Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Sběrnice CAN – aplikace datových výstupů pro analýzu výsledků měření na válcovém dynamometru Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Pavel Pivoňka, DiS. Brno 2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Sběrnice CAN – aplikace datových výstupů pro analýzu výsledků měření na válcovém dynamometru, vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém
seznamu
literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji touto cestou vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za jeho cenné rady a podnětné připomínky. Zároveň chci poděkovat Ing. Vítu Podlipnému za ochotu, pomoc a metodické vedení při experimentálním měření pro tuto diplomovou práci na vozidlové zkušebně MZLU v Brně.
Název práce:
Sběrnice CAN – aplikace datových výstupů pro analýzu
výsledků
měření
na
válcovém
dynamometru
Ústav:
Ústav techniky a automobilové dopravy
Autor:
Pavel Pivoňka, DiS.
Vedoucí DP:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Datum:
13. května 2007
Klíčová slova:
CAN BUS, LIN BUS, MOST BUS, OBD, EOBD,
Anotace:
Tato diplomová práce dává přehled teoretickopraktických základů a přehled implementovaných druhů
sběrnicových
systémů
v automobilech
založených převážně na CAN sběrnici. Dále pojednává o jednotlivých pozitivech a negativech různých koncepcí sběrnicových systémů, řeší přístup do sítě CAN a zejména pak návrh na zavedení CANu do režimu zkoušek na vozidlové zkušebně MZLU v Brně včetně experimentálního ověření možnosti zpřesnění analýzy výsledků zkoušek.
Thesis title:
CAN-BUS – data output application for an analysis of vehicle parameters measured on the chassis dynamometer.
Department:
Department
of Engineering
and
Automobile
transport
Author:
Pavel Pivoňka, DiS.
Supervisor:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Date:
13. May 2007
Key words:
CAN BUS, LIN BUS, MOST BUS, OBD, EOBD,
Annotation:
This diploma thesis gives the overview of theoretical and practical principles and survey of implemented types of data line systems in automobiles
based on CAN-BUS system. It
describes positive and negative aspects of different concepts of data line systems and deals with access to CAN network, especially the scheme for introducing CAN to the testing schedule in vehiclelaboratory of MZLU in Brno including the experimental feedback and analysis of the tests.
OBSAH 1
ÚVOD..................................................................................................................... 10
2
CÍL DIPLOMOVÉ PRÁCE.................................................................................... 12
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY ............................................... 13 3.1
Úvod do elektronických sběrnicových systémů v automobilech.................... 13
3.2
Elektronické sběrnicové systémy ve vozidlech .............................................. 13
3.2.1
Diagnostika sběrnicových systémů......................................................... 15
3.3
Otevřené infrastruktury automobilech ............................................................ 16
3.4
Speciální systémové infrastruktury v automobilech....................................... 17
3.4.1
Číselné soustavy ............................................................................................. 17
3.5 3.5.1
Desítková soustava ................................................................................. 18
3.5.2
Binární soustava...................................................................................... 18
3.5.3
Hexadecimální soustava ......................................................................... 18
3.5.4
Základy přepočtů .................................................................................... 19
3.5.4.1
Převod z binární do desítkové soustavy.............................................. 19
3.5.4.2
Převod z hexadecimální do desítkové soustavy.................................. 19
3.5.4.3
Převod z desítkové do binární soustavy.............................................. 20
3.5.4.4
Převod z desítkové do hexadecimální soustavy.................................. 21
3.6
4
Úvod do systémových infrastruktur v automobilu ................................. 17
Konvenční přenos dat ..................................................................................... 22
3.6.1
Historie.................................................................................................... 22
3.6.2
Jednotlivé vodiče .................................................................................... 22
CAN BUS ............................................................................................................... 24 4.1
Princip přenosu dat v datové sběrnici CAN BUS........................................... 24
4.2
Stavba datové sběrnice.................................................................................... 25
4.3
Řídící jednotky................................................................................................ 25
4.4
Datová vedení ................................................................................................. 27
4.5
Druhy datových sběrnic .................................................................................. 27
4.5.1
Datová sběrnice hnacího ústrojí.............................................................. 27
4.5.2
Datová sběrnice komfortní elektriky ...................................................... 28
4.5.3
LIN BUS - Local interconnected Network ............................................. 29
4.5.4
MOST BUS – Media oriented system transport ..................................... 29
4.6
Datový protokol – CAN zpráva ...................................................................... 29
4.6.1
Úvod k datovým protokolům.................................................................. 29
4.6.2
Stavba datového protokolu ..................................................................... 30
4.6.3
Příklad průběhu přenosu datového protokolu ......................................... 31
4.6.3.1
Odesílání CAN zprávy........................................................................ 31
4.6.3.2
Přijímací proces .................................................................................. 32
4.7
5
Základní vlastnosti protokolu CAN................................................................ 32
4.7.1
Fyzické médium a fyzická vrstva ........................................................... 34
4.7.2
Linková vrstva protokolu CAN .............................................................. 36
4.7.3
Řízení přístupu k médiu a řešení kolizí .................................................. 36
4.7.4
Zabezpečení přenášených dat ................................................................. 37
4.7.5
Základní typy zpráv ................................................................................ 39
4.7.6
Datová zpráva (Data Frame)................................................................... 39
4.7.6.1
Žádost o data (Remote Frame)............................................................ 41
4.7.6.2
Zpráva o chybě (Error Frame) ............................................................ 41
4.7.6.3
Zpráva o přetížení (Overload Frame) ................................................. 42
MĚŘENÍ NA VÁLCOVÉ ZKUŠEBNĚ ................................................................ 43 5.1
Charakteristika válcové zkušebny MZLU v Brně .......................................... 43
5.2
Metodika měření ............................................................................................. 46
5.2.1
Parametry měřeného vozidla .................................................................. 46
5.2.2
Princip připojení na sběrnici CAN BUS................................................. 47
5.2.3
Konfigurace NI MAX............................................................................. 49
5.2.4
Konfigurace CANové zprávy ................................................................. 51
5.2.5
Konfigurace kanálu v CANové zprávě:.................................................. 52
5.2.6
Schéma propojení vozidla se zkušebnou ................................................ 54
5.3
Výstupy měření ze sběrnice CAN .................................................................. 55
5.3.1
Průběh napětí na sběrnici CAN .............................................................. 55
5.3.2
Grafické vyjádření některých závislostí ................................................. 56
5.3.2.1
Porovnání otáček motoru získané ze zapalování a CANu .................. 56
5.3.2.2
Závislost polohy škrtící klapky na poloze pedálu akcelerátoru .......... 56
5.3.2.3
Porovnání rychlosti válců zkušebny a rychlosti vozidla z CANu ...... 57
6
ZÁVĚR ................................................................................................................... 58
7
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK..................................................................... 59
8
SEZNAM LITERATURY...................................................................................... 61
9
SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................ 62
10
PŘÍLOHA ............................................................................................................... 63
1
ÚVOD Přelom 20. a 21. století ve světě automobilové techniky bude pro budoucí
generace znám především enormním nárůstem využití elektroniky ve všech typech vozidel. Již dnes můžeme slyšet, především od laické veřejnosti, proč jsou v dnešní době vozidla sjíždějící z výrobních linek vybavována neustále složitějšími a finančně náročnějšími elektronickými systémy, protože je pravdou, že náklady na použitou elektroniku v dnešních vozidlech tvoří až čtvrtinu celkové ceny vozidla. Odpověď je však velmi prostá. Jsou to především vyšší potřeby uživatelů a legislativní tlaky jednotlivých vlád na neustálé snižování spotřeby zdrojů a požadavky vyplývající ze snahy snížit vypouštěné emise do ovzduší. Tyto vysoké nároky si vyžádaly implementaci elektronických systémů do vozidel pro řízení jednotlivých funkčních celků motorových vozidel. S nástupem neustále složitějších a sofistikovanějších elektronických řídících a regulačních systémů ve vozidlech jako např. elektronické řízení motoru, řízení převodovky, protiblokovací systém ABS, protiprokluzová regulace ASR, regulace jízdní stability vozidla ESP, regulace brzdného momentu, elektronický imobilizér EWS, palubní počítače etc. vyžadují připojení jednotlivých řídících jednotek do sítě. Přenos informací mezi jednotlivými systémy snižuje celkový počet snímačů a zefektivňuje tak využití jednotlivých celků.. V současné době se na vývoji automobilů nepodílejí již pouze konstruktéři,ale též
informatici,
psychologové
a
ergonomové.
Kupříkladu
přední
dodavatel
autoelektroniky, německý koncern Bosch, pracuje v současné době na systému, který bude v závislosti na informačním zatížení řidiče propouštět pouze akceptovatelné množství
informací.
Za
zdánlivě
jednoduchým
pojmem
se
ukrývá
složitá
multidisciplinární oblast v současném výzkumu. Mentální zatížení řidiče, tedy to, kolik informací přijímáme a zpracováváme (často jen podvědomě), hraje podstatnou roli ve správném rozhodování a jednání člověka za volantem. V posledních letech byly zavedeny v řadě evropských zemí zákony zakazující telefonování za jízdy, bez tzv. hands free sady. To je jistě správná cesta, nezaměstnávat ruce, které by měly být připraveny otočit volantem, přeřadit rychlost. Často se do našich zpráv dostávají informace o „elektronice v autě“, což na první pohled může připomínat sci-fi. V blízké době bude automobilový průmysl schopen
10
většinu funkcí v automobilu více nebo méně automatizovat, ale hned tak brzy to neudělá. Z názorů analytiků vyplývá, že ještě dlouho budeme jezdit v autech, která budou mít volant, pedály a řadící páku, nebo aspoň páčky pod volantem. Za těmito klasickými "ovladači" se bude dít lidskému oku neviditelná souhra datových toků, protože i hlavní, dříve čistě mechanické části vozu budou obsluhovány elektronikou (steer-by-wire, brake-by-wire, shift-by-wire,...). Dnešní klasické informační prostředky v automobilu, zpravidla soustředěné v několika kruhových přístrojích před řidičem, budou rozšířeny o ergonomičtější, intuitivnější, jednodušší a nenásilné toky informací směrem od auta k řidiči. Již dnes jsou v některých vozech k dispozici průhledové displeje nebo sedadlo, které varuje řidiče před opuštěním jízdního pruhu vibracemi na příslušné straně sedáku. Nedaleká budoucnost přinese aktivní pedál akcelerátoru, který bude schopen vyvíjet větší odpor ve chvíli, kdy bude aktivován tempomat a odstup nebude odpovídat bezpečné vzdálenosti. Tyto a mnohé další elektronické systémy vyžadují vysoké nároky a spolehlivost na datový přenos. V současné době se můžeme setkat s nejrozšířenější datovou sběrnicí CAN (Controller area Network). Pro dnešní dobu typické automobily mohou obsahovat dva až tři separátní CANy běžící na různých přenosových rychlostech. Dalšími víceméně exaktně definovanými sběrnicemi pro použití v motorových vozidlech jsou sběrnice LIN a MOST.
11
2
CÍL DIPLOMOVÉ PRÁCE Cílem této diplomové práce zpracovat přehled
komunikace v osobním
automobilu, přístup do sítě CAN a experimentální ověření možnosti zpřesnění analýzy výsledků zkoušek na válcovém dynamometru pomocí přístupu do sítě CAN. Cílem
samotného měření bylo zavedení CANu do režimu zkoušek na vozidlové
zkušebně MZLU. Ověřit jakým způsobem tato data získat, aby byly získávány na jednotné časové základně společně s daty z válcových dynamometrů. Na CAN sběrnici se nacházejí i data, která není možné jiným způsobem získat, ale díky kterým můžeme analyzovat změny, nejčastěji v řízení hnacího ústrojí. Pro názornost uvedu jednoduchý příklad. Dnešní vozidla jsou vybavena čidly teploty motorového oleje, která mají zabránit přehřátí, respektive termické degradaci motorového oleje. Informace z těchto senzorů jsou přenášeny do příslušné řídící jednotky, kde se zpracují a řídící jednotka vyšle na sběrnici CAN zprávu o teplotě oleje, zda je či není v provozní toleranci. Pokud je teplota oleje vyšší než je stanovena provozní hranice, řídící jednotka motoru omezí dodávku paliva, čímž se sníží výkon motoru do doby než se teplota oleje opět dostane do provozní tolerance. Tato data není možné získat jinak než ze sběrnice CAN. Pokud by nám tato data chyběla, tak by výsledky zkoušky mohly být značně irelevantní k technické dokumentaci vozidla a jen stěží bychom hledali příčinu této diference.
12
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
3.1 Úvod do elektronických sběrnicových systémů v automobilech Poslední čtyři desetiletí představují exponenciální nárůst, co do počtu i sofistikovanosti elektronických informačních systémů v automobilech. Dnes cena elektroniky většiny automobilů dosahuje víc než 25% celkové ceny vozidla. Je tedy nasnadě, že více než 80% všech automobilových inovací je elektronického charakteru. Tím se automobilový průmysl přibližuje k elektronickým systémům a křemíkovým komponentům (jako jsou např. tranzistory, mikroprocesory, elektronické paměti apod.) Zájem o neustále vyšší výkony a sofistikovanější koncepce nás vede k inovacím elektronických sítí vozidel. Výsledkem vědeckého bádání těchto elektronických systémů je vyšší výkon a bezpečnost, záměna řízení mechanických a hydraulických aplikací na elektronické (X-by-wire systémy), zvýšení palubního napětí na 42V technologii. (Mazurek, M., 2002) Aplikování sběrnicového systému řízení, sběru a diagnostiky dat přineslo následující výhody: jednodušší splnění legislativních požadavků (norma EU3, EU4, EOBD), vyšší bezpečnost (airbagy, ESP,…), kvalita a kvantita progresivních funkcí, komfort, delší životnost, jednodušší údržba vozidla, diagnostika poruch, náklady na vývoj,
inovace a jednoduché rozšíření systému o nové funkce a rozměry, nižší
hmotnost.
3.2 Elektronické sběrnicové systémy ve vozidlech Podobně jako LAN spojení počítačů jsou řízeny spojení sítě ve vozidlech. Tyto sítě ulehčují společný přístup k informacím a prostředkům více distribučních aplikací. Vedení bylo standardizováno způsobem spojení jednoho elementu s jiným. Každé připojené vedení se může stát nadměrně nákladným a komplikovaným komponentem v elektronickém systému vozidla. Dnešní řízení a komunikace sítě jsou proto založeny na sériovém protokolu. Začátkem 80-tých let začala nahrazovat centralizovaná a distribuční síť vedení bod – bod.
13
První a nejstálejší síť tohoto charakteru byla vyvinuta začátkem 80-tých let firmou Bosch pod názvem CAN, která je aktuálně nejpoužívanější sítí v automobilech. Typické automobily mohou obsahovat dva nebo tři separátní CANy běžící na různých přenosových rychlostech. Tím diferencujeme CAN na nízko a vysokorychlostní. Nízkorychlostní se aplikuje pro tzv. komfortní elektroniku (řízení oken, sedadel, audio,…), všude tam, kde není potřeba dodržet reálný čas. Nízkorychlostní CAN obsahuje tzv. sleep mód, ve kterém jednotlivé uzly setrvávají, dokud je CAN zpráva neaktivuje. Sleep mód šetří především zdroj energie. Vysokorychlostní CAN je nasazený naopak pro aplikace, kde se vyžaduje zpracování informací v reálném čase (management motoru, ABS, etc.) Avšak při vysokých přenosových rychlostech vzniká na vedení nežádoucí elektromagnetické rušení, které se potlačuje stíněním nebo kroucenou dvoulinkou. CAN je vhodným místem pro aplikace, které požadují speciální řízení sítě. Xby-wire systémy představují převrat v architektuře automobilové elektroniky a používají stejně elektronické jako mechanické nebo hydraulické způsoby řízení systému, které požadují
rychlou
a
spolehlivou
síť.
X–by-wire
multimediální
prostředky
v automobilech, také jako DVD, CD a digitální TV požadují sítě s rozsáhlou synchronní šířkou pásma. Další aplikace požadují bezdrátovou síť nebo jiné speciální konfigurace. Pro všeobecné přizpůsobení a nárůst spektra síťových aplikací je vyvíjeno mnoho speciálních síťových protokolů. Matsushita a Philips používají standard D2B (Domestic Data Bus) vnitřní datové sběrnice již více jak 10 let na základě optického přenosu. D2B byla vyvinuta pro multimediální aplikace v automobilech (autorádio, CD, TV, telefon, zařízení ovládané hlasem). (Mazurek, M., 2002) Bluetooth je otevřenou specifikací pro krátké vzdálenosti s nízkým výkonem, která představuje miniaturní radiovou síť(4GHz). Protokol využívá jednoduché a okamžité spojení mezi Bluetooth a aktivovaným zařízením, které nepotřebuje kabelové připojení. Jeho uplatnění v automobilu je například jako komfortní diagnostické zařízení, „hands free“, sada pro telefonování, přenosné DVD, CD a MP3 zařízení nebo laptop.(Vlk F., F.,2001)
14
3.2.1
Diagnostika sběrnicových systémů Počátek automobilových systémů byl založen na procesech mechanických,
pneumatických,
hydraulických,
termických,
ale
i
elektrických
(nikoli
však
elektronických). Vzhledem k rostoucím nárokům na kvalitu, kvantitu, bezpečnost (aktivní i pasivní) a komfort se postupně uplatnily poznatky z automatizace a regulace. Tím se vytvořil prostor pro interakci různých parametrů v procesu řízení systému, což směřovalo k aplikování elektronického obvodu jako řídícího člena soustavy. Elektronický obvod reaguje podstatně rychleji na vstupní změny parametrů procesu než neelektronické regulační soustavy. Elektronická regulační soustava zpracovává elektrické signály ze senzorů neelektrických veličin a výsledkem zpracování je opět elektrický signál, kterým jsou ovládané tzv. aktuátory nebo-li akční členy, provázející potřebné zákroky v regulovaném procesu. Cílem diagnostiky je buď ověření správného průběhu regulovaného procesu nebo detekce závady a její příčiny. Diagnostiku podle stupně můžeme členit na: OBD – vnitřní – palubní diagnostika, OBD 2, EOBD, OBD 3 – ve vývoji. OBD diagnostika je založena na obvodech autokontroly (vlastní kontroly), které sledují momentální stav. Tento druh diagnostiky se už dnes stává v automobilovém průmyslu povinnou výbavou elektronicky řízených procesů, které zabezpečují především bezpečnost a ochranu životního prostředí. Umožňuje zaznamenání poruchy do vnitřní paměti, ze které může být vyčtena. Dále pak test akčních členů, ale i kontrolu úrovně signálu ze senzorů sledované soustavy. Podle stupně diagnostiky OBD I, OBD II nebo EOBD se realizuje aktivace čtení paměti poruch různým způsobem. U OBD I diagnostiky se čtení realizuje pomocí tzv. blikacího kódu kontrolek nebo vyvedením jako elektrický signál (snímáním impulzů představující log0 nebo log1 – použitím např. osciloskopu, voltmetru nebo LED diodami, což se inicializuje připojením potenciálu kostry na L nebo K linku. V praxi však na detekci používají diagnostické přístroje na to předurčené (např. VAS5051) nebo převodník se softwarem pro PC po sériové lince.(Vlk, F., 2001) Diagnostika typu OBD II a EOBD je kromě funkcí OBD zaměřená na kontrolu emisí (v interakci s řízením motoru – lambda sondy, etc.) a navíc umožňuje i změnu nastavení. V normách pro diagnostiku druhého stupně je definovaný taktéž konektor pro připojení testovacího zařízení k vozidlu a to ISO 9141-2(CARB). Tyto konektory bývají umístěné v interiéru vozidla na rozdíl od OBD I, které jsou v motorovém prostoru.
15
3.3 Otevřené infrastruktury automobilech Infrastruktura je technickým základem pro funkční systémy obsahující: kabeláž, síť, sběrnicový systém, rozhraní, protokoly a software systému. Otevřená infrastruktura obsahuje standardizované a vhodné přístupné rozhraní a protokoly, které vznikly nezávisle na výrobci.
Hlavní body otevřeného softwaru a otevřených systémových infrastruktur: otevřená infrastruktura • stanovuje pro dané použití definici stand. rozhraní a protokoly pro hardwarové komponenty • umožňuje jednoduché vložení komponentů do existujícího systému • dovoluje všem komponentům za běhu společně komunikovat otevřená softwarová infrastruktura • stanovuje hardwarově – nezávisle softwarovou úroveň pro volné použití • stanovuje standard. rozhr., protokoly pro uplatňování v různých aplikacích • umožňuje komunikaci mezi softwarovými komponenty důvody zavedení otevřené infrastruktury • stále se zvětšující kvalita a kvantita komponentů • zvětšování počtu ECU, vyšší třídy vozidel obsahují dnes až 70 ECU. • s rostoucí kvantitou taktéž rostou náklady ze síťového hlediska • využití infrastruktury v automobilech od různých výrobců všeobecné výhody otevřené infrastruktury: • rozšiřování komponentů mezi jednotlivými producenty • nové možnosti v diagnostice a opravě poruch všeobecné nevýhody otevřené infrastruktury: • možnost poškození funkční filosofie komponentu • problémy při zvláštních infrastrukturách
16
3.4 Speciální systémové infrastruktury v automobilech
3.4.1
Úvod do systémových infrastruktur v automobilu S neustále se zvyšujícími požadavky na bezpečnost, jízdní komfort, emise a
spotřebu paliva se zvyšují i požadavky
na
počet nejrůznějších elektronických
systémů a ty mají také stále vyšší nároky na rychlost a spolehlivost přenosu dat mezi jednotlivými řídícími jednotkami. Zároveň je potřeba, aby elektrika i elektronické systémy zůstaly přehledné a prostorově nenáročné. Proto bylo zavedeno používání datové sběrnice CAN BUS. Zkratka CAN znamená Controller Area Network. Je to speciálně vyvinutý bus-systém nebo-li datová sběrnice. Řídící jednotky si jejím prostřednictvím vyměňují data. Tato kapitola je zaměřena na seznámení se základy problematiky používání datové sběrnice CAN. Především pak jsem se zaměřil na tyto dílčí celky: rozdělení datových sběrnic CAN BUS - CAN hnacího ústrojí, CAN systému komfortní elektriky a infotainment se všemi jejími základními znaky a parametry, nově využívané systémy LIN BUS a MOST BUS a zejména pak na stavbu a přenos datového protokolu nebo-li zprávy, kterou přenáší datová sběrnice CAN.
3.5 Číselné soustavy V prvopočátcích sdílení dat v motorových vozidlech se využívalo konvenčního rozhraní. Konvenční přenos dat je charakteristický tím, že každému signálu je přiřazeno jednotlivé vedení. Binární signály (např. kompresor „vypnut“ nebo „zapnut“) lze přenášet pouze pomocí dvou stavů (označených např. „0“ a „1“). Pomocí změny střídy lze přenášet i proměnné veličiny, např. pohyb akceleračního pedálu.Ovšem vzrůstající potřebu přenosu dat mezi jednotlivými elektronickými systémy v motorovém vozidle již nebylo možné konvenčním rozhraním plně zvládnout. Řešením nedostatků konvenčního přenosu dat se začala zabývat, již na počátku osmdesátých let, firma Bosch, zahájením projektu vývoje komunikační sítě pro motorová vozidla.
17
3.5.1
Desítková soustava Nejpoužívanější číselnou soustavou v běžném životě je desítková nebo-li
dekadická soustava. Základem desítkové číselné soustavy je deset znaků: 0-9
3.5.2
Binární soustava Pro přenos binárních informací se používá binární číselná soustava. Každé
číslo lze popsat řetězcem jedniček a nul. Nejmenší jednotka v binární komunikaci se nazývá 1 bit. Má pouze dva stavy nebo-li může nabývat pouze dvou hodnot. 0 a 1. Dvoubitová informace má dvojnásobný počet stavů, tedy čtyři: 00,01, 10 a 11.Tříbitová informace má dále dvojnásobný počet stavů než dvoubitová a analogicky je to s každým dalším bitem. Vždy se jedná o příslušnou mocninu čísla 2. Informace o velikosti osmi bitů se nazývá jeden byte. Jednobytová informace má tedy 256 nebo též 28 stavů. Viz tabulka.
3.5.3
Hexadecimální soustava
S rozvojem výpočetní
techniky bylo zapotřebí najít systém, popisu
vícebitových informací. Tak vznikla šestnáctková hexadecimální soustava. Základem hexadecimální soustavy je šestnáct znaků. Deset číslic 0-9 a šest písmen A, B, C, D, E, F. Pořadí bitů v bytu se určuje zprava doleva. Začíná nulou. 18
3.5.4
Základy přepočtů U každé číselné soustavy mají číslice kromě své vlastní hodnoty ještě hodnotu
řádu, která se zprava doleva na každém řádu zvyšuje násobkem svého základu. U binární je to 2x, u hexadecimální 16 x. Pro lepší orientaci v číselných soustavách uvedu nyní zobrazení čísla 142 ve všech třech číselných soustavách.
Desítková soustava
142
Binární soustava
10001110
Hexadecimální soustava
8E
3.5.4.1 Převod z binární do desítkové soustavy V následujícím příkladě je ukázáno jak se z binárního tvaru čísla 10001110 dopracujeme k tvaru desítkovému. Převod začínáme zprava doleva. První číslo vpravo je nula, což znamená, že na pozici prvního řádu bude 0x2 0 , druhé číslo zprava je 1, proto na pozici druhého řádu bude 1x2 1 . Analogicky postupujeme dále směrem doleva.
1
0
0
1
1
1
0
+
0x2
6
+
0x2
5
+
0x2
4
+
1x2
3
+
1x2
2
+
1x2
1
+
0x2
0
=
1x128
+
0x64
+
0x32
+
0x16
+
1x8
+
1x4
+
1x2
+
0x1
=
128
+
0
+
0
+
0
+
8
+
4
+
2
+
0
=
1x2
7
0
142
3.5.4.2 Převod z hexadecimální do desítkové soustavy Hexadecimální číslo 2EA6 nyní převedu do desítkového tvaru následujícím způsobem. Obdobně jako u přepočtu z binární soustavy si nejdříve sestavíme základní součet hodnot řádu. Ke znakům na jednotlivých pozicích řádů, přidáme dekadické hodnoty a sečteme. Výsledkem je číslo 11942.
19
16 znaků:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
Dekadicky:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2
E
A
6
2x163
+
Ex162
+
Ax161
+
6x160
=
2x4096
+
14x256
+
10x16
+
6x1
=
8192
+
3584
+
160
+
6
=
11942
3.5.4.3 Převod z desítkové do binární soustavy Při převodu čísla z desítkové soustavy do soustavy binární nebo hexadecimální je postup následující. Vždy začínáme od nejvyššího řádu. Pro ukázku nyní převedu číslo 13 do binárního tvaru. Číslo 13 vydělíme 8,. Což je hodnoty nejvyššího řádu, kterou je mocnina 23 . Z výsledků nás zajímá pouze celá část před desetinou čárkou. V tomto případě tedy číslo 1. Tomuto číslu se říká násobitel. Násobitel se dále používá pro výpočet zbytku po dělení. Zbytek se vypočítá jako (základ – hodnota řádu) x násobitel. Tedy (13-8) x 1 = 5. V dalším řádu postupujeme obdobně. Zbytek 5 vydělíme hodnotou dalšího nižšího řádu, kterou je mocnina 22 , tedy číslo 4. Z výsledků nás zajímá pouze celá část, tedy číslo 1. Zbytek vypočteme takto: (5-4) x 1 = 1. Na dalším řádu je výsledek dělení 0,5. Násobitel je tedy 0 a zbytek 1. Na posledním řádu je násobitel 1 a zbytek 0. Číslo 13 má tedy binární tvar 1101. Pro lepší názornost je celý postup tohoto převodu níže uveden.
4
3
2
1
23 8
22 4
21 2
20 1
+
+
+
13-8x1=5 5-4x1=1 1-2x0=1 1-1x1=0 13/8= Násobitel(výsledek)
1,625 1
5/4=1,25 1
20
1/2=0,5 0
1/1=1 1
3.5.4.4 Převod z desítkové do hexadecimální soustavy Chceme-li převést číslo z desítkové soustavy do soustavy hexadecimální, postupujeme obdobně jako při převodu čísla ze soustavy desítkové do binární soustavy. I nyní začínáme od nejvyššího řádu. Do hexadecimálního tvaru nyní názorně převedu číslo 11942. Najdeme hodnotu nejvyššího řádu, kdy po vydělení čísla 11942 touto hodnotou, dostaneme výsledek ≥ a ≤15. číslo 11942 vydělíme hodnotou tohoto řádu, v tomto případě 163 = 4096. Jak vidíme výsledek dělení další vyšší hodnotou řádu, což je 164 < 1. Z výsledku dělení nás zajímá pouze celá část. V tomto případě číslo 2. Zbytek se vypočítá jako (základ – hodnota řádu) x násobitel, tedy (11942 – 4096) x 2 = 3750. V dalším řádu postupujeme obdobně. Zbytek 3750 vydělíme hodnotou dalšího nižšího řádu, tj. 162 = 256. Z výsledku nás opět zajímá pouze celá část, tedy v tomto případě číslo 14, což je v hexadecimální soustavě písmeno E.Zbytek je (3750 – 256) x 14 = 166. Násobitel vyplývající z výpočtu na dalším řádu je 10. V hexadecimální soustavě tedy A a zbytek 6. A na posledním řádu je násobitel 6 a zbytek 0. Číslo 11942 má tedy hexadecimální tvar 2EA6. Pro lepší názornost opět uvádím celý postu převodu na následujícím příkladu.
Pozice(řád)
4
3
2
1
Desítková
163
162
161
160
hodnota 4096
+
256
+
16
+
1
119424096x2=3750 3750-256x14=166 166-16x10=6 6-6x1=0
11942/4096=2,91… Násobitel(výsledek)
3750/256=14,64… 2
166/16=10,375 E
21
A
6/1=6 6
3.6 Konvenční přenos dat
3.6.1
Historie K přenosu elektrické energie se ve vozidlech používalo od ranných dob
automobilismu mnoho druhů vodičů. Na muzejních exponátech můžeme obdivovat různé svorkovnice a další spojení. S pokračujícím vývojem bylo stále častěji zapotřebí vodičů nejen k přenosu silového proudu, ale také jako prostředku umožňujícího pomocí elektrického proudu nebo napětí přenášet informace o nějakém stavu nebo ději.
Obrázek 1 - svorkovnice
3.6.2
Jednotlivé vodiče
Obrázek 2 - schéma přenosu dat na principu: Jedna informace - jedno vedení
22
Na obrázku je schematicky znázorněn přenos dat na principu jedna informace jedním vedením. Pro přenos informací mezi řídící jednotkou motoru a řídící jednotkou automatické převodovky je v tomto případě zapotřebí pěti vodičů. Každý vodič je určen k přenosu jednoho druhu informace. Z každým dalším druhem přenášené informace tedy roste i počet potřebných vedení a počet pinů na svorkovnicích řídících jednotek. Tento způsob přenosu je však vhodný jen do určitého množství přenášených dat.
23
4
CAN BUS V případě výměny informací pomocí datové sběrnice CAN, se veškerá data
přenášejí jen po dvou vedeních. Na obou bidirekcionálních nebo-li obousměrných vedeních se přenášejí stejná data a to nezávisle na počtu řídících jednotek a množství přenášených údajů. Přenos informací pomocí datové sběrnice CAN, má význam pouze tehdy, jestliže je potřeba předávat mnoho informací mezi více řídícími jednotkami.
4.1 Princip přenosu dat v datové sběrnici CAN BUS Zatímco jedna jednotka připojená ke sběrnici data vysílá, ostatní je přijímají a vyhodnocují. Vyhodnotí-li jednotka informace jako potřebné, dále je zpracuje a vyšle signály dalším, např. akčním členům. Pokud jsou informace pro jednotku nepotřebné, zůstane pasivní. Na následujícím obrázku jsou schematicky znázorněné jednotlivé sběrnice ve vozidle.
Obrázek 3- systém datových sběrnic ve vozidle (Škoda – Auto, a.s.)
24
4.2 Stavba datové sběrnice K hlavním částem systému CAN BUS patří řídící jednotky, datová vedení a ukončovací odpory. Dále se systém skládá z různých snímačů a akčních členů příslušných řídících jednotek. Funguje jako klasický systém přenosu dat:
vstup,
zpracování, výstup. Signály jsou do systému vysílány snímači a v řídících jednotkách podle předem naprogramovaných parametrů zpracovány a posléze předány akčním členům.
Obrázek 4 - systém přenosu dat
4.3 Řídící jednotky Řídící jednotka má jednoznačnou funkci. Přijmout signál od snímačů, zpracovat, přeměnit a poslat akčním členům. Řídící jednotka také předává přijatý signál všem dalším připojeným řídícím jednotkám. Naopak zase přijímá všechna data přenášená datovým vedením CAN BUS. Procesor 25
řídící jednotky má hlavní úkol. Zpracovávat informace za snímačů pro řízení akčních členů. Přijatá data se srovnávají s daty předem zadanými. Z tohoto porovnání jsou generovány hodnoty, kterými jsou akční členy řízeny. Řadič dostává od procesoru v řídící jednotce data k odeslání. Připravuje je a předává transceiveru. Stejně řadič zkoumá data přijatá. Pokud jsou data vyžadována řídící jednotkou, předává je řadič procesoru. Transceiver je podstatě vysílač a přijímač. Převádí data od řadiče na elektrické signály a vysílá je na vedení CAN BUS. Stejně data přijímá a předává řadiči.
Obrázek 5 - příklad přenosu dat: otáčky motoru
Obrázek 6 - zpracování dat v řídící jednotce
26
Řídící jednotka má tyto úkoly •
Připravovat a zpracovávat vlastní data
•
Tato data předávat systému CAN BUS
•
Přijímat, kontrolovat a v případě potřeby také zpracovávat od ostatních řídících jednotek
4.4 Datová vedení Datová vedení jsou bidirekcionální, tzn. obousměrná a slouží k přenosu dat. Jsou označena jako CAN - High a CAN - Low. Přenos probíhá tak, že jedna jednotka vysílá signály a ostatní je přijímají. Na rozdíl od počítačové sítě, kde je při vysílání adresát znám, zde není předem určen. Informace přijímají všechny ostatní jednotky a na základě vyhodnocení teprve buď reagují nebo nereagují. Aby se v maximální míře zabránilo vnějším elektromagnetickým vlivům, jsou obě vedení vzájemně propletena. Hustota propletení je technologicky dána a musí být dodržena. Dalším bezpečnostním prvkem pro přenos dat je fakt, že jednotky, které informace přijímají, vyhodnocují nikoli jednotlivá napětí na vodičích, ale rozdíl mezi napětími. Datové vedení má tedy za úkol přenášet data oběma směry. Informace jsou na obou vedeních shodné, ale na jiné úrovni napětí.
4.5 Druhy datových sběrnic
4.5.1
Datová sběrnice hnacího ústrojí Datová sběrnice hnacího ústrojí propojuje několik řídících jednotek. Vedení
CAN jsou propojena hvězdicovitě ve svorkovnici, která je chráněna izolačním pouzdrem proti poškození.
27
Obrázek 7 - datová sběrnice hnacího ústrojí
Propojovací svorkovnice datové sběrnice je umístěna mimo řídící jednotky. Přednost datové sběrnice CAN v oblasti hnacího ústrojí, spočívá především v jejích velkých přenosových rychlostech, které dosahují až 500kbit/s. Přenesení datového protokolu v tomto případě tedy trvá asi 0,25ms. Podle svého druhu se pokouší řídící jednotka vyslat zprávu v rozmezí 7-20ms. Pořadí priorit se stanovuje na základě hodnocení časové důležitosti přepravované zprávy. Na prvním místě je aktivně zabránit nehodě.
4.5.2
Datová sběrnice komfortní elektriky CAN komfortní elektriky propojuje centrální řídící jednotku s několika dalšími
řídícími jednotkami. Každá z jednotek pracuje sama za sebe (decentrálně). Centrální řídící jednotka tady nemá žádnou master-funkci. CAN Infotainment je rozšířením systému datové sběrnice CAN komfortní elektriky. Tento systém je používán k propojení řídících jednotek např. multifunkčního volantu, telefonu, rádia, navigačního systému apod. Systém této datová sběrnice pracuje rychlostí 100kbit/s. Přenesení datového protokolu trvá asi 1 ms. Každá řídící jednotka se pokouší každých 20ms poslat svá data. Pořadí priorit je pevně dáno. Závisí na množství a typu řídících jednotek připojených do systému.
28
4.5.3
LIN BUS - Local interconnected Network je otevřeným standardem automobilové sběrnice. Vzhledem k malé rychlosti
přenosu dat do 20kbit/s a zároveň nízké ceně LIN BUS nenahrazuje CAN BUS, ale je jeho výhodným doplňkem. 4.5.4
MOST BUS – Media oriented system transport
je síť s přenosem dat podle médií. Zprávy v tomto systému jsou přesně adresovány. MOST BUS umožňuje přenášet data rychlostí až 21,2MBit/s, proto je zde výhodné použít optické datové přenosy a využívat tento systém pro Infotainment.
4.6 Datový protokol – CAN zpráva
4.6.1
Úvod k datovým protokolům
•
Stavba a struktura datového protokolu určují druh přenosu
•
Výkonné procesy chybových oprav zaručují správnost přenášených zpráv
•
Řídící jednotky přenášejí velké množství různých zpráv
Obrázek 8 - datové vedení sběrnice CAN
29
Datová sběrnice CAN přenáší ve velmi krátkých časových intervalech mezi řídícími jednotkami datový protokol nebo-li CAN zprávu. Tento protokol je vždy vytvářen podle shodného datového rámce. Skládá se z mnoha po sobě jdoucích bitů. Počet bitů v datovém protokolu závisí na velikosti datového pole.
4.6.2
Stavba datového protokolu Stavba datového protokolu je na obou vedeních sběrnice stejná. Tento rámec je
tvořen sedmi po sobě jdoucími poli.
Obrázek 9 - stavba datového protokolu
• počáteční pole – označuje počátek datového protokolu • stavové pole – stanovuje prioritu datového protokolu. Chtějí-li např. dvě řídící jednotky odeslat svůj datový protokol současně, má ten jehož priorita je vyšší přednost. Zároveň je v tomto poli informace o obsahu zprávy, např. o otáčkách motoru. • řídící pole – obsahuje jako kód řídící informace, které jsou obsaženy v datovém poli. Díky tomu může příjemce zkontrolovat zda mu došly všechny informace. • datové pole – přenáší informace, které jsou důležité pro ostatní řídící jednotky. Datové pole má délku 0 – 64 bitů, tedy 0 – 8 bytů a je to pole s největším počtem informací. 30
• kontrolní pole – slouží ke zjišťování chyb v přenosu. Jedná se o metodu založenou na cyklickém výpočtu kontrolního kódu dat před přenosem a po přenosu. • potvrzovací pole – příjemce signalizuje objektu, který zprávu vyslal, že datový protokol byl správně přijat. Byla-li zjištěna chyba je to vysílacímu objektu oznámeno. • ukončovací pole – vysílač kontroluje svůj datový protokol a potvrdí objektu, který zprávu vyslal, zda je v pořádku. Jestliže není dojde okamžitě k přerušení a opakovanému zahájení přenosu. Tím je datový přenos protokolu ukončen.
4.6.3
Příklad průběhu přenosu datového protokolu
Následující příklad ukáže kompletní výměnu informací o počtu otáček motoru od jejich zjištění až po zobrazení na palubní desce.
4.6.3.1 Odesílání CAN zprávy Nejdříve snímač zjistí hodnotu počtu otáček motoru. Ta je opakovaně dodávána vstupní paměti mikroprocesoru. Z výstupní paměti se informace o počtu otáček dostane do vysílací schránky základní jednotky CAN. To, že se ve schránce nachází nejaktuálnější informace o počtu otáček je zde znázorněno zdvižením odesílacího praporku. Požadavkem na odeslání na základní jednotku CAN splnila řídící jednotka motoru svůj úkol.
Obrázek 10 - odesílání CAN zprávy
31
4.6.3.2 Přijímací proces
Základní jednotka CAN nyní prostřednictvím vedení RX zkoumá stav sběrnice zda je aktivní. Zda se přenáší jiné zprávy. Jestliže je pasivní, tzn. Logická hodnota 1, po určitý časový úsek, vysílá zprávu o hodnotě počtu otáček. Přijímací proces se skládá ze dvou kroků. • Vyhodnocení zprávy z hlediska chyb, tzv. kontrolní rovina • Vyhodnocení zprávy z hlediska použití, tzv. akceptační rovina A to z důvodů, že zpráva neobsahuje informaci o adresátovi. Zdvižený signalizační praporek znázorňuje, že tato zpráva je určena pro tuto řídící jednotku, v našem případě řídící jednotku panelu přístrojů. Zpráva je kopírována do vstupní paměti. Panel přístrojů přenese tuto hodnotu přes mikroprocesor na akční člen, který ji zobrazí na otáčkoměru. Výměna dat se opakuje podle nastavených časových cyklů, například každých 10 ms.
