Kontrollmodul
Andreas Karlsson
Rickard Nyström
EXAMENSARBETE 2007
Kontrollmodul
Controllmodule
Andreas Karlsson
Rickard Nyström
Detta examensarbete är utfört vid Ingenjörshögskolan i Jönköping inom ämnesområdet Elektronik. Arbetet är ett led i den treåriga
högskoleingenjörsutbildningen. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.
Handledare: Björn Stigbrandt Omfattning: 10 poäng (C-nivå)
Abstract
Abstract
This report describes the scientific work of designing and manufacturing an intelligent controller module prototype for automobile trailer connections. The functions of the module are both to drive the lamps and detect failures. The module also contains functions to handle other functions of the trailer. To learn about controller modules the group does extensive feasibility study.
The group receives three already existing modules, the functions of the three modules are studied and tested in the lab, this is done too get a overview of the construction. The method used I called reversed engineering, a way of
constructing by analyzing constructions already done.
When the modules are analyzed, the functions of the prototype are tested and designed without copying the analyzed modules. The components that the analyzed modules are containing are also studied.
The requirement specification contains the functions of the prototype to bee constructed.
The work results in a working prototype of controller module that is planed too bee used as a base in the construction work of future modules.
Sammanfattning
Sammanfattning
Denna rapport beskriver arbetet med att framställa en prototyp av kontrollmodul för släpvagnar, vars ändamål är att detektera fel på glödlampor samt utföra andra funktioner när ett släp kopplas till. För att gruppen först och främst ska kunna få en uppfattning av vad en kontrollmodul egentligen är och hur en sådan fungerar läggs mycket arbete på förstudier.
Tre redan befintliga moduler analyseras och dess olika funktioner kopplas upp och testas, detta görs för att få en helhet av konstruktionen. Metoden som används kallas för reversed engineering och går ut på att analysera och sätta sig in i redan färdiga konstruktioner.
När modulerna sedan är analyserade, tas funktionerna till prototypen fram, dock utan att kopiera de redan existerande modulerna. Studier om komponenterna som ingår i modulerna görs också.
Funktionerna som prototypen ska uppfylla återfinns i kravspecifikationen som är uppsatt av företaget.
Arbetet resulterar i en funktionell modul som är tänkt att användas som en grundplåt att utgå ifrån vid framtagandet av kundspecifika moduler.
Nyckelord
Kontrollmodul Släpvagnsmodul BTS
Innehållsförteckning
Innehållsförteckning
1
Inledning ... 6
1.1 BAKGRUND...7 1.2 SYFTE OCH MÅL...7 1.2.1 Kravspecifikation... 8 1.3 AVGRÄNSNINGAR...9 1.4 DISPOSITION...92
Teoretisk bakgrund ... 11
2.1 KOMPONENTBESKRIVNING...112.1.1 PIC-Processor (Programmable Integrated Circuit)... 11
2.1.2 BTS (Smart Power Switch) ... 11
2.1.3 Relä... 12 2.1.4 Spänningsregulatorkrets... 12 2.1.5 Transientskydd... 13 2.1.6 Blinkrelä ... 13
3
Genomförande ... 14
3.1 FÖRSTA FASEN...14 3.1.1 Arbetsgång... 14 3.1.2 Modul ett... 14 3.1.3 Modul två... 16 3.1.4 Modul tre ... 18 3.2 ANDRA FASEN...20 3.2.1 Trailer detection ... 20 3.2.2 Relästeg ... 21 3.2.3 Brytfunktioner ... 22 3.2.4 Lampdrifter ... 23 3.2.5 Manipulation av blinkers ... 24 3.2.6 Tillverkning... 25 3.2.7 Anslutningar ... 264
Resultat... 27
4.1 PRODUKTBESKRIVNING...27 4.1.1 In och utgångar ... 274.1.2 Beskrivning av anslutningar till bil ... 28
4.1.3 Beskrivning av anslutningar till släp ... 29
4.1.4 Felindikering ... 29
4.1.5 Uppsäkring av modulen... 30
4.1.6 Modulens fysiska utformning ... 31
4.1.7 Beskrivning av programkod... 26
5
Slutsats och diskussion ... 33
5.1 FEL / FÖRBÄTTRINGNAR: ...33
5.1.1 Asic istället för PIC ... 33
5.1.2 Track clearence ... 33
5.1.3 Varierande färskhet på mönsterkortslaminat ... 33
Innehållsförteckning
7
Sökord... 34
8
Bilagor... 35
Innehållsförteckning
Figurförteckning
FIGUR 1. PLANERING FÖR ARBETET 9
FIGUR 2. PIC16F877 11
FIGUR 3. BTS 611/621 12
FIGUR 4. SCHEMASYMBOL FÖR 2-POLIGT RELÄ 12 FIGUR 5. SPÄNNINGSREGULATOR LM7805CV 12 FIGUR 6. BLINKRELÄ MED FELVARNING. 13 FIGUR 7. PRINCIP FÖR MODUL ETT 15 FIGUR 8. PRINCIP FÖR MODUL TVÅ 17
FIGUR 9. RELÄSTEG 21
FIGUR 10. BRYTFUNKTIONER 22
FIGUR 11. ANSLUTNING AV LAMPDRIVSTEG 23 FIGUR 12. BLINKERSMANIPULATION 25 FIGUR 13. LYSDIODER FÖR INDIKERING 30
Inledning
1 Inledning
Dragkrokar på bilar har funnits lika länge som bilar har existerat, vissa bilar är avsedda för att ha dragkrok direkt från tillverkning och andra inte, vissa bilar är gjorda för att enkelt uppgraderas med en dragkrok och andra inte. På mindre bilar och på många Japanska bilar är det inte så vanligt att en dragkrok är monterad från fabrik. Detta gör att det finns en stor marknad för eftermontering av dragkrokar.
Att en bil inte är förberedd för att ha dragkrok kan innebära både mekaniska och elektriska ombyggnationer. Förr kopplades släpvagnens lampor direkt på bilens motsvarande lampor, en följd av detta blev att bilens säkringar fick en onödigt hög belastning och därmed en kortare livstid.
