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  Elektronik - Mikroprozessor




Der Einsatz von Mikroprozessoren bedeutet eine ziemliche Zäsur in der Elektronik, weshalb dieser Teil auch dem Teilgebiet 'Digitalelektronik' zugerechnet wird. Der Zusatz 'Digitus' ist im Lateinischen der Finger. Der deutet auf irgendwie gestufte Werte hin. Dabei muss klar sein, dass analoge Werte eine endlos große Datenmenge darstellen. Man kann den Übergang von einer Temperatur von z.B. 80°C im Kühlsystem auf 81°C in unendlich viele Zwischenwerte spreizen, muss sich allerdings die Frage stellen, ob das im gegebenen Fall denn notwendig ist.

Man könnte also vereinfacht feststellen, die Digitalelektronik hilft die Anzahl der Werte auf eine der Anwendung gemäße Zahl zu reduzieren. Man kann sich leicht vorstellen, dass dies z.B. bei der Übertragung von Daten eine große Rolle spielt. Je mehr übertragen werden soll, desto länger dauert es, benötigt z.B. bei im Sicherheitsbereich üblicher Zeiteinschränkung mehr Aufwand.

Aber übertragen haben die ersten Systeme zunächst nur analoge Messwerte zu einem oder dem Cluster von Mikroprozessoren, Herz eines jeden Computers. Während ohne ihn vorher sofort aufgrund der ankommenden Signale gehandelt werden musste, können jetzt z.B. Soll- und Istwerte verglichen werden. Das ist also gleichzeitig die Geburt der Kennfelder, eigentlich am Anfang nur Kennlinien.

Dazu brauchen wir dann unbedingt den zweiten, unbedingt nötigen Teil eines Computers, den Speicher. Auch der ist zumindest zweigeteilt, denn irgendwo muss das Programm hin, nach dem der Mikroprozessor vorgehen soll. Und dann muss er ja ab und zu ein Datum oder meist mehrere ablegen können. Der dazu nötige Speicher ist noch komplizierter, weil es z.B. auch einen sehr kurzfristigen und vom Prozessor sehr leicht zu erreichenden gibt, 'Register' genannt. Erwähnen wir hier zumindest noch den eigentlichen Arbeitsspeicher und die Vielzahl von externen.

Kennfelder geben also Werte vor, die dem Prozessor bei der Veränderung der Istwerte helfen sollen. Eines der ersten Systeme war die Motronic, eine Kombination aus Zünd- und Einspritzsteuerung, nein, im Anfang noch ohne Abgas- bzw. Lambdaregelung. Kennfeld würde in diesem Fall bedeuten, dass auf das Steuergerät im einfachsten Fall eine Außen- und Motortemperatur, Gaspedalstellung und Motordrehzahl zukommen.

Als Beispiel für ein Kennfeld könnte man sich einen großen Lagerraum für Auto-Ersatzteile vorstellen, die zusätzlich nach Hersteller und Typ geordnet wären. Hier müsste dann nach Angaben des Kunden oder der Werkstatt das richtige Bauteil herausgesucht werden. Genau nach dem gleichen Prinzip handelt auch der Mikroprozessor, nur dass alle seine Werte im Speicher hintereinander angeordnet sind. Über beliebig viele hinwegspringen, fällt ihm allerdings sehr leicht.

Kennfeld

Was braucht ein Verbrennungsmotor, in diesem Fall ein Benziner? Luft, Kraftstoff und elektrische Energie zum Zünden. Das Steuergerät muss also zu jedem Zeitpunkt des Motorlaufs Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer und Zündzeitpunkt bereitstellen. Bei moderneren Systemen können das auch Mehrfachzündungen sein. Da wären also im Speicher drei oder vier riesige Bereiche für die einzelnen abzugreifenden Werte reserviert, natürlich nicht durch Überschriften usw. getrennt, sondern einfach nur Hexadezimalzahlen hintereinander.

Sie wissen schon, bei Bits gibt es nur 2 Zustände, 0 und 1, Bytes gehen von 0 bis 7, was 8 Zustände bedeutet und das hexadezimale System zählt eben auf jeder Stelle bis 16. Die über '9' nötigen Ziffern werden durch Großbuchstaben von 'A' bis 'F' gebildet, so daß bei zwei Ziffern '3A' 3 mal 16 + 10 = 58 bedeutet. Schaut man also in den Speicher hinein, so kommt solch eine trostlose Kette heraus, die jeweils aus 2 Zahlen von 1 bis 9 oder Buchstaben von A bis F gebildet wird. Selbst wenn man hier Schreibrecht hätte, ohne zusätzliche Informationen wüsste man nicht, was man gerade bewirkt.

Greifen wir nur einen Wert heraus, den für den Zündzeitpunkt. Es müssen also in unserem vereinfachten Beispiel Motor- und Außentemperatur, Gaspedalstellung und Motordrehzahl in gestuften Werten aufgelöst werden, z.B. die Temperatur von -40°C bis 120°C in 5°C-Schritten, die Gaspedalstellung alle 2° von 0° bis 90° und die Drehzahl von 500/min in 50/min-Schritten bis 6500/min. Das ergäbe 32 Werte jeweils für die beiden Temperaturen, 45 für die Winkel und 120 für die Drehzahlen. Damit Sie ein Gefühl für den benötigten Speicherplatz erhalten, müssten Sie multiplizieren:

32 · 32 · 45 · 120 = 5.529.600

Das ergibt gut 5 Mio. Hex.-Zahlen, 10 Mio. Bytes und weil natürlich jeder dieser Zahlen irgendwie ein Zündzeitpunkt zugeordnet werden müsste, noch einmal so viel Speicherplatz in Byte, was schon deutlich mehr als 20 MBytes ausmacht. Für den Zündzeitpunkt ist ebenfalls die doppelte Hex.-Zahl viel zu üppig bemessen, so wie das Byte auch. Was haben wir für eine mögliche Verstellung? Vielleicht von -60° bis +40°. Also würden schon 100 Werte ausreichen. Bei Rechnern, die nicht anders können als jedes Mal 32 Bit abzugreifen, verdoppelt sich der Speicherplatz noch einmal, bei 64-Bit-Rechnern vervierfacht er sich.

Das ist jetzt immer noch nicht herzergreifend, wenn man bedenkt, was heutzutage ein 32 GByte-Stick kostet. Natürlich kommt man mit nur vier Parametern für eine Motorsteuerung nicht wirklich weit, denken Sie nur an die Sensorik im Abgasstrang.

Zurück zum Kennfeld. Wie kommt der Mikroprozessor denn nun zu seinem Wert für den Zündzeitpunkt? Im Speicher liegen also die 32 Bereiche für die Außentemperatur hintereinander, in jedem von diesen wiederum 32 für die Motortemperatur, darin wieder jeweils 45 für die Winkel und in jedem von denen 120 für die Drehzahlen. Wie schon gesagt, die Sprungkraft und vor allem -schnelligkeit des Prozessors ist enorm. Man rechnet da in Zeittakten, wobei jeder Sprung, wie weit er auch sei, die gleiche Anzahl von Takten hat.

Da wäre also vom Beginn des Speichers für den Zündzeitpunkt - es gibt natürlich noch zwei oder drei andere - zunächst der Sprung zu 20°C, also den 12. Bereich der Außentemperatur, darin nach 80°C Motortemperatur, hier der 24. Bereich, weiter zu 50° Fahrpedalstellung gleich 25 Schritte und schließlich 3000/min Motordrehzahl entsprechend derer 50, dann hätte der Mikroprozessor den passenden Zündzeitpunkt in vier mal den für einen Sprung nötigen Takten erreicht. Pro zusätzlichem Parameter kommt nur einer hinzu, egal wie groß das Feld wird.

Den einzustellenden Wert hat er also, aber wie geht es weiter? Da gibt es z.B. den Bezugsmarkensensor, früher auch OT-Geber genannt. Diese Bezeichnung gilt nur noch bedingt, denn nicht immer liegt die einzig unterschiedliche Marke, eine Verdichtung von Material oder eine größere Lücke, genau auf OT. Meist nur beim Motorstart kommt der Nockenwellensensor hinzu, der beim Zählen des Bezugsmarkensensors angibt, ob der sich im Arbeits- bzw. Verdichtungstakt oder im Ausstoß- bzw. Ansaugtakt befindet. Die Zählung der Zähne bzw. Blenden muss vom Prozessor natürlich in Gradzahlen umgesetzt werden.

Natürlich hat so ein Motor wesentlich weniger Zähne bzw. Blenden z.B. am Schwungrad, wie der Winkel Grad hat. Also muss auch noch interpoliert, also die Zeit zwischen zwei Meldungen auf Winkelgrade heruntergerechnet werden. Jetzt braucht der Prozessor nur noch beim Eintreffen des aus dem Kennfeld ermittelten Winkels das Zündsignal zu geben, natürlich für jeden Zylinder entsprechend der Zylinderzahl versetzt. Keine Sorge, auch hohe Drehzahlen können ihn nicht überfordern, denn selbst ein Mikroprozessor aus einem Uralt-Computer (z.B. Commodore 64) ist noch tausend Mal schneller als die Zeit zwischen zwei Zündungen.







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