мультиплексная связь в автомобиле что это

Мультиплексная связь в автомобиле что это

В мультиплексной системе все потребители электроэнергии с одной стороны подсоединены к линии электропитания, которая начинается от аккумуляторной батареи, а с другой — к информационной линии, соединяющей их с управляющим устройством. Находящиеся в непосредственной близости от потребителя программируемые электронные компоненты отфильтровывают предназначенные для них данные из информационной линии и подключают (или отключают) его к (от) источнику питания. То есть в данном случае для реализации каждой отдельной функции органа управления (стеклоподъемник, система замков дверей с центральным управлением, противоугонное сигнальное устройство и т. п.) в исполнительном элементе собственная линия не нужна.

Для того чтобы исполнительные блоки, т. е. потребители и блок управления, могли обмениваться информацией между собой, необходимо выполнить несколько условий. В частности, нужно, чтобы: канал передачи информации обеспечивал высокую скорость передачи данных; информация передавалась посредством физических величии (напряжение, сила тока, освещенность и т. д.); передача данных была регулируемой (кодирование, скорость передачи, аналогово-цифровое преобразование, разбивка и т. д.), т. е. выполнялась по так называемому протоколу.

Комплексный подход к мультиплексированию привел разработчиков к использованию шины с распределенной обработкой сигналов и схемой обнаружения конфликтных ситуаций, позволяя добавлять новые и новые модули, не перегружая систему в целом. (Это «сродни» архитектуре персонального компьютера, где по мере изменения характера решаемых задач можно установить дополнительные платы, не разрушая основу компьютера.)

Понятно, что инициаторами нового направления стали производители дорогих автомобилей — фирмы «Мерседес- Бенц», «Вольво» и др. Например, в 1990 г. на рынке появился «Мерседес-Бенц 500Е», контроллер двигателя которого общался с датчиками через цифровую шину. Всего год спустя, довольные результатом, конструкторы развили идею в автомобилях 8-класса с кузовом W140, где единственная цифровая шина связала между собой системы зажигания, впрыскивания топлива, АБС, ПБС, самодиагностирования, круиз-контроля, климат-контроля, кондиционер, клапаны управления циркуляцией воздуха, а также СD-плейер, сотовый телефон и систему «Лингватроник» распознавания голосовых команд. Здесь, кроме того, впервые была применена технология D2B, использующая не электрические, а световые сигналы. Причем последнее обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, множество работающих электродвигателей, реле и прочих исполнительных механизмов излучают огромное количество разнообразных волновых помех. Поэтому нельзя исключить того, что одна из них совпадет с какими-либо бортовым управляющим сигналом. И тогда неожиданно для водителя может сработать, к примеру, один из контуров тормозной системы или подушка безопасности. В оптическом же диапазоне побочных излучений нет, и это обеспечивает надежность цифровой системы.

Во-вторых, передача сложных высокочастотных сигналов аудиосистем требует высокого (свыше 6 Мбит/с) быстродействия, что тоже вполне «доступно» оптическому диапазону.

В-третьих, при отсутствии изломов оптоволокна нет проблемы коротких замыканий, пожароопасное и окисления контактов.

Вторая по быстродействию (500 кбит/с) сеть из применяемых на дорогих автомобилях, CAN-Bus-C, связывает между собой системы управления двигателем, тормозами, автоматического поддержания дистанции между автомобилями («Дистроник»), подвеской, фарами и т. д. В общем, все то, что необходимо непосредственно для движения.

Наконец, самая медленная (83,3 кбит/с) по действию сеть — CAN-Bus-В. Она объединяет приборы, обеспечивающие комфорт в салоне в том числе: климат-контроль; индикатор парковки («Парктроник»); управление люком в крыше, стеклоподъемниками, замками, а также комбинацию приборов.

Две последние сети соединены между собой через электронный замок зажигания и могут обмениваться информаци- ей. Более того, аудиовидеосистема подсоединена не только к оптоволоконному кабелю, но и к CAN-Bus-В, а значит, в необходимых случаях возможна передача сигналов всеми тремя сетями.

К началу 1990-х годов стали опасаться, что на пути массового внедрения мультиплексирования возникнет барьер — высокая стоимость системы, естественным образом сказывающаяся на цене самого автомобиля. В связи с этим эксперты прогнозировали появление первого серийного автомобиля с мультиплексной системой не ранее 1995—1997 гг.

По срокам они ошиблись не намного. Частично мультиплексированный серийный автомобиль БМВ-850i был представлен в 1994 г. Модель была оснащена мультиплексной техникой, объединяющей различные функции управления в дверном модуле. Что касается стоимости, то здесь ошибка даже больше. Если, например, необходимо автоматически включить освещение, как только детектор дождя отметил наличие осадков, то достаточно изменить внутреннее программное обеспечение блока, управляющего освещением, — так, чтобы он распознавал сигнал «дождь», уже появившийся, на мультиплексной шине. И это никак не сказывается на стоимости автомобиля. Более того, мультиплексирование может даже удешевить отдельные системы автомобиля. Вот характерный пример: на одном легковом автомобиле представительского класса, оборудованном традиционной системой электрооборудования, в стойке двери был проложен жгут из 50 проводов. Когда же сети объединили, их число сократилось до четырех. И если учесть, что различные расширения функциональных возможностей электрооборудования, которые обычная техника не позволяет реализовывать из-за недостатка места на автомобиле, с помощью мультиплексной техники становятся вполне возможными, то ясно: это — повышение показателя «качество—цена». Со всеми вытекающими отсюда последствиями на рыночный опрос. И хотя для автомобиля БМВ-850i это была всего лишь встроенная в дверь система управления стеклоподъемником и защиты от защемления (например, руки ребенка стеклом), и данные функции объединил дверной модуль, кодированные сигналы которого передавались по двум линиям в основной модуль центрального блока управления, затраты на мультиплексную технику позволили сэкономить в общей сложности 39 линий, из них 14 — в двери водителя, 21 — в двери со стороны пассажира, сидящего рядом с водителем.

Фирма «Вольво» представила свою модель автомобиля (S80) несколько позже — в 1998 г. Но уже с полностью мультиплексированной системой, в состав которой входят 24 модуля, управляющие силовыми цепями. Система работает, в зависимости от возложенных на нее функций, в двухскоростном режиме: для управления двигателем и трансмиссией используется шина данных, рассчитанная на передачу информации со скоростью 250 кбит/с, а для других устройств — более «медленная» (125 кбит/с).

В 1999 г. к БМВ и «Вольво» присоединилась и фирма «Пежо»: на двух своих моделях, «Пежо-206» и «Пежо-406», она установила мультиплексную проводку, в которой использованы два дополняющих друг друга сетевых протокола. Так, комплексный контроль работы двигателя, коробки передач и АБС выполняет разработанная фирмой «Бош» шина САN, а шина VAN, разработанная фирмами ПСА и «Рено», — электроникой кузова (кондиционером, системой дверных замков и т. д.) и регулированием устойчивости автомобиля при движении. Причем новые функции осуществлялись уже не за счет встраивания дополнительных электрических приборов, а благодаря требующему меньших затрат программному обеспечению.

Имеющиеся в настоящее время разработки реализованы, в основном, зарубежными производителями. Однако существующие сегодня потребности автомобильного рынка и высокие цены на зарубежную электронику обусловили некоторое развитие и российского производства мультиплексных систем.

Источник

МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

В мультиплексной системе передачи данных используются следующие 4 протокола передачи данных:

Протокол CAN (локальная сеть контроллеров) используется для передачи данных между двигателем, шасси и электрооборудованием автомобиля.

Шина LIN (локальная сеть передачи данных) обеспечивает передачу данных в пределах системы электрооборудования автомобиля.

Локальная мультиплексная сеть для передачи аудиовизуальных данных (шина AVC-LAN) обеспечивает обмен данными только между устройствами аудиовизуальной системы (AV).

Шина MOST (специализированная шина для передачи аудиовизуальной информации) обеспечивает обмен данными внутри устройств аудиовизуальной системы (AV).

Существует два типа системы передачи данных CAN с разными скоростями передачи данных: HS-CAN (высокоскоростной) и MS-CAN (среднескоростной).

Функции шлюзов при передаче данных между шинами выполняют ЭБУ центрального сетевого шлюза и главный ЭБУ кузова.

Мультиплексная система передачи данных представляет собой последовательную систему передачи данных, представляемых битами и кадрами, между различными ЭБУ. Она позволяет сократить количество проводов в автомобиле.

Бит представляет собой элементарную единицу передаваемых данных. Он может принимать одно из двух значений: «0» или «1».

Кадр представляет собой блок данных, передаваемых совместно. Он содержит заголовок, указывающий начало блока данных, и код конца, указывающий конец блока.

РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ CAN, LIN, AVC-LAN И MOST

Шины CAN, LIN, AVC-LAN и MOST различаются протоколами, определяющими правила передачи данных. Если ЭБУ в сетях используют различные методы передачи данных (например, различаются скорости передачи данных, проводка, сигналы), они не смогут взаимодействовать. Поэтому протоколы (правила) передачи данных должны быть согласованы.

По сравнению с шинами LIN и AVC-LAN шина CAN обеспечивает более высокую скорость передачи данных. Поэтому CAN позволяет передавать большие объемы данных быстрее, чем другие протоколы. Это дает возможность организовать безошибочный обмен данными между системами управления силовой передачи и шасси. Для этих систем требуется передавать большие объемы данных за короткое время.

Шина MOST используется для передачи в реальном времени управляющей информации, аудио-/видеосигналов и данных.

Протокол	CAN (стандарт ISO)	LIN (ассоциация LIN)	AVC-LAN	MOST
Скорость передачи данных	500 кбит/с*/HS-CAN 250 кбит/с*/MS-CAN (макс. 1 Мбит/с)	Макс. 20 кбит/с*	Макс. 17,8 кбит/с	Макс. 50 Мбит/с*
Кабель связи	Витая пара	Одиночный кабель AV	Витая пара	Экранированная витая пара
Тип привода	Дифференциальная линия передачи напряжения	Однопроводная линия передачи напряжения	Дифференциальная линия передачи напряжения
Длина слова данных	1-8 байт (переменная)	2, 4, 8 байт (переменная)	0-32 байта (переменная)	0-128 байт (переменная)

*: бит/с: обозначение единицы измерения скорости передачи данных, показывающей, сколько битов может быть передано за одну секунду.

Передача данных в сетях CAN и AVC-LAN осуществляется по витым парам. В сети LIN используются одиночные автомобильные виниловые кабели (AV).

Источник

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 коробкой передач;

— 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.

Мультиплексные системы значительно отличаются от обычных:

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

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

SAE 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

Класс сети	Скорость передачи	Область применения данных
A	10 кбит/с	Системы комфорта
B	10-125 кбит/с	Самодиагностика
C	125 кбит/с–1 Мбит/с	Системы управления двигателем, тормозами, коробкой передач, АБС и т.д.

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 «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. BoschGmbH 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.

На рисунке 2.4впредставлена схема включения и битовые уровни протокола CAN в соответствии с международным стандартом ISO 11898, на рисунке 2.4г – в соответствии с международным стандартом ISO 11519.

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

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

— 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).

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. Первыеоб­служивают основные системы управления (двигатель, автоматиче­ская коробка передач, АБС и т.д.), вторые – вспомогательные (стеклоподъемники, освещение и пр.).

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.

Над ним работали DaimlerChrysler, BritishAeropac, 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.

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,что­ бы 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].

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 2364 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник