Интеллектуальные системы управления автомобилем. Ч. 2

передатчике), световоде (отсутствие света, или слабый световой поток на выходе световода) или принимающем блоке управления.

2.2. Передача данных

Определим данные как объекты, передающие смысл или информацию. Сигналы – это электромагнитное представление данных. Передача – процесс перемещения данных путем распространения сигналов по передающей среде и их обработки.

Понятия аналоговые и цифровые данные достаточно просты. Аналоговые данные принимают непрерывные значения из некоторого диапазона. Например, звуковые сигналы и видеосигналы представляют собой непрерывно изменяющиеся величины. Цифровые данные, напротив, принимают только дискретные значения; примеры – текст и целые числа.

Всистеме связи информация распространяется от одной точки

кдругой посредством электрических сигналов.

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывно изменяющуюся электромагнитную волну, которая может распространяться через множество сред, в зависимости от частоты; в качестве примеров таких сред можно назвать проводные линии, такие, как витая пара и коаксиальный кабель, оптоволокно; этот сигнал может также распространяться через атмосферу или космическое пространство

(рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Виды сигналов: а – аналоговый; б – цифровой

Цифровой сигнал представляет собой последовательность импульсов напряжения, которые могут передаваться по проводной

21

линии; при этом постоянный положительный уровень напряжения может использоваться для представления двоичного нуля, а постоянный отрицательный уровень – для представления двоичной еди-

ницы (рис. 2.2, б).

В беспроводной технологии используются цифровые данные и аналоговые сигналы, так как цифровые сигналы затухают сильнее, чем аналоговые.

По сравнению с аналоговой передачей данных, цифровую технологию связи между физическими величинами и цифровыми данными уже не так просто понять.

Физические величины превращаются в цифровое сообщение пошагово и сообщение состоит из 0 и 1 (рис. 2.3):

1.Преобразование физической величины в аналоговую физическую величину.

2.Преобразование аналоговой электрической величины в цифровое сообщение.

Рис. 2.3. Преобразование сигнала

Для отсылки цифрового сигнала необходимо наличие двух блоков управления. Первый блок управления образует цифровой сигнал из аналогового сигнала, что происходит в так называемых интеллектуальных или разумных датчиках. Второй блок управления перерабатывает информацию.

Преимуществом цифровых сообщений является:

1.Нечувствительность к электромагнитным помехам;

2.Через один проводник может отсылаться одно за другим несколько сообщений.

22

2.3. Способы передачи цифровых сообщений

Для передачи цифровых сообщений используются три различные физические величины и средства передачи данных:

–электрические сигналы напряжения в медных проводах;

–световые сигналы в световодах;

–электромагнитные волны в открытом пространстве.

Не имеет значения способ передачи данных. Однако высокая скорость передачи данных в медных проводах вызывает сильное электромагнитное излучение, которое может вызывать помехи при функционировании других систем автомобиля, например, при радиоприеме. С другой стороны, данные чувствительны к внешним электромагнитным волнам.

Световоды не испускают никаких электромагнитных импульсов и при одинаковой с медными проводниками ширине полосы частот, нуждаются в проводниках меньшего поперечного сечения. Это снижает вес встраиваемых линий проводки.

Сигналы, отсылаемые по световодам, являются оптическими сигналами (рис. 2.4). Эти сигналы можно сравнить с сигналами азбуки Морзе, отсылаемыми карманным электрическим фонариком на приемник. Символы состоят из понятного двоичного кода – свет ВКЛЮЧЕН или свет ВЫКЛЮЧЕН.

Из этих сигналов состоят совместимые протоколы сообщений.

Рис. 2.4. Передача сигнала по световоду

Далее данные обрабатываются в блоке управления электронным способом. Так как в электрической сети блоки управления перерабатывают электрические сигналы (напряжение), то эти сигналы

23

напряжений должны быть преобразованы в световые импульсы и обратно. Этот процесс происходит в оптроне (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Принцип работы оптопары

Суть процесса основана на том, что в светодиодах (LED – light emittering diode – диод, излучающий свет) электрическая энергия преобразуется в световую. В шине MOST красный свет используется чаще, чем инфракрасный.

Фотодиоды при попадании на них света уменьшают свое электрическое сопротивление и тем самым позволяют току течь. Если ток на фотодиоде повышается, то на сопротивлении происходит падение напряжения. Этот процесс позволяет превращать световой сигнал в сигнал напряжения.

К недостаткам такой передачи данных можно отнести следующие:

–при прокладке линий связи, световоды требуют более высоких затрат;

–наличие требуемого оптрона (оптопары), преобразующего электрические сигналы блока управления в оптические сигналы и обратно, ведет к повышению затрат на блоки управления.

Несущественно каким способом сигналы будут переданы. В случае шины МOST, наряду с оптическими существуют еще и электрические варианты.

2.4. Скорость передачи данных

Важным параметром передачи данных является скорость передачи – количество данных, которое может быть передано в секунду. Необходимая скорость передачи данных определяется в каждом конкретном случае.

Для передачи рисунков или звуков необходима очень высокая скорость передачи данных для того, чтобы блок-приемник мог вос-

24

производить чистый, без провалов и пустых мест рисунок и соответствующий ему звуковой сигнал.

При высокой скорости передачи данных, очень большое влияние на сами данные могут оказывать протекающие электромагнитные процессы.

Сигналы в световодах имеют некое преимущество, заключающееся в том, что с одной стороны – они не вызывают электромагнитных помех, а с другой стороны – сигналы нечувствительны к этим помехам.

Первые мультимедиасети, имеющие скорость передачи данных в несколько мБит/сек, могли быть созданы только на основе оптических линий связи. Но сегодня, например, в шине MOST50, скорость передачи данных достигает значения в 50 мБит/сек и электрическим способом. Однако, помехи, возникающие в автомобиле вследствие электромагнитных процессов, оказывают там такое большое влияние, что предпочтение отдаются исключительно оптическому способу передачи данных.

2.5. Кодирование информации

При обработке данных используется цифровой принцип преобразования информации. Так как система шины представляет собой систему обработки данных, то оптическая шина (например, шина MOST) может воспринимать только два значения:

значение «1» (называемое состоянием «ВКЛ»);

значение «0» (называемое состоянием «ВЫКЛ»).

Каждое отдельное значение состояния называется битом. Сообщение состоит из многих битов, которые в течение короткого промежутка времени отсылаются один за одним (например, 1001 0011). Этот битовый порядок принимается и оценивается всеми станциями, включенными в систему шины. Четыре бита образуют полубайт или тетраду. Последовательность из восьми битов называется байтом. Эти понятия в равной степени используются в компьютерной технике и технологии (например, килобайт, мегабит).

Кодирование – процесс представления информации в виде кода (представление символов одного алфавита символами другого; переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки).

25

Обратное преобразование называется декодированием. Кодирование текстовой информации с помощью байтов опира-

ется на несколько различных стандартов, но первоосновой для всех стал стандарт ASCII (American Standart Code for Information Interchange), разработанный в США в Национальном институте

ANSI (American National Standarts Institute). Стандартная часть дан-

ной таблицы приведена на рис. 2.6.

Здесь каждому символу соответствует образец из 8 бит. Сообщения составляются из отдельных сигналов подобно тому,

как буквы, следующие друг за другом, составляют слова, которые затем, по определенному образцу, создают предложения.

Современные компьютеры обрабатывают исключительно двоичные сигналы. Двоичные сигналы состоят из двух состояний или двух физических величин. Это могут быть, например:

свет ВКЛЮЧЕН или ВЫКЛЮЧЕН;

напряжение 0 В или 5 В.

Рис. 2.6. Таблица ASCII

26

Внутри компьютера или блока управления электрические сигналы перерабатываются, составляются по определенному образцу (коду) и, таким образом, образуют числа или приказы.

Подобно человеческому языку, перевод (кодирование и декодирование) чисел должен происходить согласно установленному образцу, называемому протоколом данных.

Блок управления шины MOST не может адекватно сообщаться с блоками управления D2B или ByteFlyte, так как они говорят на другом языке (имеют другой протокол) – даже в случае, если все три блока управления используют одну оптическую шину передачи данных для информационного обмена.

2.6. Виды оптических волноводов

Волокна из минерального стекла имеют меньшее демпфирова-

ние оптического сигнала, по сравнению с синтетическими волокнами. Однако они очень чувствительны к механическому воздействию, такому как изгиб и сжатие – минеральное стекло очень хрупко.

Путем уменьшения поперечного сечения световода едва ли можно уменьшить его ломкость, к тому же соединение оптоволоконных шин между собой связано с большими расходами.

Однако они применяются в тех случаях, когда необходимо передавать данные на большие расстояния, например, в системах телекоммуникаций.

Волокно из органических углеродных соединений. Органиче-

ские волокна обычно состоят из ПММК (полиметилметакрилата) (Polymethylmethacrylat). Из этого оптически высококачественного материала изготавливаются стекла для основных фар и заднего света автомобиля, а также для дисплеев мониторов.

Пластиковое оптическое волокно (POF – plastic optical fibre) по сравнению с минеральным стекловолокном имеет большее демпфирование сигнала, однако оно гораздо менее чувствительно к механическим нагрузкам.

Область применения таких волокон распространяется на сферы, где требуется гибкая проводка кабелей, при их сравнительно небольшой длине.

Преимущества пластиковых оптических волокон по сравнению с минеральными волокнами следующие:

27

–надежные, прочные;

–легкие, требуют немного места для размещения;

–небольшой радиус изгиба.

2.7. Процесс передачи света по оптоволокну

Конструкция световода представлена на рис. 2.7.

Световод состоит из жилы (core), которая сама, собственно, и является световодом. Вокруг жилы расположена отражающая оболочка (cladding). Оболочка, как и сама жила, является светопроводящей, однако, по сравнению с жилой, имеет более низкий показатель переломления. Свет проходит по жиле и на границе жилы с оболочкой полностью отражается. У пластикового оптического волокна (POF) оболочка часто состоит из фторированного полиметилметакрилата. Из-за влияний, испытываемых в ходе процесса производства, свойства фторидного слоя могут немного изменяться.

Рис. 2.7. Конструкция световода

Световод, состоящий из жилы и оболочки, окружен черным лаковым слоем. Этот слой защищает световод от влажности окружающей среды, которая может влиять на процессы переломления и отражения света в световоде. Кроме того, лаковый слой препятствует попаданию световых лучей извне на сами светопроводящие составляющие световода, которые могут вызывать помехи в процессе передачи данных.

28

Для защиты от механических воздействий, например, истирания слоя, световоды, используемые в автомобилях, дополнительно помещаются в пластиковую оболочку.

Если световые лучи на своем пути встречают пограничный слой между оптически плотным и более прозрачным материалом, то происходит частичное преломление света, т. е. возврат световых лучей.

Оптическая плотность материала выражается так называемым

показателем переломления или коэффициентом переломления.

При прохождении через среду с более высоким показателем преломления в среду с более низким, путь движения волн определяется углом падения относительно разделения двух материалов. Если угол падения превышает определенное значение (зависящее от показателя преломления двух материалов), он достигает точки, когда свет не преломляется в среду с более низким показателем.

Критический (или предельный) угол определяется как угол па-

дения, результирующий в угол рефракции. Другими словами, пока угол падения меньше критического, рефракция происходит, а когда он равен ему, то преломленный луч проходит вдоль места разделения двух материалов. Если угол падения превышает критический, то свет отражается обратно. Явление это носит название полного внутреннего отражения (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Полное внутренне отражение

Внутри оптоволоконного световода показатель преломления может изменяться.

29

Световоды в автомобиле, в большинстве своем, имеют ступен-

чатое изменение показателя преломления (рис. 2.9), т. е. оптово-

локно с постоянным показателем преломления покрыто оболочкой

снизким показателем преломления.

Вэтих волокнах на границе между волокном и оболочкой световой поток резко отклоняется. В точках отражения возникают относительно большие потери, ведущие к высокому демпфированию. Различная длина светового пути ведет к разности времени движения света. Следствием этого является ограничение скорости переноса данных.

Преимуществом оптического волокна со ступенчатым показателем преломления является его сравнительно низкая стоимость изготовления.

У градиентного оптического волокна (с плавным уменьшением показателя преломления от оси к периферии) показатель преломления при приближении к кромке постоянно уменьшается (рис. 2.9). Вследствие этого световой поток проходит по световоду в виде плоской волны и отражается на границе ядро/оболочка, почти не имея острых краев. Следствием этого является небольшое демпфирование света внутри волокна и выравнивание времени прохождения отдельных пучков света. Последнее допускает высокую скорость передачи данных. Градиентное оптоволокно имеет большую стоимость изготовления, чем волокно со ступенчатым показателем преломления.

Рис. 2.9. Оптоволокно со ступенчатым изменением показателя преломления и градиентное оптоволокно

30