Материал: Организация бортовой информационно-управляющей системы

Адаптивный круиз-контроль (АСС - Adaptive Cruise Control) - усовершенствованная система круиз-контроля, которая может автоматически поддерживать не только скорость, но и безопасную дистанцию до впереди идущего автомобиля. С помощью встроенных в переднюю часть машины радаров, система измеряет расстояние до находящегося впереди автомобиля и в случае сокращения дистанции сбавляет скорость, а при необходимости слегка притормаживает машину. Как только расстояние увеличивается, автомобиль опять набирает заданную скорость. Если расстояние до препятствия сокращается очень быстро, система звуковым сигналом сообщает водителю о необходимости принудительного торможения.

Радиолокационный контроль дороги основан на эффекте Доплера. Приемопередатчик, встроенный в переднюю часть автомобиля, непрерывно испускает радиоволны. При отражении эти волны возвращаются и улавливаются приемным устройством. По изменению частоты сигнала определяются расстояние до препятствия и относительная скорость движения автомобиля.

2.3.5 Бортовой компьютер

В последние годы в связи со значительным снижением стоимости микропроцессоров компьютерная техника все шире внедряется в автомобилестроение, и бортовой компьютер становится обычным оборудованием автомобиля.

Типичный бортовой компьютер может давать следующую информацию:

дату и время;

мгновенный расход топлива;

средний расход топлива;

стоимость топлива на километр (или милю) пробега;

ожидаемое время прибытия в пункт назначения;

ожидаемый пробег на оставшемся топливе;

количество израсходованного топлива;

температура наружного воздуха;

пройденный путь.

Для расчета компьютером некоторых параметров водитель должен перед выездом ввести в него исходные данные, после чего компьютер сможет давать указанную выше информацию при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления. Для отображения информации все чаще применяются цветные жидкокристаллические дисплеи.

2.4 Автомобильные мультиплексные системы передачи информации

За последние 20 лет значительно возросла сложность автомобильной электропроводки. Сегодня разработка и изготовление автомобильного жгута проводов является проблемой из-за его размеров и массы. В современном автомобиле может быть более 1200 отдельных проводов. Большое число проводов и соединений ухудшает надежность. По стоимости автомобильный жгут проводов занимает четвертое место после кузова, двигателя и трансмиссии.

Растет число систем автомобиля, имеющих автотронное управление, таких как:

управление двигателем;

антиблокировочные системы;

управление коробкой передач;

управление клапанами;

активная подвеска и т.д.

Эти системы в той или иной степени связаны друг с другом. Выходные сигналы некоторых датчиков могут использоваться не сколькими электронными системами. Можно применять один компьютер для управления всеми автомобильными системами (но на текущий момент и в ближайшем будущем это экономически нецелесообразно). Начинает претворяться в жизнь другое техническое решение, когда контроллеры отдельных ЭБУ связываются друг к другом коммуникационной шиной для обмена данными. Датчики и исполнительные механизмы, подключенные к данной шине через специальные согласующие устройства, становятся доступными для всех ЭБУ. Это решение представляет собой локальную вычислительную сеть (ЛВС) на борту автомобиля.

Термин "мультиплексный" широко используется в автомобильной промышленности. Обычно его относят к последовательным каналам передачи данных между различными электронными устройствами автомобиля. Несколько проводов, по которым пере даются управляющие сигналы, заменяются шиной для обмена данными. Уменьшение количества проводов в электропроводке автомобиля - одна из причин разработки мультиплексных систем. Другая причина - необходимость объединения в ЛВС контроллеров различных ЭБУ для эффективной работы и диагностики.

