На рисунке 2.3.1а и 2.3.1б схематично изображены алгоритмы работы пере датчика и приемника при использовании динамического кода Keeloq. При нажатии кнопки брелока (передатчика) его микросхема переходит из режима ожидания в рабочий режим. Запускается 16разрядный синхронизирующий счетчик, генератор динамического кода вырабатывает по определенному алгоритму динамический код (2832 бит) в зависимости от значения секретного ключа (статический код) и состояния синхронизирующего счетчика. Динамический код, заводской номер брелка и код нажатой клавиши образуют управляющее слово длиною 6070 бит, которое передается приемнику по радиоканалу или иным способом. Если брелок зарегистрирован в данном приемнике, т.е. его идентификационный номер, секретный код, состояние синхронизирующего счетчика помещены в постоянное программируемое запоминающее устройство (EEPROM) приемника, принятая информация идентифицируется по номеру брелка и обрабатывается. Синхронизирующий счетчик приемника запускается и в генераторе приемника вырабатывается динамический код. Если динамические коды приемника и передатчика совпадают, производится выполнение переданной команды.



Рисунок 2.3.1а Алгоритм работы передатчика

Рисунок 2.3.1б Алгоримт работы приемника

Заводской номер передатчика и секретный ключ статические коды. Генератор динамического кода, тактируемый от 16разрядного синхронизирующего счетчика, вырабатывает 65 535 различных значений кода, меняющихся в каждой посылке, повторяющихся циклически. Если пользоваться брелком по 50 раз в день, повторение кода произойдет через 1310 суток. Системы дистанционного управления на основе динамического кода являются криптографическими. Защита автомобиля от вскрытия зависит от кодовой длины секретного ключа, т.е. от числа его возможных состояний. В современных противоугонных системах часто применяются специализированные микросхемы фирмы Microchip, реализующие алгоритм генерации псевдослучайной последовательности (динамического кода) Keeloq с длиной ключа 64 бита. Код Keeloq представляет собой двоичную псевдослучайную последовательность с периодом 26 4 1 бит. Для идентификации пере датчика используются блоки длиной 32 бита. Уникальный для каждого передатчика 64битовый ключ - это начальное состояние сдвигающего регистра генератора псевдослучайной последовательности. Стандартный формат кода Keeloq имеет вид, представленный на рисунке 2.3.1в.

Рисунок 2.3.1в Стандартный формат кода Keeloq

При данном формате кода Keeloq открыто передаются: 28 бит серийного номера передатчика, который должен быть уникальным для каждого выпускаемого производителем передатчика. Этот номер является первичной информацией для распознавания передатчика в приемнике устройства дистанционного управления. Как правило, он используется при формировании ключа кодирования для данного передатчика. Кроме того, в более секретных устройствах управления такой номер может передаваться в закодированном виде (EnvelopeCode) для исключения возможности применения различных кодграбберов;

4 бита кода команды (номер кнопки);

2 бита состояния источника питания передатчика и признака повтора посылки. Собственно алгоритм Keeloq используется для кодирования следующих 32 бит данных: 4 бита команды (номер кнопки);

12 бит значения дискриминанта - секретного слова, которое может задаваться для каждой группы устройств, выпускаемых производителем;

16 бит счетчика синхронизации передаваемых посылок, обеспечивающих правильную работу декодера на приемной стороне. На практике возможны случайные нажатия кнопок брелка, ведущие к рассинхронизации приемника и передатчика. В этом случае приемник начинает процедуру ресинхронизации, т.е. инкрементирует синхронизирующий счетчик и дешифрует сообщение с помощью соответствующих состояниям синхронизирующего счетчика и секретного ключа последовательностей, пока дискриминационное слово не дешифруется правильно. Далее реализуется алгоритм синхронизации приемника и передатчика»[3].

2.3.2 Системы бортовой самодиагностики автомобиля

«Сегодня многие легковые и грузовые автомобили оборудованы системами бортовой диагностики. В 1970хначале 1980х годов производители начали использовать электронные системы управления двигателем и диагностики двигателя. Причиной этого стало ужесточение требований стандартов ЕРА (EnvironmentalProtectionAgency- Агентство по защите окружающей среды при Правительстве США) по выбросам в атмосферу. Со временем системы бортовой диагностики развились в сложные системы. OBDII (OnBoardDiagnosticП система бортовой самодиагностики, версия II) но вый стандарт, разработанный в середине 1990х годов, предоставляет полный контроль за двигателем, позволяет проводить мониторинг частей кузова и дополнительных устройств, а также диагностирует сеть управления автомобилем. Разработка требований и рекомендаций по стандарту OBDII велась под эгидой ЕРА при участии CARB (CaliforniaAirResourcerBoard- Калифорнийский совет по ресурсам атмосферы) и SAE (SocietyofAutomotiveEngineers- Международное общество авто мобильных инженеров). Стандарт OBDII предусматривает более точное управление двигателем, трансмиссией, каталитическим нейтрализатором и т.д. Доступ к системной информации бортового ЭБУ можно осуществлять не только специализированными, но и универсальными сканерами. С 1996 года все продаваемые в США автомобили стали соответствовать требованиям OBDII. В

Европе аналогичные документы традиционно принимаются с запаздыванием по отношению к США. Аналогичные правила EOBD (EuropeanOnBoardDiagnostic) вступили в силу с 1 января 2000 года. С применением стандартов EOBD и OBDII процесс диагностики электронных систем автомобиля унифицируется, теперь можно один и тот же сканер без специальных адаптеров использовать для тестирования автомобилей всех марок.

Система OBDII предназначена для контроля за исправностью систем и компонентов автомобиля, влияющих на качество эмиссии (выхлопа): топливной системы; системы зажигания; системы рециркуляции отработавших газов; системы улавливания паров бензина; датчиков кислорода; нагревателей датчиков кислорода; катализаторов; нагревателей катализаторов; системы вторичного воздухозабора. Состояние системы поддержания требуемого состава смеси и пропуски сгорания смеси контролируются постоянно, другие системы и компоненты автомобиля тестируются 1 раз за по ездку автомобиля (DriveCycle). В случае определения неисправности система самодиагностики OBDII сохраняет код ошибки в памяти ЭБУ и зажигает индикатор ошибок (MIL -MalfunctionIndicatorLamp, CheckEngine или просто Check). При помощи про граммы OBDII можно считать ошибки и найти причину неисправности. Кроме считывания кодов ошибок программа позволяет: стирать ошибки; просматривать зафиксированные параметры (freezeframedata); контролировать состояние топливной системы (открыта/закрыта); контролировать работу датчиков кислорода; просматривать параметры работы системы в режиме реального времени (datastream); просматривать результаты тестов самодиагностики; считывать идентификационные данные ЭБУ.

В рамках OBDII используются пять протоколов обмена данными: ISO 9141, ISO 14230 (второе название - KWP2000), PWM, VPW и CAN. Каждый из протоколов имеет несколько разновидностей, отличающихся по скорости обмена информацией и другим признакам.

Общим признаком того, что автомобиль поддерживает OBDII диагностику, является наличие 16контактного диагностического разъема (DLC -DiagnosticLinkConnector) трапециевидной формы (рисунок 2.3.2). На подавляющем большинстве автомобилей он находится под приборной панелью со стороны водителя; разъем может быть как открыт, так и закрыт легко снимаемой крышкой с надписями «OBDII», «Diagnose» и т.п. Для оценки применимости того или иного сканера для диагностики конкретного автомобиля необходимо определить тип OBDII протокола, используемого на данном автомобиле (если OBDII во обще поддерживается). Для этого нужно осмотреть диагностический разъем и определить наличие выводов в нем (как правило, присутствует только часть задействованных выводов, а каждый протокол использует свои выводы разъема).

Рисунок 2.3.2 Диагностический разъем OBDII



Назначение выводов («распиновка») 16контактного диагностического разъема OBDII:

02J1850Bus+;

04 Chassis Ground;

05 Signal Ground;

06 CAN High (J2284);

07ISO 91412 KLine;

10J1850 Bus;

14 CAN Low (J2284);

15ISO91412 LLine;

16 Battery Power (напряжениеАКБ).

По наличию выводов можно ориентировочно судить об используемом протоколе(таблица 2.3.2):

Таблица 2.3.2 Стандарты диагностического разъема OBDII.

Стандарт	Pin 2	Pin 7	Pin 10	Pin 15
ISO9141 и ISO14230		Должен присутствовать		Должен присутствовать (если автомобиль использует Lлинию диагностики)
PWM (J1850)	Должен присутствовать		Должен присутствовать
VPW (J1850)	Должен присутствовать

протокол ISO91412 идентифицируется наличием контакта 7 и отсутствием контактов 2 и/или 10 в диагностическом разъеме (Kline). Используемые выводы: 4, 5, 7, 15 (может не быть), 16;

SAE J1850 VPW (VariablePulseWidthModulation) использует выводы: 2, 4, 5, 16 (без 10);

SAE J1850 PWM (Pulse Width Modulation) используетвыводы: 2,4,5,10,16.

Протоколы PWM, VPW идентифицируются отсутствием кон такта 7 в диагностическом разъеме.

Основная часть автомобилей использует протоколы ISO, исключения составляют:

большая часть легковых автомобилей и легких грузовиков концерна GeneralMotors, использующих протокол SAE Л 850 VPW;

большая часть автомобилей Ford, использующих протокол J1850PWM и другие.

Световой индикатор наличия неисправности CheckEngine, расположенный на приборном щитке (на некоторых моделях специальные светодиоды, расположенные непосредственно на устройствах управления), загорается при включении зажигания и гаснет через некоторое время после запуска двигателя. Если при самодиагностике обнаружатся неисправности компонентов, под лежащих диагностике, то индикатор не погаснет. В случае возникновения некоторых неисправностей во время движения индикатор также загорится, причем при однократной незначительной неисправности он может погаснуть (сохранив ошибку в памяти для последующего считывания), но если индикатор продолжает гореть, то не удастся избежать немедленной остановки, более глубокой диагностики и ремонта.

Сохраненные в памяти коды ошибок считываются специальным прибором (сканером) или вручную при помощи определенной процедуры, которая вводит ЭБУ в режим индикации кодов само диагностики. После их изучения и анализа дополнительных данных оператором принимается решение о последующих мероприятиях.

В настоящее время доступно большое количество различных сканеров с невысокой стоимостью, что предоставляет возможность владельцу автомобиля обнаружить и устранить неисправности собственными силами. Сканеры это действительно мощный инструмент, позволяющий с применением соответствующего программного обеспечения быстро и устойчиво установить связь с бортовым устройством и автоматически получить информацию. Возможно также, при подключении к диагностическому разъему, получать данные во время движения автомобиля. Подключение к ноутбуку (через адаптер) позволяет использовать дополнительную память, получать и обрабатывать информацию с использованием различных графических приложений» [4].

2.3.3 Климатконтроль

Система климатконтроля обеспечивает полностью автоматическое и эффективное управление климатом в салоне автомобиля. Основным ее элементом на автомобиле является блок отопителякондиционера. Именно в нем холодный воздух превращается в теплый и наоборот, а в конструкции и принципах управления этим блоком заключены основные различия между климатическими установками различного типа. Пользователь системы климат контроля избавлен от необходимости двигать рычаги заслонок ему нужно лишь задать желаемую температуру. Микропроцессорное устройство, ориентируясь на информацию, приходящую от различных датчиков (температурных, а в некоторых системах и датчиков уровня солнечной радиации), автоматически выбирает, устанавливает и поддерживает нужные режимы независимо от внешней температуры и погодных условий.

2.3.4 Круизконтроль

Круизконтроль - это система управления скоростью автомобиля. Она получает сигнал от положения педали управления подачей топлива и поддерживает заданную водителем скорость вне зависимости от погодных и дорожных условий. Система имеет обратную связь, при помощи которой производится сравнение заданной и действительной скоростей движения. Когда блок сравнения обнаруживает различие между ними, он формирует сигнал для открытия или закрытия дроссельной заслонки.

Нестабильность скорости движения автомобиля уменьшается за счет включения специального блока задержки сигналов. Установленный на педали тормоза выключатель гарантирует мгновенное отключение системы. На некоторых моделях выключатель установлен и на педали сцепления во избежание перегазовки двигателя при переключении передач.

Адаптивный круизконтроль (АСС AdaptiveCruiseControl) - усовершенствованная система круизконтроля, которая может автоматически поддерживать не только скорость, но и безопасную дистанцию до впереди идущего автомобиля. С помощью встроенных в переднюю часть машины радаров, система измеряет расстояние до находящегося впереди автомобиля и в случае сокращения дистанции сбавляет скорость, а при необходимости слегка притормаживает машину. Как только расстояние увеличивается, автомобиль опять набирает заданную скорость. Если расстояние до препятствия сокращается очень быстро, система звуковым сигналом сообщает водителю о необходимости принудительного торможения.

Радиолокационный контроль дороги основан на эффекте Доплера. Приемопередатчик, встроенный в переднюю часть автомобиля, непрерывно испускает радиоволны. При отражении эти волны возвращаются и улавливаются приемным устройством. По изменению частоты сигнала определяются расстояние до препятствия и относительная скорость движения автомобиля.

2.3.5 Бортовой компьютер

В последние годы в связи со значительным снижением стоимости микропроцессоров компьютерная техника все шире внедряется в автомобилестроение, и бортовой компьютер становится обычным оборудованием автомобиля.

Типичный бортовой компьютер может давать следующую информацию:

дату и время;

мгновенный расход топлива;

средний расход топлива;

стоимость топлива на километр (или милю) пробега;

ожидаемое время прибытия в пункт назначения;

ожидаемый пробег на оставшемся топливе;

количество израсходованного топлива;

температура наружного воздуха;

пройденный путь.

Для расчета компьютером некоторых параметров водитель должен перед выездом ввести в него исходные данные, после чего компьютер сможет давать указанную выше информацию при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления. Для отображения информации все чаще применяются цветные жидкокристаллические дисплеи.

2.4 Автомобильные мультиплексные системы передачи информации

«За последние двадцать лет возросла сложность автомобильной электропроводки. Сегодня разработка и изготовление автомобильного жгута проводов является проблемой изза 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 двигателем;

антиблокировочные системы;

управление коробкой передач;

управление клапанами;

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.

Термин «мультиплексный» широко используется в автомобильной промышленности. Обычно его относят к последовательным каналам передачи данных между различными электронными устройствами автомобиля. Несколько проводов, по которым пере даются управляющие сигналы, заменяются шиной для обмена данными. Уменьшение количества проводов в электропроводке автомобиля одна из причин разработки мультиплексных систем. Другая причина необходимость объединения в ЛВС контроллеров различных ЭБУ для эффективной работы и диагностики.

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. Любая промышленная сеть, в том числе автомобильная, представляет собой совокупность датчиков, исполнительных механизмов, вычислительных устройств и органов управления, объединенных системой передачи данных и взаимодействующих по правилам, задаваемым протоколом. Протокол центральный элемент, определяющий характеристики и возможности связанных им систем.

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»[4].

