Пределы обычной системы кабелей

За прошедшую четверть века сложность кабельной сети автомобиля постоянно возрастала, особенно впечатляющим этот рост стал в последние голы. На сегодня размер и вес кабельной сети является главной проблемой. Число отдельных проводов, используемых на автомобилях высшего класса, достигает порядка полутора тысяч! Жгут от двери водителя, необходимый для управления всеми ее функциями, может насчитывать до пятидесяти проводов; системы одной только приборной панели могут использовать более ста проводов и множество разъемных соединений. Ясно, что это становится

проблемой, так как кроме очевидных вопросов с размером и весом, рост числа соединений и проводов увеличивает вероятность возникновения сбоев. По некоторым оценкам, сложность системы кабельной сети автотранспортного средства

удваивается каждые 10 лет.

Число систем, управляемых электроникой, непрерывно растет. Ряд таких систем уже нашли широкое распространение, а у других постепенно расширяется область применения. Некоторые из этих систем перечислен 1.1 ниже:

- управление двигателем;

- система антиблокировики тормозов;

- управление сцеплением;

- управление фазами газораспределения;

- управление трансмиссией;

- активная подвеска;

- связь и коммуникации;

- мультимедиа.

Все вышеупомянутые системы работают вполне самостоятельно, кроме того, они связаны друг с другом. Многие из датчиков, подключенных к электронному блоку управления, являются общими для нескольких систем. Одно из решений этой задачи состоит в том, чтобы использовать для правлении всеми системами один компьютер. Однако при мелкосерийном производстве это было бы очень дорогим решением. Второе решение состоит в том, чтобы использовать общую шину данных. Такое решение позволило бы вести обмен между модулями и сделать информацию от различных датчиков автомобиля доступной всем системам. Дальнейшее развитие этой идеи – передача системных данных по одному проводу – сократило бы сеть только до трех проводов; провода питания, общего провода и сигнального провода.

Идея использовать только одну линию для многих сигналов не нова и применяется в телекоммуникации много лет. Для совмещения (мультиплексирования) различных сигналов используется два метода: частотное разделение и временное уплотнение. Частотное разделение аналогично способу, используемому в радиовещании, но для цифровых сигналов удобнее использовать разделение по времени.

Главная кольцевая сеть, или мультиплексная система кабельных соединений, представлена на рис. 4.20. Видно, что шина данных и кабели электропитания должны «посетить» все области электрической системы автомобиля. Чтобы проиллюстрировать работу этой системы, рассмотрим ряд событий, сопровождающих процесс включения и выключения габаритных огней. Сначала в ответ на действие водителя, нажимающего выключатель фар, на шину данных помешается уникальный кодовый сигнал. Этот сигнал опознается только специальными приемниками, входящими в состав каждого модуля освещения, и они в свою очередь, подадут напряжения питания на лампы а фарах. Подобные события происходят и при выключении огней, за исключением того, что код, помещаемый на шину данных, будет другим и будет опознан только соответствующими приемниками как код выключения.

Мультиплексная шина данных

Чтобы передавать различные данные по одной линии, должно быть тщательно определено и согласовано множество критериев. Эти критерии известны как коммуникационный протокол, или протокол связи. Протокол определяет:

♦ метод адресации:

♦ последовательность передачи и формат данных;

♦ управляющие сигналы;

♦ обнаружение ошибок;

♦ обработка ошибок;

♦ скорость передачи.

Также должен быть определен и согласован физический уровень сигналов. Он включает следующие параметры:

♦ тип линии связи (медный провод, оптоволокно);

♦ тип кодирования передачи (аналоговый или цифровой);

♦ тип сигналов (напряжение, ток, частота или др.).

Схема, отвечающая этим критериям, известна как шинный интерфейс и чаше всего будет выполнена в виде одной интегральной схемы. Эта ИС будет в некоторых случаях иметь дополнительную схему — например, устройство памяти. Она может быть соответствующим чипом, настолько дешевым,

насколько это возможно из-за большого их количества, используемого на транспортном средстве. Как это происходит часто с протоколом любой системы, ожидается, что получит распространение только один протокол. Однако так бывает

не всегда.

Сеть CAN фирмы Bosch

Фирма Bosch разработала протокол, известный как CAN (Controller Area Network). Как утверждается, протокол отвечает фактически всем условиям и реализуется на кристалле малой площади, поэтому стоимость микросхемы невелика, C A N подходит для передачи данных между компонентами трансмиссии, шасси и для мобильных коммуникаций.

Это компактная система, что делает ее практичной для применения во многих областях. На физическом уровне существует две модификации системы, которые удовлетворяют различным нормам передачи. Одна—для передачи данных на скоростях от 100 кбит до 1 М бит в секунду должна использоваться для скоростных устройств управления. Другая передает сигналы со скоростью от 10 до 100 кбит— медленная шипа для простой коммутации и операций управления.

CAN-модули изготавливаются множеством полупроводниковых фирм, таких как Intel и Motorola.

Доступны модули Voll-CAN для скоростных шин и Basie-CAN для низких скоростей передачи данных. Они существуют как в автономном виде, так и в интегрированном в различные микропроцессоры. Все модули поддерживают единый САМ-

протокол. Ожидается, что этот протокол будет утвержден

Международной Организацией Стандартов (ISO).