Мультиплексные системы значительно отличаются от обычных:

) в обычных системах электропроводки информация и питание передаются по одним и тем же проводам. В мультиплексных системах сигналы и электропитание разделены;

) в мультиплексных системах управляющие ключи непосредственно не включают и не выключают электропитание нагрузок;

) в некоторых случаях электронная схема узла должна постоянно считывать состояние управляющего ключа, даже когда большая часть электрооборудования обесточена. Например, положение ключа центрального замка дверей должно определяться и при парковке, когда многие системы выключены из соображений энергосбережения. Любая промышленная сеть, в том числе автомобильная, представляет собой совокупность датчиков, исполнительных механизмов, вычислительных устройств и органов управления, объединенных системой передачи данных и взаимодействующих по правилам, задаваемым протоколом. Протокол - центральный элемент, определяющий характеристики и возможности связанных им систем.разделяет автомобильные сети на три класса: А, В и С, отличающиеся скоростью передачи данных и областями применения (таблица 2.4). Причем к сетям класса С предъявляются особо жесткие требования, поскольку они по одному каналу связи обслуживают наиболее ответственные системы автомобиля, а передаваемые по ним сообщения могут быть как периодическими, так и случайны ми. Такие сети должны быть не только надежными и защищенными от внешних воздействий, но и обеспечивать возможность расстановки приоритетов различным сообщениям, сигнализировать об ошибках в передаче управляющих сигналов, иметь скорость реакции на важное сообщение определенной длительности.

Таблица 2.4 Классификация автомобильных сетей

Автомобильные системы, независимо от их класса, могут выполняться (и выполняются) по одной из трех топологических схем сетей: "звезда", "кольцо" и "шина" (рисунок 2.4а).

Рисунок 2.4а - Топологические схемы автомобильных мультиплексных систем: а - звезда; б - кольцо; в - шина.

В схеме "звезда" есть центральный узел, связанный с каждым устройством системы отдельным каналом связи, т.е. для связи двух или более таких устройств необходимо, чтобы информация прошла через "центр". Плюс у схемы один - простота протоколов обмена информацией, недостатков, к сожалению, гораздо больше, и они явно перекрывают этот плюс. В их числе: большое время задержки и значительное число проводов; ограниченное число коммутируемых устройств; низкая надежность из-за наличия цен трального узла. Схема используется редко.

В схеме "кольцо" все устройства равноправны, так как последовательно объединены в кольцо. Значит, передаваемые сигналы должны проходить по нескольким звеньям, этим обусловлены и недостатки схемы: потеря работоспособности при разрыве цепи или выходе из строя одного устройства; большая задержка и ее увеличение при добавлении нового звена.

Схема "шина" позволяет устройствам функционировать в общей среде передачи данных, используя широковещательную передачу; не требует доработок при подключении дополнительных устройств; в ней возможна реализация любого типа доступа к среде передачи данных, а время их передачи невелико. Самая важная задача протокола здесь - решение вопросов доступа в среду передачи данных.

Очевидно, что для автомобиля предпочтительнее именно эта схема: она экономит провода, обеспечивает высокую надежность системы управления.

Схема "шина" реализует доступ трех типов: основной узел по определенным правилам опрашивает дочерние узлы; получив от синхронизирующего пакета сигнал, отправляет данные тому дочернему узлу, который соответствует полученному от пакета сигналу; получив сигнал от дочернего узла, открывает последнему доступ в сеть. Первые два типа доступа называются централизованными, третий - децентрализованным. Он особенно эффективен, так как не тратит время на "холостые" опросы, т.е. обеспечивает мгновенное реагирование на высокоприоритетное сообщение.

Протокол CAN был разработан инженерами фирмы R. Bosch GmbH для применения на автомобилях. Протокол соответствует международным стандартам ISO 11898 и ISO 11519 и используется несколькими производителями электронного оборудования. Протокол CAN признан автомобильными производителями США и Европы, применяется на современных легковых автомобилях, грузовиках, автобусах, сельскохозяйственном транспорте, в морском оборудовании, для автоматизации производства.

Протокол CAN поддерживает метод доступа CSMA/CD-A к сети с равноранговыми узлами. Пакет данных имеет размер не более 8 байт и передается по последовательной шине, 15-битовый циклический контроль избыточности обеспечивает высокий уровень целостности данных. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN-контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU) (рисунок 2.4б).

Рисунок. 2.4б - Структура сети CAN.

Рисунок 2.4в - Схема включения и битовые уровни по ISO 11898.

Рисунок 2.4г - Схема включения и битовые уровни по ISO 11519.

