Metody pro diagnostiku vybraných prvkĤ elektrické a elektronické výbavy vozidla PAVEL BREJCHA 2007
ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA MċěENÍ
Anotace Cílem této práce, jež je dílþí þástí projektu, který se zabývá metodami centralizované diagnostiky elektrotechnických a elektronických prvkĤ automobilu, je navrhnout a odzkoušet metody vhodné pro diagnostiku konkrétní výbavy osobního automobilu. Metody jsou navrženy na základČ namČĜených prĤbČhĤ napČtí a proudĤ získaných z napájecí sítČ automobilu. Z množství spotĜebiþĤ používaných v automobilu jsem se zamČĜil na pĜední potkávací svČtla. Metody navržené pro jejich analýzu je možné použít i na jiné svČtelné zdroje používané v nejrĤznČjších oblastech lidské þinnosti.
Annotation The purpose of this work, which is a partial section of the project dealing with methods of centralize diagnostic of electrotechnical and electronic car ellements, is to draw up and test convenient methods for diagnostic of particular equipment of a personal car. The methods are drawn up from registered history of voltage and electric current of the car net. From all the electrical appliances used in cars i aimed the front meeting lights. Methods drawn up for their analysis can be also used for another light sources in different fields of human activity.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pĜiloženém seznamu. Nemám závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).
V Praze dne ……………
…………………. Podpis
ýeské vysoké uþení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Katedra mČĜení K 338
Školní rok
2005/2006
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student
Pavel Brejcha
obor
MČĜení a pĜístrojová technika
Název tématu:
Metody
pro
diagnostiku
vybraných
prvkĤ elektrické a elektronické výbavy vozidla
Zásady pro vypracování:
OvČĜte vybrané metody centralizované diagnostiky prvkĤ elektrické a elektronické výzbroje vozidla využívající jednak informace z napájecí soustavy vozidla, jednak z vozidlových informaþních systémĤ. ZamČĜte se zejména na dČje vyvolané zapínáním a vypínáním jednotlivých spotĜebiþĤ, výsledky dosažené jednotlivými metodami prezentujte na reálných datech namČĜených na vozidle.
Seznam odborné literatury: [1] Kocourek P., Novák J.: PĜenos informace. Skripta ýVUT, Praha 2003 [2] Haasz V.,Roztoþil J.,Novák J.: ýíslicové mČĜící systémy. Vydavatelství ýVUT, Praha 2000 [3] Standard ISO11898-1998
Vedoucí diplomové práce:
Ing. Petr Ježdík
Datum zadání diplomové práce:
28.listopad 2005
Termín odevzdání diplomové práce:
19. leden 2007
L.S.
Prof. Ing. Vladimír Haasz, CSc.
Doc. RNDr. Tomáš Bílek, CSc.
vedoucí katedry
prodČkan
V Praze dne 28.11.2005
PodČkování Na tomto místČ bych rád podČkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Petru Ježdíkovi za odborné vedení práce, cenné pĜipomínky, podnČtné rady, vytypování vhodné literatury a recenzi pracovní verze diplomové práce. Další podČkování patĜí Ing.Jaroslavu Šulcovi za jazykovou korekturu a Doc.Ing.Petru Kocourkovi, CSc za poskytnutí laboratoĜe pro mČĜení na automobilu. V neposlední ĜadČ patĜí podČkování mé matce a manželce za pochopení, podporu a trpČlivost pĜi zpracovávání této práce. V Zárybech 23.5.2007
Pavel Brejcha
Obsah Úvod............................................................................................................................. 8 Poznámky k rozporu ceny a užitné hodnoty ....................................................... 9 Teoretický rozbor................................................................................................. 11 2.1 Úvod............................................................................................................... 11 2.2 Napájecí síĢ v motorovém vozidle................................................................. 11 2.2.1 Úvod do napájecích sítí.......................................................................... 11 2.2.2 Napájecí síĢ vozu Fabia ......................................................................... 12 2.3 Získání dat...................................................................................................... 16 2.4 Fyzická vrstva ................................................................................................ 17 2.4.1 Popis koncepce....................................................................................... 17 2.4.2 ěídící poþítaþ ......................................................................................... 19 2.4.3 ěídící modul........................................................................................... 20 2.4.4 MČĜící modul.......................................................................................... 21 2.5 Prokládání dat ................................................................................................ 24 2.5.1 Úvod....................................................................................................... 24 2.5.2 Parametrizace......................................................................................... 24 2.5.3 Metoda nejmenších þtvercĤ ................................................................... 25 2.5.4 Lineární metoda nejmenších þtvercĤ ..................................................... 25 2.5.5 Váhová metoda nejmenších þtvercĤ ...................................................... 28 2.5.6 Robustní metoda nejmenších þtvercĤ .................................................... 30 2.5.7 Nelineárníní metoda nejmenších þtvercĤ............................................... 32 3 NamČĜená data ..................................................................................................... 34 3.1 Úvod............................................................................................................... 34 3.2 MČĜící pracovištČ ........................................................................................... 37 3.3 OdmČr dat....................................................................................................... 39 3.4 NamČĜená data ............................................................................................... 41 4 Aplikace diagnostických metod na data ............................................................ 43 4.1 Úvod............................................................................................................... 43 4.2 PĜedzpracování dat......................................................................................... 44 4.3 Slouþení pĜíznakĤ........................................................................................... 47 4.4 Parametrizace namČĜených dat ...................................................................... 48 5 Dosažené výsledky................................................................................................ 58 6 ZávČr ..................................................................................................................... 59 7 Literatura.............................................................................................................. 61 8 Použité zkratky a symboly .................................................................................. 62 9 Seznam obrázkĤ ................................................................................................... 63 10 Seznam tabulek ................................................................................................ 65 11 PĜílohy............................................................................................................... 66 11.1 MČĜící modul.................................................................................................. 66 11.1.1 Mikroprocesor MC9S12DG128B.......................................................... 66 11.1.2 Módy þinnosti mikroprocesoru HC12 ................................................... 68 11.1.3 Konstrukce mČĜícího modulu................................................................. 69
1 2
Úvod Tato diplomová práce je souþástí projektu, který nese název "Metody centralizované diagnostiky elektrotechnických a elektronických prvkĤ automobilu“. Spolu se mnou na projektu vedeném ing. Petrem Ježdíkem (je zároveĖ vedoucím i této diplomové práce) pracuje tĜíþlenný tým, který si úkoly rozdČlil následovnČ: Jakub Král se zabýval Ĝídícím modulem, Pavel Wojnar pĜipravil návrh vhodné metody analýzy zaĜízení v zadní þásti vozu a Radek Doležal navrhl aplikaþní vrstvu systému pro mČĜení napájecí sítČ automobilu. V dnešní dobČ jsou již automobily bČžnou souþástí každého dne. Jsou vyrábČny v nejrĤznČjších formách a variantách hlavnČ s cílem uspokojit širokou poptávku po dopravních þi pĜepravních službách. Všechny automobily – nehledČ na znaþku þi provedení – mají spoleþný jeden základní rys: stále dĤslednČji reflektují požadavky na vyšší kvalitu a spolehlivost všech komponent vozidla zajišĢující nejen pĜimČĜený komfort, ale hlavnČ bezpeþnost vozidla jak pro samotného Ĝidiþe, tak i pro další úþastníky silniþního provozu. Toho se dosahuje programy zajišĢujícími kvalitu jednotlivých souþástí vozu (standardy ISO) a v neposlední ĜadČ znalostmi funkþnosti a míry fyzického opotĜebení jednotlivých systémĤ automobilu po urþité dobČ jeho provozování. PĜestože ekonomický tlak ústící do snižování jednotkových nákladĤ má nepopiratelný vliv na výbČr alternativ konstrukþních Ĝešení vozu, použitých materiálĤ, technologických postupĤ a podobnČ, a to zvláštČ po nástupu producentĤ z asijských zemí na svČtový automobilový trh v závČru minulého století s cenovČ velmi levnými vozy, i ty musí splĖovat pĜísné standardy bezpeþnosti a užitné hodnoty. V silné globální konkurenci je tak dosahováno stavu, že zvyšování kvality vozĤ vþetnČ kontroly opotĜebení komponent již Ĝadu let nemá zásadní vliv na koneþnou cenu vozu. Tento fakt – nedostat se s cenou nového vozu mimo rámec konkurenþní schopnosti – je potĜeba zohlednit jak pĜi návrhu nového vozu, tak tĜeba pĜi aplikaci Ĝady diagnostických zaĜízení zabudovatelných do starších vozĤ, které jsou již v provozu. Nelehký požadavek na nízké výrobní náklady má dlouhodobý a zásadní vliv na práci technikĤ navrhujících všechny pĜístroje a jejich komponenty používané v automobilové technice. Ti mČli vždy za úkol souþasnČ dostát dvČma základním požadavkĤm: nejen docílit dostateþný stupeĖ funkþnosti a spolehlivosti, tedy pĜijít s prokazatelnČ vysokou užitnou hodnotu nového produktu, ale souþasnČ tento nový produkt navrhnout za pokud možno co nejnižší cenu. To bylo a je jednou z podmínek pro úspČšné zavedení na trh, a to pokud možno v masovém mČĜítku. V konkrétním pĜípadČ Ĝešeném v této práci bylo snadné spoþítat, že pĜi ušetĜení pouhých 15,50 Kþ na každém novČ navrženém zaĜízení a pĜi osazení roþní produkce cca pĤl milionu vozĤ automobilka ušetĜí celkovČ roþnČ tĜi þtvrtČ miliardy. Je zĜejmé, že aplikovaná teorie mĤže mít znaþný efekt.
8
1 Poznámky k rozporu ceny a užitné hodnoty PĜestože protikladné požadavky na užitnou hodnotu (co možná nejvyšší) a cenu (co možná nejnižší) tu byly od samého poþátku vývoje automobilového prĤmyslu (a nejsou jen jeho „specialitou“, platí obecnČ), pĜece jen v minulosti ve srovnání s dneškem byla situace pĜedevším zde podstatnČ jiná. Tehdejší vozy nebyly vybaveny prakticky žádnou diagnostikou. Majitel vozu byl ve vČtšinČ pĜípadĤ odkázán pouze sám na sebe, na své technické zkušenosti, sluch a zrak a mít pomČrnČ vysoké znalosti podstaty fungování jednotlivých komponent svého vozu. Musel dokázat vþas rozpoznat vzniklou závadu,1 aby ji mohl odstranit v jednoduchém pĜípadČ sám (výmČna žárovky v reflektoru, vybité autobaterie apod.), a nebo v komplikovanČjším pĜípadČ aby mohl pĜedat vĤz specializovanému pracovištČ s dostateþným diagnostickým vybavením pro pĜesné stanovení závady a její odborné odstranČní. Postupem þasu se v automobilech zaþala objevovat jednoduchá diagnostická zaĜízení. Zpoþátku to byla pĜedevším zaĜízení kontrolující nejprve stav kapalin, chod motoru, þi rozsvícení svČtel, teplotu brzdné kapaliny apod. S rozvojem techniky a rĤstem složitostí jednotlivých systémĤ, pĜedevším systémĤ Ĝízení vstĜikování palivové smČsi, þi úþinnosti brzdného systému a dalších rychle vzrĤstala i potĜeba analýzy tČchto a dalších prvkĤ. To otevĜelo dveĜe i rozvoji vČdních oborĤ zabývajících se diagnostikou všech systémĤ automobilu. SoubČžnČ s rozvojem výpoþetní techniky a miniaturizace se zaþala nová generace elektronických diagnostických zaĜízení nasazovat ve vČtší míĜe pĜímo do automobilĤ. Tato zaĜízení mají za úkol v co nejvČtší míĜe on line sledovat stav jednotlivých zaĜízení automobilu, vþas upozornit uživatele na vzniklou závadu a být nápomocny servisním pracovníkĤm pro pĜesné stanovení pĜíþin vzniklého problému. Moderní automobily, þasto plné elektronických þidel a uzavĜených ovládacích systémĤ, jsou tak v tomto smyslu vozy jiné generace se spoustou dĤsledkĤ. Tak tĜeba servisní služby v té podobČ, jako tu byly bČžné tĜeba ještČ v 70. þi 80. letech, jsou již dnes vČtšinou nepoužitelné. Diagnostické systémy dostupné v dnešní dobČ jsou navrhovány decentralizovanČ tj. pro kontrolu jednotlivých subsystémĤ. To znamená, že každé analyzované zaĜízení automobilu je vybaveno vlastními senzory, tj. zaĜízením, které vyhodnocuje namČĜené údaje a kabelovými svazky vedoucími k centrální jednotce zajišĢuje jejich monitoring a vyhodnocení. Systém pracující na takovémto principu má zcela jistČ mnoho nesporných výhod, jako je napĜíklad relativní jednoduchost technického Ĝešení a pĜímost analýzy signálĤ namČĜených na konkrétním zaĜízení. Mají však i jednu obrovskou nevýhodu a tou je cena fyzické vrstvy. Cenu zvyšuje i poþet potĜebných senzorĤ, diagnostických zaĜízení a kabelových svazkĤ vedoucích zpravidla k palubní desce, kde se získaná informace pĜedává uživateli.
1
JeštČ v 80. letech to byla bČžná souþást zkoušek v autoškolách.
9
Možnost ušetĜení nákladĤ a menší materiálová nároþnost jsou hlavní výhody centralizovaného systému diagnostiky oproti decentralizovanému. Nesporné výhody centralizace daly vzniknout i projektu pod názvem "Metody centralizované diagnostiky elektrotechnických a elektronických prvkĤ automobilu“, jehož souþástí je i tato diplomová práce. Diagnostika založená na centralizovaném konceptu pĜedpokládá použití minimálního poþtu mČĜících míst používaných v osobních automobilech a s nimi spojenými vyhodnocovacími jednotkami a senzory. Ideální by bylo použít pouze místo jedno, urþené pro pokrytí co nejvČtšího poþtu kontrolovaných souþástí automobilu, v ideálním pĜípadČ všech, která jsou ve vozidle instalována. Tohoto „ideálu“ však zĜejmČ nelze dosáhnou, a to nejen s ohledem na znaþné množství, ale pĜedevším pro vČcnou rĤznorodost systémĤ. Dost dobĜe nelze diagnostikovat stav vozidla pomocí jediného, jakéhosi univerzálního zaĜízení a odbČru vzorkĤ z jediného místa, a to již jen proto, že v osobních automobilech jsou instalovány odlišné systémy mechanické a elektrické. NicménČ dá se pĜedpokládat, že projekt dokáže pokrýt diagnostiku vČtšiny elektrické a elektronické výbavy osobního automobilu, a tímto smČrem byl proto i zacílen. Oþekávaným výsledkem projektu by mČl být systém obsahující jen nezbytné, relativnČ malé množství senzorĤ a vyhodnocovacích modulĤ, ovšem s širokým spektrem možných nastavení a možností tak, aby bylo možné analyzovat co nejvČtší množství vzniklých chyb a kolizí, popĜípadČ v krátkém þasovém horizontu predikovat chybové stavy na základČ opotĜebení diagnostikovaných zaĜízení. Je pravdČpodobné, že pomocí centralizované metody bude možné pokrýt širší spektrum chyb, protože zpracovává prĤbČhy charakterizující celý systém, a ne pouze jednotlivá dílþí zaĜízení. Výsledky diagnostických systémĤ a navržených metod jsou vcelku obecné, a bylo by je možné (po nezbytných úpravách) využít i v jiných oblastech, než jsou osobní automobily. Metody a moduly navržené v tomto projektu bude možné použít pĜedevším v oblastech s podobnou charakteristikou2. Autor této diplomové práce si v tomto projektu vybral úkol nalezení a navržení diagnostických metod aplikovatelných pro svČtelnou soustavu, konkrétnČ se zamČĜením na pĜední potkávací svČtla. StČžejním na tomto úkolu bylo zjistit nejen to, zda vĤbec svítí obČ svČtla, jedno nebo žádné, ale i jestli funguje svČtlo levé nebo pravé. Metody nalezené v této diplomové práci jsou však obecného rázu a je možné je po úpravách aplikovat i na ostatní svČtelné zdroje automobilu, jako jsou napĜíklad dálková, obrysová, brzdová nebo smČrová svČtla.
2
Pod „podobnou charakteristikou“ se zde rozumí používání a analyzování stejných nebo alespoĖ podobných typĤ elektrických a elektronických spotĜebiþĤ. KromČ výbavy je neopomenutelnou podmínkou možnost využití stejných informaþních zdrojĤ. K oblastem, ve kterých by bylo možné použít diagnostický systém osobních vozĤ, tak patĜí napĜíklad nákladní automobily, motocykly, pĜípadnČ malé osobní lodČ.
10
2 Teoretický rozbor 2.1 Úvod Tato kapitola se Vás pokusí seznámit s osobním automobilem Škoda Fabia, a to pĜedevším z pohledu projektu centralizované diagnostiky. Z tohoto pohledu jsou ve vozidle nejdĤležitČjší dva zdroje informací. V první ĜadČ je to struktura napájecí sítČ, protože se stala dĤležitým informaþním zdrojem. DĤležitost je dána skuteþností, že naprostá vČtšina zaĜízení založených na elektrickém principu je napájena ze stejného zdroje, kterým je právČ ona zmínČná napájecí síĢ. Popisuje reakce diagnostikovaných zaĜízení v závislosti na jejich aktuálních stavech. Tyto stavy popisují základní elektrické pomČry v síti. Jde primárnČ o protékající proudy a výkyvy napČtí spojené s kolísáním odbČru pĜi zapínání, vypínání a zmČnách þinnosti jednotlivých spotĜebiþĤ. Z tohoto dĤvodu jsou zde popsány nejdĤležitČjší vlastnosti a specifika provedení kabeláže a nČkteré spoleþné vlastnosti elektrické a elektronické výbavy tohoto automobilu. Druhým stejnČ užiteþným zdrojem informací jsou komunikaþní sbČrnice vozu CAN. DĤvodem pro použití tohoto zdroje informací je ta skuteþnost, že v nČm bČží naprostá vČtšina informací týkající se všech zaĜízení komunikujících pomocí tČchto sbČrnic s nČkterou z Ĝídících jednotek automobilu þili i diagnostikovaných zaĜízení. Z tČchto sbČrnic lze pro úþely diagnostiky použít pĜedevším informace o zapínání, vypínání pĜípadnČ zmČnách stavu jednotlivých zaĜízení. V dalších þástech této kapitoly je popsána teorie týkající se dat. Jde hlavnČ o místa a zpĤsob jejich sbČru. Také je zde struþnČ popsáno technické Ĝešení návrhu diagnostického systému použitelného pĜímo v automobilu. Poslední podkapitola teoretického rozboru je vČnována možnostem a metodám úpravy namČĜených dat. Jde pĜedevším o popis variant metody nejmenších þtvercĤ použitelných i na prĤbČhy charakterizované rovnicemi, které nemají polynomiální charakter.
2.2 Napájecí síĢ v motorovém vozidle 2.2.1 Úvod do napájecích sítí Každé motorové vozidlo je z hlediska napájecí sítČ velmi složitá a rozsáhlá soustava. Sestává z obrovského množství vodiþĤ rĤzných prĤmČrĤ, které propojují systémy a jejich komponenty založené na nejrĤznČjších fyzikálních zákonitostech a principech.
11
Navzdory ohromným rozdílĤm ve struktuĜe jednotlivých subsystémĤ je jejich napájecí napČtí v naprosté vČtšinČ pĜípadĤ pĜizpĤsobeno napájecí sítí automobilu, tedy 12V. Naproti tomu protékající proudy potĜebné k jejich bezporuchové þinnosti se liší v hodnotČ nČkolika ĜádĤ. Jde o proudy zaþínající na jednotkách až desítkách miliampér napĜíklad u klidového proudu bezpeþnostních systémĤ až po stovky ampér tekoucích napájecí sítí do startéru. Dalším nezanedbatelným hlediskem pĜi rozboru napájecí sítČ osobního automobilu je elektromagnetická kompatibilita. Elektromagnetickou kompatibilitu zhoršují, dle výše uvedených skuteþností pĜedevším nČkteré spotĜebiþe odebírající z napájecí sítČ relativnČ velké proudy. Tento velký proud svým prĤchodem vyvolává úbytky napájecího napČtí a to buć dlouhodobČ nebo krátkodobými impulsy. KromČ poklesĤ napČtí vytváĜejí protékající proudy ve svém okolí i elektromagnetické pole. Další podstatný pĜíspČvek ke zhoršení elektromagnetické kompatibility vytváĜí v moderních vozech i velké množství Ĝídících jednotek obhospodaĜujících subsystémy automobilu. Tyto jednotky jsou ve velké míĜe založeny na þíslicovém principu a obsahují mikroprocesory, které zpĤsobují impulsní rušení. Toto rušení je do okolí vyzaĜováno nejen kabelovým vedením ale i vzduchem. Z dĤvodu rušení musí obsahovat všechna navrhovaná zaĜízení odrušovací filtry. Tyto filtry musí odstranit nejen pĜípadné nežádoucí vyzaĜování od ostatních jednotek, které by mohlo zpĤsobit chybnou funkci popĜípadČ výpadek navržené jednotky, ale i rušení pocházející z nového zaĜízení smČrem do okolí. Rušení pĜináší veliké nesnáze i pĜi návrhu metod centralizované diagnostiky, kterou se zabývá projekt jehož souþástí je tato práce. Analýza jednotlivých systémĤ se totiž opírá o mČĜení napČtí a odbČrĤ proudu a s tím spojeným pĜíkonem. Jestliže by napájecí napČtí mČlo stálé parametry, nejen že by bylo zbyteþné ho mČĜit ale odpadl by i problém s jeho zakomponováním do diagnostické metody, þímž by se její zpracování znaþnČ zjednodušilo. Více informací o tomto problému je možné nalézt v kapitole 4 Aplikace diagnostických metod na data.
2.2.2 Napájecí síĢ vozu Fabia Oproti starším typĤm automobilĤ má elektrická kabelová instalace vozu Fabia znaþnČ odlišnou koncepci a s tím spojené konstrukþní Ĝešení. Novátorské Ĝešení je výrobcem oznaþováno jako „Palubní síĢ decentrální“. Novým v kabelové instalaci tohoto automobilu je to, že jednotlivé elektrické subsystémy jsou seskupeny do montážních a funkþních skupin. Každá skupina je ovládána uceleným specializovaným okruhem, jež je ovládán samostatnou Ĝídící jednotkou, která je umístČna v blízkosti zmínČné montážní nebo funkþní skupiny. ěídící skupiny jsou, ale samozĜejmČ ve spojení s centrální Ĝídící jednotkou. Oproti starším vozĤm kde byly relé i pojistky uspoĜádány v jednom bloku je v decentrální síti tento blok rozdČlen a jeho jednotlivé þásti jsou umístČny v propojovacích místech kabeláže. Kabeláž decentrální sítČ vozu Fabia je znázornČna na následujícím obrázku Obr. 2.1 RozmístČní hlavních kabelových svazkĤ ve voze Fabia.
12
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)
stĜední þást pĜístrojové desky oddČlovací stČna propojovací místa ve sloupcích karoserie propojovací místo ve stĜeše akumulátor a pojistkový box na akumulátoru kompaktní svorkovnice pojistkový box zásuvka Obr. 2.1 RozmístČní hlavních kabelových svazkĤ ve voze Fabia
Kabelové svazky jsou pĜerušeny konektory v centrech, kde se pĜedpokládá možnost oddČlení jednotlivých þástí karoserie. V tČchto þástech se nacházejí propojovací místa a svorkovnice. Jde pĜedevším o dveĜe a motorový prostor. Jejich umístČní a vzhled je patrný z obrázku Obr. 2.2 NejdĤležitČjší místa ve voze Fabia. Na pĜíþné stČnČ, která oddČluje kabinu od prostoru motoru je umístČna kompaktní svorkovnice. Úþelem svorkovnice je propojit þást palubní sítČ, která je umístČna v motorovém prostoru a pĜední þásti vozu s þástí umístČnou v kabinČ a zadních partiích vozu. Je dosažitelná jak od motoru, tak i z kabiny. Kompaktní svorkovnice je rozdČlena do barevnČ rozlišených modulĤ. Tvar modulĤ znemožĖuje zapojit protikus do nesprávné svorkovnice. Díky tČmto vlastnostem není propojení pomocí kompaktní svorkovnice závislé ani na stupni komfortu automobilu ani na variantČ vozu. Nezávislostí na zmínČných faktorech je dosaženo optimalizace variant, úspory finanþní a materiálové a usnadnČní servisních výkonĤ. Propojovací místa ve sloupcích karoserie se používají k propojení systémĤ umístČných ve dveĜích automobilu se zbývající palubní sítí. V pĜedních sloupcích karoserie jde o centrální zamykání, varovná svČtla ve dveĜích, dveĜní kontakty osvČtlení
13
kabiny, ovládání boþních zrcátek, napájení reproduktorĤ a CAN. V pĜípadČ stĜedních sloupkĤ se jedná o napájení reproduktorĤ, dveĜní kontakty, centrální zamykání a CAN.
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
kompaktní svorkovnice propojovací místa v pĜedních sloupcích karoserie propojovací místa ve stĜedních sloupcích karoserie pojistkový box na levém boku pĜístrojové desky pojistkový box na akumulátoru propojení svorky +30 za pĜístrojovou deskou centrální Ĝídící jednotka vozu Obr. 2.2 NejdĤležitČjší místa ve voze Fabia
StČžejním místem elektrické sítČ vozu fabia je centrální Ĝídící jednotka. Decentralizované Ĝídící systémy komunikují s centrální Ĝídící jednotkou pomocí sbČrnice CAN. Tato sbČrnice je v automobilu rozdČlena na dvČ zcela nezávislé sbČrnice podle funkce ke které jsou používány. Jde o sbČrnice s názvy CAN (A) obhospodaĜující hnací ústrojí a sbČrnici CAN (K), kterou jsou pĜenášena data týkající se komfortní výbavy automobilu.
14
Centrální Ĝídící jednotka zpracovává informace získané z ostatních Ĝídících systémĤ v þásti nazvané GATEWAY. Tento prvek má za úkol pĜijímat zprávy z obou sbČrnic a na základČ rozhodnutí centrální Ĝídící jednotky sestavit zprávu novou a tu odeslat požadované jednotce pĜípadnČ jednotkám. Pro ilustraci uvedu pĜíklad. Automatická klimatizace jako prvek komfortní výbavy komunikuje po sbČrnici CAN (K). K její správné funkci, ale potĜebuje znát informace z motorové þásti vozu, který je na sbČrnici CAN (A). Tento požadavek zprostĜedkovává centrální Ĝídící jednotka, která je komunikaþním uzlem obou sbČrnic. Do centrální Ĝídící jednotky jsou kromČ sbČrnic integrovány i nČkteré reléové funkce. Dále tato jednotka sleduje systémy, které nejsou napojeny ani na jednu sbČrnici. Mezi takové systémy patĜí napĜíklad kombinovaný pĜepínaþ pod volantem nebo pojistkový box na levém boku pĜístrojové desky. Hlavní Ĝídící systémy jsou znázornČny na následujícím obrázku
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)
centrální Ĝídící jednotka vozu centrální Ĝídící jednotka komfortního systému Ĝídící jednotka motoru Ĝídící jednotka posilovaþe Ĝízení Ĝídící jednotka airbagĤ Ĝídící jednotka klimatizace Ĝídící jednotka ABS Ĝídící jednotka panelu pĜístrojĤ a imobilizéru Obr. 2.3 RozmístČní Ĝídících jednotek ve voze Fabia
15
Jak již bylo Ĝeþeno, je datová sbČrnice nyní vyrábČných vozĤ Škoda Fabia rozdČlena na dvČ sbČrnice CAN. Datové vedení není rozdČleno náhodnČ, ale podle priority systémĤ, které je využívají. CAN (K) je sbČrnicí komfortního systému a jsou na nČj pĜipojeny jednotky klimatizace, jednotky obsažené v jednotlivých dveĜích, centrální jednotka komfortního systému a spojeni s centrální Ĝídící jednotkou automobilu. CAN (A) je sbČrnice hnacího ústrojí a má vyšší prioritu. K této sbČrnici jsou pĜipojeny jednotky motoru, ABS, panelu pĜístrojĤ, posilovaþe Ĝízení, airbagĤ a samozĜejmČ propojení s centrální Ĝídící jednotkou automobilu.
2.3 Získání dat Podstata centralizované metody spoþívá v diagnostice zaĜízení na základČ mČĜení v nČkolika málo bodech spoleþných pro co nejvyšší poþet zaĜízení. V tČchto bodech je tĜeba získat zdroje signálĤ s dostateþnou informaþní hodnotou vypovídající o co nejvČtším poþtu mČĜených zaĜízení. PĜístroje používané v dnešních automobilech mají spoleþné napájení a komunikaþní sbČrnici CAN. Z tohoto dĤvodu je nejvýhodnČjší umístit diagnostická zaĜízení do uzlĤ napájecí sítČ. Primárními informacemi, které je možno získat v tČchto uzlech, jsou prĤbČhy napČtí a proudu. Ideální stav by znamenal diagnostikování na základČ mČĜení v 1 bodČ, a to mČĜením proudu I4 a napČtí v pojistkovém boxu na akumulátoru pĜípadnČ v místČ propojení svorky +30 za pĜístrojovou deskou. ZmínČná místa mČĜení napČtí jsou znázornČna na obrázku Obr. 2.2 NejdĤležitČjší místa ve voze Fabia v kapitole 2.2.2 Napájecí síĢ vozu Fabia. Proud I4 ovšem obsahuje pĜíspČvky od všech zaĜízení, proto jsme se v prvotní fázi zkoumání jednotlivých zaĜízení rozhodli tyto proudy rozdČlit do tĜí skupin. Skupiny jsou znázornČny na obrázku Obr. 2.4 Blokové schéma elektrických rozvodĤ vozu Fabia níže a jsou charakterizovány proudy I1, I2 a I3. Jak je patrné z obrázku I1 obsahuje pĜíspČvky od skupiny zadních svČtel, I2 pĜíspČvky od skupiny pĜedních svČtel a I3 pĜíspČvky od motorové þásti. Pro získávání zmínČných prĤbČhĤ proudĤ a napČtí bylo tĜeba navrhnout fyzickou vrstvu s dostateþnou variabilitou. Tato vrstva by mČla dokázat nejen mČĜit potĜebné prĤbČhy, ale na základČ namČĜených prĤbČhĤ a navržených diagnostických metod i analyzovat jednotlivá zaĜízení automobilu. Hardware použitelný k tomuto úþelu musí být navržen a zkonstruován s ohledem na nároþné prostĜedí automobilu, ve kterém bude používán. Musí splĖovat požadavky vycházející pĜedevším z mechanického namáhání a otĜesĤ bČhem jízdy a z elektromagnetické kompatibility þásteþnČ popsané v kapitole 2.2.1 Úvod do napájecích sítí.
16
Obr. 2.4 Blokové schéma elektrických rozvodĤ vozu Fabia
2.4 Fyzická vrstva 2.4.1 Popis koncepce Dostateþnou variabilitu a robustnost lze dosáhnout rĤznými koncepcemi Ĝešení. Z hlediska variability je vhodným Ĝešením, pro tento stejnČ jako pro mnoho obdobných projektĤ, modulární návrh systému. Modulárnost zajistí dostateþnou variabilitu v analýze spotĜebiþĤ používaných nejen v tomto konkrétním typu automobilu, ale i pro vozy výraznČ odlišné. Koncepce systému umožĖuje i pĜípadné rozšíĜení diagnostiky o zaĜízení, která na trhu v dnešní dobČ ještČ nejsou a objeví se teprve v prĤbČhu budoucích inovací automobilu. Dá se totiž pĜedpokládat, že trend zvyšování komfortu a bezpeþnosti uživatele pĜidáváním nových a nových subsystémĤ bude nadále pokraþovat.
17
Na obrázku Obr. 2.5 UspoĜádání mČĜící soustavy je znázornČna možná konfigurace systému v poþáteþní fázi návrhu systému. V systému je zapojen jeden Ĝídící poþítaþ (RP) na jehož jeden vstup mĤže být pĜipojeno až 16 Ĝídících modulĤ (RM) pomocí sbČrnice CAN 0. PĜiþemž na každý Ĝídící modul mĤže být pĜipojeno až 16 mČĜících modulĤ (MM) pomocí sbČrnice CAN 1. Jelikož je pro správnou diagnózu kontrolovaných zaĜízení nevyhnutelné znát jejich aktuální stav je nutné diagnostický systém pĜipojit i na sbČrnice automobilu. Z tohoto dĤvodu jsou jak Ĝídící poþítaþ tak Ĝídící moduly pĜipojeny na CAN sbČrnice automobilu.
CAN 0
CAN 1 R M1
MM1 MM2
R P
M M 16
R M2
MM1 MM2
M M 16
R M 16
MM1 MM2
M M 16
Obr. 2.5 UspoĜádání mČĜící soustavy
18
Výsledný diagnostický systém mĤže být sestaven podle konkrétní situace. V minimální konfiguraci se mĤže skládat pouze ze dvou modulĤ a to jednoho Ĝídícího a jednoho mČĜícího. V pĜípadČ potĜeby však mĤže být rozšíĜen zcela, dle požadavkĤ konkrétního Ĝešení, až na 256 mČĜících modulĤ komunikujících s 16 Ĝídícími moduly propojenými s Ĝídícím poþítaþem. Diagnostický systém sériovČ nasazený v automobilu již nebude potĜebovat Ĝídící poþítaþ. Ten je použit jen v poþáteþních fázích z dĤvodĤ návrhu systému a pĜípadnČ pĜi servisních pracích k nastavení systému a dĤkladnČjší kontrole funkþnosti celé instalace. Ve finální konfiguraci bude systém provozovaný ve voze Fabia obsahovat pouze jeden Ĝídící modul napojený na sbČrnice a þtyĜi až pČt mČĜících modulĤ pĜipojených na napájecí síĢ automobilu. Všechny moduly navrženého diagnostického systému jsou Ĝízeny výkonnými procesory firmy Motorola rodiny HC12. V pĜípadČ Ĝídícího modulu je to procesor oznaþený MC9S12DP256BCPV a mČĜící modul je Ĝízen procesorem 9S12DG128B. DetailnČjší popis funkce a vlastností jednotlivých modulĤ je popsán v následujících kapitolách.
2.4.2 ěídící poþítaþ ěídící poþítaþ je na nejvyšším místČ v hierarchii navrženého diagnostického systému. Jde o osobní poþítaþ osazený deskou komunikující po sbČrnici CAN 0. Pomocí této sbČrnice si Ĝídící poþítaþ vymČĖuje informace se všemi Ĝídícími moduly použitými v systému. Aby systém rozpoznal komu je jaká zpráva urþena a þásteþnČ jaká data zpráva obsahuje je každá zpráva vybavena identifikátorem. DetailnČjším popisem sbČrnice CAN se tato práce nezabývá, protože její popis je souþástí mnoha publikací. Její specifikaci je možné nalézt napĜíklad na pĜiloženém CD v souboru Can2spec.pdf. Program Ĝídícího poþítaþe musí umožĖovat konfiguraci celé sítČ, tedy parametrizaci všech mČĜících a Ĝídících modulĤ a zároveĖ možnost získání již pĜedem nastavených parametrĤ v modulech. Konfiguraci celé sítČ je možno uložit a opČtovnČ naþíst. PĜi naþtení uloženého schématu sítČ se o parametrizaci všech modulĤ postará aplikace sama, což zejména u rozsáhlejších zapojení velmi ušetĜí práci. Po nastavení modulĤ se pomocí aplikace mĤže spouštČt, pozastavovat a ukonþovat jednotlivá mČĜení. Samotné mČĜení probíhá tak, že jednotlivé moduly þekají na splnČní podmínky a po té provedou odmČr, po jehož skonþení informují programové rozhraní. Aplikace po té zaþne vyþítat zmČĜená data, která pĜi vČtším obsahu dat rovnou exportuje do souboru. Vyþtená data z jednotlivých modulĤ lze také vizuálnČ zobrazit s možností pohybu s jednotlivými prĤbČhy, jejich pĜiblížení a zmČny mČĜítka, tj. podobnČ jako na osciloskopu.
19
Aplikace je pĜedevším oznaþovaná jako „offline“, ale umožĖuje také tzv. kontinuální mČĜení, kde probČhne více mČĜení a následných odbČrĤ dat za sebou. Parametry tohoto automatického mČĜení, jako je interval mezi jednotlivými mČĜeními a jejich poþet, se taktéž nastavují pĜes programové rozhraní. PĜi tomto typu hromadných odbČrĤ vzniká þásteþná nejistota mČĜení zpĤsobená prĤchodem informací pĜes PCI kartu v poþítaþi, celou sítí a nakonec zpoždČním jednotlivých modulĤ. Celou situaci zpoždČní mČĜení jak u klasického, tak u kontinuálního mČĜení a s ní souvisejících záležitostí þásteþnČ Ĝeší fakt, že každý modul po skonþení mČĜení posílá informaci, kdy skuteþnČ došlo k odbČru a aplikace po té jednotlivé vzorky pĜepoþítá. PĜed samotným zapoþetím mČĜení ještČ aplikace provádí synchronizaci celé mČĜící sítČ, pĜi kterém dojde k resetu vnitĜních þítaþĤ modulĤ. Jedna z výhod software je možnost komunikace z databází identifikátorĤ vozu Fabia, pomocí které je možné rychle dohledat identifikátor pro podmínku spouštČní. DetailnČjší popis aplikaþní vrstvy Ĝídícího poþítaþe a jejích možností je možné nalézt v literatuĜe [10] Doležal R.: Aplikaþní vrstva systému pro mČĜení napájecí sítČ automobilu. BakaláĜská práce ýVUT FEL Katedra poþítaþĤ, Praha 2006.
2.4.3 ěídící modul ěídící modul plní dvČ funkce v závislosti na aktuální konfiguraci. V pĜípadČ, že zapojení obsahuje Ĝídící poþítaþ plní pĜevážnČ funkci prostĜedníka mezi sbČrnicemi automobilu, Ĝídícím poþítaþem a všemi mČĜícími moduly. V této konfiguraci využívá kromČ pĜipojení na CAN sbČrnice automobilu i vnitĜní sbČrnice diagnostického systému. PĜes CAN 0 je propojen s nadĜazeným Ĝídícím poþítaþem a s mČĜícími moduly sdílí sbČrnici CAN 1. Oproti tomu pĜedpokládaná finální konfigurace autonomního diagnostického systému provozovaná pĜímo v automobilu již nebude neobsahovat Ĝídící poþítaþ. Absencí Ĝídícího poþítaþe se dostává Ĝídící modul na první místo v hierarchii diagnostického systému. I v tomto pĜípadČ je modul pĜipojen na sbČrnice automobilu a pĜes CAN 1 komunikuje s mČĜícími moduly. Prvním jeho úkolem je synchronizovat mČĜící moduly z dĤvodu nutnosti udržení spoleþného þasu všech souþástí diagnostického systému. ZároveĖ provádí nastavování mČĜících modulĤ podle tabulky nastavení v nČm uložené. Nastavování provádí buć v závislosti na konkrétním Ĝešeném úkolu nebo na základČ požadavku pĜijatého od Ĝídícího poþítaþe. ěídící poþítaþ také mĤže zasílat požadavky na odmČĜení urþitého prĤbČhu. ěídící modul na základČ požadavku sleduje zprávy na CAN sbČrnici automobilu a po pĜijetí oþekávané zprávy vyšle pĜíkaz mČĜícímu modulu který spustí mČĜení. Po odmČĜení požadovaných prĤbČhĤ vyšle mČĜící modul informaci o pĜipravenosti dat, þímž nabídne data k odbČru. ěídící modul data pĜevezme a sám je zpracuje. Tak je tomu v pĜípadČ že žádost o odmČr dat pochází pĜímo z Ĝídícího modulu. V pĜípadČ, že žádal o data Ĝídící
20
poþítaþ opatĜí data þasovou znaþkou a pĜípadnČ i identifikátorem pro správné pĜiĜazení a poskytne je na sbČrnici CAN 0 Ĝídícímu poþítaþi, který data zpracuje. V pĜípadČ pĜijetí zprávy o chybČ pĜes CAN 1 od mČĜícího modulu tuto chybu buć obslouží anebo o ní informuje nadĜazený poþítaþ pomocí sbČrnice CAN 0, který chybu vyĜeší prostĜednictvím Ĝídícího modulu. V poli nastavení samotného Ĝídícího modulu lze nastavovat dobu synchronizace. Tato doba definuje jak þasto se má Ĝídící modul synchronizovat s mČĜícími moduly. Vybírat lze i zdroj a podmínku spouštČní odmČru pĜíslušného mČĜícího modulu. Toto nastavení urþuje jaká událost bude spouštČt pĜíslušný odmČr. Jako zdroj spouštČní je možné použít napĜíklad konkrétní zprávu z konkrétní sbČrnice CAN, externí spouštČní nebo napĜíklad spouštČní na základČ komparátoru. Mezi další nastavení patĜí napĜíklad jednotky þasové znaþky urþující rychlost bČhu vnitĜních hodin nebo rychlost sbČrnice CAN. Další podrobnosti o nastavení a funkci Ĝídícího modulu je možné nalézt v literatuĜe [11] Král J.: ěídící modul systému pro mČĜení napájecí sítČ v automobilu s procesorem Motorola. BakaláĜská práce ýVUT FEL Katedra mČĜení, Praha 2006.
2.4.4 MČĜící modul Modul se skládá ze dvou sendviþovČ složených desek z nichž první obstarává veškeré Ĝízení, sbČr a úpravu namČĜených prĤbČhĤ, pĜípadnČ jejich doþasné uložení a komunikaci s Ĝídícím modulem. Tato deska je osazena procesorem Motorola MC9S12DG128B. Pomocí druhé desky jsou prĤbČhy získané z pĜipojených senzorĤ upravovány. Úprava úrovnČ je provádČna pomocí vhodných zapojení operaþních zesilovaþĤ. Výhodou rozdČlení hardwaru mČĜícího modulu je v možnosti výmČny mČĜící þásti za jinou v pĜípadČ potĜeby mČĜit signály pomocí jiných senzorĤ než na jaké je prvotnČ navržen. Jak napovídá jejich název jsou mČĜící moduly použity v systému pro sbČr dat. Jak již bylo popsáno jsou data popisující jednotlivé spotĜebiþe získávána z uzlĤ napájecí sítČ. V pĜípadČ potĜeby získat mČĜením data, která není možné jednoduchým zpĤsobem poĜídit z napájecí sítČ je samozĜejmČ možný i odmČr i z jiného informaþního zdroje. Takovýmto zdrojem informace mĤže být napĜíklad teplotní senzor apod.. MČĜící moduly jsou nejnižším þlánkem v hierarchii celého diagnostického systému. V jejich pĜípadČ nezáleží na konfiguraci celého systému a komunikují vždy pouze s Ĝídícím modulem, se kterým si vymČĖují informace prostĜednictvím komunikaþní sbČrnici CAN 0. Pomocí zpráv z Ĝídícího modulu je možné v mČĜícím modulu nastavovat nejdĤležitČjší parametry. Mezi takto nastavitelné parametry patĜí napĜ. vzorkovací perioda, poþet vzorkĤ, aktivní kanály pro mČĜení prĤbČhĤ, zdroj spouštČní odmČru, podmínka spouštČní odmČru, Ĝád mČĜené veliþiny, režim odmČru dat, jednotky þasové
21
znaþky, povolení – zakázání mČĜení, poþet vzorkĤ obsažených v bloku dat posílaných Ĝídícímu modulu apod.. Jednotlivé prĤbČhy proudĤ jsou mČĜeny prĤvlakovými senzory proudu. ÚrovnČ napČtí vycházející ze senzorĤ jsou upravovány na potĜebnou úroveĖ pomocí operaþních zesilovaþĤ. Stejným zpĤsobem je upravena i úroveĖ snímaného napČtí napájecí sítČ. Upravené úrovnČ napČtí jsou pĜivádČny na vstupy AD pĜevodníkĤ. Z AD pĜevodníkĤ jsou data vyþítána s frekvencí odpovídající nastavené periodČ vzorkování a jsou z úrovnČ kvantovacích krokĤ AD pĜevádČna do konvenþních hodnot. Konvenþními hodnotami se rozumí, že data jsou pĜedávána Ĝídícímu modulu ve V resp. mV, ȝV, A resp. mA, ȝA a ne v kvantovacích krocích AD pĜevodníku. MČĜící modul dokáže snímat potĜebné prĤbČhy ve tĜech rĤzných režimech podle požadavku Ĝídícího modulu. Podporované režimy jsou klasický trigger, pretrigger a posttrigger. První použitelným režimem sbČru dat je klasický trigger pĜi kterém se data zaþínají mČĜit v okamžik splnČní spouštČcí podmínky a ukonþí v okamžik splnČní podmínky pro konec odmČru popĜípadČ po odmČĜení potĜebného poþtu vzorkĤ. Oproti tomu v režimu pretrigger jsou k datĤm poĜízeným klasickým triggerem pĜidán mČĜícím modulem definovaný poþet odmČrĤ poĜízených pĜed splnČním spouštČcí podmínky. Režim posttrigger funguje obdobnČ, jen s tím rozdílem, že jsou pĜidané odmČry poĜízeny po skonþení þasu pro klasický trigger. V prĤbČhu mČĜení jsou data ukládána do pamČti modulu a po jejich kompletaci je vyslána zpráva Ĝídícímu modulu o jejich pĜipravenosti. Na základČ této zprávy požádá Ĝídící modul o data a ty se v blocích o požadované velikosti odešlou. Stálost þasu mČĜícího modulu je upravována pomocí synchronizaþních zpráv z Ĝídícího modulu. PrĤbČžné srovnávání þasu všech modulĤ diagnostického systému je dĤležité pro správné pochopení namČĜených prĤbČhĤ, které jsou ze stejného dĤvodu opatĜeny þasovými znaþkami a vzorkovací frekvencí. Jestliže se mČĜícímu modulu z jakéhokoli dĤvodu nepodaĜí provést odmČr požadovaným zpĤsobem a s požadovanými parametry vyšle Ĝídícímu modulu zprávu o chybném odmČru. Podobnou zprávu odesílá mČĜící modul i v pĜípadČ, že mČĜený prĤbČh pĜekroþí zadané meze. Hardware mČĜícího modulu byl navržen p.Vackem, ale kromČ þásteþnČ funkþní Ĝídící desky a návrhu analogové desky jsem nedohledal žádnou použitelnou dokumentaci ani jiné dokumenty, které by popisovali tuto desku. Proto jsem tento modul alespoĖ þásteþnČ zdokumentoval a po úpravČ návrhu sestrojil chybČjící analogovou desku pĜipojitelnou bez vČtších problémĤ k desce Ĝídící. DetailnČjší popis mČĜícího modulu a jeho souþástí je možné nalézt na konci tohoto dokumentu v kapitole 11.1 MČĜící sítČ diagnostického systému.
modul. Na následující stranČ je schéma informaþní
22
ětGtFtSRþtWDþ 3DPČĢ NRQILJXUDFH QHPČĜHQêFK SUĤEČKĤ
3& VEČUQDPČĜHQêFKGDW QDVWDYHQtPRGXOĤ SUH]HQWDFHQDPČĜHQêFKGDW
6EČUQLFHYR]X 'DWDEi]H LGHQWLILNiWRUĤ YR]X)DELD
)DELDVEČUQLFH KQDFtKR~VWURMt
)DELDVEČUQLFH NDPIRUWQtKR V\VWpPX
&$1 &$1 - &$1 . ětGtFtPRGXO\ 9\KRGQRFRYDFtSRGPtQN\ 1DVWDYHQt SRGPtQHN 3ROHQDVWDYHQt PČĜtFtFKPRGXOĤ 6\QFKURQL]DFH
6SRXãWČQtPČĜHQt
&$1
0ČĜtFtPRGXO\ 6\QFKURQL]DFH ýDVVRYi ]QDþNDNGDWĤP 6SRXãWČQtPČĜHQt ÒSUDYDGRWUXHKRGQRW 0ČĜHQtNDQiO\ ÒSUDYD~URYQtSUR$'
1DSiMHFtVtĢYR]X
6\QFKURQL]DFH ýDVVRYi ]QDþNDNGDWĤP 6SRXãWČQtPČĜHQt ÒSUDYDGRWUXHKRGQRW 0ČĜHQtNDQiO\ ÒSUDYD~URYQtSUR$'
1DSiMHFtVtĢYR]X
Obr. 2.6 Informaþní síĢ diagnostického systému
23
2.5 Prokládání dat 2.5.1 Úvod Data získaná odmČry z diagnostikovaného systému jsou silnČ zarušená a je tĜeba je zbavit šumu. Dalším dĤvodem pro úpravu dat je požadavek jejich zpracování pomocí jednoþipových modulĤ, u kterých jsou nežádoucí složité výpoþetní operace s nemČĜenými daty, z tohoto dĤvodu je tĜeba data pĜedpĜipravit pro jednodušší diagnostiku. StejnČ jako nedostateþný výpoþetní výkon mají moduly i výraznČ omezenou pamČĢ pro data, proto není možné porovnávat data s daty namČĜenými ve fázi uþení, protože potĜebná vzorová data by zabírala pĜíliš místa v pamČti. ZmínČné problémy odstraĖuje parametrizace. Tato kapitola popíše jak pĜizpĤsobit data a zhodnotit správnost proložení pomocí souboru funkcí Matlabu „Curve fitting toolbox“. Pro její pochopení je nutné nejprve nastínit trochu teorie.
2.5.2 Parametrizace Prokládání dat pĜiĜazuje vloženým datĤm vhodnou kĜivku. ObecnČ mohou data pocházet z rĤzných zdrojĤ napĜ. ze senzoru, simulace, historie a tak dále. Cílem prokládání dat kĜivkami je pochopení datového souboru, odfiltrování nežádoucího šumu nebo usnadnČní použití namČĜených dat pomocí nalezené rovnice. Uložením koeficientĤ rovnic namísto celých prĤbČhĤ ušetĜí požadované místo v pamČti dat v modulech. Pohled na rovnici popĜípadČ graf umožĖuje získávání detailnČjších informací o zkoumaném objektu pro budoucí experimenty, pĜijmout nebo vyvrátit pĜedpokládaný teoretický model, vytáhnout fyzikální význam ze získaných souþinitelĤ, a dospČt k závČrĤm o souboru pĤvodních dat. Parametrické prĤmČrování znamená nalezení souþinitelĤ (parametrĤ) pro jeden nebo více modelĤ, které vyhovují zadaným datĤm. Použitá data mají statistický charakter a jsou rozdČlena na dvČ souþásti: deterministickou a náhodnou. data = deterministická þást + šum Deterministická þást obsahuje kromČ užiteþných dat také náhodnou odchylku související s užiteþným signálem. data = užiteþná þást + šum Užiteþný signál je dán modelem který je funkcí nezávislé promČnná a jednoho nebo více koeficientĤ. Náhodná chyba má specifický model distribuþní funkce (obvykle GaussĤv). Chyby mohou pocházet z mnoha rĤzných zdrojĤ, ale jsou vždy pĜítomny
24
v namČĜených datech. Data mohou obsahovat také systematickou chybu, tu ale mĤže být velmi obtížné kvalitnČ odstranit. K odstranČní systematických chyb vedou pouze metody vycházející z metod, kterými byla data získána.
2.5.3 Metoda nejmenších þtvercĤ Tato metoda je vhodná pro již zmínČnou parametrizaci. Pro správné použití této metody je nevyhnutelné nalézt vhodný model s jedním nebo více koeficienty, který odpovídá zpracovávanému souboru dat. Pro odhad koeficientĤ se využívá tzv. reziduí. Hodnoty reziduí mĤžeme spoþítat pro kteroukoli kĜivku, jsou to vzdálenosti (rovnobČžné se svislou osou) od bodĤ ke kĜivce. Reziduem je tedy rozdíl mezi skuteþnou (pozorovanou) hodnotou yi a hodnotou na kĜivce yˆ i , tj. y i − yˆ i Když tyto vzdálenosti umocníme na druhou a seþteme je, dostaneme hodnotu S e = ¦ ( y i − yˆ i ) 2 i
kterou nazýváme reziduální souþet þtvercĤ. KĜivku, pro kterou dostáváme nejmenší možnou hodnotu Se, nazveme kĜivkou vyhovující kritériu nejmenších þtvercĤ. Metoda nejmenších þtvercĤ je používána i v (nejen) matematickém programu MATLAB. Jedním z nástrojĤ využívajících tuto metodu je „Curve fitting toolbox“ používaný k prokládání kĜivek. Tento nástroj umožĖuje prokládání dat rĤznými modely kĜivek a ĜádĤ jako jsou napĜ. polynomy, exponenciely, fourierovy Ĝady atd.. ZároveĖ graficky znázorĖuje výsledek prokladu. Tento nástroj jsem použil pro získání informací o mČĜených datech. Bylo by ovšem þasovČ pĜíliš nároþné tímto zpĤsobem získávat koeficienty všech prĤbČhĤ. K tomuto úþelu je mnohem rychlejší využít funkce podporující tento toolbox. V tomto projektu jsem využil napĜíklad funkce gauss4, poly1 atd..
2.5.4 Lineární metoda nejmenších þtvercĤ Curve fitting toolbox využívá lineární metodu nejmenších þtvercĤ k aproximaci polynomiálních závislostí. Lineární model je definován jako rovnice lineární v koeficientech. Pro ukázku lineární metody nejmenších þtvercĤ pĜipusĢme, že máme n bodĤ, které mohou být aproximovány polynomem prvního Ĝádu.
y = p1 x + p 2
25
Pro Ĝešení této rovnice je tĜeba nalézt koeficienty p1 a p 2 z n lineárních rovnic o dvou neznámých, kde n je mnohem vČtší než poþet neznámých. Pak je soustava rovnic urþena: n
S = ¦ ( y − ( p1 xi + p 2 )) i =1
Protože metoda nejmenších þtvercĤ minimalizuje reziduální souþet þtvercĤ, jsou koeficienty definovány jako partikulární derivace podle pĜíslušného koeficientu rovnající se 0. n ∂S = −2¦ xi ( y i − ( xi p1 + p 2 )) = 0 ∂p1 i =1
n ∂S = −2¦ ( y i − ( xi p1 + p 2 )) = 0 ∂p 2 i =1
Odhady parametrĤ jsou obvykle oznaþovány jako b. Substitucí b1 a b2 za p1 a p 2 dostaneme. n
¦ x (y i
i
− ( x i b1 +b2 )) = 0
i =1
n
¦(y
i
− ( xi b1 +b2 )) = 0
i =1
potom n
n
n
i =1
i =1
i =1
b1 ¦ xi2 +b2 ¦ xi = ¦ xi y i n
n
i =1
i =1
b1 ¦ x i +nb2 = ¦ y i
Ĝešením pro b1 je:
26
b1 =
n
n
i =1
i =1 n
n¦ x i y i − ¦ xi n
n
¦y
i
i =1
n¦ x i2 −(¦ xi ) 2 i =1
i =1
Ĝešením pro b2 je: b2 =
n 1 n (¦ y i − b1 ¦ xi ) n i =1 i =1
Jak mĤžeme vidČt, odhad koeficientĤ p1 a p2 vyžaduje jen nČkolik málo jednoduchých výpoþtĤ. Zvýšení Ĝádu polynomu vede k rozsáhlejším výpoþtĤm se stejnou obtížností. Jde pouze o pĜidání další rovnice pro každý následující þlen. V maticové formČ je rovnice lineárního modelu reprezentována: y = Xβ + ε
Kde: -
y jsou odezvy s rozmČrem nx1 ȕ jsou koeficienty s rozmČrem mx1 X je matice modelu s rozmČrem nxm İ je vektor chyb o rozmČru nx1
U prvního stupnČ polynomu jde o n rovnic o dvou neznámých, které jsou popsány pomocí y,X a ȕ.
ª y1 º ª x11º « y » « x 1» p « 2» = « 2 »×ª 1º « » « » «¬ p 2 »¼ « » « » ¬ y n ¼ ¬ x n 1¼ ěešením metody nejmenších þtvercĤ je vektor b.Ten je dán rovnicí:
(X X )b = X T
T
y
kde X T je transponovaná matice X. Výsledkem je: b =
(X
T
X
)
−1
X
T
y
27
V MATLABu mĤžeme použít operátor opaþného lomítka pro odhad koeficientĤ ze systému lineárních rovnic. Protože výpoþet X T X mĤže vést k nepĜíjemným zaokrouhlovacím chybám užívá MATLAB operátor QR dekompozice se stĜedem, což je numericky velmi stálý algoritmus. Více informací o operátorech zpČtného lomítka a QR dekompozici je možno nalézt v dokumentaci k MATLABu. Vložením b zpČt do rovnice dostaneme odhad yˆ :
yˆ = Xb = Hy
(
H = X XTX
)
−1
XT
Rezidua jsou dány:
r = y − yˆ = (1 − H ) y
2.5.5 Váhová metoda nejmenších þtvercĤ Jak vyplývá ze základních pĜedpokladĤ o chybách, mají zpracovávaná data stálou kvalitu, tudíž mají i stálou chybu. Jestliže je tento pĜedpoklad porušen, mĤže být výsledek znaþnČ ovlivnČn nekvalitními daty. V takovém pĜípadČ je možno pro zlepšení parametrizace použít váhovou metodu, kde je do procesu prĤmČrování zakomponován ještČ jeden þinitel „váha“. Váhová metoda minimalizuje chybu odhadu, S e = ¦ wi ( y i − yˆ i ) 2 i
kde wi je váha. Váha urþuje jakou mČrou pĜispívají jednotlivé výsledky k celkovému odhadu. Kvalitní data ovlivĖují výsledek více než data nekvalitní. Vážení lze použít pouze v takových pĜípadech, kdy jsou váhy známé nebo mají alespoĖ definovaný charakter. Váhy upravují výpoþet parametru odhadu následujícím zpĤsobem:
(
b = βˆ = X T WX
)
−1
X T Wy
kde w je dáno diagonálními elementy váhové matice W. Nestálost zmČn sledovaných dat, mĤžeme þasto zjistit vynesením hodnot reziduí. Jak je vidČt na obrázku níže, kde jsou znázornČna data získaná opakovaným mČĜením s rĤznou kvalitou a jejich správný proklad. Špatná kvalita dat je vidČt v grafu reziduí,
28
který má trychtýĜovitý tvar, kde nižší hodnoty mČĜené veliþiny pĜinášejí vČtší rozptyl než vyšší.
Obr. 2.7 Data a rezidua vhodná pro váhovou metodu
Námi použité váhy by mČli odpovídat hodnotČ rozptylĤ dat. Jestliže známe rozptyly dat pak váhy mĤžeme definovat jako: wi = 1
σ2
Jestliže rozptyly neznáme, pak mĤžeme váhy pĜibližnČ vypoþítat dle následující rovnice:
§1 n · wi = ¨ ¦ ( y i − y ) 2 ¸ © n i =1 ¹
−1
Tato rovnice je použitelná jestliže se data skládají z opakovaných odmČrĤ. V tomto pĜípadČ je n poþet opakování. Váhy se mohou znaþnČ lišit. Dalším pĜístupem je vykreslení reziduí a nalezení vhodného modelu. Forma tohoto modelu není pĜíliš podstatná, v mnoha pĜípadech dobĜe poslouží napĜ. polynomický model nebo funkce výkonu.
29
2.5.6 Robustní metoda nejmenších þtvercĤ Jedním ze základních pĜedpokladĤ je, že chyby mají normální distribuþní funkci. NicménČ se odlehlé výsledky mohou vyskytnout. Velkou nevýhodou prokládání metodou nejmenších þtvercĤ je její citlivost na data obsahující velkou chybu. Odlehlé výsledky ovlivĖují výsledek, protože se rezidua umocĖují a to zvyšuje vliv pĜíliš zarušených dat. Pro minimalizaci vlivu dat s pĜíliš velkou chybou lze použít robustní metodu nejmenších þtvercĤ. Ve funkcích MATLABu lze využít dvou robustních metod:
Least absolute residuals (LAR) – LAR nalézá kĜivku absolutních rozdílĤ reziduí, kterou minimalizuje. PĜesnČji Ĝeþeno obdélníkové rozdíly. Proto mají extrémní hodnoty menší vliv na výsledek. Bisquare weights – Tato metoda minimalizuje sumu þtvercĤ vah, kde váha daná každému referenþnímu bodu je dána vzdáleností od bodu na parametrizované kĜivce. Body ležící blízko kĜivky dostanou plnou váhou a se vzdalováním se od kĜivky se váha snižuje až k nule. Ve vČtšinČ pĜípadĤ se upĜednostĖuje metoda Bisquare weights pĜed LAR, protože zároveĖ nalézá parametrizovanou kĜivku a minimalizuje vliv odlehlých výsledkĤ. Metoda Bisquare weights používá opakované pĜevažování algoritmem nejmenších þtvercĤ podle následujícího postupu: 1. Hledání modelu pomocí vážení nejmenších þtvercĤ. 2. Výpoþet pĜizpĤsobených reziduí a jejich standardizace. PĜizpĤsobená rezidua jsou dána:
radj =
ri 1 − hi
ri jsou obyþejná rezidua z metody nejmenších þtvercĤ, hi jsou pákové koeficienty pĜizpĤsobující rezidua, které snižující vliv odlehlých výsledkĤ na data. Tyto rezidua mají velký vliv na metodu nejmenších þtvercĤ. Standardizace pĜizpĤsobených reziduí je dána vztahem:
u=
radj Ks
30
K je konstanta rovna 4,685 a s je promČnná daná MAD/0,6745 kde MAD je stĜední absolutní odchylka reziduí. PodrobnČjší informace o promČnných a konstantách mĤžete nalézt v manuálu k programu MATLAB, ze kterého jsem þerpal informace. 3. Výpoþet robustních vah, které jsou funkcí u. Jsou dány vztahem:
(1 − (u i ) 2 ) 2 u < 1 wi = ® u ≥1 1 ¯ 4. Jestliže parametrizace dává požadované výsledky, je proces ukonþen. V opaþném pĜípadČ se postup opakuje od prvního kroku.
Obr. 2.8 Srovnání lineární a robustní metody
Graf ukazuje srovnání metody lineární (plná pĜímka) a Bisquare weights (þerchovaná pĜímka). Je zde vidČt, že robustní metoda respektuje vČtšinu dat a omezuje vliv dat zatížených pĜíliš velkou chybou. KromČ minimalizace vlivu odlehlých dat pomocí robustní metody, umožĖují funkce MATLABu oznaþit data, která mají být vylouþena z parametrizace.
31
2.5.7 Nelineárníní metoda nejmenších þtvercĤ Curve fitting toolbox využívá tuto metodu pro proložení dat nelineárním odhadem. Nelineární odhad je definován jako rovnice nelineární v koeficientech, popĜípadČ jako kombinace rovnice lineární v koeficientech a nelineární v koeficientech. PĜíkladem takových funkcí používaných MATLABem jsou Gaussian (Gaussian), podíl polynomĤ (ratio of polynomials) nebo funkce výkonu (power function). V maticovém tvaru vypadá nelineární model následovnČ: y = f (X , β ) + ε
Kde: -
y jsou odezvy s rozmČrem nx1 f je funkcí ȕ a X ȕ jsou koeficienty s rozmČrem mx1 X je matice modelu s rozmČrem nxm İ je vektor chyb o rozmČru nx1
Výpoþet nelineárního modelu je obtížnČjší, protože koeficienty nelze odhadnout pomocí jednoduchých maticových poþtĤ. Namísto aproximace je tĜeba vykonat následující kroky: 1. Zaþínáme poþáteþním odhadem každého koeficientu. U nČkterých nelineárních modelĤ je tĜeba použít originálního Ĝešení. Je však nutné aby produkovalo pĜijatelné poþáteþní koeficienty. Pro ostatní se vybírají náhodné hodnoty z intervalu [0,1]. 2. VytvoĜíme pĜizpĤsobenou kĜivku z poþáteþních koeficientĤ. PĜizpĤsobená hodnota odhadu yˆ je dána vztahem:
yˆ = f ( X , β ) a zapojíme výpoþet Jakobiánu f(X, ȕ), který je definován jako matice parciálních derivací podle jednotlivých koeficientĤ. 3. PĜizpĤsobíme koeficienty a urþíme, jestli se proklad zlepšil. SmČr a velikost úpravy závisí na algoritmu prokládání. MATLAB ve svém „curve fitting toolboxu“ nabízí následující algoritmy:
32
- Trust-region: Jde o základní algoritmus, který musí být užit jestliže definujeme omezení koeficientĤ. Algoritmus umožĖuje Ĝešení obtížných nelineárních problémĤ úþinnČji než ostatní algoritmy. PĜedstavuje zdokonalení þasto používaného algoritmu „Levenberg-Marquardt“. - Levenberg-Marquardt: Tento algoritmus je užíván velice dlouho a prokázal své opodstatnČní na velkém množství nelineárních aplikací a výchozích hodnot. Jestliže selže metoda „Trust-region“ a neexistuje omezení koeficientĤ, pak je vhodné použít tento algoritmus. - Gauss-Newton: Tento algoritmus je mnohem rychlejší než zbylé, je však omezen velikostí reziduí, která musí být blízká nule. Tento algoritmus je v MATLABu spíše z pedagogických dĤvodĤ a mČl by být použit pouze v krajních pĜípadech. 4. Opakujeme proces od bodu 2, až dosáhneme požadovaného kritéria konvergence. Na nelineární modely mĤžeme také jako doplnČk použít váženou nebo robustní metodu nejmenších þtvercĤ, proces parametrizace bude poté obdobný. Protože ve skuteþnosti není žádný algoritmus stoprocentnČ spolehlivý pro všechny modely, vstupní data ani poþáteþní odhady, je nutné jestliže nedosáhneme požadovaného výsledku experimentovat s nastavením algoritmu, vstupních dat a poþáteþních odhadĤ.
33
3 NamČĜená data 3.1 Úvod Jedním z prvních úkolĤ pĜi navrhování diagnostické metody je získat co nejvíce informací o mČĜeném objektu. Nejlepší definicí elektrického pĜístroje je jeho fyzikální model nebo alespoĖ model jeho chování vzhledem k elektrické síti automobilu. Jestliže není možné pĜesnČ definovat takový model pomocí teoretických znalostí nebo by byl pĜíliš složitý, pĜichází na Ĝadu druhá možnost získání popisu diagnostikovaného zaĜízení. Touto možností je nalézt model jeho chování pomocí mČĜení. Nalezení teoretického modelu žárovek je možné. Existuje však nČkolik aspektĤ, které tento úkol velice znesnadĖují a ubírají na sympatii takovémuto pĜístupu. Je to pĜedevším fakt, že jejich nalezení vyĜeší pouze problém jednoho typu žárovek od jednoho výrobce. Je sice pravda, že základ fyzikálního modelu je u všech žárovek podobný, nicménČ dá se pĜedpokládat, že jejich pĜesný tvar se bude velice lišit pĜípad od pĜípadu. Z uvedených dĤvodĤ je nalezení modelu chování pomocí mČĜení mnohem ménČ nároþné. Bezchybné namČĜení charakteristik popisujících zaĜízení, které má být diagnostikováno, je jedním ze základních pĜedpokladĤ pro navržení použitelné diagnostické metody. Velkému množství chyb je možné se vyvarovat použitím vhodné metody mČĜení. První myšlenkou bylo získat prĤbČhy pomocí navrženého diagnostického zaĜízení. Posléze jsem však od této možnosti upustil. Bylo to pĜedevším z dĤvodĤ potĜeby zpracovávat data pomocí programu MATLAB, vizuální kontroly zachycených prĤbČhĤ, rychlosti získávání jednotlivých prĤbČhĤ a potĜeby širších a pĜesnČjších možností nastavení spouštČcích podmínek. Proto jsem navrhl automatizovaný postup mČĜení. Mnou použitý postup mČĜení je popsán v následující kapitole. V poþáteþních fázích projektu jsem zkoušel najít rozdíly mezi jednotlivými stavy svČtel. Nejprve jsem zkusil diagnostikovat svČtla na základČ proudu tekoucího obvodem po odeznČní pĜechodových dČjĤ.
34
Obr. 3.1 PrĤbČhy proudĤ jednou a obČma žárovkami
Je pomČrnČ jednoduché urþit zda svítí obČ svČtla. V tomto pĜípadČ teþe pĜívodem v ustáleném stavu proud, který se pĜibližnČ rovná dvojnásobku proudu tekoucího do jedné žárovky. Podobná situace nastává i pĜi urþování stavĤ, kdy nesvítí nic nebo kdy svítí pouze jedna žárovka. Urþit tyto tĜi stavy by nebylo pĜíliš složité zadání a lze jej bezpeþnČ vyĜešit pomocí ustáleného stavu. SložitČjší problém nastává jestliže rozšíĜíme zadání a chceme urþit zda pĜestala svítit levá nebo pravá žárovka. Fyzický rozdíl mezi pravým a levým svČtlem je pouze v délce pĜívodĤ. PĜívodní drát k pravému svČtlu je pĜibližnČ o 4m delší což nepatrnČ zvyšuje ohmický odpor, parazitní indukþnosti, kapacity a tím i þasovou konstantu vČtve. Praktickým mČĜením jsem zjistil, že proud tekoucí v ustáleném stavu do pravého a levého pĜedního potkávacího svČtla se témČĜ neliší. Nepatrný rozdíl je dán pouze odlišným odporem pĜívodĤ. Bylo by možné použít napĜ. prĤmČrování z více odmČrĤ, ale ani po takovéto analýze není tato metoda dostateþnČ robustní. Výsledek diagnózy by nepĜípustnČ ovlivĖovalo i pouhé stárnutí elektrické sítČ automobilu a s tím spojené oxidování kontaktĤ. Z tohoto zjištČní vyplívá, že pouze na základČ ustáleného stavu lze svČtla diagnostikovat jen v omezeném rozsahu.
35
Obr. 3.2 PrĤbČhy proudĤ pravou (modrá) a levou (zelená) žárovkou
PodstatnČjší rozdíl jsem zaznamenal v proudu, který teþe žárovkami tČsnČ po jejich zapnutí. Tento fakt je dán rozdílem odporu žárovky za studena a po jejím zahĜátí. Odpor vlákna žárovky je velice závislý na teplotČ. Díky tomu se objevuje po zapnutí proudová špiþka jejíž velikost se podstatnČ liší pĜi rozsvícení levé nebo pravé svítilny. Maximální hodnota proudu objevující se na zaþátku pĜechodového dČje je však velice závislá i na poþáteþní teplotČ vlákna. Tuto teplotu urþují dva faktory. Tím prvním je okolní teplota. Tuto teplotu však mĤžeme získat z informaþní sbČrnice automobilu, pĜípadnČ mČĜením. Druhým faktorem, který ovlivĖuje poþáteþní teplotu je doba, která ubČhla od posledního zapnutí. Ta je ovšem pĜesnČ známa. Tento diagnostický pĜíznak má však stejného nepĜítele jako proud v ustáleném stavu a tím je stárnutí instalace a oxidace kontaktĤ. Díky rozdílné délce pĜívodĤ je však z namČĜených prĤbČhĤ vidČt ještČ jeden podstatný rozdíl mezi levou a pravou žárovkou. Tímto asi nejrobustnČjším a nejménČ náchylným pĜíznakem je tvar pĜechodové charakteristiky tČsnČ po zapnutí žárovek. I tento pĜíznak je velice závislý na poþáteþní teplotČ vláken. Jelikož však dokážeme tuto teplotu pomocí znalosti okolní teploty a doby chladnutí žárovek urþit, stává se tento pĜíznak použitelným.
36
Obr. 3.3 PrĤbČhy proudĤ levou žárovkou pĜi rĤzných poþáteþních teplotách
Na Obr. 3.3 je znázornČno, jaký zásadní vliv na prĤbČh proudu žárovkou po jejím rozsvícení má poþáteþní teplota vlákna. Teplota by se jen tČžko nastavovala, proto je pĜevedena na meziþas chladnutí od pĜedchozího zahĜátí vlákna do poþátku zobrazeného prĤbČhu. Zelený prĤbČh charakterizuje prĤbČh proudu s nejnižší poþáteþní teplotou vlákna, tato teplota je docílena dobou chladnutí 19,3s. ýervený prĤbČh charakterizuje stĜední teplotu po 10,3s chladnutí a poslední modrý je prĤbČh proudu s nejvyšší poþáteþní teplotou vlákna po 0,1s chladnutí. V dalších þástech této práce se zamČĜím právČ na poslední z jmenovaných pĜíznakĤ, protože se jeví jako nejpoužitelnČjší pro správnou diagnózu.
3.2 MČĜící pracovištČ V poþátcích obsahovalo pracovištČ pouze digitální osciloskop s jehož pomocí jsem se seznamoval s diagnostikovaným zaĜízením tedy pĜedními potkávacími svČtly. Postupem þasu jsem k osciloskopu pĜidával další a další zaĜízení až jsem dospČl ke konfiguraci, která splĖovala základní pĜedpoklady pro správné odmČĜení všech potĜebných charakteristik žárovek.
37
Prvním z požadovaných vlastností stanovištČ byla snadná zmČna podmínek provozu žárovek. To znamená þasovČ nenároþné nastavování doby zahĜívání a svitu žárovek, zmČna ovládané popĜ. ovládaných žárovek atp.. Dalším podstatným požadavkem byla možnost automatizace mČĜení. Vážnost tohoto pĜedpokladu plyne z množství prĤbČhĤ a pĜesnosti podmínek potĜebných pro diagnostiku žárovek. MČĜení pĜi pomoci manuálnČ mČnČných parametrĤ by bylo pĜíliš þasovČ nároþné. PravdČpodobnČ by došlo i k nežádoucím chybám zpĤsobených lidským faktorem. Základem celého mČĜícího stanovištČ je osobní PC vybavený sériovým portem a programem MATLAB. Takto vybavený poþítaþ ovládá a automatizuje pomocí skriptu v MATLABu celé mČĜení. PĜes sériový port se posílají zprávy pro zapínání a vypínání analyzovaných svČtel. Tyto zprávy jdou do kontaktního pole, kde jsou pomocí procesoru Ĝady 8051 a tranzistorĤ pĜevedeny na paralelní signály s nepČĢovou úrovní 12V. Z výstupĤ tranzistorĤ je tento signál veden pod volant, kde se pomocí relé ovládají pĜíslušná svČtla. 12V signál je veden nejen na relé, ale i na tĜetí kanál osciloskopu, kde je využit ve funkci spouštČcí podmínky odmČru. Na první kanál osciloskopu je pĜiveden signál odpovídající okamžité hodnotČ proudu protékajícího do skupiny pĜedních svČtel. V tomto pĜípadČ nejsou zapínána žádná další svČtla, tudíž mČĜený proud je pĜímo úmČrný hodnotČ proudu tekoucího jen do žárovek resp. žárovky pĜedních potkávacích svČtel. Tento proud je snímán pomocí prĤvlakového senzoru proudu s pĜevodem 2000:1. MČĜený proud je poté pĜeveden pĜes rezistor o hodnotČ 100ȍ na napČtí, které je pĜivedeno pĜímo na vstup digitálního osciloskopu. Druhým kanálem osciloskopu je mČĜeno napČtí napájecí sítČ. MČĜení tohoto napČtí je dĤležité, protože i sepnutí žárovek zpĤsobuje jeho nezanedbatelný pokles. Tento pokles se pohybuje maximálnČ v Ĝádu 100mV. Z dĤvodĤ pĜesnČjšího mČĜení jsou napČĢové poklesy napájecí sítČ mČĜeny s offsetem 10V. MČĜené napČtí je pĜivádČno pĜímo z pojistkového boxu na levém boku pĜístrojové desky, který je znázornČn na obrázku Obr. 2.2 NejdĤležitČjší místa ve voze Fabia. K tomuto pojistkovému boxu je pĜivedeno napČtí pĜímo z pojistkového boxu na akumulátoru vodiþem s parametry, které zabraĖují výraznČjším poklesĤm napČtí protékajícím proudem. Digitální osciloskop je s poþítaþem spojen kabelem LAN a vytváĜí tak síĢové spojení. Toto spojení nám umožĖuje nastavovat osciloskop a hlavnČ stahovat namČĜené prĤbČhy do poþítaþe, kde mohou být pro kontrolu ještČ jednou zobrazeny a uloženy na pevný disk.
38
Obr. 3.4 MČĜící pracovištČ
3.3 OdmČr dat Pro diagnostiku pĜedních potkávacích svČtel je tĜeba odmČĜit prĤbČhy proudĤ a napČtí od jejich zapnutí až do ustáleného stavu. Tyto pĜechodové charakteristiky je tĜeba namČĜit pĜi mnoha rĤzných poþáteþních teplotách vláken. Jelikož okolní teplota laboratoĜe byla 20°C a nebylo ji možno mČnit v dostateþnČ širokých mezích bylo nutné zmČny teplot nČjakým zpĤsobem simulovat. K tomuto úþelu jsem využil dobu chladnutí vlákna. Kterou pĜi dané konfiguraci mČĜícího stanovištČ není problém v požadovaných mezích dostateþnČ pĜesnČ mČnit v rozsahu od teploty 20°C. Jak již bylo popsáno jsou data namČĜená digitálním osciloskopem vyþítána prostĜednictvím sítČ tvoĜené osciloskopem a poþítaþem. Spojení je vytvoĜeno pomocí programu podporujícího síĢovou komunikaci s mČĜícími pĜístroji „VISA Ressource Manager“. Poté co je spojení potvrzeno mĤže být spuštČn skript MATLABu obsluhující celé mČĜení. MČĜení je rozdČleno do tĜí þástí, tak aby bylo možné jej co nejvíce automatizovat. To znamená, aby zásahy do zapojení mČĜícího stanovištČ byly nutné vždy po delší dobČ mČĜení. TĜi skupiny jsou zvoleny z dĤvodĤ potĜebné konfigurace. V první fázi samotného mČĜení jsou získávány prĤbČhy pĜi rozsvČcení a zhasínání obou pĜedních potkávacích žárovek. V druhé fázi je ovládáno levé svČtlo a pĜi poslední konfiguraci jsou odmČĜeny prĤbČhy odpovídající svČtlu pravému. JeštČ pĜed spuštČním odmČru je nastartován motor automobilu pro získání co nejvČrnČjších prĤbČhĤ. Tento krok znaþnČ znepĜíjemní budoucí úpravu dat díky
39
vzniklému rušení prĤbČhĤ z motorové þásti. Na druhou stranu celé mČĜení velice pĜiblíží skuteþné situaci za provozu. Tento skript nejdĜíve inicializuje sériový port a otevĜe jej. V dalším kroku se otevĜe smyþka v jejímž prvním prĤchodu je þas chladnutí 0,1s a v každém dalším prĤchodu se zvyšuje o 0,2s až do 19,3s. Tím je zaruþeno, že bude charakteristika promČĜena v dostateþném rozsahu poþáteþních teplot vlákna. V samotné smyþce se nejprve definuje název souboru do kterého bude na konci odmČr uložen. Tento název obsahuje i dobu chladnutí vlákna. Poté vlákno zahĜeje zapnutí žárovky na 4s, což je doba postaþující pro odeznČní pĜechodového dČje a zahĜátí vlákna na provozní teplotu. NáslednČ se nechá chladnout po dobu 0,1-19,3s popsanou v pĜedešlém odstavci. Po uplynutí této doby se žárovka opČt zapne na dobu 0,45s. Na zaþátku této doby detekuje osciloskop nábČžnou hranu sepnutí relé a zobrazí pĜechodový jev. Osciloskop je nastaven do režimu pretrigger, ve kterém po detekci hrany zobrazí prĤbČh nejen samotného pĜechodového dČje, ale i tČsnČ pĜed ním, aby byla jistota zobrazení celého dČje. V pĜedposledním kroku smyþky se vyþte z osciloskopu a uloží do promČnné nastavení a prĤbČh 1.kanálu, kde je zobrazen pĜechodový jev proudu a 2.kanálu, kde je pĜechodový jev napČtí. Na konci smyþky se pĜechodové jevy uloží do souboru na pevném disku. Po skonþení všech prĤchodĤ smyþkou se už jen zavĜe sériový port.
Kód skriptu global s2; s2 = serial('COM1', 'BaudRate', 9600); fopen(s2); for k=0.1:0.2:19.3 jmeno =sprintf ('odmery\\leva_potkavaci\\Odmer%u_%ugobe',floor(k),(k-floor(k))*10'); tempbuffer1 =sprintf('%s.dat',jmeno); sprintf('Delay %0.2g[s]',k) fwrite(s2,255); pause (4); fwrite(s2,0); %Nastaveni pracovniho stavu zarovek,zahrati na provozni teplotu pause (k); fwrite(s2,255); pause (0.45); fwrite(s2,0); getCH1; prubeh=[prubeh1]; prubeh2=prubeh; getCH2; prubeh=[napeti1]; napeti=prubeh;
40
save (tempbuffer1,'prubeh2','napeti'); end fclose(s2);
Po odmČĜení všech prĤbČhĤ pocházejících z obou pĜedních potkávacích svČtel je zapojení upraveno. PĜi této úpravČ je pouze odpojeno pravé svČtlo, þímž je simulována jeho porucha. Po této úpravČ se spustí stejný skript a odmČĜí se všechny prĤbČhy znovu. Situace se opakuje ještČ jednou pro simulaci poruchy levého svČtla. NamČĜená data jsou uložena na pĜiloženém CD v adresáĜi „data/puvodni“, kde jsou uloženy i skripty použité pro poĜízení prĤbČhĤ.
3.4 NamČĜená data PrĤbČhy napČtí a proudĤ získané z osciloskopu jsou silnČ zarušené. Toto rušení pochází pĜedevším od prvkĤ nutných pro provoz motoru. NicménČ požadovanou informaci prĤbČhy nesou. Díky nenulovému odporu baterie a alternátoru má proudový ráz znatelný vliv i na prĤbČh napájecího napČtí celého systému.
Obr. 3.5 Ukázka prĤbČhu proudu (vpravo) a napájecího napČtí (vlevo) pĜi spuštČní obou potkávacích svČtel
Na dalším grafu jsou vidČt všechny mČĜené prĤbČhy proudu tekoucího do obou pĜedních potkávacích svČtel. I pĜes silné rušení je zde vidČt rozdíl prĤbČhĤ proudu v jednotlivých poþáteþních teplotách vláken.
41
Obr. 3.6 PrĤbČhy proudĤ tekoucích do obou potkávacích svČtel
Poþáteþní teplota vláken je nepĜímo úmČrná meziþasu chladnutí pĜed opČtovným sepnutím žárovek. Každý meziþas pĜedstavuje jeden odmČr a byl mČĜen s krokem 0,2s, což je krok dostateþnČ malý pro detailní promČĜení celé charakteristiky. S rostoucím meziþasem chladnutí klesá poþáteþní teplota vláken. Poþáteþní zahĜívání žárovek trvající 4s není na grafu vidČt, protože tato þást prĤbČhĤ nenese žádnou informaci potĜebnou pro diagnostiku. V grafech je vidČt pouze konec doby chladnutí, který se nachází tČsnČ pĜed proudovým impulsem.
42
4 Aplikace diagnostických metod na data 4.1 Úvod Po získání potĜebných prĤbČhĤ popisujících diagnostikované zaĜízení pomocí mČĜení je tĜeba odstranit jejich neužiteþnou þást. Neužiteþnou je ta þást dat, která nenese žádnou informaci o zkoumaném objektu. V tomto pĜípadČ je užiteþnou þást obsahující odezvu žárovek na pĜipojení napájecího napČtí. Proto je tĜeba ostatní þásti prĤbČhĤ odstranit. Jde o data poĜízené pĜed rozsvícením svítilen a po jejich zhasnutí. Zkrácení prĤbČhu musí být provedeno tak, aby jejich výsledek bylo možno bez problémĤ využít pĜi dalším zpracování a aby se ze zdrojových dat neodstranila pokud možno žádná užiteþná þást. Jestliže jsou odstranČna neužiteþná data ze všech diagnostických pĜíznakĤ tedy napČtí napájecí sítČ a proudĤ tekoucích do analyzovaných žárovek, je tĜeba pĜíznaky popisující stejný stav patĜiþným zpĤsobem propojit. Veliþina potĜebným zpĤsobem zohledĖující jak napČtí tak proud se v tomto pĜípadČ stal pĜíkon dodávaný v jednotlivých konfiguracích do žárovek.
P (t ) = U (t ) ⋅ I (t ) Z tohoto slouþení tedy vzešel pĜíznak, kterým je možné porovnávat prĤbČhy. Nyní je tĜeba stanovit hranici pomocí níž bude možno porovnávat namČĜená data. Tato hranice musí být nastavena s ohledem na to o þem má být rozhodnuto. Je asi jasné, že jestliže má být rozhodnuto napĜíklad o tom jestli by þlovČk mČl jít na operaci nebo ne na základČ pĜíznakĤ urþujících jestli pĜežije, bude hranice znaþnČ vystĜedČná. V našem pĜípadČ mají rozhodnutí jestli svítí levé nebo pravé pĜední potkávací svČtlo stejnou váhu. Proto by mČla být rozhodovací hranice položena na stĜed vzdálenosti diagnostických pĜíznakĤ. Tímto stĜedem se stal aritmetický prĤmČr pĜíkonĤ dodávaných do levé a pravé pĜední potkávací svítilny. Tento stĜed vzdáleností je velice podobný polovinČ pĜíkonu dodávaného v pĜípadČ rozsvícení obou svítilen, který by také mohl být použit k diagnostice. Takto získaný prĤmČr výkonĤ je plochou ve které jsou zakomponována veškerá užiteþná data pocházející z mČĜení. Takto získaná plocha však stále ještČ obsahuje rušení pocházející z motorové þásti, proto je tĜeba rušení odstranit. PĜi odstraĖování rušení je zároveĖ splnČn ještČ další požadavek. Tímto požadavkem je parametrizování rozhodovací hranice z dĤvodu snazšího použití i v ménČ výkonných diagnostických modulech.
43
4.2 PĜedzpracování dat JeštČ pĜed použitím vhodných diagnostických metod na data je tĜeba namČĜené prĤbČhy upravit. Touto úpravou je v první ĜadČ myšleno pĜizpĤsobit formát dat, tak aby byl jednotný pro všechny namČĜené prĤbČhy a bylo možné prĤbČhy bez problémĤ použít pro dalším zpracování a diagnostiku. Úprava formátu je provedena pomocí vhodného skriptu matlabu. Tento skript pĜedevším upravuje názvy souborĤ všech prĤbČhĤ podle meziþasĤ. Upravující skript spolu s daty je uložen na pĜiloženém CD v adresáĜi „data/upravene“. V jednotlivých názvech souborĤ jsou, stejnČ jako v pĜípadČ dat pĤvodních, zakomponována þísla odpovídající jednotlivým meziþasĤm ve kterých byl prĤbČh poĜízen. Další pĜedzpracování odstraĖuje þásti prĤbČhĤ, které nenesou žádnou potĜebnou informaci. NamČĜené prĤbČhy obsahují kromČ úseku charakterizujícího žárovku i dvČ þásti neužiteþné pro její diagnostiku. Jsou to þásti ve kterých ještČ nebo už nejsou zapnuté žárovky.
Obr. 4.1 PĤvodní prĤbČh proudu tekoucích do levého potkávacích svČtel
PĜesnČji je to þást zhruba do 0,15s, kde nastává v grafu proudu kladný impuls zpĤsobený malým odporem vlákna za studena. V grafu napČtí je na konci nepotĜebné þásti vidČt pokles napČtí zpĤsobený proudovým impulsem . Druhá þást zaþíná zhruba na 0,63s
44
je charakterizována opČtovným poklesem proudu na 0A a nepatrným vzrĤstem napČtí, který je zpĤsoben poklesem odbČru proudu. Tento požadavek je možné dodržet pomocí jednoduché operace prahování. PĜedpoklad takto zkráceného odmČru však není možné dodržet, protože pro budoucí úpravu dat pomocí skriptĤ MATLABu je nutné, aby všechny odmČry mČly stejnou délku dat, což není možné dodržet pomocí reléového spínaþe. Proto jsem odmČry zkracoval pomocí následujícího algoritmu. Nejprve jsem již zmínČným prahováním zkrátit všechny odmČry o þásti ve kterých je proud menší než 2,5A. Poté jsem zjistil minimální poþet vzorkĤ n=2201 ze všech zkrácených mČĜení. Jeden vzorek odpovídá jedné hodnotČ pĤvodnČ vyþtené z osciloskopu. TČchto vzorkĤ je v pĤvodnČ namČĜeném prĤbČhu n=10 000. Poté jsem každý zkrácený odmČr ještČ jednou zkrátil na n=2201 vzorkĤ poþítaných od poþáteþního impulsu. Na následujícím obrázku je vidČt stejný prĤbČh proudu jako na obrázku Obr. 4.1 PĤvodní prĤbČh proudu tekoucích do levého potkávacích svČtel jen zkrácený na požadovaný poþet vzorkĤ.
Obr. 4.2 Zkrácený prĤbČh proudu tekoucích do levého potkávacího svČtla
45
Obr. 4.3 Zkrácený prĤbČh napČtí pĜi zapnutí levého potkávacího svČtla
Obr. 4.4 Zkrácené prĤbČhy proudu tekoucí do potkávacích svČtel
46
Na Obr. 4.4 je vidČt silná závislost prĤbČhu proudu žárovkami na poþáteþní teplotČ vlákna. Jak již bylo Ĝeþeno teplota je zde reprezentována meziþasem chladnutí svítilen. ýím kratší meziþas chladnutí žárovky tím vyšší poþáteþní teplota vláken a tím menší proudový ráz po sepnutí.
4.3 Slouþení pĜíznakĤ Na mČĜený proud májí vliv i vnitĜní odpory alternátoru a baterie. Tento odpor má vliv i na pokles napČtí a proto je tĜeba toto napČtí zohlednit pĜi diagnostice. Z tohoto dĤvodu pĜepoþítávám napČtí a proud na pĜíkon. P (t ) = U (t ) ⋅ I (t ) Jelikož i pro prĤbČhy pĜíkonu se dá pĜedpokládat, že pĜíkon dodávaný do levé (þervená) svítilny bude v každém bodČ vyšší než do pravé (zelená), pokusím se pomocí plochy aritmetického prĤmČru výkonĤ diagnostikovat, které svČtlo pĜestalo svítit. Tento pĜedpoklad se potvrdí nebo vyvrátí až po odfiltrování nežádoucího šumu, který skuteþný pĜíkon svČtel znaþnČ pĜekrývá.
Obr. 4.5 Zkrácené prĤbČhy výkonĤ pĜi spuštČní potkávacích svČtel
47
PS (t ) =
PL (t ) + PP (t ) U L (t ) ⋅ I L (t ) + U P (t ) ⋅ I P (t ) = 2 2
Obr. 4.6 PrĤmČrný výkon dodávaný do potkávacích svČtel
Vložení napČtí pomocí výkonu do diagnostického pĜíznaku pĜineslo viditelné snížení odstupu signál šum. Tento fakt je vidČt i pouhým okem, jestliže srovnáme zašumČní obrázku Obr. 4.4 Zkrácené prĤbČhy proudu tekoucí do potkávacích svČtel s obrázkem Obr. 4.6 PrĤmČrný výkon dodávaný do potkávacích svČtel. Zakomponování napČtí je však nutné z dĤvodu robustnosti diagnostického pĜíznaku.
4.4 Parametrizace namČĜených dat V dalším kroku bude následovat proložení kĜivek prĤbČhĤ pomocí skupiny funkcí MATLABu „curve fitting tool“. Výsledkem tohoto proložení je v tomto pĜípadČ P = f (t ) obsahující promČnnou t. KromČ þasu resp. meziþasu jsou ve funkci obsaženy koeficienty. AĢ už je þas závislý na koeficientech lineárnČ nebo nelineárnČ jde stále jen o nČkolik þísel definujících celý prĤbČh pĤvodnČ složený z nČkolika tisíc dat. Tato parametrizace kromČ
48
vyhlazení, ještČ nahradí velké množství dat malým. Tento fakt mĤžeme v budoucnu použít pro diagnostiku pomocí modulu, který disponuje mnohem menším výpoþetním výkonem a pamČtí použitelnou pro porovnávací data než osobní poþítaþ. Prvním úkolem bylo plochu prĤbČhĤ proložit v každém jednotlivém mČĜení. To znamená v každém jednotlivém meziþase chladnutí žárovek. Nejprve jsem vybral nČkolik zkušebních prĤbČhĤ z jedné konfigurace a pokusil se je proložit manuálnČ pĜímo v curve fitting toolboxu. Tyto prĤbČhy musí být vybrány tak, aby dostateþnČ reprezentovali celou plochu a bylo posléze možno použít nalezenou funkci na všechna ostatní data. Jako vzorové jsem použil tĜi prĤbČhy. První jsem zvolil prĤbČh s krátkým meziþasem chladnutí 0,7s, druhý zhruba ve stĜedu použitých meziþasĤ 10,1s a poslední z konce 19,3s a to vše pro plochu charakterizující zapnuté levé potkávací svČtlo. Stejným zpĤsobem jsem vybral i prĤbČhy ze zbylých dvou mČĜených konfigurací tj. zapnutých obou svČtlech a pravém svČtle. Na zvolených prĤbČzích jsem testoval rĤzné funkce a srovnával jsem jejich výsledky. Nejlepších výsledkĤ jsem dosáhl pĜi použití funkce „gauss4“. Oznaþíme-li konstanty a1 až c4 , pak v bodČ ti bude odpovídat P-souĜadnice bodu na kĜivce následující rovnici : − ((t i − b1 ) Pˆ (t i ) = a1 ⋅ exp(
c
2 − ((t i − b2 ) ) + a 2 ⋅ exp(
c2
2 − ((t i − b3 ) ) + a3 ⋅ exp(
c3
2 − ((t i − b4 ) ) + a 4 ⋅ exp(
Obr. 4.7 Parametrizovaný prĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel
Na grafu Obr. 4.7 je znázornČna ukázka parametrizovaného prĤbČhu podle meziþasu. Modrý prĤbČh vznikl z mČĜení pĜi zapnutých obou svČtlech, þervený pĜi
49
c4
)
2
zapnutém levém a zelený pĜi zapnutém pravém svČtle. Tento graf potvrzuje pĜedpoklad z kapitoly 4.3, který Ĝíká, že výkon dodávaný do levého svČtla je v každém bodČ vyšší než výkon dodávaný do svČtla pravého. Na základČ potvrzení tohoto pĜedpokladu je možné pokraþovat v pĜípravČ dat pro diagnostiku vycházející z poþátku pĜechodové charakteristiky žárovek. ZmínČný pĜedpoklad potvrzuje i možnost diagnostiky na základČ ustáleného stavu. Tato diagnostika by však nebyla dostateþnČ robustní, protože rozdíl mezi výkony dodávanými do levého a pravého svČtla se s pĜibývajícím þasem snižují. Proto je vhodnČjší pokraþovat v diagnostice na základČ výkonu dodávaného do žárovek tČsnČ po jejich zapnutí. Jelikož jde o rovnici nelineární v koeficientech, je tato funkce získána nelineární metodou nejmenších þtvercĤ. Pro výpoþet koeficientĤ nebyla použita ani váhová ani robustní metoda, protože pĜi použití tČchto metod jsem dosáhl nesrovnatelnČ horších výsledkĤ. Výsledek robustní metody se výraznČ nezlepšil ani po zvýšení maximálního poþtu prĤchodĤ algoritmem, který je popsán v kapitole 2.5.6 Robustní metoda nejmenších þtvercĤ, z pĜednastavených šesti set na tisíc pČt set. Tento fakt potvrzují i následující grafy.
