Материал: Организация бортовой информационно-управляющей системы

Поле арбитража CAN-кадра (поле идентификатора сообщений) используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом недеструктивного арбитража.

Суть метода недеструктивного арбитража заключается в следующем (рисунок 2.4д): в случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN - кадра в сеть, каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину, с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера пере дают следующий бит, и так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал), будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервет свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента ее освобождения.

Рисунок. 2.4д - Побитовый арбитраж на шине CAN.

Как было сказано выше, поле идентификатора сообщений составляет 11 или 29 бит. Возможны два основных способа работы протокола: по событиям и временным меткам. В CAN реализован именно первый способ. Однако ЕС одновременно финансировал и программу исследования по второму способу - коммуникационному протоколу для высоконадежных приложений ТТР ("временно-пусковой" протокол).

Над ним работали DaimlerChrysler, British Aeropac, FIAT, Ford, Marelli, Bosch, Volvo и Венский технический университет. Разработанная архитектура ТТА признана эффективной для критичных по безопасности систем (автомобильных, железнодорожных, авиационных).

Архитектуры систем на основе протоколов ТТР и CAN в целом сходны. Обе системы подразделяются на ряд подсистем (кластеров, т.е. распределенных компьютерных систем), и наборы узлов, объединенных последовательным каналом. Для выполнения функций, которые невозможно реализовать на одном узле (таких как точная координация работы двигателя, тормозов и др.), узлы обмениваются сообщениями через последовательный коммуникационный канал. Каждый узел, в свою очередь, состоит из трех элементов: компьютера, коммуникационного контроллера и подсистемы ввода-вывода для связи с датчиками и элементами управления. Все эти элементы связаны между собой двумя интерфейсами: коммуникационным интерфейсом сети (CNI) между компьютером и коммуникационным контроллером и управляемым интерфейсом объекта (COI) между компьютером и подсистемой ввода-вывода процесса.

На рисунке 2.4е схематично показано подключение линейного драйвера коммуникационного контроллера к скоростной шине.

Рисунок 2.4е - Подключение драйвера к шине.

Когда логический уровень сигнала на входе Тх "1", оба транзистора в выходном каскаде закрыты, выход драйвера находится в высокоимпендансном состоянии, шина - в состоянии недоминирующего уровня, дифференциальное напряжение примерно равно нолю, напряжение смещения около 2,5 В (см. рисунок 2.4в).

При подаче сигнала "О" на вход Тх оба транзистора отпираются, дифференциальное напряжение становится около 2,5 В, шина переходит в состояние доминирующего уровня.

Наличие цепи смещающего напряжения гарантирует смену полярностей сигналов на входах компаратора "К" при переходе шины от одного состояния к другому.

Компьютер узла содержит центральный процессор управления (ЦПУ), память, часы реального времени и собственную операционную систему, а также прикладное программное обеспечение. Он принимает и передает данные от и в CNI и COI, исполняет приложения реального времени в заданные временные интервалы.

Коммуникационный контроллер в случае протокола ТТР образован коммуникационным каналом и совокупностью управляемых временем коммуникационных контроллеров кластера, каждый из которых держит в памяти диспетчер-таблицу, определяющую в какую точку данное сообщение послано или в какой точке ожидается его получение. Коммуникационный контроллер CAN, управляемый событиями, такой таблицы не имеет, поскольку передача сообщения инициируется командой с компьютера узла.

Назначение коммуникационной системы - передавать (в масштабе реального времени) сообщения либо о значении параметра (переменной состояния, например скорости), либо о возникновении события от узла-передатчика одному или нескольким узлам-приемникам этого кластера. Сообщение состоит из трех частей: имени переменной состояния или события; наблюдаемого значения переменной состояния; времени наблюдения за переменной состояния или события. Ключевое место в нем занимает значение переменной состояния или события. Причем сообщение может не содержать значения времени, и тогда это значение принимается по факту приема сообщения.

Как видим, протоколы CAN и ТТЛ базируются на понятиях "событие" и "состояние". Но следует иметь в виду, что в ряде случаев информацию о новом состоянии можно упаковывать в со общение о событии, которое посылается только при изменении состояния.

Итак, протокол CAN есть коммуникационная система, управляемая сообщениями, которые посылаются, если компьютер узла запрашивает передачу сообщения и канал не занят. Но если другие узлы в данный конкретный момент времени тоже хотят послать сообщение, то посылается сообщение с наибольшим приоритетом.