Используемый в настоящее время протокол CAN версии v2.0 состоит из двух частей: версия v2.0A со стандартным форматом кадра и v2.0B с расширенным форматом кадра. Версия v2.0A идентична предыдущей версии vl.2 и использует 11-битовое поле идентификатора. В версии v2.0B поле идентификатора - 29 бит. Расширенный формат кадра необходим для совместимости с существующим коммуникационным протоколом Л 850. Функции протокола CAN реализуются в микропроцессоре со встроенным контроллером CAN. Первыми на рынке появились контроллеры CAN с внешними драйверами для шины. В настоящее время про изводятся несколько типов CAN-контроллеров, которые можно разделить на три группы в зависимости от поддержки ими расширенного формата кадра:

контроллеры v2.0A. Поддерживают только стандартный фор мат, не могут работать в сети, где передаются кадры расширенного формата;

контроллеры v2.0B, пассивные. Поддерживают только стандартный формат, но могут работать в сети, где передаются и кадры расширенного формата;

контроллеры v2.0B, активные. Поддерживают операции с кадрами стандартного и расширенного форматов.

Контроллеры CAN классифицируются также на полные и базовые в зависимости от организации буферизации данных.

Полный CAN-контроллер имеет некоторое количество (обычно 14) специализированных буферов для временного хранения сообщений. При инициализации CAN-контроллера можно сконфигурировать его, указав, какой кадр будет поступать в какой буфер.

Большинство европейских автомобилестроительных фирм в системах управления двигателем, безопасности и обеспечения ком форта применяют сетевой протокол CAN. Причем в ближайшие годы, как ожидается, на базе данного протокола будет введен единый интерфейс и для систем компьютерной диагностики. Таким образом, на каждом западноевропейском автомобиле в скором времени будет, по крайней мере, один узел данной сети. И это вполне объяснимо. Протокол CAN обладает важнейшим достоинством: идентификаторы сообщений используются не только для алгоритма разрешений коллизий, но и для описания сообщений, когда применяется не прямая адресация данных, а лишь отмечается характер информации, представленной в сообщении (например, "давление масла"). Поэтому большинство автомобилестроителей выбрали этот протокол для построения сетей именно класса С.

Физически CAN представляет собой последовательную асинхронную шину, данные которой передаются или по витой паре, или по оптоволокну, или по радиоканалу. Шинoй могут управлять сразу несколько устройств. Теоретически число подсоединяемых к ней устройств не ограничено. Скорость передачи данных задается программно (не более 1 Мбит/с).

В настоящее время действующей спецификацией для протокола CAN служит "СAN Specification version 2,0", состоящая из двух частей: А и В, первая описывает обмен данными по сети с использованием 11-битного идентификатора, а вторая - 29-битного. Если узел CAN поддерживает обмен данными только с использованием 11-битного идентификатора, не выдавая при этом ошибки на обмен данными с использованием 29-битного идентификатора, то его обозначают "CAN2.0A Active, CAN2.0B Passive"; если с использованием и 11-битного, и 29-битного идентификаторов - то "CAN2.0B Active".

Существуют также узлы, которые поддерживают обмен данными с использованием только 11-битного идентификатора, а при обнаружении в сети данных с 29-битным идентификатором выдают ошибку. Но на автомобилях устанавливают, естественно, только согласованные системы. Они работают в двух сетях, имеющих разные (250 и 125 кбит/с) скорости передачи данных. Первые обслуживают основные системы управления (двигатель, автоматическая коробка передач, АБС и т.д.), вторые - вспомогательные (стеклоподъемники, освещение и пр.).

Сеть CAN состоит из узлов с собственными тактовыми генераторами. Любой ее узел посылает сообщение всем системам, подсоединенным к шине, а получатели решают, относится ли данное сообщение к ним. Для этого предусмотрена аппаратная реализация фильтрации сообщений. Протокол CAN обладает исключительно развитой системой обнаружения ошибок и сигнализации о них, включающей поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверку пакета сообщений CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение верного приема пакета данных. В итоге общая вероятность ненахождения ошибки не превышает 4,7 • 10-11. Кроме того, имеющаяся система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.