Obrázek 11 - přijímání CAN zprávy
4.7
Základní vlastnosti protokolu CAN CAN je sériový komunikační protokol umožňující distribuované řízení systémů
v reálném čase s vysokou mírou zabezpečení proti chybám. Jedná se o protokol typu multi-master, kde každý uzel sběrnice může být master a řídit tak chování jiných uzlů. Není tedy nutné řídit celou síť z jednoho nadřazeného uzlu, což přináší zjednodušení řízení a zvyšuje spolehlivost (při poruše jednoho uzlu může zbytek sítě pracovat dál).
32
Pro řízení přístupu k médiu je použita sběrnice s náhodným přístupem, která řeší kolize na základě prioritního rozhodování. Po sběrnici probíhá komunikace mezi dvěma uzly pomocí zpráv (datová zpráva a žádost o data), a management sítě (signalizace chyb, pozastavení komunikace) je zajištěn pomocí dvou speciálních zpráv (chybové zprávy a zprávy o přetížení). (www.pp2can.wz.cz) Zprávy vysílané po sběrnici protokolem CAN neobsahují žádnou informaci o cílovém uzlu, kterému jsou určeny, a jsou přijímány všemi ostatními uzly připojenými ke sběrnici. Každá zpráva je uvozena identifikátorem, který udává význam přenášené zprávy a její prioritu. Protokol CAN zajišťuje, aby zpráva s vyšší prioritou byla v případě kolize dvou zpráv doručena přednostně a dále je možné na základě identifikátoru zajistit, aby uzel přijímal pouze ty zprávy, které se ho týkají.
Pro zajištění transparentnosti návrhu a flexibility implementace je sběrnice CAN rozdělena do tří rozdílných vrstev: •
CAN vrstvy objektů,
•
CAN transportní vrstvy,
•
fyzické vrstvy. Vrstva objektů a transportní vrstva zahrnuje veškeré služby a funkce
poskytované v rámci linkové vrstvy, tak jak je definována modelem ISO/OSI. Vrstva objektů je odpovědná za •
nalezení zprávy, která má být vyslána,
•
rozhodnutí, které přijaté zprávy od transportní vrstvy mají být použity,
•
poskytování rozhraní aplikační vrstvě související s hardwarem. Úkolem transportní vrstvy je především přenosový protokol. Například řízení
rámců, řízení, kontrola chyb, signalizace chyb. Uvnitř transportní vrstvy je rozhodnuto, zda je sběrnice volná pro nový přenos dat či naopak jejich příjem. Také několik obecných vlastností týkajících se časování bitů je svěřeno transportní vrstvě. Je možné prohlásit, že vzhledem k povaze transportní vrstvy zde není žádný prostor pro její modifikaci ze strany uživatele.
33
Úkolem fyzické vrstvy je vlastní přenos jednotlivých bitů mezi jednotlivými uzly s respektováním všech elektrických vlastností. Uvnitř jedné sítě má fyzická vrstva stejné parametry pro všechny uzly, nicméně je možné zvolit si její parametry tak, aby co nejlépe vyhovovaly dané aplikaci.
4.7.1
Fyzické médium a fyzická vrstva
Protokol CAN definuje vlastní rozhraní k fyzickému přenosovému médiu a v tomto směru se odlišuje od modelu ISO/OSI. Na druhé straně jsou vlastnosti fyzické vrstvy velkou předností protokolu CAN. Základním požadavkem na fyzické přenosové médium protokolu CAN je, aby realizovalo funkci logického součinu. Za účelem zvýšení rychlosti a odolnosti proti rušení je účelné, aby spoj byl symetrický. Standard protokolu CAN definuje dvě vzájemně komplementární hodnoty bitů na sběrnici dominant a recessive. Jedná se v podstatě o jakýsi zobecnělý ekvivalent logických úrovní, jejichž hodnoty nejsou určeny a skutečná reprezentace záleží na konkrétní realizaci fyzické vrstvy.
Pravidla pro stav na sběrnici jsou jednoduchá a jednoznačná. Vysílají-li všechny uzly sběrnice recessive bit, pak na sběrnici je úroveň recessive. Vysílá-li alespoň jeden uzel dominant bit, je na sběrnici úroveň dominant. Příkladem může být optické vlákno, kde stavu dominant bude odpovídat stav svítí a recessive stav nesvítí. Dalším příkladem může být sběrnice buzená hradly s otevřeným kolektorem, kde stavu dominant bude odpovídat logická nula na sběrnici a stavu recessive logická jednička. Pak, je-li jeden tranzistor sepnut, je na sběrnici úroveň logické nuly (dominant) a nezáleží již na tom, zda je či není sepnutý i nějaký jiný tranzistor. Pokud není sepnut žádný tranzistor, je na sběrnici úroveň logické jedničky (recessive). (BOSCH: CAN specification, version 2.0)
Obrázek 12 - příklad realizace fyzické vrstvy protokolu CAN
34
Pro realizaci fyzického přenosového média se nejčastěji používá diferenciální sběrnice definovaná podle normy ISO 11898. Tato norma definuje jednak elektrické vlastnosti vysílacího budiče a přijímače tak zároveň principy časování, synchronizaci a kódování jednotlivých bitů. Sběrnici tvoří dva vodiče (označované CAN_H a CAN_L), kde dominant či recessive úroveň na sběrnici je definována rozdílovým napětím těchto dvou vodičů. Dle nominálních úrovní uvedených v normě je pro úroveň recessive velikost rozdílového napětí Vdiff = 0 V a pro úroveň dominant Vdiff = 2 V .Pro eliminaci odrazů na vedení je sběrnice na obou koncích přizpůsobena zakončovacími odpory o velikosti 120 Ω. Jednotlivá zařízení jsou na sběrnici připojena pomocí konektorů, nejčastěji jsou používány konektory CANON DB9.
Obrázek 13 - fyzické uspořádání sítě CAN dle ISO 11898
Ke sběrnici může být teoreticky připojen libovolný počet uzlů, ale prakticky s ohledem na zatížení sběrnice, je počet připojených uzlů podstatně nižší a uvádí se kolem 64 na segment. Rovněž přenosová rychlost 1 Mbit/s je dosažitelná pouze na krátké vzdálenosti do 40m a se vzdáleností prudce klesá, takže na 1,2 km činí asi 70 kbit/s. Plyne to z původního poslání sběrnice CAN, která byla určena pro malé vzdálenosti v instalaci automobilů.
35
4.7.2
Linková vrstva protokolu CAN
Tak jako v modelu ISO/OSI i v protokolu CAN je linková vrstva rozdělena na podvrstvu LLC a MAC:
MAC (Medium Access Control) reprezentuje jádro protokolu CAN. Úkolem je provádět kódování dat, vkládat doplňkové bity do komunikace (Stuffing/Destuffing), řídit přístup všech uzlů k médiu s rozlišením priorit zpráv, detekce chyb a jejich hlášení a potvrzování správně přijatých zpráv. LLC (Logical Link Control) je podvrstva řízení datového spoje, což zde znamená filtrování přijatých zpráv (Acceptance Filtering) a hlášení o přetíženích (Overload Notification). (Heck, E.T., 1999)
4.7.3
Řízení přístupu k médiu a řešení kolizí
Vzhledem k tomu, že se jedná o síť typu multimaster, každý z účastníků může zahájit vysílání, jakmile je připraven a síť je v klidovém stavu (bus free). Kdo přijde první, ten vysílá. Ostatní mohou vysílat až poté, co je zpráva odvysílána. Vyjimku tvoří chybové rámce, které se dají vysílat okamžitě po identifikaci chyby kterýmkoli účastníkem.
Zahájí-li vysílání současně několik uzlů, pak přístup na sběrnici získá ten, který přenáší zprávu s vyšší prioritou (nižším identifikátorem). Identifikátor je uveden na začátku zprávy. Každý vysílač porovnává hodnotu právě vysílaného bitu s hodnotou na sběrnici a zjistí-li, že na sběrnici je jiná hodnota než vysílá (jedinou možností je, že vysílač vysílá recessive bit a na sběrnici je úroveň dominant), okamžitě přeruší další vysílání. Tím je zajištěno, že zpráva s vyšší prioritou bude odeslána přednostně a že nedojde k jejímu poškození, což by mělo za následek opakování zprávy a zbytečné prodloužení doby potřebné k přenosu zprávy. Uzel, který nezískal při kolizi přístup na sběrnici musí vyčkat až bude sběrnice opět ve stavu Bus free, a pak zprávu vyslat znovu. 36
4.7.4
Zabezpečení přenášených dat
Protokol CAN se vyznačuje silným mechanismem zabezpečení přenášených dat. Současně působí tyto mechanismy: •
monitoring
•
CRC kód
•
vkládání bitu
•
kontrola zprávy
•
potvrzení přijaté zprávy
Monitoring: Monitoring znamená, že vysílač porovnává vysílanou hodnotu bitu s úrovní na sběrnici. Jsou-li obě hodnoty stejné, vysílač pokračuje ve vysílání. Pokud je na sběrnici detekována jiná úroveň než odpovídá vysílanému bitu, a probíhá-li právě řízení přístupu na sběrnici (vysílá se Arbitration Field), přeruší se vysílání a přístup k médiu získá uzel vysílající zprávu s vyšší prioritou. Pokud je rozdílnost vysílané a detekované úrovně zjištěna jinde než v Arbitration Field a v potvrzení přijetí zprávy (ACK Slot), je vygenerována chyba bitu. CRC kód: CRC kód (Cyclic Redundancy Check) o délce 15ti bitů tvoří poslední pole vysílané zprávy. Proto se může generovat ze všech do té doby odvysílaných bitů zprávy podle polynomu: x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1 Je-li detekována chyba CRC libovolným uzlem na sběrnici, je vygenerována chyba CRC. Vkládání bitu (bit stuffing): Vysílá-li se na sběrnici pět po sobě jdoucích bitů jedné úrovně, je do zprávy navíc vložen bit opačné úrovně. Toto opatření slouží jednak k detekci chyb ale také ke správnému časovému sesynchronizování přijímačů jednotlivých uzlů. Je-li detekována chyba vládání bitů, je vygenerována chyba vkládání bitů. Kontrola zprávy (message frame check): Zpráva se kontroluje podle formátu udaného ve specifikaci a pokud je na nějaké pozici bitu zprávy detekována nepovolená hodnota, je vygenerována chyba rámce (formátu zprávy).
37
Potvrzení přijetí zprávy (acknowledge): Každé zařízení, připojené ke sběrnici musí správně přijatou zprávu potvrdit. Činí tak změnou bitu v poli ACK (1 bit) z recessive vysílané vysílačem na dominant. To platí i pro ta zařízení, která mají zapnuto filtrování a tedy zprávu nepřijímají.