Система управления курсовой во время работы

Таблица 2.4 Классификация автомобильных сетей

Класс сети	Скорость передачи	Область применения данных
A	10 кбит/с	Системы комфорта
B	10125 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 «звезда» есть центральный узел, связанный с каждым устройством системы отдельным каналом связи, т.е. для связи двух или более таких устройств необходимо, чтобы информация прошла через «центр». Плюс у схемы один простота протоколов обмена информацией, недостатков, к сожалению, гораздо больше, и они явно перекрывают этот плюс. В их числе: большое время задержки и значительное число проводов; ограниченное число коммутируемых устройств; низкая надежность изза наличия цен трального узла. Схема используется редко.

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 [4].

«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/CDA к сети с равноранговыми узлами. Пакет данных имеет размер не более 8 байт и передается по последовательной шине, 15битовый циклический контроль избыточности обеспечивает высокий уровень целостности данных. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CANконтроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU) (рисунок 2.4б).

Система управления курсовой устойчивостью автомобиля

Система управления курсовой устойчивостью автомобиля (англ. VehicleDinamicControl, VDC) представляет собой систему с обрат ной связью, которая позволяет сохранить курсовую устойчивость во время движения автомобиля. Она объединена с тормозной системой и силовой передачей. Система VDC упреждает опережение или запаздывание поворота автомобиля во время управления им. Преимущества ABS и ASR развиваются системой VDC за счет повышения активной безопасности движения во время управления автомобилем по следующим пунктам:

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

Используемый в настоящее время протокол CAN версии v2.0 состоит из двух частей: версия v2.0A со стандартным форматом кадра и v2.0B с расширенным форматом кадра. Версия v2.0A идентична предыдущей версии vl.2 и использует 11битовое поле идентификатора. В версии v2.0B поле идентификатора 29 бит. Расширенный формат кадра необходим для совместимости с существующим коммуникационным протоколом Л 850. Функции протокола CAN реализуются в микропроцессоре со встроенным контроллером CAN. Первыми на рынке появились контроллеры CAN с внешними драйверами для шины. В настоящее время про изводятся несколько типов CANконтроллеров, которые можно разделить на три группы в зависимости от поддержки ими расширенного формата кадра:

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 CANконтроллер имеет некоторое количество (обычно 14) специализированных буферов для временного хранения сообщений. При инициализации CANконтроллера можно сконфигурировать его, указав, какой кадр будет поступать в какой буфер.

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).

В настоящее время действующей спецификацией для протокола CAN служит «СAN Specificationversion 2,0», состоящая из двух частей: А и В, первая описывает обмен данными по сети с использованием 11битного идентификатора, а вторая 29битного. Если узел CAN поддерживает обмен данными только с использованием 11битного идентификатора, не выдавая при этом ошибки наоб мен данными с использованием 29битного идентификатора, то его обозначают «CAN2.0A Active, CAN2.0B Passive»; если с ис пользованием и 11битного, и 29битного идентификаторов то «CAN2.0B Active».

Существуют также узлы, которые поддерживают обмен данными с использованием только 11битного идентификатора, а при обнаружении в сети данных с 29битным 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.).

Сеть CAN состоит из узлов с собственными тактовыми генераторами. Любой ее узел посылает сообщение всем системам, подсоединенным к шине, а получатели решают, относится ли данное сообщение к ним. Для этого предусмотрена аппаратная реализация фильтрации сообщений. Протокол CAN обладает исключительно развитой системой обнаружения ошибок и сигнализации о них, включающей поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверку пакета со общений CRCполиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение верного приема пакета данных. В итоге общая вероятность не нахождения ошибки не превышает 4,7 * 1011. Кроме того, имеющаяся система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при «столкновениях» на шине.

Поле арбитража CANкадра (поле идентификатора сообщений) используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража.

Суть метода не деструктивного 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

Как было сказано выше, поле идентификатора сообщений составляет 11 или 29 бит. Возможны два основных способа работы протокола: по событиям и временным меткам. В CAN реализован именно первый способ. Однако ЕС одновременно финансировал и программу исследования по второму способу коммуникационному протоколу для высоконадежных приложений ТТР («временно-пусковой» протокол).

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. Система управления курсовой устойчивостью автомобиля

Система управления курсовой устойчивостью автомобиля (англ. VehicleDinamicControl, VDC) представляет собой систему с обрат ной связью, которая позволяет сохранить курсовую устойчивость во время движения автомобиля. Она объединена с тормозной системой и силовой передачей. Система VDC упреждает опережение или запаздывание поворота автомобиля во время управления им. Преимущества ABS и ASR развиваются системой VDC за счет повышения активной безопасности движения во время управления автомобилем по следующим пунктам:

обеспечение водителя активной помощью даже в критических динамических ситуациях;

увеличение курсовой устойчивости автомобиля даже при пре дельно сложных условиях дорожного движения для всех режимов эксплуатации, таких как полное или частичное торможение, движение накатом, разгон, торможение двигателем, изменение нагрузок;

повышение устойчивости движения даже во время экстремальных маневров управления (аварийная ситуация);

улучшение управляемости при предельно сложных условиях дорожного движения;

лучшее использование потенциала сцепления между шинами и дорожным покрытием в зависимости от условий движения по сравнению с ABS и ASR.

На характеристику рулевого управления автомобиля можно по влиять посредством скольжения шин. В системе VDC эта характеристика шин используется в целях внедрения сервоуправления.

Система VDC управляет не только скоростью вокруг вертикальной оси, но и курсовым углом. VDC не ограничивается ре жимами работы систем ABS и ASR, но также распространяется на режим движения автомобиля накатом и приводится в действие во время частичного торможения на пределе возможности управления автомобилем. Управление автомобилем на пределе физических возможностей должно учитывать три степени свободы автомобиля на плоскости дороги (продольная и поперечная составляющие движения и поворот относительно вертикальной оси). Первоначально необходимо определить, как правильно должен вести себя автомобиль в соответствии с действиями водителя (номинальное поведение) и как он фактически себя ведет на дороге (действительное поведение). В целях минимизации разницы между номинальным и действительным поведением, силы действия на шину должны управляться исполнительными механизмами.

«Оцениваются сигналы от датчика положения рулевого колеса, датчика давления в тормозной системе и органов управления работой двигателя. Помимо скорости движения автомобиля вычисляются также необходимые характеристики коэффициентов сцепления между шинами и дорожным покрытием. Эти параметры оцениваются на основе сигналов, получаемых от датчиков скорости вращения колес, поперечного ускорения, угловой скорости относительно вертикальной оси и давления в тормозной системе. Затем рассчитывается момент относительно вертикальной оси, который нужен для приближенного приведения параметров действительно го состояния к параметрам требуемого состояния. В целях получения требуемого момента рыскания необходимо, чтобы изменения в величинах относительного скольжения колес определялись по средством контроллера VDC. Затем эти величины устанавливаются с использованием контроллеров скольжения и тягового усилия с помощью исполнительного механизма гидравлической тормозной системы (модулятора давления) и электронного блока управления тягой двигателя. В данной системе применяется метод последовательных приближений компонентов ABS и ASR. Гидравлический модулятор с расширенными функциями ASR допускает высокий уровень динамического торможения всех колес при любых существующих температурах и в то же время надежно поддерживает необходимое разделение тормозных контуров. Необходимый крутящий момент двигателя может быть установлен посредством управления работой двигателя через интерфейс CAN. Далее рассмотрим, как ведет себя автомобиль во время работы Система управления курсовой устойчивостью автомобиля

Система управления курсовой устойчивостью

Рисунок 2.4е Подключение драйвера к шине



Когда логический уровень сигнала на входе Тх «1», оба транзистора в выходном каскаде закрыты, выход драйвера находится в высокоимпендансном состоянии, шина в состоянии недоминирующего уровня, дифференциальное напряжение примерно равно нолю, напряжение смещения около 2,5 В (см. рисунок 2.4в).

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 диспетчертаблицу, 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 узлапередатчика 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].



3. Перспективные направления развития БИУС

Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные системы управления гидравлическими тормозами, системы впрыска бензина, бортовая самодиагностика считались последними достижениями в области автомобилестроения. Теперь такие системы относят к классическим и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль.

В наши дни на вновь разрабатываемые модели автомобилей дополнительно начинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические системы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцессорным обеспечением; спутниковая навигационнопоисковая система; радарные и ультразвуковые системы зашиты автомобиля от столкновений и угона; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круизконтроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка и другие системы, которые рассмотрены в предыдущих главах.

В данной работе рассматривалась различная организация (архитектура) бортовой информационно-управляющей системы. Сравнение этих архитектур показывает, что БИУС с центральной (однопроцессорной архитектурой) имеет множество недостатков из-за сложности системы, многофункцианальности, высоких требований к надежности и быстродействию системы.

Использование системы с иерархичной организацией дает ряд преимуществ. Это - распределение задач, возможность управления сложными агрегатами в режиме реального времени, что обеспечивает более высокую надежность системы.

Однако такая архитектура имеет свои недостатки - усложняется процедура решения задач управления: возникают сложности распределения общей задачи на ряд отдельных подзадач, сложности увязки этих подзадач между собой; сложности создания алгоритмического и программного обеспечения такой иерархической системы управления.

Наиболее перспективной архитектурой я считаю-децентализованную, или топологическую схему «шина». Развитие компьютерных и сетевых технологий позволяет в настоящее время перейти к созданию децентрализованных распределенных систем компьютерного управления, которые представляю собой множество полностью равноправных процессоров, объединенных в единую систему управления с помощью сетевого канала связи.

Такая организация БИУС имеет ряд преимуществ: отсутствует центральный процессор, выход которого из строя приводит к отказу всей информационно-управляющей системы; отказ любого процессора не приводит к катастрофическим последствиям - задачи, решаемые отказавшим процессором, могут быть перераспределены/размещены на работоспособных процессорах. Таким образом, помимо параллельности решения задачи управления, такая БИУС будет обладать высокой надежностью. Обмен информацией между отдельными подсистемами БИУС, датчиками и исполнительными механизмами может осуществляться по стандартным сетевым протоколам обмена.

Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются автотронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) -- неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия автотронных систем от чисто электронных и электрических.

Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных технологий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобразователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических переменных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естественном - английском или искусственном - компьютерном языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микропроцессоров это позволяет повысить точность и скорость обработки сигналов. Значительно усложнился интерфейс, и возникла необходимость в ведении CAN протокола в мультиплексную систему.

Информационно-управляющие системы автомобиля развиваются в направлении не только повышения уровня программного обеспечения, но и применения в качестве индикаторов современных светодиодов, жидкокристаллических экранов и люминесцентных панелей.

В настоящее время практически отработана концепция автомобилей с повышением бортового напряжения до 42 вольт. Так существует два накопителя энергии: аккумуляторные батареи с напряжением 36 и 12 вольт, молекулярный емкостный накопитель на напряжении 42 вольта. Применение двухуровневой системы обусловлено резким возрастанием числа и мощности бортовых потребителей электроэнергии в системах управления двигателем, активной подвеской и т.д.

Для систем информирования по-прежнему характерны логометрические приборы, но уже с поворотом стрелки на 360 градусов и управление с помощью специализированной микросхемы, что, с точки зрения передачи аналоговой информации, сделало их конкурентоспособными по отношению к электронным комбинациям приборной панели. Появился и новый класс таких систем, как навигационные, которые связаны со спутниками, дорожными радиомаяками и позволяют водителю ориентироваться в сложных городских условиях.

Говоря о тенденциях и перспективах развития автомобильных бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершенствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже скоро в борт сеть автомобиля будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных устройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мультиплексная электропроводка и т. п. Ясно, что при повышении напряжения электропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 на 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому -- выпуск 12вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства. А самое главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили оборудованы 12вольтными потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио, радио, видеоаппаратура, бортовая самодиагностика и др.).

Единой стратегии перевода бортовой сети автомобиля на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время на автомобиле будет два напряжения: 12 вольт -- для классического электрооборудования, и 42 вольта -- для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется па многотонных грузовых автомобилях, где мощные электропотребители 24вольтовые, а освещение -- от 12 вольт. Еще более яркий пример -- электромобили. Здесь главная тяговая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвигатель рассчитаны на напряжение 120 -380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортовая сеть остается двенадцативольтовой.

Из вышеперечисленных примеров видно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными рабочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и переменное синусоидальное напряжение для специальных потребителей.

Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя +12В стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством планетарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов постоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полупроводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго рабочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном напряжении станет реальной.

Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартергенератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС.

Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам является наиболее совершенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВсмеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже испытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схемы управления без промежуточного энергонакопителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а также избавить ее от высокочастотных электроискровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сердечниках насыщения. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками.

Если магнитопровод трансформатора ввести в режим насыщения, то его коэффициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется.

Выходной трансформатор имеет два изолированных друг от друга магнитопровода -- М, и М2, охваченных общей первичной обмоткой W,. Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления (WB' и WB") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W2' и W2")

Когда по управляющей обмотке W,,' протекает ток, достаточный для насыщения сердечника М,, а обмотка WB" обесточена, то высокое напряжение будет наводиться только во вторичной обмотке W2". Если обесточить управляющую обмотку WEJ' и пропустить ток насыщения по обмотке WB", то насытится сердечник М и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W2.

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надежностью, малыми габаритами и весом.

В заключение следует отметить, что не все известные разработки бортовых систем вышли из стадии экспериментальных исследований. Они используются в основном на фирменных моделях спортивных и концептуальных автомобилей. Но, как и прежде, почти все новации, испытанные на концепткарах, рано или поздно начинают применяться на серийных автомобилях. Таковы тенденции развития автомобильной техники и, в частности, систем бортового электрического, электронного и автотронного оборудования.[5]



Рисунок 3 Магнитный модулятор системы зажигания



Заключение

Термин бортовая информационно-управляющая (БИУС) появился не так давно, но быстро вошёл в обиход разработчиков автоматизированных систем управления современных и перспективных транспортных средств. Сегодня БИУС можно считать отдельной, самостоятельной системой и обособленной областью профессиональной деятельности автомобильных инженеров. Именно под понятием БИУС сейчас объединяются множественные электронные системы транспортных средств. Такое объединение расширяет функциональные возможности транспортных средств, повышает их безопасность, энергоэффективность и «интеллектуальность» за счёт расширения возлагаемых на БИУС функций и реализации усложнённых, в том числе адаптивных, алгоритмов.

В работе были рассмотрены различные типы и виды БИУС. Изучены различные архитектуры бортовых сетей, такие как централизованная, иерархическая и децентрализованная; так же способы построения и организации систем.

Представлены различные способы классификации различных типов бортовых систем. Бортовые системы делятся на системы управления автомобилем системы информирования водителя; системы сбора и передачи информации.

Рассмотрены специализированные бортовые системы автомобилей, такие как: система бортовой самодиагностики автомобиля, электронные противоугонные системы и автомобильные мультиплексные системы передачи информации.

Выяснены перспективы развития бортовых информационно-управляющих систем, а так же определена наиболее эффективная организация (архитектура) бортовой сети - децентрализованная.



Библиографический список

1. http://www.aaepress.ru/f/92/26.pdf

2. https://fundamentalresearch.ru/ru/article/view?id=29348

3. http://www.aaepress.ru/f/65/7.pdf

4. http://narfu.ru/university/library/books/0900.pdf

5. http://www.autoezda.com/20140706095101/704tendenciirozvutky.html

Размещено на Аllbеst.ru