Протокол ТТР - система, управляемая временем. Доступ к физической среде управляется бесконфликтной стратегией TDMA (разделенный во времени множественный доступ). Каждый узел получает уникальный временной слот в цикле TDMA. Каждый контроллер ТТР содержит таблицу диспетчеризации (список дескрипторов сообщений, MEDI) с информацией о том, какой узел имеет право послать и какое сообщение в конкретный момент времени, два дублированных канала коммуникации (для того, чтобы не допустить возможную потерю информации).

Система, основанная на протоколе ТТР, обладает большой величиной возможного потока данных (до 4 Мбит/с), надежностью (за счет дублирования коммуникационного канала) и строгим регламентом работы во времени, который позволяет заранее определить свойства системы. Вероятно, что будущее именно за данной системой: она, как предполагается, будет управлять всеми жизненными функциями автомобилей (электронным рулем, акселератором, тормозами и другими высокоприоритетными устройства ми). Это особенно актуально в свете того, что на протяжении последних лет демонстрируются многочисленные концептуальные автомобили и даже ходовые макеты, которые не имеют механических связей между органами управления и исполнительными механизмами. Однако на современном этапе развития возможен только частичный мультиплекс, когда сетевая схема состоит из набора элементов, включающих датчики и устройства, подключенные к распределительному устройству посредством проводов [4].

1        перспективные направления развития БИУС

Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные системы управления гидравлическими тормозами, системы впрыска бензина, бортовая самодиагностика считались последними достижениями в области автомобилестроения. Теперь такие системы относят к классическим и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль.

В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно начинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические системы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцессорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы зашиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система "электронная карта"; мультиплексная электропроводка и другие системы, которые рассмотрены в предыдущих главах.

В данной работе рассматривалась различная организация (архитектура) бортовой информационно-управляющей системы. Сравнение этих архитектур показывает, что БИУС с центральной (однопроцессорной архитектурой) имеет множество недостатков из-за сложности системы, многофункцианальности, высоких требований к надежности и быстродействию системы.

Использование системы с иерархичной организацией дает ряд преимуществ. Это - распределение задач, возможность управления сложными агрегатами в режиме реального времени, что обеспечивает более высокую надежность системы.

Однако такая архитектура имеет свои недостатки - усложняется процедура решения задач управления: возникают сложности распределения общей задачи на ряд отдельных подзадач, сложности увязки этих подзадач между собой; сложности создания алгоритмического и программного обеспечения такой иерархической системы управления.

Наиболее перспективной архитектурой я считаю - децентализованную, или топологическую схему "шина". Развитие компьютерных и сетевых технологий позволяет в настоящее время перейти к созданию децентрализованных распределенных систем компьютерного управления, которые представляю собой множество полностью равноправных процессоров, объединенных в единую систему управления с помощью сетевого канала связи.

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.

Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) - неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия автотронных систем от чисто электронных и электрических.

Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных технологий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобразователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических переменных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естественном - английском или искусственном - компьютерном языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микропроцессоров это позволяет повысить точность и скорость обработки сигналов. Значительно усложнился интерфейс, и возникла необходимость в ведении CAN- пpoтокола в мультиплексную систему.

Информационно-управляющие системы автомобиля развиваются в направлении не только повышения уровня программного обеспечения, но и применения в качестве индикаторов современных светодиодов, жидкокристаллических экранов и люминесцентных панелей.

В настоящее время практически отработана концепция автомобилей с повышением бортового напряжения до 42 вольт. Так существует два накопителя энергии: аккумуляторные батареи с напряжением 36 и 12 вольт, молекулярный емкостный накопитель на напряжении 42 вольта. Применение двухуровневой системы обусловлено резким возрастанием числа и мощности бортовых потребителей электроэнергии в системах управления двигателем, активной подвеской и т.д.

Для систем информирования по-прежнему характерны логометрические приборы, но уже с поворотом стрелки на 360 градусов и управление с помощью специализированной микросхемы, что, с точки зрения передачи аналоговой информации, сделало их конкурентоспособными по отношению к электронным комбинациям приборной панели. Появился и новый класс таких систем, как навигационные, которые связаны со спутниками, дорожными радиомаяками и позволяют водителю ориентироваться в сложных городских условиях.

Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершенствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже скоро в бортсеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных устройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мультиплексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения электропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 на 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому - выпуск 12-вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства. А самое главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12-вольтными потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппаратура, бортовая самодиагностика и др.).