Signalizace chyb Každý uzel má zabudována dvě interní počítadla chyb udávající počet chyb při příjmu a při vysílání. Podle obsahů počítadel může uzel přecházet, co se týká hlášení chyb a jeho aktivity na sběrnici, mezi třemi stavy (aktivní, pasivní, odpojený). Pokud uzel generuje příliš velké množství chyb, je automaticky odpojen (přepnut do stavu Busoff) Z hlediska hlášení chyb tedy rozdělujeme uzly do následujících tří skupin:
Aktivní (Error Active) tyto uzly se mohou aktivně podílet na komunikaci po sběrnici a v případě, že detekují libovolnou chybu v právě přenášené zprávě (chyba bitu, chyba CRC, chyba vkládání bitů, chyba rámce), vysílají na sběrnici aktivní příznak chyby (Active Error Flag). Aktivní příznak chyby je tvořen šesti po sobě jdoucími bity dominant, čímž dojde k poškození přenášené zprávy (poruší se pravidlo vkládání bitů). Pasivní (Error Passive) tyto uzly se také podílejí na komunikaci po sběrnici, ale z hlediska hlášení chyb vysílají pouze pasivní příznak chyby (Passive Error Flag). Ten je tvořen šesti po sobě jdoucími bity recessive, čímž nedojde k destrukci právě vysílané zprávy.
Odpojené (Bus-off) tyto uzly nemají žádný vliv na sběrnici, jejich výstupní budiče jsou vypnuty.
38
4.7.5
Základní typy zpráv
Specifikace protokolu CAN definuje čtyři typy zpráv: •
datová zpráva
•
žádost o data
•
zpráva o chybě
•
zpráva o přetížení Datová zpráva a žádost o data se týkají přenosu dat. Datová zpráva tvoří základ
komunikace, umožňuje zařízení vyslat zprávu dlouhou až 8Byte. Naopak při jednoduchých typech datových zpráv, jako jsou povely zapni/vypni a podobně není třeba posílat žádná data, tyto binární příkazy mohou být obsaženy v identifikátoru zpráv. Tím se zvyšuje rychlost přenosu v protokolu CAN. Zařízení, které tato data vlastní je vyšle na sběrnici. Další dva typy zpráv slouží k řízení sběrnice a to k signalizaci chyby a eliminaci chybných zpráv a k signalizaci o přetížení, tedy vyžádání prodlevy v komunikaci.
4.7.6
Datová zpráva (Data Frame)
Protokol CAN používá dva typy datových zpráv. První typ je definován specifikací 2.0A a je v literatuře označován jako standardní formát zprávy (Standard Frame), zatímco specifikace 2.0B definuje navíc tzv. rozšířený formát zprávy (Extended Frame). Jediný podstatný rozdíl mezi oběma formáty je v délce identifikátoru zprávy, která je 11 bitů pro standardní formát a 29 bitů pro rozšířený formát. Oba dva typy zpráv mohou být používány na jedné sběrnici, pokud je použitým řadičem podporován protokol 2.0B.
Vyslání datové zprávy je možné pouze tehdy, je-li sběrnice volná (stav Bus Free). Jakmile uzel, který má připravenu zprávu k vyslání, detekuje volnou sběrnici, začíná vysílat. Zda získá přístup na sběrnici či nikoliv, záleží na již popsaném mechanismu řízení přístupu k médiu. Struktura datové zprávy viz kapitola 3.5.2.
39
Specifikace CAN 2.0B definuje dva formáty datového zprávy - standardní a rozšířený. Standardní zpráva (Standard Frame) je převzat ze specifikace 2.0A, má délku identifikátoru zprávy 11 bitů. Jediným rozdílem je zde využití bitu R1 na indikaci, zda se jedná o rámec standardní nebo rozšířený. Zde se podle CAN 2.0B tento bit označuje IDE (Identifier Extended) a je dominant pro standardní formát a recessive pro rozšířený formát zprávy. Z obr. 14, který zobrazuje začátek rámce je vidět, že řízení přístupu na sběrnici (priorita zprávy) je dána opět 11ti bity identifikátoru a hodnotou bitu RTR (Remote Request).
Obrázek 14 - začátek datové zprávy (standardní formát) dle specifikace 2.0B
Rozšířený rámec (Extended Frame) používá celkem 29 bitový identifikátor zprávy. Ten je rozdělen do dvou částí o délkách 11 (stejný identifikátor je použit ve standardním formátu) a 18 bitů (viz obr. 15). Bit RTR (Remote Request) je zde nahrazen bitem SRR (Substitute Remote Request), který má v rozšířeném formátu vždy hodnotu recessive. To zajišťuje, aby při vzájemné kolizi standardního a rozšířeného formátu zprávy na jedné sběrnici se stejným 11ti bitovým identifikátorem, získal přednost standardní rámec. Bit IDE (Identifier Extended) má vždy recessive hodnotu. Bit (RTR) udávající, zda se jedná o datovou zprávu nebo žádost o data je přesunut za konec druhé části identifikátoru. Pro řízení přístupu k médiu jsou použity ID (11 bit), SRR, IDE, ID (18 bit), RTR. V tomto pořadí je určena priorita datové zprávy.
40
Obrázek 15 - začátek datové zprávy (rozšířený formát) dle specifikace 2.0BObrázek 1
4.7.6.1 Žádost o data (Remote Frame) Formát žádosti o data je podobný jako formát datové zprávy. Pouze je zde RTR bit (pole řízení přístupu na sběrnici) nastaven do úrovně recessive a chybí datová oblast. Pokud nějaký uzel žádá o zaslání dat, nastaví takový identifikátor zprávy, jako má datová zpráva, jejíž zaslání požaduje Tím je zajištěno, že pokud ve stejném okamžiku jeden uzel žádá o zaslání dat a jiný data se stejným identifikátorem vysílá, přednost v přístupu na sběrnici získá uzel vysílající datovou zprávu, neboť úroveň RTR bitu datové zprávy je dominant a tudíž má tato zpráva vyšší prioritu.
4.7.6.2 Zpráva o chybě (Error Frame)
Chybová zpráva slouží k signalizaci chyb na sběrnici CAN. Jakmile libovolný uzel na sběrnici detekuje v přenášené zprávě chybu (chyba bitu, chyba CRC, chyba vkládání bitů, chyba rámce), vygeneruje ihned na sběrnici chybový rámec. Podle toho, v jakém stavu pro hlášení chyb se uzel, který zjistil chybu, právě nachází, generuje na sběrnici buď aktivní (šest bitů dominant) nebo pasivní (šest bitů recessive) příznak chyby. Při generování aktivního příznaku chyby je přenášená zpráva poškozena (vzhledem k porušení pravidla na vkládání bitů), a tedy i ostatní uzly začnou vysílat chybové zprávy. Hlášení chyb je pak indikováno superpozicí všech chybových příznaků, které vysílají jednotlivé uzly. Délka tohoto úseku může být minimálně 6 a maximálně 12 bitů.
41
Obrázek 16 - zpráva o chybě protokolu CAN
Po vyslání chybového příznaku vysílá každá stanice na sběrnici bity recessive. Zároveň detekuje stav sběrnice a jakmile najde první bit na sběrnici ve stavu recessive, vysílá se dalších sedm bitů recessive, které plní funkci oddělovače chyb (ukončení chybové zprávy).
4.7.6.3 Zpráva o přetížení (Overload Frame)
Zpráva o přetížení slouží k oddálení vyslání další datové zprávy nebo žádosti o data. Zpravidla tento způsob využívají zařízení, která nejsou schopna kvůli svému vytížení přijímat a zpracovávat další zprávy. Struktura zprávy je podobná zprávě o chybě, ale její vysílání může být zahájeno po konci zprávy (End of Frame), oddělovače chyb nebo předcházejícího oddělovače zpráv přetížení.
Obrázek 17 - zpráva o přetížení
42
5
MĚŘENÍ NA VÁLCOVÉ ZKUŠEBNĚ
5.1 Charakteristika válcové zkušebny MZLU v Brně Měření na válcové zkušebně s sebou nese významné pozitivum v tom, že není třeba demontovat pohonnou jednotku z vozidla na zkušební stav. Kola vozidla pohání válce dynamometru, který klade rotačnímu pohybu odpor, jeho výše pak slouží k vyjádření výkonu, resp. točivého momentu. Ačkoliv se do celého systému měření vnáší více chyb, z pohledu vozidla se jedná o objektivnější měření výkonu, který je možné využít k pohybu vozidla. V tomto smyslu nejsou míněny ztráty v transmisích, ale ovlivnění zástavby motoru, kdy dochází k přestupu tepla, což v případě nasávaného vzduchu motorem má negativní vliv na výkon motoru.(ČSN 17025)
Díky možnostem mikroprocesorové techniky došlo k významnému zlepšení vlastností válcových dynamometrů a to zejména nahrazení mechanických vazeb digitálním řízením. Pomocí digitálních řídících systémů lze nahradit mechanické prvky zkušebních zařízení a tak dosáhnout zlevnění celého zařízení a také větší variability zkušebny. Z rozvojem digitálního řízení bude trend postupného nahrazování mechanických vazeb elektrickými pokračovat. Typickým, dále popsaným, systémem je zkušebna principiálně shodná se zkušebnou Ústavu techniky a automobilové dopravy MEZ 4VDM E120-D. Dvounápravová monoválcová zkušebna je tvořena čtyřmi samostatnými válci (každé odpovídá jednomu kolu), každý válec je poháněn brzděn stejnosměrným pohonem.
Vozidlo při jízdě na vozovce musí překonávat následující síly, které jsou obecně závislé na rychlosti vozidla.
43
F = Fok + Fcx + Fs + mc ⋅
dv dt
[N]
,kde: Fok - valivý odpor kol vozidla (N) Fcx - vzdušný odpor vozidla (N) Fs - odpor stoupání (N) mc.dv/dt - odpor zrychlení (N) ,přičemž všechna kola vozidla se musí točit stejnými otáčkami (rychlost vozidla)
Klasické mechanické řešení spočívá v tom, že se všechny válce spojí do jednoho celku, tj. válce jedné spojkami a nápravy mezinápravovým řemenem. Celá mechanická rotační soustava musí mít hmotnost rovnou mc.....celková hmotnost vozidla. V případě, že je ekvivalentní rotační hmotnost nižší je nutno připojit setrvačník naopak pokud je vyšší nelze vozidlo zkoušet. Vzhledem k tomu, že se na zkušebně střídají vozidla různých hmotností, je třeba řešit přídavný setrvačník jako proměnný (setrvačníkový blok).
