Материал: Организация бортовой информационно-управляющей системы

Такая организация БИУС имеет ряд преимуществ: отсутствует центральный процессор, выход которого из строя приводит к отказу всей информационно-управляющей системы; отказ любого процессора не приводит к катастрофическим последствиям - задачи, решаемые отказавшим процессором, могут быть перераспределены/размещены на работоспособных процессорах. Таким образом, помимо параллельности решения задачи управления, такая БИУС будет обладать высокой надежностью. Обмен информацией между отдельными подсистемами БИУС, датчиками и исполнительными механизмами может осуществляться по стандартным сетевым протоколам обмена [1].

1.3 Структурная схема БИУС

Для оценки состояния и поведения транспортного средства используется информация, получаемая со следующих датчиков, расположенных на машине:

датчики давления измеряют давление масла в КПП, ДВС, гидросистеме, пневмосистеме;

датчики температуры для измерения температуры охлаждающей жидкости ДВС, масла в ДВС, охлаждающей жидкости в компрессоре, масла в гидросистеме.

Перечисленные датчики являются аналоговыми и имеют различные диапазоны измерения. Многие датчики имеют нелинейную характеристику. Используются дискретные датчики, работающие в качестве сигнализаторов, например, сигнализатор критической температуры охлаждающей жидкости, аварийного давления масла и другие, концевые выключатели главного фрикциона, горного тормоза, вентилятора. Еще один тип датчиков - импульсные датчики, формирующие последовательность импульсов, например для контроля пройденного пути.

В качестве БИУС используется бортовой компьютер (вычислитель), выполняющий сбор и обработку информации с датчиков, а также формирующий информационные сообщения и управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Для подключения датчиков к вычислителю необходимо выполнить обработку сигналов. К обработке сигналов относятся нормирование сигнала (усиление), т.е. приведение его к определенному значению, фильтрация, линеаризация, аналого-цифровое преобразование и другие виды обработки.

Структурная схема БИУС приведена на рисунке 1.3.1.

Рисунок 1.3.1

Приведенная система обладает недостатком - вычислитель слишком перегружен, так как очень много времени тратиться на формирование информационных сообщений, что может привести к потере информации с датчиков в критических ситуациях. Поэтому предлагается разделить функции сбора и обработки информации с датчиков и формирования информационных сообщений на два вычислителя.

Структурная схема БИУС, содержащая систему сбора и обработки информации и систему отображения информации, приведена на рисунке 1.3.2.

Рисунок 1.3.2 - БИУС с двумя вычислителями

Такой подход к построению бортовой информационно-управляющей системы также имеет недостатки, относящиеся к топологии системы.

Многочисленные датчики расположены на машине в различных точках. Это приводит к сложной организации разводки кабельного оборудования. Многие датчики имеют слабый сигнал, и при прокладке кабеля на большое расстояние происходит ослабление сигнала и засорение его помехами, наводками. Кроме того, система имеет невысокую надежность. При обрыве кабеля информация с датчика полностью теряется или вычислитель может понять отсутствующий сигнал за исправный, что приводит к аварийным ситуациям.

Для решения такой задачи предлагается другой подход к построению БИУС. Каждый датчик выполняется в виде законченного мехатронного модуля, содержащего непосредственно первичный преобразователь (датчик), устройство преобразования сигнала и вычислитель. В классе мехатронных устройств - так называемые МЕМCы. МЭМС - микро электромеханические системы - устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Для управления исполнительными устройствами также создается модуль, в состав которого входит вычислитель, усилитель-преобразователь и исполнительный механизм.

Структурные схемы модулей показаны на рисунке 1.3.3. Каждый модуль выполняется в виде контроллера, который содержит вычислительное устройство и преобразователь.

Рисунок 1.3.3 - Модули преобразователей

Для связи модулей преобразователей с главным бортовым компьютером каждый модуль должен иметь последовательный интерфейс связи, например RS-485, USB или CAN. CAN-интерфейс постепенно становится стандартом для распределенных систем управления на транспорте, в автомобильной технике и робототехнике. Можно также использовать интерфейс SERCOS, разработанный для цифровых следящих приводов и представляющий собой локальную кольцевую оптоволоконную сеть.

Структурная схема информационно-управляющей системы, построенной с использованием автономных модулей, приведена на рисунке 1.3.4. Все модули объединены в бортовую двухпроводную или однопроводную сеть. Дублирование линий связи позволяет повысить надежность такой системы.

Такой подход может привести к существенному удорожанию информационно-управляющей системы. На деле этого не происходит, так как каждый вычислитель предназначен для выполнения узкоспециализированных задач и выполняется на недорогих контроллерах.

Рисунок 1.3.4 - БИУС на автономных модулях

Еще один подход к построению модуля - использование программируемых логических интегральных схем - ПЛИС.

ПЛИС представляет собой матрицу логических вентилей, логика работы и переключения которых может быть задана программным образом. Популярность данной технологии обусловлена, малыми размерами устройств, скоростью их работы, малым энергопотреблением и гибкостью по отношению к обновлению логики работы ядра ПЛИС.

ПЛИС представляет собой микросхему, содержащую миллионы несоединённых логических вентилей И/ИЛИ, которые с помощью специальных программных средств могут быть настроены и электрически сконфигурированы для выполнения специфических аппаратных функций.

Устройства на базе ПЛИС обладают реконфигурируемой цифровой архитектурой, включающей в себя матрицу конфигурируемых логических блоков, окруженных периферийными блоками ввода/вывода. В пределах матрицы ПЛИС возможна произвольная маршрутизация сигналов посредством управления программируемыми переключателями и коммутирующими линиями. Цепи ПЛИС представляют собой реконфигурируемую счетную машину, осуществляющую параллельную обработку данных и исполняющую приложения на аппаратном уровне микросхемы. Можно разработать на базе ПЛИС свои собственные схемы управления и сбора данных с тактированием и синхронизацией процессов с точностью до 25 нс. Благодаря возможности параллельной обработки данных, заложенной в ПЛИС, добавление новых вычислений в программу, исполняемую на микросхеме, не приводит к уменьшению скорости исполнения приложений.

Реконфигурируемая ПЛИС в сочетании с процессором реального времени, а вместе это Compact RIO, позволяют создавать автономные встраиваемые и распределенные приложения, а также промышленные модули ввода/вывода со встроенным согласованием сигналов, возможностью прямого подключения датчиков и поддержкой горячего подключения. ПЛИС, как ядро системы, обладает встроенными механизмами передачи данных во встроенный процессор реального времени для их последующего анализа, обработки и сохранения, а также для связи с внешними устройствами. При этом каждый из модулей ввода/вывода содержит в себе встроенные разъемы, систему согласования сигналов, цепи преобразования (такие как ЦАП и АЦП), а также изоляционные барьеры. Поддержка расширенного диапазона напряжений и различных промышленных типов сигналов позволяет напрямую подключить к модулям датчики и управляемые устройства.

Благодаря своей невысокой стоимости, надежности и пригодности для использования в широком классе встраиваемых контрольно-измерительных приложений, Compact RIO может применяться практически во всех отраслях промышленности. Так, на базе систем Compact RIO решаются такие задачи, как групповое управление, дискретное управление, управление движением, бортовые измерения, мониторинг состояния машин, быстрое прототипирование управляющих систем, промышленные системы управления и сбора данных, распределенные системы управления и сбора данных, мобильный/портативный анализ шумов, вибраций и т.д.

В частности, ориентированная на создание пользовательских приложений технология RIO позволяет, например, создать аппаратную систему управления шаговым или серво приводом, используя ПЛИС для расшифровки сигналов с тахометра или с квадратурного энкодера с целью проведения измерений координаты и скорости.

Появление устройств с поддержкой реконфигурируемого ввода/вывода существенно расширяет возможности технологии приборов. Для программирования устройств с технологией RIO применяется программная среда LabVIEW, которая позволяет разрабатывать аппаратную часть контрольно-измерительных систем, идеально настроенных для решения специфических задач.

К информационным и вычислительным ресурсам системы диагностики и контроля предъявляется ряд требований. Основной задачей всех измерительных систем является измерение и/или генерация реальных физических сигналов. В процессе сбора данных физические величины, такие, как напряжение, ток, давление и температура преобразуют в цифровой формат и вводят их в компьютер. Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью встраиваемых в компьютер устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем стандарта PXI (расширение PCI для измерительной техники) и приборов с портом RS-232.(General Purpose Interface Bus) - стандартная шина, предназначенная для управления электронными измерительными приборами с помощью компьютера. Ее также называют IEEE 488, поскольку ее характеристики определяются стандартами ANSI/IEEE 488-1978, 488.1-1987, 488.2-1992. Максимальное расстояние между любыми двумя приборами - 4 м, среднее расстояние между приборами по всей шине - 2 м. Максимальная (общая) длина кабеля - 20 м. К каждой шине подключается максимум 15 приборов, причем не менее двух третей из них должны быть включены.

Прежде чем компьютерная измерительная система сможет измерить некоторую физическую величину, например, температуру, физический сигнал с помощью датчика или измерительного преобразователя должен быть преобразован в электрический - ток или напряжение. Под преобразованием сигналов следует понимать процесс предварительной обработки сигналов с целью улучшения точности измерений, качества изоляции цепей (развязки), фильтрации и т.д.

Чтобы измерять сигналы с датчиков, необходимо преобразовать их в форму, которую может воспринять устройство аналого-цифрового преобразования. Например, у большинства термопар выходное напряжение очень мало и соизмеримо с шумом. Следовательно, перед оцифровкой такого сигнала его необходимо усилить. Усиление (нормирование) является одной из форм преобразования. К другим типовым разновидностям преобразования сигналов относятся линеаризация, возбуждение датчика, развязка.

На рисунке 1.3.5 показаны некоторые распространенные типы датчиков и сигналов и требуемые для них виды преобразования.

Таким образом, наиболее целесообразно строить информационно-управляющую систему на основе автономных модулей. В качестве измерительных устройств текущих параметров следует применять интеллектуальные датчики (МЭМСы).

Рисунок 1.3.5 - Типы датчиков и сигналов и виды преобразования

Бортовая сеть должна быть в варианте одно или двухпроводной или на оптоволоконной линии передачи. Учитывая специфику транспортного средства в части характера выполняемых работ и безопасности экипажа, линия связи должна быть резервирована (в простейшем варианте дублирование по бортам)[2].

1.4 Классификация (типы) бортовых систем автотранспортного средства

Системы управления автомобилем:

) Подсистема получения информации:

от датчиков автотранспортного средства (закрытые);

от датчиков и внешних источников "автомобиль - инфраструктура", "автомобиль - автомобиль";

) Подсистема обработки информации;

) Подсистема автоматического управления автомобилем.

Системы информации водителя:

) Подсистема получения информации:

от датчиков автотранспортного средства (закрытые);

от датчиков и внешних источников "автомобиль-инфраструктура", "автомобиль-автомобиль";

) Подсистема обработки информации;

1.4.1 Бортовые системы интеллектуального транспортного средства

Системы управления автомобилем: