiabilitatea echipamentului care a fost tratat în lucrarea de față.

Totuși deși obiectivele propuse în momentul alegerii temei au fost îndeplinite în totalitate, pe parcursul elaborării acestei lucrări sau conturat noi obiective și îmbunătățiri ale acestui element pe care mi le-am propus să le pun în practică în ciclurile următoare de studiu. Printre aceste obiective se numără:

Monitorizarea tensiunii de alimentare a senzorului în timpul testării

Adăugarea unui senzor pentru monitorizarea vitezei de rotație a roții generatoare de semnal în timpul testării.

Posibilitatea de a testa senzori cu efect Hall care au în componență circuite integrate TLE4942 și TLE4953.

BIBLIOGRAFIE:

Cărți și lucrări de autor:

Ronald K Jurgen, Automotive electronics handbook

William J. Fleming, Overview of Automotive Sensors , IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 1, NO. 4, DECEMBER 2001,

Jon S. Wilson, Sensor technology Handbook,

William J. Fleming, New Automotive Sensors—A Review , IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 8, NO. 11, NOVEMBER 2008,

John Crisp, Intoduction to Microprocessors and Microcontrollers, Second edition,

Jiménez Manuel, Palomera Rogelio, Couvertier Isidoro, Introduction to embeded systems Using microcontrollers and the MSP430,

John Turner, Automotive Sensors, Momentum Press, 2009

Bibliografie online:

http://www.sensorland.com/HowPage060.html vizitat în 02.05.2015 ora 22:00

http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/81-senzor-aer-debitmetru.html ; vizitat în 02.05.2015 ora 22:30

http://www.sensata.com/download/sensata-powertrain-sensors-engine.pdf ; vizitat în 02.05.2015 ora 22:00

http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/12-senzor-temperatura-motor.html ; vizitat în 03.05.2015 ora 10:00

http://www.lovehorsepower.com/ToyotaPDFs/32.PDF ; vizitat în 03.05.2015 ora 10:15

http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_2.html ; vizitat în 03.05.2015 ora 13:50

http://marconi.unitbv.ro/aut/electronica/SMC/curs/5&6cursSMC14senzDiv.pdf

http://www.infobazar.ro/auto/Airbag-ul/Din-ce-este-format-sistemul-airbag ; vizitat în 03.05.2015 ora 15:10

https://www.teachengineering.org/view_lesson.php?url=collection/umo_/lessons/umo_sensorswork/umo_sensorswork_lesson06.xml ; vizitat în 03.05.2015 ora 15:40

http://www.symmetron.ru/suppliers/murata/files/pdf/murata/ultrasonic-sensors.pdf ; vizitat în 03.05.2015 ora 16:00

http://s.hswstatic.com/pdf/rain-sensor.pdf

http://www.fujitsu-ten.com/business/technicaljournal/pdf/2-7E.pdf

http://www.unitbv.ro/faculties/biblio/interfete_specializate/curs.pdf ; vizitat în 30.05.2015 ora 11:00

http://cie-wc.edu/Microprocessor-7-19-2011.pdf?pdf=Microprocessor ; vizitat în 30.05.2015 ora 11:35

http://www.picvietnam.com/download/Basic%20Conceptions.pdf ; vizitat în 30.05.2015 ora 11:40

http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Microcontrolere%20introducere.pdf ; vizitat în 30.05.2015 ora 12:20

https://ti.tuwien.ac.at/ecs/teaching/courses/mclu/theorymaterial/Microcontroller.pdf ; vizitat în 30.05.2015 ora 13:00

http://retele.elth.ucv.ro/Bratu%20Cristian/MAP/001%20-%20Curs%20001%20-%20MAP%20-%20Microcontrolerul.pdf ; vizitat în 31.05.2015 ora 11:00

http://vega.unitbv.ro/~ogrutan/ti/cap10.pdf ; vizitat în 31.05.2015 ora 11:45

http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Sisteme%20Cu%20Conectare%20Multiplexata/I2C_1_fin+.pdf ; vizitat în 31.05.2015 ora 12:30

http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno vizitat în 31.05.2015 ora 15:00

http://media.daimler.com/dcmedia/0-921-657486-1-803841-1-0-0-0-0-1-11701-614318-0-1-0-0-0-0-0.html vizitat în 01.06.2015 ora 14:20

http://jenniskens.livedsl.nl/Technical/Tips/Files/Bosch%20Reference%20Sensor.pdf vizitat în 01.06.2015 ora 15:45

http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/57-senzor-abs.html vizitat în 01.06.2015 ora 16:10

http://sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-sensors-magnetoresistive-hall-effect-applications-005715-2-en.pdf vizitat în 01.06.2015 ora 16:30

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-TLE4941C-DS-v03_00-en.pdf?fileId=db3a30433899edae0138c3cd41cd0334 vizitat în 08.06.2015 ora 15:50

http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Infineon%20PDFs/TLE4942-1,1C.pdf vizitat în 09.06.2015 ora 20:10

http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-TLE4953-DS-v04_00-EN.pdf?fileId=db3a304319c6f18c011a2a95ec0b12d4 vizitat în 09.06.2015 ora 20:45

https://en.wikipedia.org/wiki/Automatic_test_equipment#Test_Parameter_Requirements_vs_Test_Time vizitat în 13.06.2015 ora 12:00

http://www.robofun.ro/docs/SYH-2R.pdf vizitat în 13.06.2015 ora 17:20

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm50.pdf vizitat în 13.06.2015 ora 17:40

http://www.doiserbia.nb.rs/img/doi/1451-4869/2012/1451-48691201071P.pdf vizitat în 13.06.2015 ora 18:10

http://www.infoelectronica.ro/date_upload/lucrari_m/IEAC4N.pdf vizitat14.06.2015 în ora 14:00