Nästa steg var att använda rena transistorsteg för att driva släpets lampor. I takt med utvecklingen blev transistorstegen intelligenta och kunde i samarbete med en PIC processor tala om för bilens förare att en glödlampa var trasig.
Kontrollmodulerna blir nu allt vanligare och allt mer intelligenta, de innehåller många olika funktioner förutom att driva lamporna som är själva
grundfunktionen, andra funktioner kan vara omkoppling av bilens dimbakljus till släpet och en funktions som stänger ner bilens backsensor, dessa två funktioner grundar sig i att kontrollmodulen kan känna av om ett släp är påkopplat. De stora Europeiska och Amerikanska biltillverkarna har ofta drivstegen och övriga funktioner som finns i en kontrollmodul integrerade i bilens huvuddator. Kraven på felrapportering av blinkers och bromsljus finns redan till exempel i Tyskland. Om en dragkrok eftermonteras måste dessa funktioner finnas med. EH-CONNECTOR i Brännehylte utanför Hillerstorp i Gnosjö kommun är ett gammalt familjeföretag som har riktat in sig på tillverkning av kontakter och kablage till fordonsindustrin och då i synnerhet till dragkrokar och släpvagnar, med dessa följer ofta ett specialanpassat paket för montering i bilen eller på släpet. Företaget levererar sina produkter till flertalet stora biltillverkare och aktörer på eftermarknaden. För att kunna vara med på marknaden och behålla viktiga kunder ökar nu kraven på att kunna erbjuda någon form av egen kontrollmodul först och främst till sina kunder i eftermarknadsbranschen.
Inledning
1.1 Bakgrund
De första kontrollmodulerna var uppbyggda av rena transistordrivsteg och hade endast en uppgift, vilken var att känna av vilka lampor som är tända bak på bilen och driva motsvarande glödlampor på släpet, vitsen med detta är att säkringarna till bilens motsvarande lampor inte belastas ytterliggare och får mer livslängd eftersom kontrollmodulen matas separat från bilens batteri via en egen säkring. Nästa generation kunde genom att använda en BTS (smart power switch) både driva en lampa och samtidigt känna av om denna drar ström dvs. är hel. BTS:en kan sedan bevakas av tex. en PIC processorer eller annan logisk enhet för att rapportera eventuella fel till föraren antingen via ljud, ljus eller som ett meddelande på en databuss. EH-CONNECTOR besökte avdelningen för
elektroteknik på Tekniska Högskolan i Jönköping och presenterade företaget samt den aktuella frågeställningen: Hur är en kontrollmodul uppbyggd och
konstruerad?, Kan en sådan modul konstrueras?
1.2 Syfte och mål
Examensarbetet ska resultera i en fullt fungerande prototyp av en kontrollmodul i grundutförande med flertalet funktioner, detta för att EH-CONNECTOR sedan i samarbete med en lokal elektroniktillverkare skall kunna ta fram moduler med kundspecifika funktioner för serietillverkning. På grund av att företaget ej tidigare sysslat med elektronik på kretskortsnivå delas arbetet in i två delar, den första undersökande delen består av en form av undersökande arbete kallat ”reversed engineering” där funktionen och konstruktionen hos befintliga moduler från olika tillverkare studeras grundligt för att få en förståelse samt en avgränsning av
problemet. Arbetet går sedan över i nästa fas som innebär konstruktionen och framtagandet av en fungerande prototyp, dock med en egen prägel utan att efterlikna konkurrenternas moduler.
Inledning
1.2.1 Kravspecifikation
• Modulen ska driva bakljus, bromsljus, positionsljus,
nummerplåtsbelysning, blinkers, dimbakljus och backljus på släpvagnen. • Felindikering av samtliga lampor som drivs av modulen sker via lysdioder
placerade på modulen.
• Felindikering av blinkers sker på ett sådant sätt att bilens blinkrelä uppträder på samma sätt om ett släp är påkopplat eller inte.
• En funktion som bryter upp kretsen för bilens dimbakljus och tänder detta på släpvagnen när föraren tänder detta.
• En funktion som stänger ner vital del på bilens backsensor om sådan finns monterad. Detta för att denna inte ska ge utslag hela tiden vid körning bakåt, då den känner av släpvagnens främre läm.
• Trailer detection (släpvagnsavkänning) dvs. modulen ska känna av om och när ett släp kopplas till och från
• Modulens fysiska utformning ska vara ett icke inkapslat kretskort med både ytmonterade och hålmonterade komponenter. Kortet etsas och tillverkas på Tekniska Högskolan i Jönköping. Vilket innebär att kortmaterialet blir glasfiberlaminat.
Den undersökande delen av examensarbetet presenteras i slutrapporten som ett resultat av förstudier och konstruktion, detta för att få en helhetsbild av hur kontrollmoduler för släpvagnskablage är konstruerade och uppbyggda samt vilka funktioner som ingår i dessa.
Kopplingsschema, programkod, komponentlista och andra känsliga delar presenteras i den icke publika rapporten, och då endast till företaget.
När kravspecifikationen var gjord och godkänd av både företaget, skolan och gruppen sammanställdes en tidsplan för att kunna sätta slutdatum på de i
projektet ingående momenten. Tidsplanen (Figur 1) är en viktig del för alla parter, för att kunna följa upp och summera arbetet bitvis.
Inledning
Figur 1. Planering för arbetet
1.3 Avgränsningar
Vissa moduler kommunicerar med bilens huvuddator via CANBUS eller motsvarande databussar, företaget valde att inte gå in på detta område för att istället börja utredningen av problemet från grunden genom att ta fram en prototyp utan någon data kommunikation, arbetets tidsramar var också en viktig aspekt att ta hänsyn till.
Inget arbete läggs heller på modulens fysiska utformning såsom inkapsling eller design som inte har med modulens funktion att göra.
Mikroprocessor används men i arbetet ska inte redogöras hur sådan fungerar och är uppbyggd.
