Explicación

2.1 Esquema general de una ECU

Una unidad de control electrónico o ECU es una tarjeta electrónica impresa o PCB por sus siglas en inglés Printed Circuit Board, que implementa particulares funciones de control dentro de un vehículo. Para que los componentes electrónicos del PCB, los cuales son típicamente frágiles, puedan resistir a las intemperies del ambiente automotriz, las ECU están protegidas por una caja de metal o de plástico. El involucro protector de una ECU sirve para garantizar que líquidos, polvo y suciedad no alcancen el PCB. También sirve para garantizar parámetros de temperatura y humedad adecuados para la operación de los circuitos electrónicos de control.

Las condiciones de operación típicas son:

La ECU tiene que operar en manera satisfactoria aun en presencia de un arranque con baja tensión de la batería del vehículo (llamado arranque en frio o cold start) o cuando debido a algún malfuncionamiento la tensión de carga sea demasiado alta (fluctuaciones del sistema eléctrico del vehículo).

De igual manera, ECU tiene que estar protegida contra descargas electromagnéticas, o EMD por sus siglas en inglés Electromagnetic Discharge. Los requerimientos en cuanto a compatibilidad electromagnética o EMC por sus siglas en inglés Electromagnetic Compatibility, tienen que ver con la protección contra interferencias de alta frecuencia generadas por componentes, por ejemplo, solenoides, entre otros.

La tecnología que se usa para la construcción del PCB de una ECU está basada en componentes de montaje superficial (Surface-Mounted Device o SMD), los cuales aseguran un factor de forma adecuado a aplicaciones automotrices. Un componente SMD implementa funciones electrónicas complejas en muy poco espacio (en el orden de los 0.1 hasta 10 mm) garantizando circuitos electrónicos muy densos y complejos. También estas dimensiones permiten manejar de manera más eficaz los problemas de calentamiento de los compontes y de vibración.

En la figura 1 se muestra un ejemplo de ECU. Además del PCB y de la caja de protección metálica resaltan dos conectores cuya tarea es enlazar la ECU con algunos de los sensores y actuadores del vehículo, así como con las fuentes de poder requeridas para la operación de la ECU.

Figura 1. Fotografía de una ECU. Resalta el PCB de control, los conectores y la caja protectora. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

Una ECU está caracterizada por dos funciones fundamentales:

2.2 Componentes digitales en las ECUs

Todos los componentes digitales presentes en una ECU están relacionados con el microcontrolador, que es un componente electrónico digital capaz de ejecutar uno o más programas de control. A diferencia de un microprocesador, un microcontrolador dispone de una serie de periféricos para el control, como por ejemplo, los circuitos de adquisición de señales.

En la figura 2 se muestra la imagen de un microcontrolador y su estructura interna típica aparece en la figura 3.

Figura 2. Fotografía de un microcontrolador montado en un PCB. Los componentes pequeños que se ven alrededor del microcontrolador (componente negro más grande) son componentes electrónicos de tipo SMD. Imagen obtenida de http://www.dytecnci.com/ solo para fines educativos.

Figura 3. Estructura de un microcontrolador moderno. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

Un microcontrolador consiste en una unidad central de procesamiento o CPU (Central processing unit) rodeada de una serie de componentes auxiliares y periférico. La CPU contiene la unidad de control y la unidad aritmética y lógica (ALU). La unidad de control ejecuta las instrucciones del programa, mientras que la ALU desarrolla las operaciones aritméticas y lógicas.

Entre los componentes auxiliares y periféricos cabe mencionar:

Haz clic en los componentes auxiliares y periféricos para conocer más detalle.

Dispositivos de entradas y salidas (Input and Output devices, I/O, Input/Output)

Manejan el intercambio de datos con los dispositivos periféricos que incluyen los circuitos de adquisición de señales y los medios de almacenamiento de la información.

La memoria programa (Program memory)

Contiene el programa del usuario (o programa operativo) que necesita ser almacenado de manera permanente.

La memoria dato (Data memory)

Se consulta utilizando lecturas y escrituras a la memoria de acceso casual (Random Access Memory – RAM) y contiene los datos que están siendo procesados. También existen memorias de tipo no volátil que almacenan datos que no pueden perderse a pesar de interrupción de la alimentación.

El bus de sistema (Bus system)

Conecta la CPU con los otros circuitos auxiliares y periféricos.

El generador del reloj (Clock generator)

Asegura que todas las operaciones del microcontrolador se desarrollan siguiendo el mismo patrón de tiempos.