Многие датчики и приводы еще не реализованы и шинном варианте, и хотя были выпушены опытные образцы, полностью отказаться от обычной кабельной сети пока невозможно. Электронные блоки интерфейса должны быть расположены и непосредственной близости, в идеале интегрированы внутрь датчиков и приводных механизмов. Особенно это важно для датчиков и приводов двигателя. Вследствие проблем с нагревом и вибрацией требуется их дальнейшее совершенствование, чтобы гарантировать надежность и низкую иену. На рис 4.21 показано, как выглядит шинная система на транспортном средстве.

Сегодня сделан существенный шаг к использованию

шин данных для общения приборов с блоками управления. На рис. 4.22 приведен пример от компании Volvo.

Сигнальный формат CAN

Сигнал сообщения в формате CAN состоит из последовательности двоичных знаков (бит). Наличие напряжения (или света в оптоволокне) означает логическую «1», в то время как их отсутствие означает логический «0». Длина сообщения может составлять от 44 до 108 бит. Сообщение начинается стартовым битом, затем следует идентификатор приемо-передатчика, бит контроля, непосредственно данные сообщения, контрольная

сумма CRC (избыточный циклический код для обнаружения и исправления ошибок - cyclic redundancy check), бит подтверждения и, наконец, несколько стоповых битов (рис. 4.23).

Начало сообщения (заголовок) идентифицирует назначение сообщении, а также его приоритет. Как только заголовок помешен на шину, он повторно считывается уже с шины. Если он отличается от посланного — значит, шина ланита устройством, имеющим более высокий приоритет. Если дело обстоит так, передатчик остановит передачу собственного сообщения. Это очень важно в случае передачи данных в автомобиле.

Рис 4.23. «Слово» сообщения по протоколу CAN

Слово из набора 44-108 бит

Ӏ	ӀӀ		От 0 до 8 байт
Стартовый бит начала сообщения	Идентификатор	Биты команды	Данные	Циклическая контрольная сумма	Биты подтверждения выдачи сообщения	Биты конца сообщения

Ошибки в сообщении опознаются при помощи избыточной циклической контрольной суммы. Ее получают, суммируя все числа в сообщении по сложному алгоритму, и сумму посылают в том же сообщении. Приемник использует тот же самый алгоритм и проверяет, чтобы оба числа совпали. Если опознана ошибка, приемник выставляет на шину соответствующее сообщение. По этому факту передатчик повторяет посылку сообщения. В сочетании с дополнительными тестовыми посылками это делает возможной безошибочную передачу данных.

Тот факт, что каждый передатчик действительно

контролирует собственную передачу, прерывает ошибочные передачи и подтверждает правильные, означает, что дефектные узлы могут быть опознаны и отключены от шины (электронным способом). Это предотвратит передачу некорректной информации.

Все сообщения доступны всем устройствам автомобиля,

и каждое устройство самостоятельно принимает решение, нужно ли реагировать на сообщение или нет. Это означает, что к шине в любое время могут быть добавлены новые системы, и они могут использовать данные с шины, не затрагивая работу никаких других систем.

В ряде случаев требуется защита от интерференции

сигналов. Шинные линии, которые состоят из медных проводов, действуют в автомобиле как приемо-передающие антенны. На низких частотах достаточную защиту может обеспечить неэкронированнная витая пара, ко при большой длине линии рекомендуется экранирование.

Использование оптических волокон полностью решило бы проблему интерференции радиоизлучений. Однако стыковка оптических передатчиков и приемников с оптоволоконной линией, а также ее узлы и разветвления до сих нор или недостаточно надежны, или слишком дороги. Эти проблемы в настоящее время исследуются, и ожидается, что они будут решены в ближайшем будущем. На рис. 4.24 приведен вариант реализации шинной связи для шины данных проводного типа.

Локальный интеллект

Необходимо решить, где именно в автомобиле будет расположен этот «интеллект». Первое решение состоит в том, чтобы использовать местный модуль, контролирующий определенную подсистему. Он будет подсоединен посредством обычных проводов. Это решает проблему числа проводов, идущих из салона транспортного, например, в дверь, по все еще необходимо большое количество кабелей и разъемов в двери, что может снизить надежность.

Второе решение состоит в том, чтобы использовать интеллектуальные приводные механизмы. Эта система включает в себя электронное управление интеллектуальные способности интегрируются непосредственно внутрь привода. Другими словами, рабочий элемент приобретает функции, которые необходимы для декодирования команд и их реализации. Приводы со встроенной электроникой управления выполняют функциональные действия, например, регулировку положения зеркала или открытие и закрытие окон.

Интеллект, интегрированный во все основные компоненты в виде микропроцессора с интерфейсом базовой CAN-системы, позволяет вести детальную самодиагностику. Благодаря этим интеллектуальным способностям возможны как полная

проверка транспортного средства при окончании сборки на заводе изготовителе, так и быстрое обнаружение ошибок в мастерской. На рис. 4.25 представлены оба метода.

Важное место занимает сегодня разработка интеллектуальных приводов и датчиков, поскольку этот метод, по видимом у, является наилучшим решением для будущего. На рис. 4.26 показан вариант реализации полной мультиплексированной подсистемы.