Obrázek 18 -schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce
44
Naopak v případě digitálního řízení každého elektromotoru jsou z mechanického spojení aplikovány pouze meziválcové spojky. Digitální měniče odpovídající přední jsou
přepnuty
do
momentové
rovnice F = Fok + Fcx + Fs + mc ⋅
regulace
a
regulují
na
hodnotu
síly
z
dv , skutečná rychlost otáčení přední osy je předána dt
jako požadovaná rychlost měniči levého zadního válce (elektrická hřídel) a proud (ekvivalentní momentu) je předán měniči pravého zadního motoru. Tímto se uzavírá jedna regulační smyčka nyní se odměří síla ze všech válců (pomocí tenzometrů) a pomocí PID regulátoru je korigována žádaná hodnota síly do přední osy. Touto regulací je ušetřen nákladný mezinápravový řemen a spojky mezi válci mohou být dimenzovány na menší přenášený moment. Tento algoritmus ještě neřeší otázku rozdílných setrvačností vozidla a rotačních částí válcové zkušebny. I tento člen lze řešit pomocí PID momentového regulátoru tj. potom člen mc.....není celková hmotnost vozidla, ale rozdíl mezi ekvivalentní hmotnosti rotačních částí dynamometru a celkovou hmotností vozidla a zrychlení je vypočteno z měřené rychlosti. Numerický výpočet derivace je citlivý na přesnost derivované veličiny, proto je třeba měřit derivovanou veličinu s velkou přesností Otáčky válců lze přesně měřit jen pomocí digitální techniky tj. použitím inkrementálních snímačů a kvadraturních čítačů. I přes tuto vysokou přesnost měření je nutné pro výpočet derivace použít aproximační formuli.
Válcové zkušebny nové generace jsou charakterizovány těmito znaky: • velkým průměrem válců - minimální průměr válců je více než 0,5 m u dvojic
a 1 m u monoválců ( MZLU v Brně = 1,2m) • každému kolu vozidla odpovídá samostatný válec - válce odpovídající jedné
nápravě nejsou spojeny napevno. Je mezi nimi ovládaná spojka. • každému kolu vozidla odpovídá jeden dynamometrický pohon - každému
kolu odpovídá nezávislý čtyřkvadrantový dynamometr s digitálním řízením (otáček i momentu) PID regulací. • zkušebna zahrnuje skluzové rolny - každé kolo je vybavené nezávislou
rolnou měřící skutečné otáčky kola vozidla a takto vyhodnocovat skluz při brzdění a akceleraci. • použitím moderních konstrukčních prvků -např. ozubených řemenů.
45
• digitální řízení celé zkušebny - celé zkušebny jsou řízeny počítači PC a
dalšími procesorovými systémy. • distribuovaný řídící a měřící systém - tj. řízení, měření a zpracování
výsledků je rozloženo na více procesorů (počítačů). • Použití nových informačních technologií. (www.bristle.cz)
5.2 Metodika měření
5.2.1
Parametry měřeného vozidla Experimentální měření pro tuto diplomovou práci proběhlo v květnu 2006.
Měření se uskutečnilo na vozidlové zkušebně MZLU v Brně na sériovém vozidle Škoda Octavia Ambiente, r.v. 2002 ve s těmito parametry:
Motor: •
Typ motoru
zážehový
•
Válce / ventily
4/8
•
Zdvihový objem (ccm)
1984
•
Nejvyšší výkon (kW/ot.min-1)
85 / 5400
•
Nejvyšší točivý moment ( Nm/ot.min-1)
170 / 2400
Provozní vlastnosti: •
Maximální rychlost (km/h)
197
•
Zrychlení 0 – 100km/hod (s)
10,1
•
Spotřeba-město/mimo/kombi (l/100 km):
11 / 6 / 7.8
Vozidlo bylo vybaveno automatickou čtyřstupňovou převodovkou M-01, dále datovou sběrnicí CAN hnacího ústrojí a komfortní elektroniky. V měření jsme se zaměřili na získání dat pouze ze sběrnice CAN hnacího ústrojí.
46
Obrázek 19 - měřené vozidlo na válcové zkušebně MZLU v Brně
5.2.2
Princip připojení na sběrnici CAN BUS Připojení na datové vedení sběrnice CAN hnacího ústrojí ve zkušebním vozidle
jsme řešili přímým připojením na kabelový svazek CAN ve vozidle, tedy na datová vedení Can High a Can Low. Konvenční přístup přes EOBD nebyl možný, protože tento typ vozidla ještě nebyl vybaven aktivním výstupem datové sběrnice CAN, což je dnes již standardem, ale pouze pasivním. Pro tento typ výstupu je třeba speciální aktivní rozhraní, kterým však vozidlová zkušebna MZLU nedisponuje. Pro připojení jsme použili komunikační kabely (speciálně vyvinuté pro bus-systémy), které se vyznačují vysokou odolností proti elektromagnetickému rušení, což je dosaženo dvojitým stíněním a dále nízkými odporovými ztrátami. Tyto vodiče jsme na jednom konci ukončili konektory CANON DB9-F pro propojení s CAN kartou. Opačné konce jsme pak opatřili svorkami pro připojení ke kabelovému svazku měřeného vozidla viz obr. 21. Z označení vyplývá, že se jedná o 9 pinové konektory, female. Pomocí těchto konektorů jsme datová vedení mohli již přímo
47
propojit s CAN kartou, která je instalovaná přes PCI slot do PC, který slouží jako server pro externí měření. Tato karta je produktem firmy National Instruments. Na vozidlo byly dále připojeny kapacitní kleště pro snímání sekundárního napětí na zapalování,viz obr. 20, analyzátor výfukových plynů a EOBD tester.
Obrázek 20 – připojení kapacitních kleští
Obrázek 21 – připojení na sběrnici CAN
Pro účely měření bylo třeba vytvořit aplikaci ve vývojovém prostředí LabVIEW, která data z CANu zpracuje a pošle je do serveru zkušebny. Vnitřně se skládá z konfigurace kanálů, zařízení a načtení konfiguračního souboru z NI-MAXu, což je vpodstatě XML dokument, byť má příponu *.ncd. Tímto se tedy nadefinují kanály, které chceme z CANu vyčítat. Jedná se o hardwarovou filtraci, tedy hlavní procesor serveru není touto filtrací zatížen.Ten pak zpracovává pouze ty CANové zprávy, které jsme si nadefinovali. Po načtení ncd* souboru je spuštěna smyčka, která podle předem definované rychlosti vyčítá data ze sběrnice. Tato smyčka je časována na 20Hz. Vnitřně je ošetřena tak, že pokud nedojdou nová data, pak se zopakují předchozí hodnoty, pokud jsou data rychlejší, dochází k průměrování. Při výpadku datového toku a server po dobu 2s nepřijme žádná data, server vyhlásí chybový stav a zkoušku je nutné opakovat.
Na obrázku 22 je použitá CAN karta. •
100% využití sběrnice až do rychlostí 1Mb/s
•
Vyhovuje ISO pro standardní 11bitový formát i rozšířený 29bitový formát.
•
Lze konfigurovat: 2 x vstup, 1 x vstup + 1 x výstup, 2 x výstup
48
•
Philips SJA 1000 CAN řadič
•
K dispozici pro vysokorychlostní, nízkorychlostní přenos/odolný vůči poruchám v jednovodičové verzi.
Obrázek 22 - CANová karta
5.2.3
Konfigurace NI MAX Primární identifikace zpráv na sběrnici CAN může být provedena v programu
NI Max, který je obecným softwarovým nástrojem pro konfiguraci zařízení společnosti National Instruments, resp. zařízení, která jsou podporována ovladači NiDAQ. V rozhraní lze konfigurovat karta NI-CAN, tedy nastavit port, na kterém se mají data logovat, komunikační rychlost a ostatní parametry. V položce CAN lze pak specifikovat jednotlivé zprávy podle identifikátoru. ArbID lze zapsat v decimální podobě, ale také v hexadecimální soustavě, která je lépe výstižná pro další programování. Identifikátor může být standardní 11 bit nebo rozšířený 29bit. Lze také zvolit vlastní délku identifikace, avšak systém bude upozorňovat na neshodu s normou. Dalším krokem jsou zápisy jednotlivých kanálů. Určuje se jejich délka a pozice ve zprávě. Standardní 2.0B specifikace má maximální velikost 64bitů, resp. 8 bajtů, které může zpráva využít.
49
Na obrázku 23 je znázorněno okno pro konfiguraci jednotlivých kanálů, které chceme snímat ze sběrnice CAN pomocí identifikátorů.
Obrázek 23 – konfigurace NI-MAX
50
5.2.4
Konfigurace CANové zprávy
Následující obrázek 24 znázorňuje příklad nadefinování
CANové zprávy.
V tomto případě budou data snímána z ECU 1 - řídící jednotka motoru 1, standardní identifikátor 11 bitů, 8 bytů, v položce interface můžeme navolit způsob přenosu dat, transportní cestu, porty etc., dále se nám znázorňují CANové kanály příslušné pro danou řídící jednotku, tyto kanály můžeme přidávat, odebírat, případně je dle potřeby editovat. Kolonka Message Overview znázorňuje velikost jednotlivých datových zpráv pro příslušné kanály. Rozdíl v počtu bytů jednotlivých kanálů je dán délkou datového pole v CANové zprávě, která může mít až 64 bitů. V políčku Comment je pak komentář k dané CANové zprávě.
Obrázek 24 – konfigurace CANové zprávy
51
5.2.5
Konfigurace kanálu v CANové zprávě:
Obrázek 25 - konfigurace kanálu
Obrázek 25 znázorňuje konfiguraci kanálu ECU 3, identifikátor (0x380) Konfigurace kanálu zahrnuje mimo pozice a délky další nezbytné náležitosti: •
Channel Name – teplota nasávaného vzduchu
•
Start Bit 8 – data začínají na druhém bytu, tedy osmém bitu
•
No. of Bits – 8, tedy 1 byte ( v obrázku zvýrazněno modře)
•
Byte Order – pořadník kódování
•
Scaling factor – násobící faktor.
•
Scaling offset – odečítací faktor
Data, která přicházející ze sběrnice CAN se znázorňují v hexadecimální podobě. Je nutné je převést do decimální soustavy. Toto číslo je pak nutné vynásobit Scaling factorem a od výsledku odečíst Offset factor. Tím dostaneme minimální hodnotu.