Los circuitos lógicos (Logic circuits)

Son módulos con tareas especializadas, por ejemplo, las interrupciones de programa. Los circuitos lógicos están integrados en las unidades de entradas y salidas.

Un aspecto muy importante que hay que tomar en cuenta al estudiar un microcontrolador, es su capacidad de ser programados. Programar un microcontrolador significa grabar en la memoria programable la secuencia de instrucciones que contribuyen al programa operativo de la CPU. El único comando que un microcontrolador puede interpretar es una secuencia de bit, o en otros términos, una representación binaria de un número. Intuitivamente se puede deducir que las instrucciones plasmadas en esta forma no son sencillas o por lo menos prácticas de programar por un operador humano acostumbrado a otro tipo de lenguaje. Es por esto, que para facilitar el trabajo de los programadores de microcontroladores se han establecidos lenguajes basados en abreviaturas sencillas de recordar.

El más famoso entre estos tipos de lenguajes es el lenguaje ASSEMBLER. Una vez que un programa operativo ha sido escrito en lenguaje ASSEMBLER, se pasa a su traducción en lenguaje máquina (el único lenguaje que puede interpretar un microcontrolador).

Para sistemas más complejos se han desarrollados lenguajes de más alto nivel, por ejemplo, el lenguaje C. El propósito de estos lenguajes es simplificar la programación de tareas complejas, que programadas en lenguaje ASSEMBLER serían sujetas a errores.

El programa de control de una ECU se denomina programa de la unidad de control (Control unit software).

2.3 Procesamiento de señales en las ECUs

Con el término procesamiento de las señales se entiende el conjunto de acciones necesarias para transformar una señal, caracterizada por alguna magnitud física (tensión, intensidad de corriente, presión, temperatura, fuerza), en otra señal típicamente eléctrica.

El procesamiento de las señales pueden considerarse tanto las señales de entrada a la ECU (conocidos también como input signals), es decir, las que se generan por el conjunto de sensores conectados a la ECU, o bien las señales de salida de la ECU (output signals), es decir, las generadas por la ECU las cuales están destinadas a un conjunto de actuadores conectadas a la ECU. Observa que las conexiones entre sensores, actuadores y ECU se desarrollan a través de un conjunto de cables.

Las señales de entrada se pueden catalogar en función de su naturaleza. Se enlistan en seguida:

Haz clic en cada apartado para conocer su detalle.

Señales de entrada y de salida analógicas (analog input or output signals)

Las señales analógicas pueden tomar prácticamente cualquier valor dentro de un rango definido. Están relacionadas con mediciones de variables físicas continuas como la temperatura, la presión o el nivel. Estas señales se convierten en señales digitales a través de un circuito especial llamado ADC por sus siglas en inglés (Analogic to Digital Converter). Comúnmente los microcontroladores cuentan con uno o más ADCs.

Señales de entrada y de salida digitales (digital input or output signals)

Las señales digitales se caracterizan por ser definidas por dos niveles de tensiones eléctricas. Es común referirse al nivel “alto” y al nivel “bajo” de tensión. Un ejemplo de estas señales son los interruptores de tipo ON/OFF. Estas señales se procesan directamente por el microcontrolador.

Señales de entrada y de salida tipo pulso (pulse-type input or output signals)

Las señales caracterizadas por tener una forma de pulso, típicamente están relacionadas con sensores de tipo inductivo que se instalan en proximidad de un eje rotatorio del vehículo y que generan un pulso (variación de tensión) para cada fracción de giro del eje.

Señales de salida tipo PWM (PWM signals)

Las señales de salida tipo PWM son señales digitales caracterizadas por una frecuencia de variación constante. La parte variable de la señal es el ciclo de trabajo (o duty cycle) es decir, la fracción de tiempo durante la cual la señal de salida toma valor lógico verdadero. Las señales de tipo PWM se conocen también como señales a modulación de ancho pulso (o Pulse-Width Modulated) definición de la cual desciende el acrónimo PWM.

Las ECUs están equipadas con circuitos electrónicos especiales para asegurar un buen procesamiento de las señales. Entre los circuitos más comunes destacan:

Los circuitos de acondicionamiento de las señales (Signal conditioning) que en primera instancia, limitan el nivel de tensión de las señales en entrada a la ECU para protegerla de sobrecargas.
Otra función de acondicionamiento es la traslación de los niveles de tensión de un rango a otro para mitigar discrepancias entre tipos de sensores.
Finalmente otros tipos de acondicionamiento son el filtraje de las señales analógicas y su amplificación para que estas cumplan con los requerimientos del microcontrolador.