الأنظمة الكهربائية للمركبة: بنية لا مركزية ، نطاقات ومنطقة
تتكون هياكل السيارة اللامركزية التقليدية من ما يصل إلى 100 وحدة تحكم ، كل منها تم تعيين وظيفة محددة ، مثل التحكم في وحدة التحكم في المحرك (ECU) ، أو الوسائد الهوائية ، أو ABS/ESP ، أو نظام ضبط المقعد أو التحكم في المناخ. يعمل كل وحدة تحكم بشكل مستقل وتواصل مع وحدات التحكم الأخرى من خلال بوابة. عند إضافة ميزات السيارة أو تحسينها ، تتم إضافة وحدة تحكم لكل ميزة جديدة. لقد تغيرت جميع أنواع المركبات بشكل كبير في السنوات الأخيرة ، من مركبات فان فليت إلى الحافلات إلى السيارات ، وقد زادت الزيادة في عدد الميزات بشكل كبير من محتوى الأسلاك والوصول إلى كل مركبة.
يتم تنظيم وحدات التحكم في بنية المجال في مناطق وظيفية ، كل مسؤولة عن منطقة معينة من السيارة ، مثل توليد القوة أو نظام المعلومات والترفيه أو وظائف السلامة. يقوم جهاز كمبيوتر منفصل عالي الأداء (HPC) بإجراء عنصر التحكم الأساسي للمجال وينسق وحدات التحكم في مجاله. على سبيل المثال ، يشرف مجال الأمان على وحدات التحكم لأنظمة مساعدة السائق وأنظمة ABS/ESP والتعداد. تقلل بنية المجال عدد وحدات التحكم وتقلل من كمية الأسلاك والتركيب المطلوبة مقارنة بالبنية اللامركزية التقليدية ، وبالتالي تقليل الوزن والتكاليف بشكل فعال. يمكن دمج وظائف إضافية بسهولة في ترقيات أو تصاميم جديدة.
في بنية إقليمية ، لا يعتمد البناء على المجال ، ولكن على المنطقة المحلية. على سبيل المثال ، يتم تجميع وظائف متعددة في منطقة واحدة داخل السيارة. يمكن دمج وظائف مثل نظام الدفع والترفيه ومعالجتها في وحدة تحكم منطقة واحدة. يقوم HPC المركزي بالتحكم الأساسي في مختلف وحدات التحكم في المنطقة ، مما يقلل من عدد وحدات التحكم والمبلغ الناتج عن الأسلاك بنسبة 50 في المائة.
الشكل 1: التمثيل التخطيطي لهندسة النظام الكهربائي لسيارة عالية الأداء. التوضيح: ept gmbh
متطلبات الموثوقية والأداء العالية
يجب تصميم HPCs ووحدات التوصيل المقابلة لها لأعلى متطلبات الأداء. على سبيل المثال ، تتطلب معالجة بيانات التصوير ومستشعرات في أنظمة السلامة الآلية للقيادة معدلات نقل بيانات آمنة وعالية السرعة وأوقات زمنية قصيرة. في الوقت نفسه ، يجب ألا تفشل الإشارة تحت أي ظرف من الظروف. إن معدلات نقل البيانات الموثوقة ذات الأداء العالي والسريع وقبل كل شيء - في بعض الأحيان في ظل الظروف البيئية القاسية - هي متطلبات الموصلات في هذه الأنظمة.
يمكن توضيح "قابلية القراءة" للإشارة بواسطة رسم تخطيطي للعين ، مما يوضح ما إذا كانت الإشارات المنبعثة في المتلقي يمكن تعيينها بشكل فريد إلى الحالة الرقمية 1 أو 0. لهذا الغرض ، يتم تسجيل الإشارات وتركيبها وعرضها مع ذبذبة الذبذبات عبر مسارات نقل محددة. وبهذه الطريقة ، يمكن تعيين طرق الإشارة وتداخلها. وفقًا للنظرية ، فإن انتقالات الحالات المنطقية شديدة الانحدار بشكل غير محدود ويتم فرض خطوط الإشارة تمامًا. العوامل المزعجة الخارجية والأضرار الداخلية لزوج الإشارة تسطيح ارتفاع الإشارة بينما يتغير مستوى السعة.
الشكل 2: يتم استخدام مخططات العين لتقييم جودة الإشارة بمعدلات نقل البيانات الرقمية. التوضيح: ept gmbh (colibri)
يمكن رؤية ما يسمى "رقعة العين" في وسط المخطط. لا يمكن تعيين إشارات بوضوح في هذا المجال.
يوضح كل من مخططات العين تأثير طول الكابل والمعاوقة باستخدام موصلات توصيل Colibri أكثر من 16 جيجابايت/ثانية و 10 جيجابايت/ثانية. يوضح هذا المثال مدى إمكانية تحقيق التحسينات المهمة في تكامل الإشارة من خلال تطوير تصميم الاتصال. باستخدام طول كابل أقصر ومقاومة 100 Ω ، يمكن تشكيل مخطط العين لمتغير كوليبري 16+ غيغابايت/ثانية بشكل أكثر وضوحًا من متغير colibri الذي يبلغ 10 جيجابايت/ثانية السابق - يمكن تفسير أزواج الإشارة بوضوح.
الشكل 3: يتيح تصميم الاتصال المحسّن لـ CoLibri معدلات بيانات منخفضة السرعة. التوضيح: ept gmbh (colibri)
تتطلب الإشارات عالية السرعة حماية خاصة للإشارات لأنها عرضة بشكل خاص للتأثيرات الكهرومغناطيسية. في هذه الحالة ، يمكن للموصل أن يكون بمثابة مصدر ومستقبل للتداخل. سيحمي لوحات التدريع الإشارات الحساسة من التأثيرات الخارجية.
الشكلان 4 و 5: تداخل الإشارة عند استخدام موصلات محمية (أعلى) وغير محمية (أسفل)
يمكن وصف الموصل من خلال النظر في الظروف الكهربائية كدالة لكل من المصدر والمغسلة ، ويستخدم LK الحث في الاقتران كمعلمة EMC. يستخدم هنري (H) للتعبير عن هذه القيمة. وهذا ينطبق على المناعة وانبعاث التداخل. إذا كانت الجهد الناتج (UIND) ، وجهد المولد (UGEN) ، وثابتة المولد (KGEN) معروفة ، يمكن استخدام الصيغة التالية لتحديد الحد الأقصى المحدد للاقتران المسموح به (ل) للتطبيق:
يساعد الحث على الاقتران أيضًا المستخدم على تحديد الموصل المناسب لمتطلبات EMC الخاصة بهم ويساعد على تجنب اختبار التجربة والخطأ الحساسة للوقت. مثال على النحو التالي: عند 4.4 كيلو فولت ، حدد الحث الأقصى المحدد للحالة على إشارات HDMI ليكون 47 بيغوهيين (PH). إذا كانت هذه القيمة أعلى ، فلن يتم إرسال الإشارة دون تدخل.
الشكل 6: إصدارات غير محمية (يسار) ومحمية (يمين) من الموصل.
يمكن أن تعرض التأثيرات الكهرومغناطيسية للخطر نقل الإشارات عالية السرعة. تتعرض الموصلات ، وخاصة في تطبيقات المركبات عالية الأداء ، لظروف بيئية متطرفة مثل الاهتزاز والصدمة. يجب أن تكون الموصلات قوية بشكل خاص لضمان انتقال الإشارة دون انقطاع حتى في البيئات القاسية. العوامل الحاسمة الرئيسية في هذا السياق هي تصميم الاتصال وأنظمة الاتصال وتكنولوجيا الإنهاء.
تصميم الاتصال الاستراتيجي للموثوقية في البيئات القاسية
الموصلات التقليدية المكونة من قطعتين لديها اتصال واحد وآخر أنثى. ومع ذلك ، في حالة حدوث صدمات قوية ، قد ينفصل الموصل الذكور عن الموصل الأنثوي. لمنع كسر التلامس هذا ، يمكن استخدام موصل أنثى على الوجهين لتوفير التكرار وبالتالي زيادة موثوقية التلامس ، حيث يضمن جهة الاتصال الإناث الثانية أن تنتقل الإشارة دائمًا من خلال جهة اتصال واحدة على الأقل (الشكل 5).
لا (يسار) و (يمين) جهات الاتصال الإناث على الوجهين المعرضة للصدمة.
الموصلات مع أنظمة الطرفية "المحايدة بين الجنسين" أكثر قوة. الميزة الخاصة هنا هي أن زوج الموصل - التوصيل والمقبس - له نفس هندسة الاتصال. لذلك ، كلاهما له كل من الاتصالات الإناث والذكور. نتيجة لذلك ، يتم الاتصال بكل دبوس بواسطة جهات اتصال أنثى ويتم ربط المكونات والمقبس ولا يمكن رفعها من بعضها البعض. يضمن الموصل الإناث على الوجهين دائمًا جهة اتصال واحدة على الأقل عند تعرضها للأحمال الميكانيكية ، في حين أن الهندسة المتشابكة في نظام الاتصال المحايد يضمن أن يتم نقل الإشارة دائمًا من خلال كلا الاتصالات. وبالتالي فإن هذه الدرجة العالية من التكرار تحقق أقصى قدر من موثوقية الاتصال (الشكل 5).
الشكل 7: المقطع العرضي لموصل Zero8 يوضح نظام المحطة المحايدة بين الجنسين.
من أجل تحقيق اتصال متين بين PCB وموصل ، نوصي باستخدام تقنية Mount Mount (SMT) كتقنية إنهاء. يتم استخدام معجون اللحام لحام الموصل إلى سطح الاتصال المعين لـ PCB: وسادات اللحام. يتم ذوبان اللحام لأول مرة ثم يصلب في ما يسمى فرن الجثث. يسمح SMT بإنشاء اتصال مستقر بين الموصل و PCB. ومع ذلك ، يجب تلبية عدد من المعايير من أجل تحقيق ذلك. بادئ ذي بدء ، يجب الحفاظ على النسبة الصحيحة من المسامير والوسادات واللصق من أجل إنشاء مفاصل لحام تتوافق مع IPC A-610. هذه هي الطريقة الوحيدة لتحقيق اتصال عالي الجودة وفقًا لفئة IPC 3 ، مما يعني أنه مناسب لإلكترونيات السيارات عالية الأداء. تنص هذه الفئة على عدم حدوث فشل انتقال الإشارة. يمكن التعرف على اتصال اللحام الأمثل من خلال التكوين الموحد للوجه القمر المنحني. يجب إغلاق محيط جهة الاتصال بأكملها باستخدام لحام منحنى القمر من أجل تحقيق أفضل قوة احتباس ممكنة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. (الشكل 7).
الشكل 8: تكوين موحد للوجه القمر المنحني حول القدم اللعينة
يجب أن تكون أقدام الاتصال Coplanar لاتصال ممتاز. يتم فحص هذا coplanarity من خلال عملية آلية بالكامل.
للوهلة الأولى ، قد يبدو أن دور الموصلات في أنظمة المركبات عالية الأداء يتلاشى في الغموض بسبب انخفاض عدد وحدات التحكم. ومع ذلك ، فإن نظرة فاحصة تكشف عن ذلك بالتحديد بسبب هذا التحول إلى معالجة البيانات المركزية عبر HPC ، أصبح دورها ذا أهمية متزايدة. لم تكن موثوقية انتقال الإشارة أكثر أهمية.