Эйдинов / s03_34

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ».

Мультиплексные системы автомобилей

Соболев Д.С.

Тольяттинский государственный университет

Подсчитано, что за последние пять лет число опций в автомобиле, являющихся в большинстве своем потребителями электрической энергии, увеличилось вдвое. И произошло это вовсе не по прихоти автопроизводителей, а благодаря растущим потребностям покупателей в комфорте и законодательным требованиям к безопасности и охране окружающей среды. Все бы ничего, но возможности электрооборудования не безграничны. И если раньше конструкторы решали вопросы, в основном связанные с увеличением надежности, то сейчас приходится думать над созданием принципиально новых схем, которые либо изменят традиционную "архитектуру" электрики, либо позволят ей приспособиться к поступи научно-технического прогресса[6].

Использующаяся до сих пор однопроводная схема подразумевает, что отрицательные выводы всех потребителей электроэнергии соединяются с "массой" - кузовом и другими металлическими частями автомобиля, которые выступают в роли второго, минусового провода. Однако когда общая длина реальных проводов, подключенных от потребителей к плюсу генератора, достигла полукилометра, а их вес приблизился к центнеру, выяснилось, что однопроводная схема не столь уж и хороша, какой казалось прежде. Поэтому появилась мультиплексная проводка, а с ней - шина CAN (от Controller Area Network), которую при традиционном сохранении минуса на "массе" применяют вместо "растолстевших" жгутов старой схемы на современных моделях машин, насыщенных электроприводами и электронными блоками. В шине CAN всего два провода. Первый выполняет те же функции, что возложены на многожильные кабели обычной бортовой сети, являясь питающим для группы потребителей. Второй провод - информационный, по нему передаются цифровые команды от бортового компьютера на включение того или иного устройства. Хотя потребителей пришлось оснащать декодерами, распознающими свои команды среди разнообразных сигналов, идущих по CAN-шине, а в автомобиле используются несколько мультиплексных поясов, такая проводка весит почти на 40 кг меньше[9].

Кроме того, с 2008 г. ко всем автомобилям, попадающим на американский рынок, будет предъявляться требование: обязательное взаимодействие электроники по CANшине. Это подразумевает под собой то, что все кто хочет продавать машины в Америке, должны выполнять эти требования и инсталлировать в оснащение транспортных средств CAN-коммуникацию[7].

Понятие об автомобильных мультиплексных системах

Мультиплексная проводка – это проводка с цифровой шиной данных, где используется цифровая связь между узлами и блоками управления. Сеть связи соединяет между собой множество модулей управления. Ее еще называют шинной системой связи. По сети связи модули управления имеют возможность обмениваться друг с другом информацией в цифровой форме. Для этого необходимо, чтобы все модули строили общение по одним правилам, то есть "говорили" на одном языке. Такой язык называется протоколом и заложен в программное обеспечение абонентов, то есть подключенных к шине модулей. В случае мультиплексной проводки необходимо лишь два провода: силовой и управляющий. Первый, достаточно толстый, должен иметь необходимое сечение, чтобы его пропускной способности хватило на питание сразу всех потребителей, второй - тонкий и служит для передачи сигнала от одного контроллера к другому.

тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ».

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ».

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.

3 В некоторых случаях электронная схема узла должна постоянно считывать состояние управляющего ключа, даже когда большая часть электрооборудования обесточена. Например, положение ключа центрального замка дверей должно определяться и при парковке, когда многие системы выключены из соображений энергосбережения[1].

Рисунок 1 - CAN

Усложнение бортовой электронной сети современного автомобиля, увеличение количества исполнительных и управляющих устройств, всевозможных датчиков, контроллеров и, как следствие, объемов информационного обмена между ними привело к необходимости создания новой высокотехнологичной коммуникационной сети. Ею стала CAN-шина, обмен данными по ней осуществляется практически на всех новых машинах[8].

Все началось где-то около 20 лет назад, когда компаниями BOSCH и INTEL был разработан сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. CAN-шина — это двухпроводная, последовательная, асинхронная шина с равноправными узлами и подавлением синфазных помех, с хорошим соотношением «цена/производительность».

Первое применение коммуникация нашла в промышленных и индустриальных сетях (где очень хорошо себя зарекомендовала), после чего «плавно перетекла» в

тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ».

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ».

автомобилестроение. Это было не удивительно, ведь CAN характеризуется высокой скоростью передачи, высокой помехоустойчивостью и способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. CAN оказалась идеальным решением для любого приложения, где микроконтроллеры обмениваются сообщениями друг с другом и с удаленными периферийными устройствами. По сути CAN — это фактически Ethernet: шина очень многое наследует от локальных компьютерных сетей, но только в несколько урезанном виде. Урезанном, потому что некоторые функции ей, в общем-то, ни к чему — во главу угла прежде всего ставится высокая скорость и помехозащищенность.

CAN-шина построена на технологии «витая пара — Twisted Pair» (два провода – Can-High и Can-Low). А как известно, помехозащищенность витой пары в разы больше одиночного провода. По этим проводам производится обмен данными между блоками управления. Они могут нести любую информацию, определенную автопроизводителем, причем скорость передачи этой информации может достигать 1 Мбит/с при высочайшей степени надежности прохождения сигнала.

Рисунок 2 - График уровней сигналов в CAN шине

В статическом состоянии дифференциальные сигнальные линии находятся под потенциалом, приблизительно равным 2,5 V (максимальное напряжение по шине CAN — 5 V). Такое состояние называется рецессивным и соответствует «1». В доминантном состоянии, когда линии Can-Low и Can-High расходятся, мы получаем «0». Это позволяет контроллеру, считывающему сигнал, всегда знать, где единичка, а где нолик (доминантный бит «0» подавляет рецессивный бит «1»).

Подключение модулей электронной системы автомобиля к шине происходит посредством специального устройства — трансивера, основной элемент которого представляет собой дифференциальный усилитель. По сути, это приемопередатчик сигналов, установленный на входе. После обработки поступивших с линий Can-High и Can-Low сигналов он передает их непосредственно электронному модулю автомобиля. Дифференциальный усилитель формирует выходное напряжение как разность между напряжениями на проводах High и Low шины CAN. Таким образом, исключается влияние величины базового напряжения (напряжения в рецессивном состоянии) или какого-либо иного напряжения, вызванного, например, внешними помехами. Также на конечных узлах шины предусмотрены «терминаторы» — сопротивления порядка 75 Ом, для того чтобы гасить сигнал, потому что на такой скорости передачи отражение сигнала от конца провода очень сильно влияет на стабильность сигнала[8].

Наиболее известные топологии, т.е. схемы соединения узлов сети: звезда, кольцо и

цепь.

Рисунок 3 - Топологии шинной системы

тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ».

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ».

Классы мультиплексных систем

На сегодняшний день мы можем говорить о трех классах, или разновидностях, шины, определяемых выполняемыми функциями.

CAN Class C — это шина силового агрегата и систем активной безопастности. Это самый быстрый канал со скоростью передачи данных 500 кбит/с, служащий для связи между главными блоками управления (двигатель — трансмиссия — ABS — системы безопасности). Именно здесь нам важна скорость реагирования, способность мгновенно обрабатывать колоссальные объемы информации.

CAN Class В служит для связи менее значимых модулей и блоков, входящих в состав систем климат-контроля или, например, кузовной электроники. В данном случае скорость передачи уже не играет такой роли, да и объемы передаваемых данных не столь значительны, поэтому по CAN Class В информация передается со скоростью до 100 кбит/с.

Ну а к CAN Class А относятся совсем малозначительные блоки, поскольку скорость передачи составляет «всего» до 10 кбит/с.

Диагностика по CAN

Появление CAN значительно упростило работу мастеров. Если автомобиль подразумевает диагностику по CAN-шине, то обслужить его куда легче. Почему? Да потому, что раньше для каждого блока электронной системы требовался отдельный контакт, а теперь все модули объединены единой шиной, и стоит только подключиться к разъему, как вы сразу же видите всю картину. О возможности диагностики по CAN говорит присутствие «ножек» в разъеме на соответствующих позициях. На выходе только два контакта — Can-high и Can-Low, коммутация с которыми обеспечивает получение информации о каждом из имеющихся блоков. Тестер становится равнозначным участником обмена данными по шине и потому получает объективные сведения о состоянии каждого конкретного устройства.

Хотя сам по себе CAN не расширил, скажем так, поле зрения диагноста. Количество получаемых данных, количество считываемых ошибок осталось тем же самым. Можно привести отличный пример: две одинаковые машины с одинаковым двигателем, с одинаковой периферией, но из них одна может диагностироваться по CAN, а другая не может. Так вот, набор снятых с них данных, скорее всего, будет идентичным.

Возможности при использовании шины

Во-первых, скорости свыше 125 килобит в секунду. Во-вторых, уменьшение количества проводки.

В-третьих, объединение всей электроники без прежних проблем.

В-четвертых, если в автомобиле предусмотрена возможность диагностики по CAN, то мы получаем вдобавок единый разъем для диагностики и ее высокую скорость.

В-пятых, вместе с самой шиной у нее появилась и система самодиагностики.

Заключение

Ввиду постоянно растущих в автомобиле потребителей электроэнергии в связи с потребностями покупателей в комфорте, государственными требованиями к безопасности и охране окружающей среды, унифицированными требованиями постепенно появляется необходимость внедрения новой «архитектуры» электрики в автомобилях для

тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ».

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ».

уменьшения количества проводки и появления новых возможностей. По их наличию и наличию достоинств актуальным является вопрос внедрения мультиплексных систем в автомобили.

Литература

1 Сосин Д. А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. – М.:

СОЛОН-Пресс, 2005. – 240 с.: ил.

2Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 440 с.: ил.

3Акимов С.В., Боровских Ю.И., Чижков Ю.П. Электрическое и

электронное оборудование автомобилей. – М.: Машиностроение,1988. – 276 с 4 Чижков Ю.П., Акимов С.В. Электрооборудование автомобилей. Учебник для

ВУЗов.- М.: Издательство «За рулем», 1999.- 384 с., ил

6Интернет сайт http://www.autoprospect.ru/

7Интернет сайт http://www.compitech.ru/

8Интернет сайт http://www.remontauto.ru/

9Интернет сайт http://www.texhopolis.ru/

тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ».