Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

АВТОМОБИЛЬ В СЕТЯХ

Опубликовал Сергей 21 февраля 2011 в рубрике Техника.

Когда в конце позапрошлого века, на улицах появились первые «самобеглые коляски», их хозяева свысока поглядывали на копошащихся вокруг гужевой транспорт, который казался им пережитком минувших времен. И действительно очень скоро автомобиль стал неотъемлемой частью человеческой жизни. Но было одно качество, в котором четырехколесный друг по-прежнему уступал четвероногому, - это интеллект. Так продолжалось почти сто лет, пока у автомобиля, наконец, не появилась своя «голова». Ею стала цифровая сеть обмена и обработки данных.

Машины и раньше непрерывно совершенствовались, но различные системы внутри каждого автомобиля обычно существовали независимо друг от друга. Это положение вещей сохранялось до той поры, когда развитие таких областей науки, как микроэлектроника, микросхемотехника и информатика, позволило, наконец, сделать резкий скачок в улучшении потребительских качеств электронных устройств. Сразу же началась гонка новейших технологии с энтузиазмом охваченная автостроительными фирмами. Обычные автолюбители без возражений приняли это «навязывание дополнительных опций», призванных значительно улучшить надежность, безопасность и комфорт.

Таким образом, за последние пятнадцать лет успели стать стандартными анти блокировочные системы тормозов (ABS), подушки безопасности, системы стабилизации и курсовой устойчивости, автомобильные сотовые телефоны. На очереди голосовое управление различными функциями, автоматическое поддержание заданной дистанции, обеспечение безопасной парковки. Кроме того, необходимо постоянно управлять работой двигателя, трансмиссии, а потому тенденция возрастания числа систем, их сложности и «переплетения» между собой обещает сохраняться и дальше. Наступило такое время когда стала нереальной автономная работа отдельных устройств и использование ими обычных аналоговых сигналов, иначе уже сегодня толщина пучка проводов, на пример, водительской двери седана бизнес-класса была бы немногим меньше диаметра человеческой руки, а их масса «съела» бы значительную часть грузоподъемности автомобиля.

В этой ситуации оказалось совершенно логичным многочисленные микрокомпьютеры,  приводы и датчики, подчинить общей организации для облегчения их взаимодействия, диагностики и в конечном счете упрощения структуры всей системы. Обмен информации стал производиться цифровыми сигналами, которые легче обрабатываются и более устойчивы к электромагнитным воздействиям извне. Устройства разных типов в цифровой сети хорошо сопрягаются между собой, а общая длина кабелей их вес и стоимость становятся значительно меньше.

Любая сеть состоит из узлов (применительно к автомобилям так можно назвать управляющие модули или микрокомпьютеры) и линий связи. Каждый узел на основании управляющей программы, находящейся в его памяти, и сигналов, поступающих от различных датчиков и переключателей, генерирует специальное цифровое сообщение представляющее собой структурированную последовательность битов. Обычно сообщение содержит идентификатор (по которому другие узлы определяют, откуда и куда идет информация), поле данных, где размешаются сведения о произошедшем событии (блокировке колес, пропуск зажигания), а также различные служебные поля (указатели моментов начала и завершения сообщения, его приоритета, контрольные биты, для восстановления испорченного, почему – либо поля данных). Некоторые из сигналов, необходимых для генерации сообщений узлом поступают на него уже в готовой цифровой форме. Их источниками могут быть переключатели или датчик Холла. А датчики давления, частоты вращения потенциометры или лямбда- зонд способны производить только аналоговые сигналы. Чтобы такую информацию смогли понять управляющие модули, ее надо привести к цифровому виду. Для этого исходный сигнал с помощью аналого – цифрового преобразователя трансформируется в последовательность мгновенных фиксированных значений своей амплитуды (так называемых отсчетов). Это называют дискретизацией, Следующим шагом является квантование, то есть условное деление - отсчета с максимальной амплитудой на определенное количество уровней.

Потом идет кодирование, при котором каждый отсчет заменяется уникальным кодовым словом, состоящим из нулей и единиц и соответствующим его амплитуде. Разрядность такого кода (сколько битов в нем содержится) определяется выбранным количеством уровней кренгования. Согласно теореме Котельникова (на Западе ее отождествляют с именем Шеннона, вообще на каждого нашего Попова у них всегда находится свой Мэркони) любой обыкновенный аналоговый сигнал можно адекватна, представить цифровым, если частота дискретизации будет, как минимум вдвое превышать максимальную частоту, содержащуюся в спектре исходного сигнала. Конечно, фирма его передается правильнее с увеличением частоты следования отсчетов и числа уровней квантования (современные управляющие модули на быстродействующих микропроцессорах и линии связи позволяют делать объем цифрового сообщения достаточно большим). После обработки полученной информации и обмена цифровыми данными с другими углами сети управляющий модуль восстанавливает цифро-аналоговым преобразователем и усиливает исходный аналоговый сигнал или дает нужную команду на исполнительное устройство (реле, электродвигатель).