Kabelsatsen som modulen kräver för framtida inkoppling i personbil behandlas ej i arbetet. Den kommenteras endast ytligt i beskrivningen av de olika funktionerna. EMC krav och dylikt tas ej upp i rapporten, detta på grund av att applikationen som tas fram endast är en testprototyp. Alltså kommer denna inte monteras i en bil utan endast användas för att illustrera funktionerna i en kontrollmodul.
1.4 Disposition
Teoretisk bakgrund Teoretisk bakgrund Teoretisk bakgrund Teoretisk bakgrund
För att få en bättre förståelse och av rapporten så beskriver denna del de komponenter som har använts i arbetet.
Genomförande Genomförande Genomförande Genomförande
Denna del beskriver ingående de olika stegen i hur arbetet utförts. Första delen beskriver analysen av konkurrenternas moduler, nästa del beskriver konstruktionen av gruppens egen kontrollmodul.
Resultat Resultat Resultat Resultat
Inledning
Slutsats och diskussion Slutsats och diskussion Slutsats och diskussion Slutsats och diskussion
Detta avsnitt innehåller kommentarer till det slutliga resultatet och förbättringar till detta.
Teoretisk bakgrund
2 Teoretisk bakgrund
2.1 Komponentbeskrivning
2.1.1 PIC-Processor (Programmable Integrated Circuit)
En PIC processor (Figur 2) är en enchipsdator och används ofta för att känna av och därefter utföra saker i en elektrisk krets. Instruktionerna till processorn har programmerats in i den via en viss programkod ofta med språken Assembler eller ANSI-C, programmet i PIC processorn som sitter i kontrollmodulen är således skrivet i Assembler. PIC processorer finns i många olika storlekar, utföranden och kapslingar helt efter vilket behov som finns. Processorn som används i modulen är en PIC16F877 som arbetar med åtta bitars dataregister, kretsen har fyra portar (A-D) som är fördelade på fyrtio pinnar, A porten kan också konfigureras för A/D omvandling. Kretsen klockas med en kristall som svängen med 4Mhz. Processorn arbetar med spänningen 5 volt på både matning, in och utgångar.
Figur 2. PIC16F877
2.1.2 BTS (Smart Power Switch)
Komponenten i fråga (Figur 3) är en intelligent logikstyrbar effekt switch som är konstruerad just för att "switcha" resistiva laster så som lampor och motorer med en hög ”öppningsström” dvs. strömmen som lasten drar vid påslagstillfället. Switchen innehåller både en strömbegränsnings funktion och en funktion som strömbegränsar om kretsen uppnår för hög temperatur till följd av en last med för hög effekt. Den har också ett inbyggt skydd för kortslutning och likväl för
överspänning.
Finessen med att använda denna krets är inte bara att den klarar av att "switcha" väldigt höga strömmar i förhållande till sin storlek och därmed ersätta ett relä, den är också utrustade med en statuspinne. Statuspinnens funktion är open drain, dvs. att om ett pull-up motstånd läggs mellan +5 volt och statuspinnen kommer denna att ”sänka” spänningen över pull-up motståndet till noll volt om någon av
kanalerna skulle hänga i luften samtidigt som det finns en insignal på denna. Detta utnyttjas flitigt i modulen för att med hjälp av PIC processorn detektera om en lampa är trasig. BTS611 och BTS621 är modellerna som används, båda är i hålmonterat utförande och har två drivkanaler den enda skillnaden är att BTS621 tål mer effekt och därmed är något dyrare. Komponenten finns även i ytmonterat utförande och innehållande fler drivkanaler.
Teoretisk bakgrund
Figur 3. BTS 611/621 2.1.3 Relä
Ett relä (Figur 4) kan enklast beskrivas som en styrd strömbrytare, reläer har väldigt många användningsområden, inom fordonsindustrin används reläer ofta för att slippa dra ut grova kablar med höga strömmar ut till instrumentpanelen, endast en brytare till reläspolen behöver placeras på manöverplatsen på detta sätt minskas både kabelåtgången och störningsriskerna. Principen är sådan att en spole med järnkärna bildar en elektromagnet när spänning läggs över spolen. När spolen magnetiseras flyttas kontakttungor till motsatt läge och bryter eller sluter kontakter beroende på hur reläet är konstruerat. De reläer som används i kontrollmodulen är tvåpoliga reläer som innehåller två stycken normal closed/normal open (NO/NC) kontakter vilka växlar när spolen drar. Reläerna kan monteras direkt på
kretskortet eller i en speciell reläsockel som löds på kortet.
Figur 4. Schemasymbol för 2-poligt relä 2.1.4 Spänningsregulatorkrets
Då PIC processorn och dess tillhörande logik drivs med 5volt används en LM7805CV spänningsregulator (Figur 5) för att skapa just 5 volt. Vitsen med detta är att kortet endast behöver en matningsspänning (12volt). Fem volt kan också skapas med spänningsdelningar och dylikt men med tanke på utrymme och att det finns färdiga kretsar för ändamålet valdes denna.
Teoretisk bakgrund
2.1.5 Transientskydd
I applikationer i personbilar kan det lätt uppstå strömspikar som kan skada känslig elektronik, dessa uppstår på grund av att det ofta går höga strömmar i bilen
beroende på att batteriet endast levererar tolv volt. För att skydda kortet mot detta används ett VDR motstånd ( Varistor )som jordar ner höga spänningar om dessa skulle uppstå.
2.1.6 Blinkrelä
Ett blinkrelä (Figur 6) är i grund och botten uppbyggt av en stabil vippa där upp och urladdning av kondensatorer gör så att utsignalen skiftar med en viss frekvens (blinkfrekvensen). Utsignalen förstärks sedan upp i ett antal transistorsteg så att denna klarar av att driva samtliga blinkers på bilen. Blinkreläet blinkar med ca 90 blinkcykler per minut. Avkänning om någon lampa går sönder görs genom att spänningsfallet över en resistor mäts, skulle belastningen falla under ett visst värde (vanligtvis två styck 21w lampor) påverkas laddningstiden av kondensatorerna i den stabila vippan och blinkfrekvensen ökar sedan till det dubbla.