52
•
Minimum Value – min. hodnota teploty nasávaného vzduchu - 48° C
•
Maximum Value – max. hodnota teploty nasávaného vzduchu - 142,5° C
•
Default Value
•
Unit – jednotku lze vytvořit i vlastní
Pro celkovou synchronizaci dat je nutné specifikovat i jednotlivé kanály serveru zkušebny.
53
5.2.6
Schéma propojení vozidla se zkušebnou
Obrázek 26 - schéma propojení vozidla se zkušebnou
54
5.3 Výstupy měření ze sběrnice CAN
5.3.1
Průběh napětí na sběrnici CAN
Obrázek 27 - průběhy napětí na sběrnici CAN
Na obrázku 27 je znázorněn časový výsek analogového průběhu signálu na CANu. Měřeno se vzorkováním 10kHz. Vyšší vzorkovací frekvence nebyla možná z důvodu omezení analogovou kartou, která vyšší vzorkování neumožňovala.
55
5.3.2
Grafické vyjádření některých závislostí
Vybrané zkušební protokoly jsou uvedené v příloze této práce.
5.3.2.1 Porovnání otáček motoru získané ze zapalování a CANu
porovnání otáček motoru snímané ze zapalování a CANu
n - CAN (ot/min)
7000 6293; 6293 5766; 5766 5096; 5096 4532; 4532 3976; 3976 3410; 3410 2849; 2849
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n - Bosch (ot/min)
V grafu je znázorněno porovnání mezi otáčkami motoru snímanými kapacitními kleštěmi ze zapalování a otáčkami získanými ze sběrnice CAN. U jednotlivých bodů jsou uvedeny hodnoty otáček. První hodnoty jsou otáčky z CANu, druhé pak hodnoty snímané ze zapalování.
5.3.2.2 Závislost polohy škrtící klapky na poloze pedálu akcelerátoru
poloha škrtící klapky (%)
závislost polohy škrtící klapky na poloze akcelerátoru 25,8 25,6 25,4 25,2 25,0 24,8 24,6 24,4 24,2 40,0
41,0
42,0
43,0
44,0
45,0
poloha akcelerátoru (%)
56
46,0
47,0
48,0
Měřené vozidlo bylo vybaveno systémem E-gas, tzn. škrtící klapka
není přímo
ovládána pedálem akcelerátoru. Poloha pedálu se snímá potenciometrem, data se přenáší do řídící jednotky a ta dává pokyny servomotoru škrtící klapky. Z grafu je patrné, že závislost polohy akcelerátoru a otevření škrtící klapky není lineární.To je způsobeno především z důvodu neustálého vyhodnocování emisí lambda sondou a následnou optimalizací složení palivové směsi pro minimalizaci emisí ve výfukových plynech v daném jízdním režimu.
5.3.2.3 Porovnání rychlosti válců zkušebny a rychlosti vozidla z CANu
porovnání rychlosti válců zkušebny vs. CAN
rychlost válců zkušebny (km/hod)
120,00 116; 110,12 106; 100,18 96; 90,22 84; 80,19 74; 70,25 64; 60,19 53; 50,25
100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0
20
40
60
80
100
120
140
rychlost z CANu (km/hod)
Z grafu vyplývá, že mezi rychlostí získanou ze sběrnice CAN, která je získána z otáček kola snímaná čidly ABS a rychlostí válců, je patrná diference. Posunutí rychlostí je dáno dynamickým poloměrem kola, který se mění s typem montovaných pneumatik, jejich opotřebením apod. Rychlost válců je v tomto případě přesnější. V grafu jsou u jednotlivých bodů hodnoty obou rychlostí snímaných rychlostí. První je rychlost z CANu, druhá pak rychlost válců zkušebny.
57
6
ZÁVĚR Záměrem této diplomové práce bylo shrnutí poznatků o datové sběrnici CAN,
řešení přístupu na datovou sběrnici a především pak získání dat pro jejich využití při zkouškách motorových vozidel na vozidlové zkušebně MZLU. Získání dat ze sběrnice CAN při těchto zkouškách se jeví, při dnešní vybavenosti komunikačními sítěmi ve vozidlech, jako velmi progresivní. Díky přímé komunikaci s komunikační sítí vozidla jsou zkoušky přesnější a jednodušší, především s ohledem na přípravu vozidla pro samotnou zkoušku. Samotné získání dat z CANu, propojení se zkušebnou a celková časová synchronizace toku dat proběhla dle očekávání a bez větších problémů. Avšak následné využití těchto dat je podmíněno přístupem k datovému protokolu, díky kterému můžeme získaná data interpretovat a přiřadit jim správný význam. Bez tohoto protokolu jsou získaná data nepoužitelná! Stavba komunikačního protokolu je ve většině případů vyvíjena v rámci koncernu, nikoli jednotlivých automobilek, které samotné mnohdy nemají tento protokol ani k dispozici. Datový protokol můžeme v určité analogii přirovnat ke slovníku. Bez datového protokolu data vidíme, ale neumíme jim přiřadit správný význam. Pro naše měření jsme měli k dispozici datový protokol od VW koncernu. Proto jsme schopni využít data z vozidel tohoto koncernu. Získaná data ze sběrnice CAN samotnou zkoušku nejen zpřesnily a ulehčily, ale umožnily přístup k informacím, které by nebylo možné jiným způsobem získat. Proto je zcela jednoznačné, že integrace přístupu do sítě CAN do vozidlových zkoušek, by se měla stát součástí nejen u osobních vozidel, ale také nákladních, traktorů a zejména pak závodních speciálů či výkonově upravených sériových vozidel.
58
7
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK
ABS
Antiblock break system – brzdný systém proti zablokování kol
ACK Field
Acknowledge – potvrzovací pole
AF
Arbitration Field – arbitrační pole
API
aplication programming interface – rozhraní
BbW
Breake by Wire – elektronicky řízené brzdy
CAN
Controler Area Network – dvojvodičová datová sběrnice
CAN H
High – vodič vyšší napěťové úrovně
CAN L
Low – vodič nižší napěťové úrovně
CF
Control Field – kontrolní pole
CPU
Central procesor unit
CRC Field
Checksumme (Cyclic redundancy check) – kontrolní pole
D2B
Domestic data bus
DbW
Drive by Wire – elektronické řízení
DF
Data Field – datové pole
EBD
Electronic breakforce distribution – elektronická distribuce brzdné síly
E-gas
Elektronische Gaspedal – elektronický plynový pedál
EOBD
Euro on board diagnostics
EOF
End of frame – konec datového rámce
ESP
Electronic stability programm – elektronický stabilizační program
GPS
Global positioning systém – navigační systém
IDE
Identifier extension
ISO
International standard organization
K-line
diagnostická linka
LAN
Local area Network – lokální síť
LIN
Local iterconnect network – jednovodičová nízkorychlostní sběrnice
LLC
Logical linc control – logická linková vrstva
Master
řídící funkce, nadřazená nad funkci Slave
MOST
Media oriented system transport
OBD
on board diagnostics – palubní diagnostika 59
RX
čtení dat
SAE
Society
automotive
engineers
–
mezinárodní
automobilových inženýrů SOF
Start of frame – začátek datového pole
TX
Transmission – vysílání dat
VAS 5051
diagnostický přístroj s integrovaným DSO
X-by-Wire
systémy, které se vyznačují elektronickým řízením
60
sdružení
8 SEZNAM LITERATURY 1. VLK, F.: Dynamika motorových vozidel, nakladatelství Vlk v Brně, 2001, ISBN 80-238-5273-6 2. VLK, F. : Zkoušení a diagnostika motorových vozidel, nakladatelství Vlk v Brně, 2001, ISBN 80-238-6573-0 3. Heck, E.T. , Kitzerow, J., Caravella, T.: Large Scale Application of J-1939 CAN, ISBN 1999-01-2840, SAE Paper 4. MAZUREK M. : Diplomová práce – Diagnostika automobilové sběrnice, Katedra elektroniky a multimediálních telekomunikací, TU FEI Košice, 2002 5. ČSN EN ISO/IEC 17025, Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří, 2001 6. www.pp2can.wz.cz 7. www.bristle.cz 8. firemní a výukové materiály Škoda – Auto a.s. 9. Bosch: CAN specification, version 2.0
61
9
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1 – svorkovnice……………………………………………………………….22 Obrázek 2 – schéma přenosu dat na principu: Jedna informace – jedno vedení……….22 Obrázek 3 – systém datových sběrnic ve vozidle……………………………………....24 Obrázek 4 - systém přenosu dat...................................................................................... 25 Obrázek 5 - příklad přenosu dat: otáčky motoru…………………………………… ….26 Obrázek 6 - zpracování dat v řídící jednotce .................................................................. 26 Obrázek 7 - datová sběrnice hnacího ústrojí................................................................... 28 Obrázek 8 - datové vedení sběrnice CAN ...................................................................... 29 Obrázek 9 - stavba datového protokolu .......................................................................... 30 Obrázek 10 - odesílání CAN zprávy............................................................................... 31 Obrázek 11 - přijímání CAN zprávy............................................................................... 32 Obrázek 12 - příklad realizace fyzické vrstvy protokolu CAN ...................................... 34 Obrázek 13 - fyzické uspořádání sítě CAN dle ISO 11898 ............................................ 35 Obrázek 14 - začátek datové zprávy (standardní formát) dle specifikace 2.0B ............. 40 Obrázek 15 - začátek datové zprávy (rozšířený formát) dle specifikace 2.0B ............... 40 Obrázek 16 - zpráva o chybě protokolu CAN ................................................................ 42 Obrázek 17 - zpráva o přetížení...................................................................................... 42 Obrázek 18 - schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce ................................ 44 Obrázek 19 - měřené vozidlo na válcové zkušebně MZLU v Brně................................ 47 Obrázek 20 – připojení kapacitních kleští ...................................................................... 47 Obrázek 21 – připojení na sběrnici CAN........................................................................ 42 Obrázek 22 - CANová karta ........................................................................................... 49 Obrázek 23 – konfigurace NI - MAX............................................................................. 50 Obrázek 24 – konfigurace CANové zprávy.................................................................... 51 Obrázek 25 – konfigurace kanálu ................................................................................... 52 Obrázek 26 – schéma propojení vozidla se zkušebnou .................................................. 54 Obrázek 27 – průběh napětí na sběrnici CAN ................................................................ 55
62
10 PŘÍLOHA
63