Принципы построения цифровых сетей давно уже отработаны и в общем-то одинаковы как для применения в автомобилях, так и для передачи компьютерных данных (вспомним хотя бы Интернет), телефонных, телевизионных сигналов и другой полезной информации между неподвижными объектами. Наибольшее распространение получили сети трех топологий (схем), определяющих возможности и энергозатраты: кольцо звезда и шина.

Последняя из них и с тала самой востребованной в автомобилях (известнейшим представите тем этого типа сетей является стандарт CAN (Controller Area Network) на электрических кабелях, разработанный фирмами Bosch и Inte1. Неисправность центрального процессора (если он имеется, кстати, в звезде не нашедшей широкого автомобильного применения, его присутствие обязательно) или какого – нибудь узла шины не приводит к общему отказу системы. Это существенный вклад в безопасность пассажиров ( не говоря уже о сохранности двигателя, коробки передач и другого весьма дорог ого оборудования). Шина предоставляет прямой физический доступ всем узлам к цифровым сообщениям каждого из них. А чтобы они не были загружены «чужой» информацией, применяются специальные фильтры, отсеивающие нужные сообщения по их идентификаторам. Узлы, как правило, имеют равный приоритет в работе и, если шина занята, автоматически переключаются на прием.

Цифровые данные передаются со скоростями, которые выражаются в общепринятых единицах измерения - битах в секунду (бит /с) и кратных им величинах. Выше упомянутый CAN (разработанный в 80-е гг.), допускает применение трех видов сетей:

а) включающую в себя блокировку управления двигателем, коробкой передач, тормозами и подвеской (скорости передач и данных — от 125 кбит/с до 1 Мбит/с);

б) соединяющую приборы освещения климат контроль, механизмы регулировки положения сиденья (10 – 100 кбит/с);

в) к, координирующую работу магнитолы, автомобильного телефона, навигационной системы (50 - 100 кбит/с).

Но возможностей этого, безусловно заслуженного стандарта перестало хватать еще в середине 90 – х, когда в автомобили начали активно внедрят сложные системы передачи аудио и видеосигналов (навигация, показ телевизионных изображений с общим для них цветным жидкокристаллическим дисплеем, аудиосистемы с адаптивным звучанием). Сегодня же, когда системой ночного видения или электромеханическими тормозами никого не удивишь, а счет микрокомпьютеров, идет на сотни особенно необходимы высокоскоростные и надежные в работе сети. Поэтому существующий CAN был модернизирован, у него  возросла скорость передачи информации, а шина стала двойной (дублированной). Параллельно с этим Евросоюз (совместно со многими ведущими фирмами) разработал другой стандарт, названный ТТР (Time Triggered Protocol). В такой сети многие узлы дублируются и объединяются в устойчивые к сбоям группы (Fault Tolerant Units), а каждый узел может обмениваться информацией только в специально отводимые ему центральным процессором промежутки времени. ТТР как и CAN был стандартизирован для менее (включающих датчики или приводы) и более скоростных сетей, которые для облегчения управления и диагностики призваны взаимодействовать между собой с помощью специальных сетевых интерфейсов — шлюзов.

Для передачи больших объемов данных, наиболее прогрессивным решением является волоконная оптика. Импульсы света несущие в себе цифровые  сообщения, распространяются по пластиковым кабелям и обычно передают информацию со скоростями до 1 Гбит/с. Эти кабели не называют  электромагнитного воздействия на другим устройства и сами очень устойчивы к помехам электрически изолируют связываемые узлы (короткое замыкание в одном из них не приводит к повреждению другого), легче и тоньше аналогичных электрических. Первой машиной, примерившей это достижение техники стал Mercedes серии S с кузовом W220 (кстати, именно его предок 500Е пятнадцать лет назад, был оборудован цифровой сетью). Его фирменная интеллектуальная система COMAND, уже тогда включавшая в себя цветной жидкокристаллический дисплеи, систему навигации, мобильный телефон и сложную аудиосистему, представляла собой волоконно – оптическую сеть, построенную по кольцевой топологии.