Figur 6. Blinkrelä med felvarning.
Genomförande
3 Genomförande
3.1 Första fasen
3.1.1 Arbetsgång
Den inledande delen av examensarbetet bestod av att ingående analysera befintliga kontrollmoduler för att besvara den aktuella frågeställningen som företaget ställde. Frågeställningen var: Vad gör modulerna? Hur är de uppbyggda? Och är det möjligt att konstruera en för EH-CONNECTOR unik modul som dessutom är konkurrenskraftig. Metoden som användes vid analysen av de befintliga
modulerna kallas för reversed engineering.
Reverse engineering innebär att till skillnad från vanligt ingenjörsarbete där en applikation konstrueras och byggs upp så plockas konstruktionen istället ner, där varje ingående del analyseras noggrant. Metoden används ofta med syftet att åstadkomma en likadan konstruktion som den som analyseras, dock ska tilläggas att syftet absolut inte är att kopiera.
Vid det första mötet på företaget erhöll gruppen tre styck kontrollmoduler för analys. Modulerna hade samma tillverkare, redan på mötet gjordes en snabb överblick under höljet och direkt kunde sägas att det fanns en stor skillnad i komplexitet mellan modulerna.
Analysen genomfördes på avdelningen för elektroteknik på Tekniska Högskolan i Jönköping där all nödvändig laborationsutrustning och verktyg finns tillgänglig. Gruppen fick även tillgång till ett kontor på företaget, men av praktiska skäl utfördes arbetet på skolan. Varje delfunktion har var och för sig kopplats upp på kopplingsdäck för djupare studier, i samband med detta har egna idéer för att uppnå samma funktion också testats.
3.1.2 Modul ett
Den första modulen är uppbyggd av tre BTS switchar som är kopplade på ett sådant sätt att de endast har en uppgift vilken är att driva glödlampor, switcharna som används har också en statuspinne men denna utnyttjas ej. Anledningen till att statuspinnarna på switcharna inte används är att den enda önskade funktionen är att driva lamporna utan att detektera fel på dessa. Tillverkaren har använt en
Genomförande
Modulens gränssnitt ser ut som följer: 30 = 12 volt matning från bilens batteri 31 = GND
IN1 = Avkänning bakljus, positionsljus och nummerskyltsbelysning OUT1 = Ut till bakljus, positionsljus och nummerskyltsbelysning IN2 = Avkänning bromsljus
OUT2 = Ut till bromsljus
IN3 = Avkänning dimbakljus eller annat ljus OUT3 = Ut till dimbakljus eller annat ljus
Principen för modulen ges av blockschemat i Figur 7:
Genomförande
3.1.3 Modul två
Modul nummer två har ett helt annat syfte än den första, det modulen gör är att när den känner av att bilens blinkrelä slår så driver den släpets motsvarande blinker i samma takt. Om en blinkerlampa på släpet går sönder kommer modulen att ta över bakblinkern på bilen, detta medför att bilens blinkrelä endast kommer att leverera ström till en lampa. Principen bygger på att bilen är så pass nytillverkad att den är utrustad med ett blinkrelä med en felvarning (när strömmen går under summan av två 21watt lampor dubblas blinkfrekvensen).
För att kunna förklara funktionen mer ingående måste först modulen gränssnitt redogöras för:
Kontakter:
• RT = Ut till höger blinker på släp (right trailer)
• RR = Ut från modulen till höger bakblinker på bil (right return)
• TD = Släpvagnsavkänning, känner av släpvagnens jord (trailer detection) • R = Ingång av uppbruten slinga för höger bakblinker på bil (right) • 31 = GND
• 30 = 12 volt matning från bilens batteri • NC = Ej ansluten reläkontakt
• LR = Ut från modulen till vänster bakblinker på bil (left return) • L = Ingång av uppbruten slinga för vänster bakblinker på bil (left) • LT = Ut till vänster blinker på släp (left trailer)
För att modulen ska fungera som det är tänkt måste slingan för bilens båda bakblinkerslampor brytas upp och anslutas till modulen (in på R och ut på RR och motsvarande för vänster sida). Ledningen går sedan in på varsitt relä (normalt sluten kontakt) och ut igen till lampan. Modulen känner av när ett släp är
tillkopplat genom att släpets jord ansluts till TD, först då går processorn in i nästa programloop och väntar på att föraren ska blinka. När föraren blinkar genererar PIC processorn sedan en blink puls i samma takt till släpets blinker.
Genomförande
Reläerna som används är tvåpoliga, på den ena polen går blinkern in och vänder och på den andra polen ligger utsignalen från en BTS ansluten. PIC processorn känner hela tiden samtidigt som lampan blinkar av statuspinnen på den drivande switchen, om statusen ändras dvs. att en lampa går sönder så dras reläet, modulen driver nu bilens bakblinker och blinkreläet är belastat med för lite ström, föraren varnas nu att en lampa är trasig. Den stora vinsten med att koppla in modulen i fråga är att bilen beter sig likadant vare sig ett släp är påkopplat eller inte då det gäller blinkers. Denna modul sitter ofta monterad ihop med föregående modul eftersom man vill ha samtliga funktioner när en dragkrok monteras på bilen. I Figur 8 studeras principen för modulen:
Genomförande
3.1.4 Modul tre
Den tredje modulen har mycket högre komplexitet än föregående då denna också behandlar data kommunikation, eftersom datakommunikation inte ingår i
examensarbetets avgränsningar gjordes ingen fördjupning inom detta. Modulen är en universal modul för bilar utan inbyggd checkkontroll.
Modulens gränssnitt beskrivs nedan och består av två anslutningar varav den första går till bilen.
Kontakt till bil
• R: Ingång av uppbruten slinga för höger bakblinker på bil (right) • RR: Ut från modulen till höger bakblinker på bil (right return) • L: Ingång av uppbruten slinga för vänster bakblinker på bil (left) • LR: Ut från modulen till vänster bakblinker på bil (left return) • 31: GND
• BU: Uppladdning av batteri till lampa monterad på släpet, gäller ofta husvagn (backup light)
• 30: 12 volt matning från bilens batteri
• CLR: återställning av modulens kommunikation med databussen (clear) • DAT: Dataledning (data)
• 58R: Avkänning av bakljus, positionsljus, nummerplåt höger sida • 54GR2: Avkänning bromsljus
• 54G2: Avkänning bromsljus • 54G1: Avkänning bromsljus • 54: Avkänning bromsljus
Genomförande
Kontakt till släp
• 54T: Ut till bromsljus
• NO: Reläkontakt (normal open)
• COM: Mittpunkt reläkontakt (common)
• 58LT: Ut till bakljus, positionsljus, nummerplåt vänster sida • BUT: Uppladdning av batteri till lampa monterad på släpet, gäller ofta
husvagn (backup light)
• RT: Ut till blinker höger (right trailer) • NC: Relä (normal closed)
• LT: Ut till blinker vänster (left trailer)
• 58RT: Ut till bakljus, positionsljus, nummerplåt höger sida • 54GT: Ut till bromsljus
Funktionerna som modulen innehåller är följande: Blinkers:
Modulen är i universalutförande och kan därför vid tillverkningen programmeras om till kunden önskad funktion angående blinkers. Samtliga funktioner känner av när bilen blinkar och driver sedan motsvarande blinker på släpet, det som skiljer är själva felindikeringen. Modulen kan ha funktionen som beskrivs i tidigare avsnitt om modul två (när släpets blinker går sönder så tar modulen över bilens
bakblinker, detta kräver en kabelsats där denna krets bryts upp). Annars kan en ren felindikering som inte påverkar bilens blinkande väljas, detta genom att
antingen låta en summerljuda i takt med bilens blinkande, eller att modulen lägger ut ett felmeddelande på databussen till huvuddatorn. Det sistnämnda gäller bilar med check Control.
Bromsljus:
När föraren trycker på bromsen känner modulen av detta och driver bromsljusen på släpet, båda lamporna måste vara trasiga för att föraren ska få kännedom om detta. En summer ljuder när bromspedalen trycks ned för att indikera att bromsljusen är ur funktion.
Genomförande
Bakljus, nummerplåtslampor och positionsljus:
När bilen startas tänds dessa lampor automatiskt på bilen och om denna modul är inkopplad tänds även dessa på släpet. Modulen rapporterar inte heller fel på de här lamporna.
Dimbakljus:
Kretsen för dimbakljusen på bilen är uppbruten och går igenom en normalt sluten reläkontakt i modulen, när modulen sedan genom anslutningen TD känner av att ett släp är tillkopplat slår reläet om och den ingående ledningen till dimbakljuset kopplas om till ingången på en BTS. När föraren sedan väljer att tända
dimbakljuset så tänds detta endast på släpet och inte på bilen, vitsen med detta är att slippa få dimbakljuset reflekterat i släpets främre lem.
Backsensor:
På samma relä som bryter upp dimbakljuset används den andra kontakten till att bryta upp kretsen för backsensor, vilken skulle ge signal hela tiden vid backning med släp.
3.2 Andra fasen
Först konstruerades modulens olika funktioner var för sig och testades noga på kopplingsdäck i labbet.
3.2.1 Trailer detection
Den första funktionen gruppen koncentrerade sig på var hur detektion av påkopplat släp går till. Vad ska kännas av? De befintliga modulerna känner av släpvagnens jord, detta fungerar endast på tretton poliga kontaktdon (husvagn och dylikt) vilket också kommer allt mer på vanliga släp. För att få denna funktion även på sjupoliga kontakter som just nu är vanligast på släp och då i Sverige. Efter en närmare titt på EH-CONNECTOR:s sortiment kom gruppen fram till att en befintlig mekanisk brytare (normalt sluten) i företagets sjupoliga kontakter som nu används för att bryta upp kretsen för bilens dimbakljus kan användas för just släpvagnsavkänning.
Att en släpvagn är tillkopplad detekteras på följande sätt. PIC processorn har en ingång och en utgång sammankopplade via två resistorer. Resistorn som är
Genomförande
När en släpvagnskontakt sedan ansluts påverkas brytaren och utgången är nu inte längre ansluten till jord, detta medför att ingången nu får signal. Processorn är programmerad så att den står i en programloop och väntar på att TD (trailer detection) ska ändras innan den går vidare i programkoden.
3.2.2 Relästeg
Nästa steg i konstruktionsfasen var att undersöka om PIC processorn är kapabel att dra en reläspole, gruppen kom efter vissa diskussioner fram till att använda någon form av transistorsteg för ändamålet. För att inte belasta processorn med för hög ström valdes en transistor med hög strömförstärkningsfaktor (BC547B) ca 450 ggr, fördelen med detta är att transistorn behöver en mycket liten basström för att bottna dvs. öppna helt. BC547B klarar av en ström på 100mA från
collector till emitter. Basresistorn som används till samtliga BC547B på kretskortet har värdet 2.2 Kilo Ohm vilket ger en basström på 1.95 mA som i sin tur med strömförstärkningsfaktorn skulle kunna ge en ström på ca 877,5 mA, det är en bra bit över strömmen som transistorn klarar av och då fullt tillräckligt för att
transistorn ska bottna. Reläet som används har en spolresistans på 275 Ohm och en drivspänning på 12 volt, strömmen krävs för att spolen ska dra blir då 43.6 mA och ligger inom transistorns arbetsområde, reläet klarar i sin tur av att bryta
strömmar på upp till 5A per pol. I motsatt strömriktning mot reläspolen läggs också en diod (1N4004) för att motverka att den inducerade strömmen går bakvägen när spolen görs spänningslös. Figur 9 visar transistorsteget för att kunna dra reläet.
Genomförande
3.2.3 Brytfunktioner
Nästa problem var att fundera ut hur modulen skulle koppla om bilens dimbakljus så att detta tänds på släpet istället när ett sådant kopplas på. Tankarna föll direkt på att använda ett relä (Figur10) för ändamålet. Om kabelsatsen designas så att kretsen för dimbakljuset bryts upp, så låter man den ”drivande” ledningen gå in på mittpunkten på ena polen på reläet, sedan kopplas bilens lampa in på den normalt slutna kontakten, alltså är kretsen hel så länge reläet är opåverkat. Från den
normalt öppna kontakten går sedan en ledning till IN på en BTS vars utgång är kopplad till släpets dimbakljus. Funktionen blir då följande, när dimbakljuset slås på och ett släp är påkopplat tänds det endast på släpet. Kopplas släpet ur kommer dimbakljuset på bilen istället att tändas förutsatt att föraren har valt att ha det tänt. Samma relä utnyttjas också till att uppnå nästa funktion, vilken är att om bilen har en backsensor monterad så ska matningen eller vital ledning på denna brytas upp så att funktionen stängs ned då ett släp är tillkopplat. Principen för backsensorn blir liknande den för dimbakljuset, här används en normalt sluten kontakt, ledningen till backsensorn går in på mittpunkten och ut på den normalt slutna kontakten, när modulen sedan känner att ett släp är tillkopplat kommer reläet att dra, vilket ger att kretsen bryts upp.
Genomförande
3.2.4 Lampdrifter
För att driva lampor används i de befintliga modulerna en smart power switch vars namn är BTS (Figur 11). Komponenten är speciellt framtagen för att driva både lampor och motorer och kan ersätta ett elektromagnetiskt relä. Ingångarna är CMOS kompatibla vilket innebär att drivkanalen öppnas genom att en spänning läggs på gaten (IN). För säkerhetsskull läggs en resistor på 22 Kohm i serie för att försäkra att det inte ska gå någon hög ström i fall något skulle bli fel med
komponenten. Vitsen med att använda denna komponent istället för ett elektromagnetiskt relä är att en kontroll på att lasten är hel med enkelhet kan göras. Kontrollen görs genom att ansluta komponentens statuspinne med ett pull up motstånd till 5volt (den spänning som processorn arbetar med). Status pinnen är av typen Open Drain, vilket innebär att när statusen är hög så hänger utgången i luften och spänningen över resistorn är 5 volt, när sen statusen går låg dvs. lampan blir trasig så öppnar utgången och spänningen över resistorn blir 0 volt. En extra säkerhet är att kretsen innehåller funktioner för både övertemperatur, överström och kortslutning då den kommer att stänga ner. Tvåkanals switchar används i den aktuella modulen.
Genomförande
3.2.5 Manipulation av blinkers
Enligt kravspecifikationen ville företaget ha samma funktion för blinkers som konkurrenterna har åstadkommit i modul två. Förutsättningen för att blinkreläet ska dubbla blinkfrekvensen är att strömmen understiger lasten av två 21 W lampor ca 3.5 A. För att göra detta möjligt samtidigt som blinkers fungerar både fram och bak på bilen måste en av bilens lampor på något sätt övertas och drivas av
modulen. Då det handlar om relativt höga strömmar faller tankarna direkt på reläer. Blinkerslampor är av samma effektstyrka som dimbakljuset (21 W) så det är lämpligt att också använda samma modell av reläer och i sin tur kan samma
modell av transistorsteg för att dra dessa. Efter långt överläggande och många olika teorier kom gruppen fram till en fungerande konstruktion(Figur 12).
Den drivande ledningen till vardera blinkerslampa ansluts till mittpunkten på ena polen på varsitt relä. På den normalt slutna kontakten ut från reläet kopplas sedan bilens blinklampa in. Från mittpunkten på reläet går en ledning till en
spänningsdelning som sänker spänningen till 5volt, signalen går sedan vidare till en operationsförstärkare (CA3140) kopplad som spänningsföljare för att göra signalen stabil, Vidare går signalen till en ingång på PIC processorn, där
blinkfrekvensen avläses. I samma takt som PIC:en får signalen från blinkreläet genereras en signal från en utgång som driver ena kanalen på motsvarande BTS. Insignalen på den andra kanalen på samma BTS är också ansluten till en utgång på processorn. Utgången från kanal två går till mittpunkten på den andra polen på reläet, där den normalt öppna brytaren är ansluten till bilens bak blink lampa. Om en blinklampa på släpet skulle bli trasig känner processorn det på statuspinnen och drar reläet, samtidigt driver den på båda kanalerna på BTS:en. I väntan på att släplampan ska bytas mot en hel kommer nu modulen att driva bilens bak
blinklampa och dubbel blinkfrekvens erhålles (ca 90ggr/minut). När lampan sedan är hel släpper reläet och driften återgår till det normala. Funktionen kräver dock att kabelsatsen konstrueras på sånt sätt att båda slingorna för bilens bakblinker bryts upp.
Genomförande
Figur 12. Blinkersmanipulation
3.2.6 Tillverkning
Efter att alla funktioner verifierats och testats tillsammans inleddes framtagandet av ett komplett elektriskt kopplingsschema. Konstruktionsarbetet utfördes uteslutande i CIRCAD. I programmet skapas först kopplingsschemat där alla aktuella komponentvärden läggs in, efter det är det dags för komponenternas fysiska placering på kortet, resultatet av detta blir en såkallad PCB fil. En svårighet vid konstruktionen av modulen i fråga var att på grund av varierande strömstryka måste ledningsbredden på det tillverkade kortet noga beräknas, i elfa katalogen finns en tabell för detta. Kopparfolien på det aktuella mönsterkortslaminatet är 35 µm vilket är normalt att använda, enligt tabellen klarar en två millimeter bred ledning av en ström på 3.2 A (en 21 W lampa drar 1.75 A )om man tillåter ledningen att anta 10 graders övertemperatur så är marginalen god.
