Ім'я файлу: посібник електроніка автомобілів.pdf
Розширення: pdf
Розмір: 5202кб.
Дата: 18.02.2022
скачати
Пов'язані файли:
Текстові теги HTML5.docx

118
• автотронне управління коробкою передач:
• автотронне управління клапанами;
• активна підвіска.
Ці системи пов'язані одне з одним. Вихідні сигнали деяких датчиків можна використовувати кількома електронними системами. Можна також використовувати один комп'ютер для керування усіма автомобільними системами. Але сьогодні й у майбутньому це економічно недоцільно. Починає втілюватися у життя інше технічне рішення, коли контролери окремих електронних блоків управління (ЕБУ) зв'язуються друг з одним комунікаційною шиною для обміну даними. Датчики і виконавчі механізми, підключені до цієї шині через спеціальні узгоджувальні пристрої, стають доступними для всіх ЕБУ. Це не що інше, як локальна обчислювальна мережа (ЛОМ) на борту автомобіля. Термін «мультиплексний» широко використовують у автомобільній промисловості. Зазвичай його відносять до послідовних каналів передачі між різними електронними пристроями автомобіля. Кілька дротів, якими передаються управляючі сигнали, замінюються шиною для обміну даними. Зменшення кількості дротів в електропроводці автомобіля — одна причина розробки мультиплексних систем. Інша причина — необхідність об'єднання ЛОМ контролерів різних ЕБУ для ефективнішої роботи і діагностики. На рисунку 6.1 показана традиційна схема електропроводки і мультиплексна система. Мультиплексні системи значно різняться від звичайних. Зазначимо деякі відмінності, очевидні з рисунку 6.1.
1. У звичайних системах електропроводки інформація, і живлення передаються по одним і тим самим дротам. У мультиплексних системах сигнали і електроживлення розділені.
Рисунок 6.1 - Звичне і мультиплексне підключення навантажень
2. У мультиплексних системах управляючі ключі безпосередньо не включають і виключають електроживлення навантажень.
3. У окремих випадках електронна схема вузла повинна постійно зчитувати стан управляючого ключа, коли більшість електроустаткування обезструмлена. Наприклад, становище ключа центрального замку дверей має визначатися і при паркуванні, коли

119
багато системи відімкнено із міркувань енергозбереження. По схемою рисунку 6.1 може бути реалізовано електроживлення корпусних споживачів: висвітлення, склопідйомники, омивачі тощо. Електропроводка спрощується з допомогою приймання та передачі різних сигналів між вузлами за однією й тією самою шиною (дротом). При звичайній схемі проводки для реалізації кожної функції потрібний окремий провідник.
Через вузли здійснюється доступ до мережі. Вузол, зазвичай, містить мікропроцесор, підключений до комутаційної шини і електронного ланцюга, які управляють роботою датчиків і виконавчих механізмів, підключених до вузлу. Комунікаційна шина на сучасному автомобілі найчастіше являє собою кручену пару дротів, хоча можливі й
інші виходи (дивись 6.2.3). На рисунку 6.2 загалом показана мультиплексна система.
Рисунок 6.2 - Структура мультиплексної системи
До входів вузлів можуть підключатися будь-які датчики, до виходів виконавчі пристрої. Приклади вхідної інформації: температура, струм, напруга, становище перемикачів тощо.Приклади виконавчих пристроїв та правових механізмів: дисплеї, електроклапани, електродвигуни тощо.
SAE (Society of Automotive Engineers — міжнародне суспільство автомобільних
інженерів) ділить мультиплексні автомобільні системи на 3 класи:
1. Клас А. Мультиплексні системи, у яких автомобільна електропроводка спрощується з допомогою використання комунікаційної шини. З цієї шині між вузлами передаються сигнали, які проходять по роздільних дротах в автомобілі зі звичайною електропроводкою. Вузли,які є частиною мультиплексної системи, при звичайній електропроводці відсутні.
2. Клас В. У мультиплексній системі між вузлами передаються інформаційні дані
(зазвичай значення параметрів), чим досягається усунення надмірності датчиків та
інших елементів в порівнянні з звичайню схемою електропроводки. В цьому випадку вузли є і у звичайній системі, у виді незв'язаних елементів.
3. Клас С. Мультиплексна система дуже швидко обмінюється даними, що здійснює управління в реальному часі, наприклад, двигуном, антиблокувальною системою тощо. Системи класу А йдуть на включення/виключення різних навантажень
(наприклад, для керування елементами дверей салону), швидкість передачі по шині трохи більше 10 Кбит/сек. У системах класу В здійснюється обмін інформацією між підсистемами, коли потрібна швидкість передачі 100...250 Кбіт/сек. Нині системи класу
В використовуються автомобілем частіше від інших. Обмін даними в системах класу В відповідає вимогам стандарту J1850 (10...40 Кбіт/сек, США, Японія) чи протоколу VAN
(vehicle area network — автомобільна локальна мережа), 125 кбіт/сек, підтримуваного французькими фірмами Renault і Peugeot. Завдання систем класу В можна вирішити,

120
застосувавши шину CAN (controller area network — локальна мережа контролерів), але на сьогодні поки що це економічно недоцільно. У системах класу С здійснюється розподілене управління у реальному масштабі часу, швидкість обміну даними близько
1 Мбіт/сек. Шина CAN є стандартом для мультиплексних систем класу С. Найбільші виробники автомобільних електронних приладів (Bosch, Delco) та комплектуючих
(Intel, Motorola) підтримують CAN.
6.2 Локальні обчислювальні мережі
6.2.1 Еталонні моделі взаємодії систем
Для визначення завдань, поставлених перед складною технічною системою, а також для виділення головних характеристик і параметрів, які вона повинна мати, створюються загальні моделі таких систем. Загальна модель обчислювальної мережі визначає характеристики мережі загалом і характеристики і функції які входять до її основних компонентів. Розмаїття варіантів обчислювальних мереж, і мережевих програмних продуктів поставило проблему об'єднання мереж різних архітектур. Для її рішення була розроблена еталонна модель архітектури відкритих систем(рисунок 6.3)
Відкрита Система - це система ,яка взаємодіє з іншими системами в відношенні з прийнятими стандартами.
Рисунок 6.3 - Еталонна модель архітектури відкритих систем
7-й рівень — прикладний — забезпечує підтримку прикладних процесів кінцевих користувачів. Цей рівень визначає коло прикладних завдань, що реалізуються в даній обчислювальній мережі.
6-й рівень — представницький — визначає синтаксис даних в моделі. Він гарантує надання інформації в кодах і форматах, які прийняті в даній системі. У деяких системах цей рівень може бути об'єднаний із прикладним.
5-й рівень — сеансовий — реалізує встановлення та підтримку сеансу зв'язку між двома абонентами через комунікаційну мережу. Він дає змогу виробляти обмін
інформацією в режимі , який визначений прикладною програмою, чи дає можливість вибору режиму обміну. Сеансовий рівень підтримує і завершує сеанс зв'язку. Три верхніх рівня об'єднуються під спільною назвою — процес чи прикладний процес. Ці рівні визначають функціональні особливості обчислювальної мережі як прикладної системи.
4-й рівень — транспортний — забезпечує інтерфейс між процесами і мережею.

121
Він установлює логічні канали між процесами і забезпечує передачу за цими канатам
інформаційних пакетів, якими обмінюються процеси. Пакет — група байтів, переданих абонентами мережі одна одній. Логічні канали, встановлювані транспортним рівнем, називаються транспортними каналами.
3-й рівень — мережевий — визначає інтерфейс кінцевого устаткування користувача з мережею комутації пакетів. Він також відповідає за маршрутизацію пакетів в комунікаційній мережі й за зв'язок між мережами — реалізує міжсіткова взаємодія.
2-й рівень — канальний — реалізує процес передачі по інформаційному каналу.
Інформаційний канал — логічний канал, він встановлюється між двома ЕОМ, з'єднаними фізичним каналом.
Канальний рівень забезпечує управління потоком даних і кадрів, у яких упаковуються інформаційні пакети, виявляє помилки передачі й реалізує алгоритм відновлення інформації у разі виявлення збоїв чи втрат даних. Кадр має структуру:
інформація про джерело даних, інформацію про приймальник, тип кадру, дані, контрольна інформація.
1-й рівень — фізичний — виконує всі необхідні процедури в каналі зв'язку. Його основне завдання — управління апаратурою передачі і підключеним до неї каналом зв'язку. При передачі інформації від прикладного процесу у мережу відбувається її обробка рівнями моделі ВВС (рисунок 6.4). Сенс цієї обробки у тому, що кожен рівень додає до інформації процесу свій заголовок — службову інформацію, що необхідна для адресації повідомлень й для деяких контрольних функцій. Канальний рівень крім заголовка додає ще і кінцевик — контрольну послідовність, яку використовують для перевірки вмотивованості прийому повідомлення з комунікаційної мережі.
Рисунок 6.4 - Обробка повідомлень рівнями моделі ВВС (кожен рівень додає
свій заголовок — 3)
Фізичний рівень заголовка не додає. Повідомлення, й із заголовками і кінцевиком,
іде у комунікаційну мережу і робить на абонентські ЕОМ обчислювальної мережі.
Кожна абонентська ЕОМ, яка прийняла повідомлення, дешифрирує адреси й визначає, чи призначено їй це повідомлення. Причому у абонентської ЕОМ відбувається зворотний процес — читання і відсікання заголовків рівнями моделі ВВС. Кожен рівень реагує лише на свій заголовок. Заголовки верхніх рівнів нижніми рівнями не

122
сприймаються і не змінюються — вони прозорі для нижніх рівнів. Так, переміщуючись за рівнями моделі ВВС, інформація, нарешті, надходить до процесу (споживачеві), якому вона була адресована. У процесі розвитку й удосконалення будь-якої системи виникає потреба змінювати її окремі компоненти. Деколи це зумовлює необхідність змінювати інші компоненти, що ускладнює і утрудняє процес модернізації системи. У такому випадку виявляються переваги семирівневої моделі ВВС. Якщо між рівнями визначено однозначно інтерфейси, то зміна однієї з рівнів не тягне за собою необхідності внесення змін - у інші рівні. Отже, існує відносна незалежність рівнів один від одного. Функції, описувані рівнями моделі, мають бути реалізовані або у апаратурі, або у формі програм. Функції фізичного рівня завжди реалізуються в апаратурі. Це адаптери, мультиплексори передачі, мережні плати . Функції інших рівнів реалізуються як програмні модулі — драйвери.
6.2.2 Протоколи комп'ютерних мереж
При обміні інформацією у комп'ютерній мережі кожен рівень моделі ВВС реагує на свій заголовок. Інакше кажучи, відбувається взаємодія між однойменними рівнями моделі у різних абонентських ЕОМ. Така взаємодія має виконуватися за правилами — протоколам. Протокол — це програма. Правила і послідовність виконання дій під час обміну інформацією, встановлені протоколом, мають бути реалізовані у програмі.
Зазвичай функції протоколів різних рівнів реалізуються в драйверах щодо різноманітних обчислювальних мереж. Відповідно до семирівневої структури моделі
ВВС можна говорити про необхідність існування протоколів для кожного рівня.
Концепція відкритих систем передбачає розробку стандартів для протоколів різних рівнів. Найлегше піддаються стандартизації протоколи трьох нижніх рівнів моделі архітектури відкритих систем, оскільки вони на сьогодні визначають дії і складні процедури, характерні для обчислювальних мереж будь-якого класу. Найважче стандартизуються протоколи верхніх рівнів, особливо прикладного, через множинності прикладних завдань та низці випадків їх унікальності. Якщо по типам структур, методам доступу до фізичного передавального середовища, що використовуються мережним технологіями й деяким іншим особливостям можна нарахувати приблизно десяток різних моделей обчислювальних мереж, то по їх функціональному призначенню меж немає. Найпростіше уявити особливості мережевих протоколів з прикладу протоколів канального рівня, які діляться на дві основні групи: байт- орієнтування і біт-орієнтування. Байт - орієнтуваний протокол забезпечує передачу повідомлення по інформаційному каналу у виді послідовності байтів. Крім
інформаційних байтів в канал передаються також керуючі системи й службові байти.
Такий тип протоколу зручний ЕОМ, оскільки він орієнтований на обробку даних, які у вигляді двійкових байтів. Для комунікаційного середовища байт- орієнтованний протокол менш зручний, оскільки поділ інформаційного потоку в каналі на байти потребує додаткових сигналів, що в рахунку знижує пропускну спроможність каната зв'язку. Біт - орієнтованний протокол передбачає передачу інформацією у вигляді потоку бітів, не поділюваних на байти. Тож для поділу кадрів використовуються спеціальні послідовності — прапори. На початку кадру ставиться прапор який відкриває, а в кінці — прапор який закриває.
6.2.3 Фізичне передавальне середовище в ЛОМ
Фізичне середовище забезпечує перенесення інформації між абонентами

123
обчислювальної мережі. Фізичне передавальне середовище в ЛОМ може бути представлене такими типами кабелів: одиночний провід, вита пара дротів, коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель.
Однопровідні сполуки використовують у автомобільних мультиплексних системах зі швидкістю передачі нижче 10 Кбіт/с.
Перешкодозахищеність низька. Вита пара з двох ізольованих дротів, звитих між собою
(рисунок 6.5). Скручування дротів зменшує вплив зовнішніх електромагнітних полів на передані сигнали. Найпростіший варіант крученої пари — телефонний кабель. Кручені пари мають різні характеристики, зумовлені розмірами, ізоляцією і кроком скручування. Невисока вартість цього виду передавального середовища робить його досить популярним для ЛОМ. Основна проблема крученої пари — погана перешкодозахищеність і низька швидкість передачі — трохи більше 1 Мбіт/с.
Технологічні вдосконалення дозволяють підвищити швидкість передачі й перешкодозахищеність (екранована вита пара), але натомість зростає вартість цього передавального середовища. У автомобільних мережах кручені пари працюють при швидкостях обміну не вище 500 Кбіт/с. Проблеми з електромагнітною сумісністю виникають вже при швидкості обміну вище 100 Кбіт/с. Однопровідні кабелі і кручені пари зручно підключати до вузлів мережі. Коаксіальний кабель (рисунок 6.6) в порівнянні з крученою парою володіє більш високою механічною міцністю, перешкодозахищеністю і забезпечує швидкість передачі до 50 Мбіт/с.
Рисунок 6.5 – Вита пара
Рисунок 6.6 – Коаксіальний кабель Рисунок 6.7 – Оптоволоконний кабель
Для промислового використання випускаються два типи коаксіальних кабелів: товстий і тонкий. Товстий кабель більш міцний і передає сигнали потрібної амплітуди на більшу відстань, ніж тонкий. У той самий час тонкий кабель набагато дешевше.
Коаксіальний кабель як і вита пара, один із популярних типів передавального середовища для ЛОМ. На автомобілях екрановані кручені пари чи коаксіальний кабель працюють при швидкостях обміну даними трохи більше 10 Мбіт/с, мають хорошу електромагнітну сумісність, але підключати до вузлів їх незручно, потрібні спеціальні
Т-подібні відгалужувачі. Оптоволоконний кабель — ідеально передавальне середовище
(рисунок 6.7). Він піддається дії електромагнітних полів і сам практично немає ніякого випромінювання. Остання властивість дозволяє вживати їх у мережах, які потребують укриття секретної інформації. Швидкість передачі по оптоволоконному кабелю понад
50 Мбіт/с. У порівняні з попередніми типами передавального середовища він має вищу

124
вартість, менш технологічний в експлуатації.
6.2.4 Основні топології ЛОМ
Обчислювальні машини (контролери для автомобіля), що входять до складу ЛОМ, можуть бути розташовані випадково на об'єкті, де створюється обчислювальна мережа.
Слід зазначити, що для способу звернення до передавального середовища і методів управління мережею небайдуже, як розташовані абонентські ЕОМ. Тому є сенс казати про топології ЛОМ. Топологія ЛОМ — це формалізована геометрична схема сполук вузлів мережі. Топології обчислювальних мереж можуть бути дуже різними, але для локальних обчислювальних мереж типовими є лише три: кільцева, шинна, зіркоподібна. Іноді для спрощення використовують терміни — кільце, шина і яскрава зоря. Не треба думати, що аналізовані типи топологій являють собою ідеальне кільце,
ідеальну пряму чи зірку. Будь-яку комп'ютерну мережу можна розглядати сукупність вузлів. Вузол — будь-який пристрій, безпосередньо залучений до передавального середовища мережі. Топологія формалізує схему сполук вузлів мережі. Ось еліпс, і замкнута крива, і замкнута ламана лінія ставляться до кільцевої топології, а незамкнута ламана лінія — до шинної. Кільцева топологія передбачає з'єднання вузлів мережі в замкнутий контур кабелем передавального середовища (рисунок 6.8). Вихід одного вузла мережі з'єднується із входженням іншого. Інформація по кільце передається від вузла до вузлу. Кожен проміжний вузол між передавачем і приймачем ретранслює надіслане повідомлення. Приймає вузол розпізнає і навіть отримує лише адресовані йому повідомлення. Кільцева топологія є ідеальною для мереж, котрі посідають порівняно невеличкий простір. У ній відсутній центральний вузол, що підвищує надійність мережі. Ретрансляція інформації дозволяє вживати, в якості передавального середовища, будь-які типи кабелів. Послідовний порядок обслуговування вузлів такої мережі знижує її швидкодію, а вихід із ладу одного з вузлів порушує цілісність кільця і потребує застосування спеціальних заходів задля збереження тракту передачі.
Рисунок 6.8 – Кільцева топологія
Рисунок 6.9 – Шинна топологія Рисунок 6.10 – Зіркоподібна топологія
Шинна топологія — одна з найпростіших (рисунок 6.9). Дані від передавального вузла мережі поширюються по шині у обидва боки. Проміжні вузли не транслюють вступників повідомлень. Інформація надходить попри всі вузли, але приймає повідомлення лише те, якому воно адресовано. Порядок обслуговування —

125
паралельний. Це забезпечує високу швидкодію ЛОМ з шинною топологією. Мережу легко нарощувати і конфігурувати, і навіть адаптувати до різним систем. ЛОМ з шинною топологією стійка до можливих несправностей окремих вузлів. Такі ЛОМ найпоширеніші сьогодні. Слід зазначити, що вони теж мають протяжність і не позволяють використовувати різні типи кабелю у межах однієї мережі. Зіркоподібна топологія (рисунок 6.10) виходить з концепції центрального вузла, до якого підключаються периферійні вузли. Кожен периферійний вузол має власну окрему лінію зєднану з центральним вузлом.
6.2.5 Методи доступу до передавального середовищі
Передавальне середовище є спільним ресурсом для всіх вузлів ЛОМ. Щоб отримати можливість доступу до цього ресурсу з вузла мережі, необхідні спеціальні механізми — методи доступу. Метод доступу до передавального середовищі — це метод, який забезпечує виконання сукупності правил, за якими вузли мережі отримують доступ до ресурсу. Існують два основних класи методів доступу: детерміновані, недетерміновані.
6.2.6 Тимчасове і частотне ущільнення сигналів в мультикомплексних
системах
За методами ущільнення сигналів локальні обчислювальні мережі (ЛВС) можна розділити на великі категорії — з тимчасовим і частотним ущільненням. Ці два методи ущільнення засновані різними принципами використання робочої смуги частот системи.
1. Тимчасове ущільнення. На рисунку 6.11, а показано, що у мережах із тимчасовим ущільненням (чи з передачею сигналу без модуляції) у будь-якій конкретний момент часу передачу даних через мережу веде один схожий пристрій, займаючи усю шпальту частот системи. Такий метод забезпечує дуже високу швидкість передачі у бітах в секунду. Щоб дати багатьом абонентам звертатися до неї, тривалість кожної передачі має обмежуватися заданим інтервалом часу. До кожного блоку даних приєднується адреса того вузла, яким повинні пересилатися ці дані. Кожен вузол постійно контролює адреси на шині, щоб виявити блоки даних,які надходять йому. Можливості ЛОМ з тимчасовим ущільненням сигналів обмежуються тим, що у конкретний час передавати дані через таку мережу може лише одне абонент. Насправді загальна кількість абонентів ЛОМ залежить від середньої часової тривалості
(довжини) повідомлень і кількості повідомлень, які потрібно передати за певний час.
2. Частотне ущільнення. З рисунку 6.11, б видно, що у мережах із частотним ущільненням сигналів (чи широкосмугових мережах) смуга частот розбита на цілий ряд непереривних частотних піддіапазонів. Кожній парі взаємодіючих між собою вузлів виділяється один із цих піддіапазонів. Отже, будь-якої миті часу звертатися до мережі можуть одночасно багато абонентів, оскільки вони використовують різні піддіапазони частот.

126
Рисунок 6.11 - Тимчасовий і частотний поділ каналів
6.3 Приклади автомобільних мультиплексних систем
6.3.1 Клас А
Системи класу А застосовуються переважно для спрощення і здешевлення електричних звязків між пристроями корпусної електроніки. Розглянемо приміром антивикридальну систему зі структурою, показану на рисунку 6.12. Антивикрадальна система приводиться в черговий режим контактом 11, а вимикається — контактами замків дверей пасажира чи шофера або багажника. У робочому стані система включає клаксон 10 при спрацьовуванні одного з контактів: 1, 3, 4, 5, 7, 8. Датчики і виконавчі механізми у такому варіанті підключені безпосередньо до блоку управління через мультиплексори одним дротом. Поліпшені діагностичні можливості системи. Легше змінювати
Рисунок 6.12 - Блок-схема антивикрадальної системи

127 1 — контакт дверки водія,
2 — контакт замку дверей водія,
3 — контакт лівої задньої дверки,
4 — контакт на капоті,
5 — контакт дверки пасажира,
6 — контакт замку дверки пасажира,
7 — контакт правої задньої дверки,
8 — контакт на кришці багажника,
9 — контакт замку багажника,
10 — клаксон,
11 — контакт на приладовій панелі
Рисунок 6.13 - Блок-схема мультиплексної антивикрадальної системи конфігурацію антивикрадальної системи, підключаючи лише її до тієї самоі шини через мультиплексори додаткових датчиків і виконавчі механізми. Мультиплексори — відносно нескладні мікроелектронні пристрої, які містять до 300 напівпровідникових вентилів. Їх інтегрують з датчиками і виконавчими механізмами. Цей пристрій може бути реалізований в мультиплексному варіанті (рисунок 6.13).
6.3.2. Клас В
На рисунку 6.14 показана частина типової інформаційної системи водія (ІСВ). Тут сигнали з датчиків надходять на бортовий комп'ютер, до шини даних якого підключена комбінація приладів.

128
Рисунок 6.14 - Блок-схема інформаційної системи водія
У спрощеному варіанті ІСВ число дротів в джгуті дуже велике, що виправдовує цю схему зєднання. Проте, принаймні ускладнення електронних приладів автомобіля і збільшення кількості функцій інформаційної системи, кількість з'єднувальних дротів різко зростає, ускладнюється діагностика несправностей.
Рисунок 6.15 - Блок-схема інформаційної системи водія з шиною класу В
1 — рівень охолоджувача,
2 — тиск гальмівної рідини,
3 — рівень оливи,
4 — олива у коробці передач,

129 5 — омиваюча рідина,
6 — капот не закритий,
7 — фари включені,
8 — мало палива в баку,
9 — склоочисники включені,
10 — ключ в замку запалювання,
11 — прив'язні ремені,
12 — ручка дверки,
13 — замок,
14 — дверка закрита,
15 — дверка не зачинена
Можливим розв'язанням у такому випадку є введення кількох вузлів, поєднаних з шиною класу В, до яких підключаються відповідні датчики. При цьому намагаються зменшити розміри джгутів, які проходять через вузькі місця типу «дверцята — корпус». До вартості проводки додається вартість вузлів. На рисунку 6.15 приведена блок-схема ІСВ з шиною класу В, у якому цифрами позначені сигнали датчиків. Вузол моторного відсіку бажано інтегрувати з ЕБУ двигуна, куди вже підключена частина датчиків. Це здешевлює і спрощує схему, але не завжди можливо, та як зєднувач на
ЕБУ зазвичай перевантажений.
Вузол дверки краще розташовувати у дверці, тоді джгут через проміжок спрощується, бажана також інтеграція електронних і механічних пристроїв у дверці.
Структурна схема електронної частини пристроїв дверки показана на рисунку 6.16
Рисунок 6.16 - Підключення пристроїв дверки
Загальні зауваження до застосування вузлів.
1. Для зниження вартості вузли виробляються з урахуванням спеціалізованих мікросхем.
2. Єдина конструкція можлива під час використання мікропроцесорів у вузлах.
3. Комбінація «звичайний датчик — мультиплексний вузол» не полегшує діагностику датчиків. Не можна визначити, що саме несправне — датчик чи проводка.
По мірі значного ускладнення бортової автомобільної електроніки мультиплексні системи, виконані за класами А й В, стають не оптимальними. Кращим технічним рішенням є використання гібридної локальної мережі, де датчики і виконавчі механізми через канал класу А під’єднанні до бортового комп'ютера, а приладова панель і інтерфейс комп'ютера (дисплей і керівні органи) під'єднані до комп'ютера через канал класу В, мультиплексори інтегровані у датчики і виконавчі механізми.
Обмін даними проходить по одному дроту, додаткових вузлів немає, поліпшена діагностика з допомогою запровадження компонентів електроніки. Така конфігурація

130
системи дозволяє вводити додаткові датчики і виконавчі пристрої. Тепер у бортовому комп'ютері однією на виконавчий механізм можна підключати 7—14 датчиків.
6.3.3 Клас С
Дедалі більшу популярність завойовує протокол CAN, із застосуванням якого мультиплексні системи класу С можуть реалізовуватися у таких формах: 1. Через одну
і ту саму мережу класу С виробляється обмін даними як додатків, що працюють у часі
(управління двигуном, підвіскою, передачами), так додатків, обслуговуючих бортовий комп'ютер,контроль клімату салону, приладову панель. Швидкість обміну до 1
Мбіт/сек, лінія зв'язку — коаксіальний чи оптичний кабель. 2. Гібридна мережу класу В
і С. Виробляється обмін даними між вузлами швидкісної мережі класу С відносно повільної мережі класу В. Шлюзом зазвичай буває контролер двигуна. 3. Інтеграція функцій управління у часі в найменше число модулів. Наприклад, ЕБУ двигуна може керувати ще й трансмісією. Під час такої архітектури потреба у дорогих мережах класу
С зводиться до мінімуму.
6.4 Протоколи високих рівнів
Термін «протоколи високих рівнів» зазвичай належать до рівнів 3—7 моделі ВОС.
НА цих рівнях вирішуються питання упаковки даних, повідомлень, стандартизації додатків тощо. Коли функції додатку розподілені між кількома електронними блоками управління, необхідна максимальна незалежність програмного забезпечення дожатку від локалізації функцій. Вже сьогодні автомобільні засоби зв'язку з зовнішнім світом,пристрої для розваги, мультимедіа кошти виробляють обмін пакетами даних між собою (радіоприймач, CD- програвач, мережевий телефон, бортовий комп'ютер, навігаційна система). Ці пакети значно перевищують розміри кадрів даних, які можна передавати по автомобільної комунікаційної шині. Розбирання і складання пакетів цих даних виробляється під керівництвом протоколів високих рівнів. З цих причин розробка й стандартизація протоколів високих рівнів важлива для автомобільної промисловісті. Протоколи високих рівнів мають забезпечувати:
• надійні й ефективні процедури обміну довгими послідовностями даних;
Рисунок 6.17 - Спрощена модель ВОС
• незалежність програмного забезпечення додатків від конфігурації мережі й устаткування;

131
• зручність інтерфейсу для програміста. Семирівнева модель ВОС добре піжходить до великих комп'ютерів, і мереж, де не потрібні комунікації у часі. Для автомобілів ця модель спрощується до двох верхніх рівнів —прикладного й транспортного, як показано на рисунку 6.17. Прикладний рівень забезпечує інтерфейс для програміста, вирішує задачу по одержанні і посилці даних, необхідних при управлінні різними системами автомобіля. На транспортному рівні здійснюється розбирання і складання пакетів. Блок управління мережею і вузлами виробляє контроль мережі й вузлів, виявляє несправності, активізує мережу чи переводить її у неактивний режим. Цей блок взаємодіє безпосередньо з усіма рівнями мережевої моделі і додатком.
6.4.1 Транспортний рівень
Транспортний рівень має забезпечити передачу довільно довгих повідомлень між об'єктами прикладних рівнів.
► Якщо довжина повідомлення перевищує розмір кадру, який передався по комунікаційної шині, повідомлення поділяється на кілька пакетів. Повідомлення передається з прикладного рівня на транспортний, де поділяється на сегменти, відповідні розміру одного кадру. До кожного кадру транспортний рівень додає свою управляючу інформацію протоколу (PCI — protocol control information). Керуюча
інформація використовується транспортним рівнем на приймаючій стороні для відновлення вихідного повідомлення і передачі його приймаючому прикладному рівню. Керуюча інформація протоколу містить інформацію про число кадрів в вихідному повідомленні, номер поточного кадру у міжнародному сполученні, і необхідна щоб виявляти і виправляти помилки типу пропуску чи дублювання кадру.
► Керуюча інформація протоколів високого рівня зазвичай розміщається на полі даних кадру низького рівня (рисунок 6.18, а). У автомобільних мультиплексних системах іноді управляюча інформація протоколу розміщається в управляючому
(арбітражному) полі кадру низького рівня (рисунок 6.18, б). Ця технологія робить мультиплексну систему більш швидкодіючою, але збільшує залежність від протоколів низького рівня життя та застосовуваної апаратури.
Рисунок 6.18 – Управляючі поля кадру

132
Рисунок 6.19 – Підтвердження приймачем кадру
Рисунок 6.20 – Блоки кадрів Рисунок 6.21 – Блоки зменшення кадрів
► Механізм управління потоком повідомлень (трафіком) включає використання двох видів підтверджень:
• позитивне підтвердження АСК. (скорочення від acknowledge);
• негативне підтвердження NACK (скорочення від negative acknowledge).
Позитивне підтвердження сигналізує передавачц, що кадр було прийнято правильно і приймач готовий узяти наступний кадр. Позитивне підтвердження необхідно, коли передавачу невідома швидкість прийому повідомлень приймачем. Позитивне підтвердження може бути, наприклад, використано для синхронізації передачі між швидкодіючою і повільною шиною без буферировання. В цьому випадку швидкість обміну визначається можливостями повільної шини. У мережі можуть бути реалізовані режими, коли приймач квитирує (підтверджує) кожен ухвалений кадр (рисунок 6.19) чи блок кадрів (рисунок 6.20), що більш ефективно в смислі швидкодії мультиплексної системи. Негативне підтвердження видається приймачем до мережі, коли щось відбувається неправильно. Режим роботи з негативним підтвердженням може збільшити швидкодію мережі, бо за відсутності помилок число кадрів, переданих від передавача до приймача, а отже і час їх передачі зменшується (рисунок 6.21).
Насправді можна використовувати різні комбінації механізмів керування передаванням

133
даних у мережі.
► І приймач, і передавач може мати дані на виявлення й виправлення помилок.
Приклади помилок, які можна виявити:
• приймач недоотримав кадр у встановлений час;
• приймач отримав некоректний кадр, наприклад, не з тим номером
• приймач не закінчив обробку отриманого кадру, але готовий отримати наступний кадр;
• передавач не отримав позитивне підтвердження у визначений час. Коли передавальний об'єкт па транспортному рівні виявляє помилку, він може поступити так:
• повторити передачу кадру;
• повторити передачу всього повідомлення;
• припинити передачу і подати подальші дії додатку.
6.4.2 Прикладний рівень
Прикладний рівень являється необхідною платформою для створення додатків.
Він приховує деталі апаратури і мережеві конфігурації. На прикладному рівні створення додатків для мультиплексних і централізованих систем мало чим відрізняється. Додаток використовує дані і межахприкладного рівня і йому байдуже, локальні це дані чи отримані по комунікаційної шині.
► На прикладному рівні форматується кадр з такими даними з додатку:
• ім'я кадру та його ідентифікатор;
• місце розташування змінних (параметрів) у кадрі;
• формат уявлення параметрів;
• одиниця виміру параметра:
• припустимий діапазон значень;
• роздільна здатність;
• формула, яка перетворює числове значення у кадрі (N) в значення, яке має фізичний сенс
(Е). У таблиці 6.1 наведено приклад кадру
При декодуванні кадру даних потрібно визначити, чи допустиме отримане значення параметра чи ні (наприклад, при несправності датчика). Це робиться чи шляхом додавання в кадр спеціального поля, котрий фіксує достовірність/недостовірність значень параметрів, чи безпосереднім аналізом поточних

134
значень параметрів на приймаючій стороні.
► На прикладному рівні визначається, коли повідомлення має бути відправлено чи прийнято. Відправлення проводиться по часу, чи внаслідок обробки події. Подією може бути: зміна стану датчика, значення, що вийшло друком за поставлені межі; запит від іншого вузла тощо. Передача за часом ведеться для параметрів, які повинні бути доступні всій мультиплексній системі. Такі перемінні ділять на групи з різноманітною необхідною швидкістю відновлення і передачі значень. Під час прийому повідомлень на прикладному рівні, повідомлення розпаковується відповідно до прийнятого формату кадру, і дані передаються активному додатку.
► На прикладному рівні можна реалізувати кілька моделей взаємодії між вузлами.
У моделі із загальною пам'яттю обмін інформацією виробляється з допомогою операцій запису і читання. Дані відразу стають доступними для всіх процесів,які беруть участь.
У мультиплексній системі ніякої спільної пам’яті фізично немає, її створюють програмним забезпеченням прикладного рівня.
У моделі «клієнт — сервер» взаємодія між процесами здійснюється способом, коли деякий процес (сервер) здатний виконувати операції з запиту іншого процесу
(клієнта), розміщеного в іншому вузлі. Наприклад, при діагностиці сканер посилає через мережу запит ЕБУ і він получає у відповідь значення параметрів чи коди помилок.
6.4.3 Управління мережею (диспетчеризація)
Призначення управління (диспетчеризації) мережі — підтримувати її коректну
(штатну) роботу. При цьому мають здійснюватися обробка помилок, контроль конфігурації мережі й правильності її роботи, обмеження доступу й забезпечення збереження інформації у мережі. Для автомобільних систем найважливішими є обробка помилок, і контроль конфігурації. Від правильності реалізації диспетчерських функцій залежить здатність мережі протистояти відмовам. Диспетчеризація складається на локальному і мережному рівнях.
► Локальна диспетчеризація здійснюється на рівні вузлів. Виробляється конфігурування і ініціалізація вузлів, управління рівнями лише на рівні вузла, виявлення несправностей і прямих помилок. Для локального диспетчера не потрібно посилати будь-які повідомлення через мережу. При включенні вузла локальний диспетчер конфігурує канальний рівень, наприклад, в мікросхемі CAN. Після виявлення несправності диспетчер намагається перезапуститм і реконфігурувати канальний рівень. Перезапуск проводиться по різним алгоритмам, як показано на рисунку 6.22.
Рисунок 6.22 - Алгоритми перезапуску шини CAN
Диспетчеризація на мережному рівні забезпечує:
• визначення та контроль конфігурації мережі;
• включення мережі;

135
• перехід від неактивного до активного режиму і навпаки. Диспетчеризація виробляється централізовано чи децентралізованно. При централізованому підході один вузол виконує функції диспетчера мережі. На підвищення надійності системи має бути передбачений механізму передачі диспетчерських функцій іншому вузлу у відмові першого. При централізованому підході потрібно менше ресурсів, аніж за децентралізованому. При децентралізованому підході кожен вузол оснастили набором диспетчерських функцій.
Вузли постійно обмінюються спеціалізованою диспетчерською інформацією. Мережа виявляється здатною продовжувати роботу, з меншими можливостями, навіть при відмові кількох вузлів.
6.5 Протоколи низького рівня (шинні)
Ці протоколи ставляться до двох нижніх рівнів моделі ВОС: канального й фізичного (рисунок 6.23).
Рисунок 6.23 - Протокол низького рівня
На канальному рівні визначаються функції, необхідні для надійної й ефективної передачі між вузлами в одній й тій самій мережі. Це адресація, організація кадрів, виявлення помилок під час обміну даними у мережі. На фізичному рівні визначають електричні, механічні й інші фізичні характеристики інтерфейсу для підключення вузла у мережі. Розглядаються питання специфікації шинних з'єднувачів, мережевих адаптерів, кодування, синхронізації тощо. Різні додатки пред'являють різні вимоги на фізичному рівні, при цьому основними параметрами під час проектування є:
• швидкість і відстань від передачі даних по шині;
• надійність;
• електромагнітна сумісність;
• відповідність стандартам і рекомендованій практиці;
• шинна топологія.
Канал зв'язку (електричні дроти чи оптичні кабелі) перебуває нижче фізичного рівня життя і в модель ВОС не входить (рисунок 6.23). Прикладами протоколів низького рівня, розроблених спеціально для автомобільної промисловості, є: CAN
(controller area network — Bosch, Intel), VAN (vehicle area network — Renault, Peugeot),
VNP (vehicle network protocol -- Ford).

136
Рисунок 6.24 - Докладне уявлення нижніх рівні
У локальних мережах персональних комп'ютерів часто застосовується протокол
Ethernet, якого у автомобільних системах немає. При розгляді протоколів низького рівня канальний і фізичний рівні моделі ВОС додатково поділяються на підрівні, що дозволяє розглядати перебіг передвиборних процесів докладніше (рисунок 6.24).
6.5.1 Канал зв'язку
Канал зв'язку фізично з'єднує вузли, при обміні даними під час передачі сигналів електричним, оптичним або іншим методом. Нижче наводяться приклади реалізації каналів зв'язку в порядку зростання їх вартості:
• одиночний провід;
• два дроти;
• вита пара;
• екранована вита пара;
• коаксіальний кабель;
• оптичний кабель;
• інфрачервоне випромінювання;
• радіоканал.
Інфрачервоне випромінювання і радіоканал передачі даних із шини всередині автомобіля сьогодні не застосовуються. Пристрої з цими передаючими каналами використовують для обміну даними між автомобілем і довкіллям, наприклад: дистанційне відмикання замків на дверях, включення охоронної сигналізації, отримання дорожньої інформації, попередження про зіткнення тощо. Оптичні лінії зв'язку також пока що не знаходять застосування в автомобільних мультиплексних системах. Оптичні кабелі, здатні експлуатуватися в температурному режимі, характерному для автомобіля, коштують дорого, ще, з їх допомогою важко реалізувати мережі з шинною топологією (зіркоподібна чи кільцева топологія реалізується простіше). Сьогодні у автомобільних мультиплексних системах
інформація передається, зазвичай, дротами. Однопровідна схема використовується при низьких швидкостях обміну, трохи більше 10...20 Кбіт/сек. При більш високих швидкостях передачі застосовуються кручені пари і екранування, при цьому зменшується паразитне електромагнітне випромінювання. При високих швидкостях обміну й малій потужності

137
сигналу доцільне використання коаксіального кабелю. У цьому важливо враховувати удільні електричні характеристики каналу зв'язку, такі як: опір (Ом/м), згасання (dB/м), затримку поширення (нс/м), допустиму максимальну довжину лінії. Враховується також маршрут прокладки лінії зв'язку в автомобілі та максимальна довжина відводів до вузлів (для шинної топології).
Рисунок 6.25. Вартісні і експлуатаційні характеристики різних ліній зв'язку
6.5.2 Підрівні MDI і РМА
У автомобільних мультиплексних системах сигнали передаються на відносно високой частоті і мають малу потужність. З огляду на це для з'єднувачів важливими параметрами на підрівні MDI є перехідний опір контактів, максимальна частота каналізації, можливість підключення екрана. На підрівні РМА фізичного рівня визначаються характеристики шинних драйверів (формувачів) і приймачів. Ємність передавальної лінії і струмоформувальна здатність джерела сигналів обмежує довжину лінії, при якій можлива надійна передача. Так, ТТЛ-формувач може надійно працювати у лінії, довжина якої не перевищує 70см. Для розширення діапазону передачі використовуються спеціалізовані інтегральні мікросхеми — лінійні формувачі
(драйвери) і лінійні приймачі (мережні адаптери). Ці пристрої підключаються до лінії.
6.5.3 Сигнали на фізичному рівні (підрівень PLS)
На підрівні PLS розглядаються питання представлення бітів, синхронізації, двійкове кодування. Коли комп'ютери і термінали розділені великими відстанями, є економічно вигіднішим запровадити тимчасове настроювання в сам сигнал, замість того щоб використовувати окремий канал синхронізації. Тобто ми домовилися до поняття так званого самосинхронізуючого коду. З використанням кодів, які є самосинхронізованими, виникає проблема, яка полягає у тому, що синхросигнал і дані можуть змінитися, коли поширюються по окремим каналам. Синхросигнал пришвидшується чи сповільнюється щодо інформаційного сигналу, що означає, що у приймача виникають проблеми з настроюванням приймання інформаційного сигналу, його захопленням.

138
Рисунок 6.26 - Приклади кодування біта
Ідея у тому, щоб мати код до регулярних і частих змінах (переходів) рівнів сигналу в каналі. Переходи здійснюють поділ двійкових елементів даних (одиниць і нулів) в приймальнику, а логічні схеми постійно відстежують зміни стану для того, що виділяти одиниці, і нулі з потоку бітів з метою настройки. Стробування зазвичай виробляється приймачем з вищою швидкістю, ніж швидкість зміни даних, щоб точніше визначити елементи даних.
На рисунку 6.26 показані способи уявлення бітів в системах кодування, що застосовуються у мультиплексних мережах. Тут Т — час для подання одного біта.
Зауважимо, що реальні сигнали не є такими прямокутними, з крутими фронтами, як показано на рисунку 6.26. Для коду без повернення до нуля (NRZ-код) рівень сигналу є постійним для кожної послідовності однойменних бітів. І тут рівень сигналу залишається низьким для біта 0 зростає до деякого високого рівня напруги для біта 1 (у багатьох пристроях для 0 і 1 використовуються протилежні по полярності значення напруги). Код NRZ широко використовується для передачі даних внаслідок своєї відносної простоти і низької вартості. NRZ-код забезпечує дуже ефективне використання смуги частот, бо він може представляти біт для кожної зміни сигналу.
Проте його недоліком є відстуність здібності самосинхронізації, оскільки довгі серії одиниць і нулів які йдуть підряд, не призводять до змін стану сигналу в каналі. У результаті може відбутися неузгодженість (дрейф) таймера приймача стосовно поступаючого сигналу і невчасне опитування лінії, передавач і приймач можуть фактично втратити взаємну синхронізацію. NRZ-код може бути полярним і біполярним залежно від конкретної реалізації. Код з поверненням до нуля (RZ-код) передбачає, що у поданні кожного біта сигнал змінюється по один раз. Оскільки RZ-коди забезпечують зміну стану для кожного біта, ці коди мають дуже хороші властивості синхронізації. Основний недолік RZ-кода у тому, що він потребує двох переходів (змін) сигналу для кожного біта. Отже, RZ-код зажадає вдвічі більшої швидкості (в бодах) у порівнянні з звичайним кодом. Як приклад RZ-кодів малюнку 6.26 показані манчестерський код і широтноімпульсна модуляція. У автомобільній мультиплексній шині CAN використовується NRZ-код.
6.5.4 Управління доступом до середовища (підрівень MAC)
Локальні мережі звичайно є рівноранговими, тобто статус всіх вузлів однаковий, вони теж мають рівні права на доступ до мережі. З іншого боку, лише один вузол може

139
передавати дані до мережі у будь-який конкретний час. Необхідний механізм контролю за доступом до шини (середовища), що й реалізується на підрівні MAC. Метод доступу
CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection) — метод множинного доступу з контролем несучої і виявленням колізій. Коли той чи інший пристрій готовий до передачі даних в мережу, він видає на шину запит для перевірки того, чи не передаються вже через цю мережу будь-які дані. Якщо мережа зайнята, контролер чекає протягом деякого довільного інтервалу часу, щоб виконати ще одну спробу передати дані. Якщо лінія мережі досі зайнята, контролер чекатиме довше до наступної спроби. Оскільки кожний контролер у мережі чекає протягом довільного, випадково обраного інтервалу часу,є можливість того, що всі пристрої приймуть з шини призначені їм повідомлення, зростає. Щоб виключити зіткнення, контролер, передаючи дані, неперервно контролює стан шини. Якщо контролер виявляє, що у шині вже є дані, передані не ним, він доходить висновку, що зіткнення, швидше за все, вже сталося, і призупиняє передачу. Оскільки і той контролер, що передав дані, які визвали зіткнення, постійно запитує шину, він також припиняє передачу. Обидва контролера після цього очікують протягом довільного інтервалу часу, щоб спробувати знову передати весь блок даних. Обрана у випадковому порядку тривалість періоду очікування підвищить ймовірність те, що обидва контролера можуть передати дані через мережу без повторного зіткнення. Якщо воно все-таки відбувається, середня тривалість періоду очікування збільшується. Метод доступу CSMA/CD-A відрізняється від CSMA/CD наявністю арбітражу при колізіях, що використовують у CAN, VAN, VNP та інших автомобільних шинних протоколах. Кожен пакет даних, який рухається по мережі, постачається пріоритетом. Якщо декілька вузлів одночасно намагаються вести передачу даних, вузли, які передають дані з нижчими пріоритетами, знайдуть колізію і припинять передачу. Вузол, дані від якого мають найвищий пріоритет, продовжить передачу. Це обмежує максимальну довжину лінії для заданої швидкості передачі.
Наприклад, максимальна довжина електричної лінії для леалізації CAN-протокола зі швидкістю передачі 1 Мбіт/сек трохи більше 40 метрів. Обмін даними в автомобільних мультиплексних системах може здійснюватися по різних протоколах, які зведені в таблиці 6.2.

140

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   16

скачати