В кольце используется маркерная система доступа, при которой единый цифровой поток (который ходит по кругу) разбит на количество частей, равное числу узлов. Каждой такой части, предшествует специальный маркер, однозначно указывающий на ее предназначение конкретному  управляющему модулю. Кольцо еще больше, чем шина позволяет сократить длин у кабелей в сети, но если определенные узлы не являются соседними, передаваемая между ними информация, проходит через несколько чужеродных узлов. Этот известный недостаток колец, однако, является скорее благом для современных автомобилей, где многие управляющие модули и микрокомпьютеры, должны быть «в курсе глобальных событии». Несколько сложнее обстоят дела с другой особенностью данной топологии: в случаи обрыва одной из линий связи или выхода из строя какого-либо узла информация продолжает передаваться только в пределах сохранившегося сегмента. Но и с этим злом научились бороться. Просто узлы с наибольшей вероятностью отказа располагают последовательно, благодаря нему всегда сохраняется максимальное количество работающих систем. К тому же, кольцу можно сделать двунаправленным (при возникновении неисправности в сети узел, предшествующий месту поломки, получает об этом информацию и автоматически образует петлю, разворачивая цифровой поток в обратную сторону по резервной линии).

Тот опыт мерседесовцев оказался настолько удачным, что несколько лет назад была организована корпорация (в нее, кроме самого Daimler-Crysler, вошли BMW, Volkswagen и многие другие производители автомобилей и комплектующих), силами которой удалось создать новый стандарт, получивший название MOST (Media Oriented System Transport). В основе нынешней его версии — волоконно – оптическое кольцо с возможностью работ на скоростях передачи информации до 150 Мбит/с, а потоки данных специально программируются, что обеспечивать большую гибкость системы. MOST уже нашел свое место в таких автомобилях как Audi А8, BMW седьмой серии и более дешевых Peugeot 807 и Saab 9-3.

Но даже в эпоху волоконной оптики электронные фирмы не забывают о совершенствовании проводных технологий. Израильская YAMAR вспомнила тот факт, что в автомобиле по-прежнему существует питающая все устройства проводка и от ее услуг отказаться невозможно. Так почему бы не использовать сами силовые кабели для передачи сигналов в сетях? Идея оказалась настолько удачной, что к проекту присоединились Audi и BMW, а шина, работающая при любом напряжении в сети и способная передавать данные со скоростями свыше 250 кбит/с, под названием DC- BUS получила международное признание.

Альтернативой кабельным сетям можно назвать появившийся недавно в машинах радиостандарт Bluetooth ширмы Ericsson. Дело в том, что сотовый телефон, органайзер аудио- и видеосистемы морально устаревают значительно быстрее самого автомобиля, а сеть Bluetooth дает возможность все эти модули легко заменять новыми. Система работает на частоте 2,4 ГГц и практически недоступна для подслушивания, высокая помехоустойчивость обеспечивается быстрой сменой каналов. И не нужно опутывать автомобиль лишними кабелями.

Все перечисленные выше схемы не только успешно существуют и общаются друг с другом внутри современных машин, но и не собираются сдавать позиций в обозримом будущем. Однако не обходится и без проблем. Многие известные фирмы в своей постоянной гонке за покупателем часто не успевают провести обкатку новых сложнейших систем до начала серийного производства. А некоторые автомобили содержат сети состоящие из нескольких более мелких сетей, не всегда спроектированных одной фирмой-разработчиком, что может негативно повлиять на их совместную работу. Такая же ситуация и с дооснащением сигнализациями и нештатными аудиосистемами (даже созданными для конкретных автомобилей). Их установка иногда бывает возможной только на заводе из-за отторжения нового управляющего модуля имеющимся сетевым интерфейсом. Во всех описанных случаях различные устройства работают некорректно, водителе получает визуальные сообщения об ошибках (как в домашнем компьютере), а от их накопления помогает только перезагрузка или визит в сервис-центр. Но это все «болезни роста», с которыми можно смириться ради стремительного улучшения своего благополучия. Фирмы никогда не откажутся от кооперации. Всегда будут существовать основное изделие от одного производителя и обвязка — от других. Сохранится и различия сигналов и цифровых данных по предназначению важности виду, объему, частоте возникновения. И вряд ли когда-нибудь найдется оптимальное решение, подходящее для реализации всех задач обработки и передачи информации в автомобилях. Мозг не должен быть однородным, даже если это электронный мозг машины.

Вообще благодаря прогрессу последних десятилетий, современный «железный конь» в плане интеллекта, может дать фору иному коню натуральному. Даже без помощи генетики. Если подключить к процессу еще и эту быстроразвивающуюся науку, то лет через сто, автомобили будут рождаться и умирать как лошади. Что станет неоценимым вкладом в экологию. А необходимости объезживания «молодых жеребцов» не возникнет, потому что в их генетическом коде будут заложены покладистость к людям и обеспечение максимальных удобств для наездника.

Читайте также:

Поезд «ЕРМАК».
Выставка раритетных автомобилей
Броня для водолаза
Паровоз "Эрка".

Похожие записи:

  1. Американские студенты разработали летающий автомобиль

Комментирование закрыто.

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.