Genomförande
3.2.7 Anslutningar
En viktig sak på kortet är anslutningsmöjligheterna. Med tanke på höga strömmar måste dessa vara ganska rejäla, därför valdes kretskortsmonterade plintar som klarar att ansluta kablar med en grovhet av 2.5 mm2
då detta ändå kan bli i underkant, men med tanke på utrymme valdes denna ändå. Anslutningarna är uppdelade i två 20 poliga plintar, en på var sida. Den ena hanterar kortets insignaler och det andra kortets utsignaler, sen sitter det också monterat en två polig kontakt som hanterar matningen till kortet (12 volt).
3.2.8 Beskrivning av programkod
PIC processorn som är placerad i kontrollmodulen arbetar med ett program som är skrivet i assemblerkod. Programmet består av ett huvudprogram som ligger och kör i en loop där den i turordning anropar funktioner för olika ändamål. När modulen startas börjar processorn med att initiera alla in och utgångar för att sedan ställa sig i en loop där den endast väntar på att ett släp ska kopplas till, en såkallad evighetsloop. När sedan ett släp kopplas till sätts en utgång som tänder en lysdiod, Denna indikerar både att ett släp är tillkopplat och att programmet nu kör vidare. Det första som händer när programmet går vidare är att reläet som kopplar om dimbakljuset och bryter eventuell backsensor drar.
När sedan programmet stegar vidare så kontrolleras samtliga statuspinnar på lampdrivstegen samtidigt som processorn känner av bilens blinkers. Detekteras en blinkfrekvens på en ingång genererar processorn samtidigt en blinksignal i samma frekvens till de drivsteg som driver blinkers på släpvagnen. Om någon
blinkerslampa går sönder så sänder PIC processorn en signal för att dra reläet för den aktuella sidan som tar över bilens blinker, signalen går ej låg igen förrän status är ok.
Om processorn detekterar förändring på någon annan statuspinne dras motsvarande utgång och lysdiod tänds för att indikera detta, när sedan status förändras dvs. en lampa byts ut nollas motsvarande utgång.
När alla funktioner anropats börjar programmet om från början och kör samma procedur igen tills det att släpet kopplas bort eller spänningen bryts.
Resultat
4 Resultat
4.1 Produktbeskrivning
Modulen som har tagits fram är endast en prototyp av hur en specifik Kontrollmodul kan se ut, den har de mest avgörande och grundläggande
funktionerna en sådan ska innehålla. Produkten uppfyller samtliga funktioner och krav som kravspecifikationen innehåller.
Tanken är att prototypen ska fungera som en grund att utgå ifrån i
utvecklingsarbetet med att ta fram de olika moduler som marknaden kräver av företaget.
4.1.1 In och utgångar
Prototypmodulens anslutningar för in och utgångar är uppbyggda av två styck 20 poliga plintar som klarar av att ansluta ledningar med en grovlek av max 2.5mm2
, dessa är placerade en på var sida av kortet, där ena sidan hanterar ingångar och den andra utgångar. Ingångarna är direkt anslutna till bilen, den andra sidan består endast av utgångar till släpvagnskontakten.
4.1.1.1 Anslutningar till bil
1. Avkänning och ingång på relä, vänster blinker. 2. Ut från relä, vänster blinker.
3. Avkänning och ingång på relä, höger blinker. 4. Ut från relä, höger blinker.
5. Avkänning bromsljus. 6. Avkänning backljus. 7. Avkänning skyltljus. 8. Avkänning positionsljus. 9. Avkänning bakljus. 10. Ut från relä, dimbakljus.
11. In på relä samt avkänning, dimbakljus. 12. Ut backsensor.
Resultat
14. Släpvagnsavkänning. Plint 15 – 20 är icke anslutna.
4.1.1.2 Anslutningar till släpvagnskontakt Plint 1 – 7 är icke anslutna.
8. Utgång höger skyltljus. 9. Utgång vänster skyltljus. 10. Utgång vänster positionsljus. 11. Utgång höger positionsljus. 12. Utgång höger bakljus. 13. Utgång vänster bakljus. 14. Utgång dimbakljus. 15. Utgång höger backljus. 16. Utgång vänster backljus. 17. Utgång höger bromsljus. 18. Utgång vänster bromsljus. 19. Utgång höger blinker. 20. Utgång vänster blinker.
4.1.2 Beskrivning av anslutningar till bil
Plint (1-4): Behandlar blinkers för vardera sida. Modulen har blinkersfunktionen som är beskriven i föregående avsnitt. Kortfattat är funktionen sådan att när alla lampor är hela känner modulen av bilens blinkers och driver släpets motsvarande blinker. Går någon av bilens blinkers sönder så dubblas frekvensen som vanligt (förutsatt att ett relä med felvarning används). Skulle däremot släpets blinklampa bli trasig så kommer modulen ta över och driva bilens bak blinker, detta genom att
Resultat
Plint (5-9): Känner av vilka lampor som är tända på bilen och vidarebefordrar dessa in i modulen utan att belasta bilens säkringar, modulen driver sedan motsvarande lampor på släpet. PIC processorn bevakar statuspinnarna på switcharna och indikerar fel om någon lampa är trasig.
Plint (10-13): Kretsen på bilens dimbakljus bryts upp och den ”drivande” kabeln ansluts till plint 11, dimbakljuset ansluts sedan till plint 10. Plintarna är anslutna till en normalt sluten reläkontakt som när modulen känner av att ett släp är tillkopplat kopplas om så att den drivande kabeln ansluts till ingången på en switch.
Plint (14): TD = Trailer detection = släpvagnsavkänning, denna plint känner av om en släpvagn är tillkopplad: Tanken är att på en sjupolig släpvagnskontakt använda befintlig brytare i företagets kontakter som nu används för att bryta upp dimbakljuset, och på trettonpoliga kontakter använda befintligt stift för
släpvagnsdetektion, båda bygger på principen att man känner av jord, antingen släpet eller bilens.
