Описание на хардуера при осцилоскопите BOSA

Основна архитектура

В хардуерно отношение осцилоскопите BOSA са реализирани като външно устройство, което комуникира с персоналния компютър чрез стандартен USB интерфейс. Тази архитектура е избрана поради ред важни причини:

• Функционално разделяне на устройството в две подсистеми - хардуерна измервателна единица и PC-базиран компютърен софтуер. Така се диференцират ясно задачите на всяка от подситемите и се улеснява процеса на разработката им с цел последващо дебъгване и усъвършенстване.
• USB интерфейса се е превърнал в световен стандарт за последните две десетилетия и е познат на всеки, който работи с компютър. Използването му е лесно и сигурно, а има и поддръжка във всяка съвременна операционна система.
• USB интерфейса осигурява захранване на външните устройства, което липсва при другите стандартни интерфейси, като LAN, Wi-Fi, Bluetooth или при портативните устройства (handheld). Повече за предимствата и недостатъците на различните интерфейси използвани при разработката на диагностично оборудване.
• Изчислителните възможности на един съвременен компютър (или лаптоп) са огромни в сравнение с тези на смартфоните, таблетите или портативните (handheld) устройства. Това дава практически неограничени възможности за развитието на програмното осигуряване.

БЕЛЕЖКА: Автомобилните осцилоскопи BOSA ползват захранване по USB интерфейса и не се нуждаят от допълнително такова.

Разделителна способност

Автомобилните осцилоскопи BOSA са проектирани да измерват високочестотни сигнали. Имат два основни режима на самплиране (т.е. превръщане на аналоговия входен сигнал в поредица от числа) в зависимост от времевия обхват и настройките на измерването:

• Самплиране в реално време (Real-Time Sampling). При този режим сигналът се измерва еднократно и се превръща от раз в последователност от числови точки, използвайки максималната скорост на аналогово-цифровия преобразувател (АЦП). Самплиращата честота достига до 2 MS/s на канал. Този режим е подходящ за измерване както на периодични сигнали с произволна форма, така и на еднократни или спорадични импулси.
• Самплиране в еквивалентно време (Equivalent-Time Sampling). При този метод аналогово-цифровият преобразувател работи с максимална честота и сигналът се измерва многократно във времето. При всяко ново повторение, оцифроването започва в леко отместен момент и събраните точки се съхраняват в паметта. След като приключи целият цикъл от измервания, се конструира една обща картина от всички точки, подредени в зависимост от съответните им времеви позиции и се изобразява на екрана на осцилоскопа. Основното предимство на този алгоритъм е много по-голямата разделителна способност по време (или еквивалентна честота на самплиране). При осцилоскопите BOSA тя достига 70 MS/s за отделен канал. Разбира се, този метод е приложим само за строго периодични сигнали. Може да се използва за разглеждане, с голямо времево разрешение, на фронтовете на цифрови сигнали. Типичен пример са сигналните фронтове в CAN шината. Те могат да бъдат разгледани с достатъчно подробности и е лесно да се направи диагностика на хардуера по нивата на напреженията. Декодирането обаче, на самите пакети от комуникацията, невинаги ще е коректно.

Повече за различните методи на самплиране и тяхната употреба в съвременната автомобилна диагностика.

Осцилоскопите BOSA имат 12-битова разделителна способност по напрежение, за всеки отделен канал и независимо от метода на самплиране. Входната честотна лента за всеки канал е 1 MHz. Това гарантира достатъчно качество на картината от измервания сигнал, както по време, така и по ниво.

Мотортестерни функции

По отношение на своите основни възможности за диагностика и анализ, BOSA представлява истински автомобилен мотортестер. За разлика от универсалните лабораторни осцилоскопи, той притежава широки възможности за измерване и наблюдение работата на всички електрични компоненти в съвременния автомобил и най-вече на сигналите от датчиците и запалителните вериги в двигателя. Наред с наблюдението на стандартни лабораторни сигнали, осцилоскопът има вградени тестови режими, които позволяват:

• Наблюдение и анализ на сигналите от всички видове автомобилни сензори.
• Наблюдение и анализ на сигналите в първичната верига на запалването.
• Визуализация на картините от запалването във вторичната верига, за системи с механичен дистрибутор, бездистрибуторни системи с бобина на две свещи (Distributorless, DIS – Wasted Spark) или системи с директно заплаване с бобина на всяка свещ (Direct Ignition, Coil-On-Plug). Сигналът може да бъде изобразен по няколко различни начина: парад на цилиндрите, растер, наслагване, единичен цилиндър. Предвидена е възможност за синхронизация по първи цилиндър и измерване оборотите на двигателя.
• Наблюдение работата на инжекторите в бензинови и дизелови двигатели (изисква затихватели, включени към входовете на осцилоскопа).
• Измерване на тока в запалителните вериги (необходимо е използването на токови клещи).
• Измерване на компресията в цилиндъра (посредством трансдюсер за налягане).
• Измерване на пулсациите в налягането на отработените газове (с използване на датчик за пулсациите).
• Цялостен анализ на вибрациите и механичното състояние на двигателя (използвайки допълнителен трансдюсер за вибрациите).
• Наблюдение на бавнопроменливи процеси. Типичен пример са сигналите от кислородния сензор (ламбда сондата) и датчика за температурата на охлаждащата течност.
• Диагностика на CAN шината.
• Проверка на автомобилната батерия.
• Измервания на произволни периодични или импулсни електрически сигнали.

Повече за отделните режими на измерване и техните настройки, може да научите от страницата за специализирания автомобилен диагностичен софтуер StudioBOSA.

Aвтомобилният осцилоскоп BOSA използва USB интерфейса за връзка с персоналния компютър. Макар и осигуряваща трансфер на данните с достатъчно голяма скорост, характерно за USB комуникацията е нейната пакетност или накъсаност във времето. Когато хардуерът получи заявка за поредно измерване, той го стартира и след привършването му изпраща събраните данни към компютъра през USB. Графичният софтуер обработва получения пакет, подготвя разултата и го изобразява на екрана. Разбира се, всичко това отнема някакво време. Типичните стойности са около 20 ms. Толкова е необходимо на софтуера да обработи данните и операционната система да опресни картината на дисплея. Чак след това се подава поредната заявка за измерване към хардуера и целият цикъл се повтаря отново. Процесът е синхронен. Това осигурява стабилност и предвидимост.

Дотук всичко е добре. Описаната последователност работи и така е при всички съвременни цифрови осцилоскопи. При по-внимателно вглеждане в този процес, обаче, се вижда, че има една особеност. Проблемът е в това, че в промеждутъците от време между два поредни цикъла, това което се случва със сигнала остава невидимо. Ако сигналът не е строго периодичен, съдържа някакви спорадични съставни и те попаднат в отрязъците между поредните измервания, ние нама да знаем за тях. А в един такъв промеждутък могат да се поместят много периоди от наблюдавания сигнал (и съответно екрани за изобразяване).

За да се справи с подобен род проблеми, BOSA включва специален режим на самплиране, наречен Поточен (Stream), с предаване на данните към PC в реално време и без прекъсване. В паметта на хардуерния модул има заделени няколко блока, които се пълнят последователно с данни от измерването. Когато поредния блок е пълен, той се подава към контролера за автоматично изпращане към компютъра през USB шината. Междувременно пълненето с данни продължава в следващия блок, без прекъсване и т.н. Описаният процес е асинхронен. Така, докато компютърът обработва и изобразява поредната порция с данни, хардуерният модул продължава да събира данни в реално време. Максималната скорост при този режим достига 100 kS/s за един канал. Количеството събрани данни зависи от буфера заделен в паметта на компютъра. Примерно, при максимална честота на самплиране от 100 kS/s и 8-битов режим на оцифроване, ако заделеният буфер е с големина 1 GB (това не е никакъв проблем за съвременните персонални компютри), измерването ще трае три часа. Tова е предостатъчно за много от задачите в автомобилната диагностика. Този режим е подходящ за наблюдение на бързи процеси с търсене на спорадични или случайни проблеми, появяващи се непредвидимо в картината на сигнала. Типичен пример е диагностиката на датчика за положението на коляновия вал (Crankshaft Position Sensor) или датчика на разпределителния вал (Camshaft Position Sensor).

Повече за различните алгоритми на самплиране, имплементирани в осцилоскопите BOSA и приложението им в съвремената автомобилна диагностика.

Пълна галванична изолация

Осцилоскопите BOSA имат пълна галванична изолация за всички входове спрямо USB интерфейса и персоналния компютър. Разделянето е както по линиите за данни, така и по захранващите линии. Целият измервателен блок на осцилоскопа е с плаваща маса и е напълно отделен от интерфесната част, която отговаря единствено за преноса на данни от и към компютъра. Какви са предимствата на тази архитектура? Преди всичко безопасността за оборудването и за техническия специалист ползващ осцилоскопа. В процеса на работа могат да възникнат ситуации, които са потенциално опасни. Например, при измерванията на вторичната верига на запалването може да имаме нарушена изолация на кабела към запалителната свещ и това да доведе до токов удар през входовете на осцилоскопа. Могат да бъдат засегнати, както самото оборудване, така и работещия с него. И макар, че токът във вторичната верига е много малък, а от там и енергията на импулса като цяло е незначителна, все пак става въпрос за напрежение от порядъка на десетки киловолтове и една защитна мярка, каквато е галваничната изолация, не е излишна. Друг важен аспект е, че посредством пълното разделяне на измерващия блок от персоналния компютър, на практика се премахва влиянието на високочестотните смущения и шумове, преминаващи през USB интерфейса и предизвикващи така неприятните зависвания по време на измерването, с необходимост от последващ рестарт на системата.

Допълнителна информация за стандартите, на които отговаря изолацията при осцилоскопите BOSA, може да прочетете в ръководството за експлоатация.

Защита на входовете

Понякога, по време на работа с осцилоскопа, от бързина или по невнимание, техникът може да свърже към два отделни входа източници на напрежение с обърнат поляритет. Най-често това се случва, ако към осцилоскопа са свързани две измервателни сонди. Другия край на първата сонда е свързан правилно към измервания сигнал (включително и заземителната му клема, която е свързана към шасито на автомобила), а изводът за маса на втората се свързва (или дори само докосне за момент) положителния полюс на автомобилната батерия. Тогава възниква късо съединение през входовете на осцилоскопа, което може да повреди уреда, а и със сигурност не е добре за самата батерия. За да се предотвратят подобен род неприятни ситуации по време на работа с осцилоскопа, в BOSA е предвидена съответната защита от късо съединение между отделните входове на уреда. Допълнително е осигурена и защитата от пренапрежение, отделно за всеки вход, в диапазона ±350 V AC/DC.

ВНИМАНИЕ: Оставянето на осцилоскопа за дълъг период от време (повече от минута) с включени към входовете му източници на напрежение с обърнат поляритет, дори и уредът да е изключен от захранването, ще доведе до прегряване на защитата и евентуалната му повреда.

Тригерна система

Системата за синхронизация при автомобилните диагностични осцилоскопи BOSA е имплементирана изцяло хардуерно. Това осигурява много по-точно определяне на важните моменти в измервания сигнал, а от там и много по-стабилна картина за наблюдение на екрана. При много от съвременните автомобилни осцилоскопи синхронизацията е само софтуерна или липсва напълно. При всяко от измерванията се събират огромно количество точки (от порядъка на милиони и десетки милиони), при максимална честота на самплиране, и след това се предават към процесора за последваща обработка. Оттук нататък има два основни подхода. При единия, различните софтуерни алгоритми обхождат огромния масив от точки и определят важните моменти в измерения сигнал. След това, в зависимост от зададените настройки, с една малка част от масива се конструира статична картина и се изобразява на екрана на осилоскопа. При другият подход целият масив се разделя на по-малки последователни порции (екрани) и се показва последователно за преглеждане с възможност за допълнително увеличение (zoom).

Добре тогава, а какво лошо има в софтуерната синхронизация? Ами работата е там, че при нея, разделителната способност по време е ограничена до периода на самплиране (т.е. времето, през което се взимат последователните точки от измерването). Важните моменти в наблюдавания сигнал могат да попаднат в промеждутъците между точките и така да бъдат пропуснати. От друга страна, преглеждането на огромната по обем информация, натрупана в паметта на уреда, е времеемка операция и отнема значителни системни ресурси.

Най-важното предимство на хардуерната синхронизация е фактът, че времето за реакция на цялата система е десетки (дори и повече!) пъти по-малко в сравнение с периода на самплиране. Важните моменти в наблюдавания сигнал се определят с много по-голяма разделителна способност по време. Като цяло работата на ситемата е по-сигурна и предвидима. Затова и картината от съответното измерване е много по-стабилна и достоверна.

Подробности за настройките и режимите на синхронизация може да научите от страницата с описание на автомобилния софтуер StudioBOSA.

Повече за различните начини на самплиране и алгоритми заложени в осцилоскопите BOSA. На страницата на нашата библиотека можете да прочетете за някои интересни научни изследвания и резултати. Ако имате допълнителни въпроси свързани с автомобилните диагностични осцилоскопи BOSA, можете да посетите страницата с контакти и да ни пишете.