واحد ECU یا کامپیوتر خودرو چیست و چگونه کار می‌کند

اگر هر سال به روند پیشرفت صنعت خودروسازی و مدل‌های جدید توجه کنیم، متوجه پیچیده‌تر شدن سیستم‌ها و فناوری‌های به‌کار رفته در محصولات برندهای مختلف، می‌شویم. به‌خصوص در چند دهه‌ی گذشته‌ی استفاده از انواع تجهیزات الکترونیک و ریزپردازنده‌ها در خودروها بیشتر شده است؛ شاید استفاده بیشتر از ریزپردازنده‌ها، تعمیر و دست‌کاری خودرو توسط مالک یا افرادی که اطلاعات کافی از مسائل فنی ندارند را مشکل‌تر کرده باشد، اما در مجموع سرویس و خدمات خودرو، آسان‌تر و سریع‌تر شده است.

 بیشتر شدن ریزپردازنده‌ها در خودروهای مدرن دلایل مختلفی دارد که می‌توان آن‌ها را در موارد زیر، خلاصه کرد:

• دست‌یابی به استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر آلایندگی و مصرف سوخت
• تشخیص مشکلات فنی به‌صورت عمیق
• آسان کردن روند تولید و طراحی خودرو
• کاهش سیم‌کشی در خودرو
• امکانات رفاهی و ایمنی جدید

در این مقاله، همانطور که در برنامه‌ی چهارم زوم‌گپ زومیت از ما خواسته بودید، به تشریح ECU، اجزا، وظایف و در مجموع اهمیت آن در خودروهای مدرن می‌پردازیم. سؤال‌ها، ابهام‌ها و یا نکات مورد نظر خود را در دیدگاه‌های این مطلب، با ما در میان بگذارید.

پیش از تنظیم قوانین مختلف آلایندگی، تولید خودروها بدون ریزپردازنده‌ها و کاملاً با ارتباط مکانیکی بین قطعات انجام می‌شد؛ اما با ایجاد قوانین جدید آلایندگی و مصرف سوخت، وجود برنامه‌های کنترلی پیچیده برای تنظیم دقیق ترکیب سوخت و هوا و کارایی‌تر بهتر مبدل کاتالیست برای کاهش دادن آلایندگی خروجی اگزوز لازم شد. کنترل اعمال پیشرانه، مسئولیت اصلی ریزپردازنده‌های خودرو است؛ واحد کنترل الکترونیک (Electronic Control Unit) یا ECU به‌عنوان قدرتمندترین کامپیوتر خودروها، مکانی برای گردهم آمدن ریزپردازنده‌ها در یک مجموعه است. ECUها از سیستم کنترل حلقه بسته استفاده می‌کنند؛ درواقع یک طرح کنترلی، که خروجی‌ها سیستم را برای کنترل ورودی‌های سیستم؛ وضعیت مصرف سوخت، آلایندگی پیشرانه و چند عامل دیگر، بررسی و نظارت می‌کند. جمع‌آوری داده‌ از سنسورهای موجود در خودرو که تعداد آن‌ها هم کم نیست، انجام می‌شود تا ECU اطلاعات کاملی از وضعیت کلی خودرو از حرارت آب رادیاتور تا میزان اکسیژن موجود در سیستم اگزوز، در اختیار داشته باشد.

در هر ثانیه، میلیون‌ها محسابه و پردازش در ECU انجام می‌شود؛ تصمیم‌گیری بر بهترین زمان چرقه‌زنی شمع‌ها یا مدت زمان باز بودن انژکتور بر عهده‌ی کامپیوتر خودرو است تا آلایندگی و مصرف سوخت در بهترین شرایط باشد. یک ECU مدرن می‌تواند پردازنده‌ی ۴۰ مگاهرتزی ۳۲ بیتی داشته باشد؛ شاید این مشخصات در برابر پردازنده‌های پی‌سی، قابل توجه نباشد اما پردازنده‌ی ECU خودرو کد بسیاری کارآمدتری از پی‌سی‌ها اجرا می‌کند.یک کد در ECU خودرو کمتر از یک مگابایت حافظه اشغال می‌کند که در برابر برنامه‌های نصب شده روی پی‌سی قابل مقایسه نیست. لازم به ذکر است که خودروهای مدرن چند ECU دارند و مجموع آن‌ها را کامپیوتر مرکزی خودرو شناسایی می‌کنند.

پردازنده در یک ماژول با صدها قطعه‌ی دیگر روی برد مدار چند لایه‌ای، قرار گرفته است. اجزای زیر در ECU به پردازنده کمک می‌کنند.

این قطعات،‌ خروجی برخی سنسورهای موجود در خودرو، مانند سنسور اکسیژن را بررسی می‌کنند. خروجی سنسور اکسیژن، ولتاژ آنالوگ بین صفر تا ۱.۱ ولت است؛ پردازنده‌ فقط عددهای دیجیتال را پردازش می‌کند، بنابراین مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، ولتاژ سنسور اکسیژن را به یک عدد دیجیتال ۱۰ بیتی تبدیل می‌کنند.

در خودروهای مدرن، ECU در جرقه‌زنی شمع‌ها، باز و بسته شدن انژکتورها و روشن و خاموش شدن فن تصمیم‌گیرنده‌ی اصلی است. تمام این وظایف نیازمند خروجی‌های دیجیتال هستند که تنها یا روشن، یا خاموش است. برای نمونه، خروجی کنترل فن می‌تواند ۱۲ ولت و ۰.۵ آمپر به رله (Relay) فن خنک کننده در زمان روشن بودن یا صفر ولت در زمان خاموش بودن باشد. یک خروجی دیجیتال خود هم مانند رله عمل می‌کند؛ نیروی کمی که پردازنده ارسال می‌کند، ترانزیستور خروجی دیجیتال را تقویت خواهد کرد تا نیروی بیشتری به رله فن و در نهایت نیروی بیشتری هم به فن برسد.

ECU باید بتواند خروجی ولتاژ آنالوگ هم داشته باشد تا بر برخی از اجزای پیشرانه‌ی خودرو هم تأثیر داشته باشد. پردازنده‌ی ECU یک قطعه‌ی دیجیتال است، بنابراین برای تبدیل اعداد دیجیتال به ولتاژ آنالوگ، نیازمند قطعه‌ای دیگر است.

فرهم‌دهنده یا کاندیشنر سیگنال (Conditioner)، برای تنظیم ورودی‌ها یا خروجی‌ها پیش از خوانده شدن (Read) استفاده می‌شوند. برای مثال، ممکن است که مبدل آنالوگ به دیجیتال برای خواندن سیگنال صفر تا ۵ ولت ولتاژ سنسور اکسیژن تنظیم شده باشد، اما خروجی سنسور اکسیژن صفر تا ۱.۱ ولت باشد. سیگنال کاندیشنر مداری است که سطح سیگنال‌های ورودی و خروجی را تنظیم می‌کند؛ اگر سیگنال کاندیشنر ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن را ۴ برابر کند، در نهایت سیگنال صفر تا ۴.۴ ولت خواهیم داشت که بنابراین، مبدل آنالوگ به دیجیتال به‌صورت دقیق‌تر ولتاژ را دریافت می‌کند.

چیپ‌های ارتباطی ECU، استانداردهای ارتباطی متنوعی در خودروها اجرا می‌کنند. چند نوع استاندارد ارتباطی در خودروها استفاده شده است، اما یکی از مرسوم‌ترین موارد ارتباطی خودرو CAN یا «شبکه‌سازی ناحیه کنترل کننده» است. در استاندارد CAN، سرعت ارتباطات تا ۵۰۰ کیلوبیت بر ثانیه می‌رسد که در مقایسه با استانداردهای ارتباطی گذشته‌ی خودروها، سرعت بالاتری دارد. این سرعت برای ارتباط چند صد گذرگاه (Bus) در هر ثانیه ضروری است. گذرگاه‌ ارتباطات باعث می‌شود تا هر ماژول نقص‌ها را به یک ماژول مرکزی مخابره کند؛ این ماژول مرکزی می‌تواند تمام نقص‌ها را ذخیره و به یک ابزار شناسایی خارجی ارسال کند. همین مورد، کار مکانیک‌ها را آسان‌تر می‌کند؛ در واقع شناسایی مشکلات متناوب فنی خودرو با وجود ماژول مرکزی ECU بسیار ساده‌تر شده است. امروزه تعمیرکاران با اتصال راحت یک اسکنر و اصطلاحاً دیاگ کردن (Diagnostic یا خطایابی)، می‌توانند مشکل‌های سطحی و عمقی ECU را تشخیص دهند. با دیاگ کردن هر خودرو، در اسکنر کدهای مشخص نمایش داده می‌شود؛ هر کد بیانگر نقش در یک قسمت خاص از سیستم کلی است که معمولاً مجموعه‌ای کامل از کدها و مفهوم آن در اختیار تعمیرگاه‌های به‌روز قرار دارد. در برخی خودروها نیازی به دیاگ کردن هم نیست؛ در این مدل‌ها هنگام مشکل فنی، چراغ چک یا خطای پیشرانه با الگوی خاصی که در دفترچه راهنمای آن ذکر شده است، روشن و خاموش می‌شود و راننده می‌تواند نسبت به رفع آن اقدام کند.

ایجاد استانداردهای ارتباطی در ECU خودروها، طراحی و تولید را آسان‌تر کرده است که می‌توان بهترین نمونه‌های این مورد را در پنل‌های دیجیتال فرمان، سرعت سنج، کیلومترشمار و ... مشاهده کرد. پنل پشت فرمان، اطلاعات متنوع از بخش‌های مختلف خودرو دریافت می‌کند و به‌صورت عدد، نمودار یا شکل دیجیتالی به‌نمایش می‌گذارد. بیشتر این اطلاعات، پیش از نمایش در پنل فرمان در ماژول‌های دیگر استفاده شده‌اند؛ در واقع ECU از حرارت آب رادیاتور و سرعت کارکرد پیشرانه کاملاً اگاه است، واحد کنترل انتقال قدرت (TCU) سرعت کنترل خودرو را بررسی می‌کند و ماژول کنترل سیستم ترمز هم وجود مشکل در ABS را تشخیص می‌دهد. تمام ماژول‌های بخش‌های مختلف خودرو، داده‌ها را به گذرگاه ارتباطات (Communications Bus) ارسال می‌کنند. در هر ثانیه،‌ ECU چند مجموعه اطلاعات شامل سربرگ (Header) و داده (Data) مخابره می‌کند؛ سربرگ یک عدد است که مجموعه اطلاعات را در قالب سرعت یا حرارت خواندن مشخص می‌کند و داده یک عدد مطابق سرعت یا حرارت سربرگ است. در پنل پشت فرمان یک ماژول قرار دارد که به‌دنبال دریافت اطلاعات لازم، عقربه‌ها یا نشان‌گرهای خود را تغییر می‌دهد و راننده هر لحظه اطلاعات جدیدی از سرعت، حرارت و دیگر بخش‌های خودرو دریافت می‌کند.

گذرگاه‌های ارتباطات و ریزپردازنده‌های ECU، در کاهش سیم‌کشی و تسهیم‌سازی یا مولتی پلکسینگ (Multiplexing) خودروها هم بسیار مؤثر است. در خودروهای قدیمی، ارتباطات بین قطعه‌های مختلف با سیم برقرار می‌شد، اما با گذشت زمان و اضافه شدن انواع قطعات به خودروها، سیم‌کشی تمام آن‌ها یک کابوس خواهد بود. در سیستم تسهیم‌سازی شده، یک ماژول با حداقل یک ریزپردازنده، ورودی و خروجی‌های منطقه‌ای از خودرو را برقرار می‌کند. برای مثال، در خودروهایی که انواع دکمه‌های کنترلی روی درب دارند، یک ماژول قرار داده شده است. بسیاری از مدل‌های امروزی، پنجره‌های برقی، آینه‌های جانبی برقی و صندلی‌های برقی دارند؛ سیم‌کشی تمام این سیستم‌ها به شیوه‌ی قدیمی جوابگو نیست و یک ماژول تمام این اعمال را کنترل می‌کند. عملکرد این ماژول به این صورت است؛ اگر راننده دکمه‌ی بالا یا پایین رفتن شیشه‌ی پنجره را فشار دهد، ماژول نصب شده در درب خودرو، رله‌‌ای که نیروی موتور پنجره را تأمین می‌کند، متوقف خواهد کرد. اگر راننده دکمه‌ی تنظیم آینه‌ی جانبی سمت مخالف را فشار دهد، ماژول سمت در راننده مجموعه‌ داده‌ای به گذرگاه ارتباطات ECU می‌فرستند. این مجموعه داده دستور به‌کار افتادن ماژول بخش آینه‌ی جانبی سمت مخالف راننده را به همراه دارد. در این روش، بیشتر سیگنال‌ها از طرف ماژول سمت در راننده به گذرگاه ارتباطات مخابره می‌شود.

درطول دهه‌ی گذشته، سیستم‌ها و فناوری‌های ایمنی مدرنی چون ترمز ABS و کیسه‌های هوا، در خودروهای بیشتری به‌صورت استاندارد کار گذاشته شده‌اند و مواردی دیگر چون سیستم کنترل کشش و پایداری هم در مدل‌های لوکس، اسپرت و گران‌تر وجود دارند. هر یک از این سیستم‌ها، ماژول مخصوص به خود را به خودرو اضافه می‌کند؛ هر ماژول با ریزپردازنده‌های خود همراه است و به‌زودی با بیشتر شدن چنین فناوری‌هایی، تعداد ماژول‌های موجود در خودرو افزایش پیدا می‌کند. نمی‌توان مرز مشخصی برای سیستم‌های ایمنی خودروها مشخص کرد؛ درواقع با افزایش انواع ماژول‌ها، سیستم‌های برق خودروها هم تغییر می‌کند. تا به امروز چند خودروساز اروپایی به‌‌دلیل تأمین نیروی انواع سیستم‌های مدرن ایمنی و رفاهی، سیستم برق ۱۲ ولت قدیمی را کنار گذاشته‌اند و از نوع ۴۸ ولتی استفاده می‌کنند.