4.1.3 Beskrivning av anslutningar till släp
Plint (1-13): Samtliga plintar på denna sidan av kortet är utgångar till lampor, om en lampa går sönder känner den drivande switchen inte längre av lasten och sänker därför statuspinnen. Kopplas lamporna in efter gällande DIN standard för
släpvagnskontakter blir felindikeringen enligt följande: Båda bromsljusen måste gå sönder för att få indikering, vänster bakljus, positionsljus och skyltbelysning måste gå sönder för att få indikering för dessa (motsvarande för höger sida). Indikeringen för backljusen, dimbakljus och blinkers är opåverkad. Modulen har separata
utgångar för bakljus, positionsljus. När släpvagnskontakten kopplas in läggs dessa ihop av utrymmesskäl.
4.1.4 Felindikering
Modulen är utrustad med sju lysdioder (Figur 13), där de sex översta används för att indikera eventuella trasiga lampor. Lysdioden längst ned indikerar när ett släp är påkopplat. Vilken lysdiod som tillhör respektive lampa på släpet beskrivs nedan, räknat uppifrån på modulen. Lysdioderna är av en vit modell, som vid
spänningssättning lyser med ett starkt rött sken. Lysdioderna är från början släckta, när en lampa sedan går sönder eller ett släp kopplas till tänds respektive
Resultat 1. Positionsljus 2. Skyltbelysning 3. Bakljus 4. Backljus 5. Bromsljus 6. Dimbakljus 7. Släp påkopplat
Figur 13. Lysdioder för indikering 4.1.5 Uppsäkring av modulen
Vid full drift av modulen kommer denna att kräva relativt hög ström, detta pga. att den driver många lampor samtidigt, den maximala lampeffekten är dock 21 W men antalet gör att strömmen blir hög.
• Blinkers 21W, antal: 2, ger 3.5A • Bromsljus 21W, antal: 2, ger 3.5A • Backljus 10W, antal: 2, ger 1.66A • Dimbakljus 21W, antal: 1, ger 1.75A
Resultat
Den totala strömmen blir 16.59A bara av lampdrifterna, sen drar modulen också lite ström, dock långt ifrån vad lamporna drar. För att med goda marginaler säkra upp modulen rekommenderas därför att en 20A säkring används.
4.1.6 Modulens fysiska utformning
Figur 14. Prototyp
1. De två översta reläerna sköter omkopplingen av blinkers, det nedersta reläet kopplar om dimbakljuset och bryter backsensorn.
2. Transistorsteg för att dra reläerna, ett för varje relä.
3. Transistorsteg som gör det möjligt för PIC processorn att öppna lampdrivstegen.
Resultat
5. Lampdrivsteg (BTS 611 / 621). 6. VDRmotstånd, (transientskydd).
7. Spänningsregulatorkrets (7805), för att åstadkomma 5 volt på kortet. 8. Operationsförstärkare (CA3140), känner av blinkfrekvensen och
vidarebefordra denna med rätt spänningsnivå till processorn
Referenser
5 Slutsats och diskussion
Resultatet blev enligt kravspecifikationen en fullt fungerande prototyp. Användningsområdet för kontrollmoduler kommer med tiden att minska på grund av att dess funktioner mer och mer integreras i bilens huvuddator. Nu mera är det ovanligt att bilar ens har ett blinkrelä, också denna signal genereras i bilen dator.
Marknaden kommer också successivt minska eftersom antalet bilar i den aktuella åldersgruppen med tiden minskar.
Eftersom produkten är en prototyp så finns det en viss förbättringspotential, detta tas upp i nästa avsnitt.
5.1 Fel / förbättringar:
5.1.1 Asic istället för PIC
En mer ekonomisk lösning vid eventuell serietillverkning av modulen är att använda en ASIC istället för en PIC processor, detta blir möjligt eftersom PIC:en endast används som en logisk enhet utan några fördröjningar det vill säga att den känner av samtliga ingångar och aktiverar olika utgångar allt eftersom.
En ASIC beskrivs enklast som en integrerad krets där man genom en viss
programkod kan bygga upp ett logiskt grindnät i kretsen, funktionen blir väldigt lik en PIC förutom att det inte går att åstadkomma några fördröjningar, kretsen behöver inte heller ha någon klocka, operationer sker så fort en ingång blivit påverkad.
5.1.2 Track clearence
Efter lödning av kretskortet till kontrollmodulen upptäcktes en ganska hög frekvens av lodbryggor (ställen där kontakt är oönskad men finns ändå) detta berodde på en för liten track clearence (avståndet mellan ledningsbanor, paddar och vior på kretskortet).
5.1.3 Varierande färskhet på mönsterkortslaminat
Vid tillverkning av kretskortet visade det sig att färskheten på mönsterkortslaminat kan variera, detta medför att om laminatet är gammalt så minskar belysningstiden. Normalt belyses kortet i ca 15 min men om laminatet inte är färskt kan
belysningstiden minskas till ca 12 min. Det är fotoresisten (skiktet över kopparen som skall vara kvar efter etsningen) som bli föråldrat och därmed inte tål samma
Referenser
6 Referenser
[1] Biltema Sverige
http://www.biltema.se/products/product.asp?iItemId=88099 (2007-05-11) [2] Elfa – Elektronikdistributör http://www.elfa.se (2007-05-11)
[3] EH-Connector http://www.ehconnector.se (2007-04-12) [4] ECS Electronics http://www.ecs-electronics.com (2007-04-12) [5] Fogelsta Släp http://www.fogelsta.com (2007-04-20)
[6] DIN standarder http://www.answers.com/topic/din-72552 (2007-05-11) [7] Reläer http://www.goodsky.co.uk (2007-05-14)
[8] Infineon, Tillverkare av BTS http://www.infineon.com (2007-04-20
7 Sökord
A ASIC, 31 B Blinkrelä, 12 BTS, 10 C CANBUS, 9 Checkkontroll, 17 CMOS, 22 O Operationsförstärkare, 23 P PIC processor, 10 R Relä, 11 S Spänningsregulator, 11 Statuspinne, 10 Switch, 13 T Track clearence, 31 Trailer detection, 19Bilagor