Obr. 4.8 Parametrizovaný prĤbČh prĤmČrného výkonĤ do potkávacích svČtel
Na tomto grafu je vidČt rozdíl kvality prokladu pĜi použití obyþejné nelineární metody (modrá), která respektuje parametrizovaná data (zelená) a nelineární metody s robustním prokladem (þervená).
50
Vzhledem k tomu, že dle pĜedpokladu se bude diagnostikovat na základČ prĤmČrného výkonu, jak je popsáno v kapitole 4.3, zamČĜím se v dalších þástech této diplomové práce právČ na úpravy tohoto diagnostického pĜíznaku. Po nalezení funkce, která vykazovala nejlepší výsledky bylo tĜeba parametrizaci zautomatizovat. Automatizace zpracování je nutná z dĤvodu poþtu zpracovávaných prĤbČhĤ. Ve skriptu pro parametrizaci jsem využil funkce s kterými spolupracuje curve fitting toolbox. Pod tímto odstavcem je popsán kód skriptu, který prokládá prĤmČrný výkon popsanou rovnicí v jednotlivých meziþasech pomocí robustního prokladu. Skript je možno nalézt na CD v adresáĜí „data/vykon“ pod názvem „cfittingRobust.m“. Na tomto místČ jsou uloženy i ostatní skripty týkající se výkonu a jeho prokládání. ZároveĖ jsou zde uložena data vycházející ze skriptĤ. Na zaþátku skriptu je naþten prĤmČrný výkon vycházející z kapitoly 4.3 Slouþení pĜíznakĤ. Dále je þasová osa upravena ze sloupcového na Ĝádkový formát potĜebný k následné parametrizaci. Poté se upravuje nastavení prokladu. TČmito nastaveními jsou použitý vzorec, zapnutí robustního prokladu a poþet prĤchodĤ robustním prokladem. NáslednČ jsou u všech 97 prĤbČhĤ vypoþteny jednotlivé koeficienty a jejich výsledný parametrizovaný prĤbČh. V pĜedposledním kroku je vykreslen tĜí rozmČrný graf výsledku, který je znázornČn na obrázku Obr. 4.9. Posledním krokem je uložení výsledku parametrizace. Uložený soubor obsahuje i koeficienty rovnice jednotlivých prĤbČhĤ, které je možno použít k diagnostice.
Kód skriptu jmeno =sprintf ('ZkraceneOdmery\\OdmeryPrumer'); tempbuffer =sprintf('%s.dat',jmeno); load (tempbuffer,'Mezicas','PrumerVykon','cas','-mat'); sac(:,1)=cas(1,:); ftype = fittype('gauss4'); opts = fitoptions('gauss4'); opts.Robust = ['on']; opts.MaxFunEvals = [1500]; for j=1:1:97 j fresult = fit(sac,PrumerVykon(:,j),ftype,opts); %fitting gauss4 c=coeffvalues(fresult); %c-coeficients for i=1:1:2201 Pf1(i,j)=c(1)*exp(-((sac(i)-c(2))/c(3))^2)+c(4)*exp(-((sac(i)-c(5))/c(6))^2)+c(7)*exp(-((sac(i)c(8))/c(9))^2)+c(10)*exp(-((sac(i)-c(11))/c(12))^2); end end
51
surf(Mezicas,cas,Pfl) title('Vykon do leveho potkavaciho svetla'); xlabel('mezicas[s]'); ylabel('cas[s]'); zlabel('P[W]'); coef=c; jmeno2 =sprintf ('ZkraceneOdmery\\PrumerRobust1'); tempbuffer2 =sprintf('%s.dat',jmeno2); save (tempbuffer2,'Mezicas','Pf2','cas','coef','-mat');
Obr. 4.9 PrĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel po použití nelineární metody s robustním prokladem
52
Obr. 4.10 PrĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel po použití nelineární metody
Pro kontrolu výsledkĤ parametrizace pomocí nelineární metody a nelineární metody s robustním prokladem jsem vytvoĜil grafy reziduí a grafy sum kvadrátĤ reziduí v jednotlivých mČĜeních. Tyto prĤbČhy vypovídají nejen o kvalitČ a vhodnosti metody parametrizace, ale i o kvalitČ pĤvodních dat.
Obr. 4.11 Suma þtvercĤ reziduí v jednotlivých meziþasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu
53
Obr. 4.12 Suma þtvercĤ reziduí v jednotlivých meziþasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu s robustním prokladem
Z obrázku Obr. 4.11 a Obr. 4.12 je vidČt, že prĤbČhy reziduí mají þistČ náhodný charakter a tudíž namČĜená data ani výpoþet parametrizace neobsahuje systematickou chybu. Zvýšená hodnota reziduí v poþátku je dána výkonovými špiþkami po sepnutí žárovky. Nestálost poþátkĤ prĤbČhĤ výkonu je patrná i z pĤvodních dat na obrázku Obr. 4.6 PrĤmČrný výkon dodávaný do potkávacích svČtel. Mezi grafy reziduí nelineární metody nejmenších þtvercĤ s a bez použití robustního prokladu jsou Ĝádové rozdíly. Tyto rozdíly dokazují, že je mnohem výhodnČjší použít pro proklad obyþejnou nelineární metodu bez robustního prokladu. Dále se plochu prĤmČrĤ výkonĤ pokusím odrušit v ose o 90° pootoþené, budu tedy parametrizovat prĤbČhy pro nČž je spoleþný þas odbČru a rozdílné meziþasy. Pro tyto prĤbČhy se nejvíce osvČdþila parametrizace pomocí exponenciální funkce. Oznaþíme-li konstanty a až d , pak v bodČ ti bude P-souĜadnice bodu na kĜivce:
Pˆ (t i ) = a ⋅ e b⋅ti + c ⋅ e d ⋅ti Jde opČt o rovnici nelineární v koeficientech získanou nelineární metodou nejmenších þtvercĤ. Ani v tomto pĜípadČ nebylo použito pro výpoþet koeficientĤ ani váhového ani robustního prokladu a to z naprosto stejných dĤvodĤ jako v pĜedchozím pĜípadČ. Jediným rozdílem je, že oproti parametrizaci v pĜedchozím pĜípadČ, kdy bylo zpracováno celkem 97 prĤbČhĤ o 2201 bodech, bylo v tomto pĜípadČ zapotĜebí zpracovat 2200 prĤbČhĤ o 97 bodech.
54
Obr. 4.13 Parametrizovaný prĤbČh prĤmČrĤ výkonĤ v jednotlivých þasech pĜi použití exponenciální funkce
Obr. 4.14 Detail chyby parametrizovaného prĤbČhu v þase 0,283s pĜi použití exponenciální funkce
55
Na obrázku Obr. 4.13 je vidČt, že v þasech okolo 0,28s byl prĤbČh chybnČ parametrizován. Tento fakt je mnohem patrnČjší z obrázku Obr. 4.14, kde je graf jednoho z chybnČ parametrizovaných prĤbČhĤ. SprávnČ parametrizovaný prĤbČh by mČl být v tČchto þasech pĜibližnČ rovnobČžný s osou meziþasu, protože pĜechodový dČj již témČĜ odeznČl. Z tohoto dĤvodu je tĜeba parametrizaci opravit. Jelikož není zcela jasné, kde pĜesnČ je parametrizace provedena správnČ a kde je již zatížena pĜílišnou chybou, je v celé ploše provedena parametrizace pomocí modelĤ dvou funkcí. Jako výsledek je použita funkce, která vykazovala nižší reziduální souþet þtvercĤ. Jako první jsem použil již zmínČnou exponenciální funkci:
Pˆ (t i ) = a ⋅ e b⋅ti + c ⋅ e d ⋅ti a jako druhou lineární aproximaci:
Pˆ (t i ) = a ⋅ t i + b Lineární aproximaci jsem použil v þasech, kde vykazovala lepší výsledky než exponenciální funkce. Jde o polynom prvního Ĝádu, který je typickou ukázkou rovnice lineární v koeficientech. Pro stanovení koeficientĤ bylo použito lineární metody nejmenších þtvercĤ. Váhové ani robustní metody nebylo použito, protože vykazovali srovnatelné výsledky. Ve výsledné parametrizaci je použita lineární aproximace v þasech 0,28160,2852s, v ostatních þasech vykazovala parametrizace pomocí exponenciální funkce lepší výsledky, tj. nižší reziduální souþet þtvercĤ.
Obr. 4.15 Parametrizovaný prĤbČh podle þasĤ odbČru vzorkĤ pĜi použití exponenciely a polynomu
56
Pro kontrolu výsledkĤ jsem opČt vytvoĜil graf reziduí a graf sum kvadrátĤ reziduí v jednotlivých mČĜeních.
Obr. 4.16 Reziduální souþet þtvercĤ v jednotlivých þasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu
Z grafĤ je patrné, že parametrizace v þasech 0 – 0,003s vykazuje výraznou chybu. Tato chyba je dána nestálostí výkonových špiþek po zapnutí žárovek. NicménČ jde o pĜíliš malý úsek dat (0,7%), než aby mČl významný vliv na výslednou diagnózu. Procentuální úspČšnost výsledné diagnózy se nezmČnila ani po vypuštČní tČchto zarušených dat.
57
5 Dosažené výsledky Diagnostika stavu, kdy svítí obČ, jedno nebo žádná svítilna je velice jednoduchá jak je popsáno v kapitole 3.1 a zobrazeno na obrázkuObr. 3.1 PrĤbČhy proudĤ jednou a obČma žárovkami. Proto bylo stČžejním úkolem urþit, zda se porouchalo pravé nebo levé pĜední potkávací svČtlo. Pro kontrolu úspČšnosti navržené diagnostické metody je použita jako rozhodovací úroveĖ plocha prĤmČrĤ výkonĤ získaná v kapitole 4.4. S touto plochou jsou porovnávány prĤbČhy pĜíkonĤ pĜi sto rĤzným poþáteþních teplotách vláken. Diagnostikovány jsou stavy, kdy svítí pouze levá nebo pravá žárovka. V každé jednotlivém stavu a teplotČ je v 2201 hodnotách, získaných mČĜením diagnostikovaného systému, urþena hodnota rezidua. PR (t i ) = P (t i ) − PˆS (t i ) Kde PR (t i ) je hodnota rezidua výkonĤ, P (t i ) je okamžitá hodnota mČĜeného
výkonu a PS (t i ) je hodnota porovnávací hrabice. Z hodnoty rezidua je urþena jeho polarita. Jestliže je v prĤbČhu pĜi dané poþáteþní teplotČ vlákna a dané poruše vČtší poþet kladných než záporných reziduí, je rozhodnuto, že je pĜíkon vyšší než u rozhodovací hranice. Vyšší pĜíkon znamená, že je dodáván do levé svítilny s kratšími pĜívody, tudíž je vadná pravá žárovka. Jestliže byla v diagnostikovaném pĜípadČ zapnuta pravá žárovka, je výsledek diagnózy oznaþen jako chybný. PĜi kontrole dvou set prĤbČhĤ byly zaznamenány 4 špatné diagnózy pĜi zapnutém levém svČtle a 2 pĜi zapnutém pravém svČtle. Aplikací diagnostické metody tedy bylo dosaženo její úspČšnosti v 97% pĜípadĤ.
58
6 ZávČr V závČru bych chtČl struþnČ shrnou obsah práce, upozornit na problémy, které by se dále mČly zkoumat a uvést další smČry rozšiĜování této práce. Také bych tu chtČl upozornit na možnost dalšího využití novČ navržené diagnostické metody. V úvodní kapitole jsou rozebrány dĤvody vzniku projektu s názvem "Metody centralizované diagnostiky elektrotechnických a elektronických prvkĤ automobilu“ do kterého patĜí i tato diplomová práce. Jsou zde naznaþeny hlavní klady, zápory a stČžejní rozdíly mezi diagnostickými systémy používanými v automobilech v dnešní dobČ a navrhovaným centralizovaným systémem. V závČru je popsána úloha této práce v celém projektu. V další kapitole je popsán osobní automobil Škoda Fabia a to pĜedevším z pohledu projektu centralizované diagnostiky. Je zde rozvedena problematika struktury, vlastností a dĤvodu výbČru hlavních informaþních zdrojĤ, kterými jsou napájecí síĢ a komunikaþní sbČrnice automobilu. Dále se vČnuje teorii týkající se dat. Jde pĜedevším o místa a zpĤsob jejich odbČru. Také je zde nastínČno technické Ĝešení návrhu diagnostického systému použitelné pĜímo v automobilu. Poslední þást této kapitoly je vČnována možnostem a metodám úpravy namČĜených dat. Jde pĜedevším o popis parametrizace pomocí metody nejmenších þtvercĤ použitelné nejen na prĤbČhy charakterizované lineárními rovnicemi,ale také na ty které nejsou lineární v koeficientech. Metody popsané v této þásti jsou využitelné nejen pro diagnostiku pĜedních potkávacích svČtel, ale i pro diagnostiku ostatních zaĜízení automobilu. Dále se práce vČnuje výbČru vhodných diagnostických pĜíznakĤ pro analýzu žárovek. Tímto pĜíznakem se díky potĜebČ pĜesné lokalizace poškozeného svČtla stal pĜechodový jev vznikající po zapnutí žárovky. Je zde také popsáno mČĜící pracovištČ pomocí nČjž byla získána potĜebná data. Navržené pracovištČ umožĖuje dostateþnou variabilitu a pĜesnost mČĜení pro diagnostiku žárovek. Díky tČmto vlastnostem je možné pracovištČ v budoucnu využít pro odbČr vzorkĤ pĜi diagnostice ostatních zaĜízení automobilu. V poslední þásti kapitoly jsou popsána získaná data. Tato data jsou mČĜena pĜímo v automobilu a pĜi nastartovaném motoru, což mČĜení velice pĜibližuje skuteþné situaci za provozu. Další kapitola se již zabývá aplikací diagnostických metod na namČĜená data. NamČĜená data jsou nejprve upravena tak, aby obsahovala pouze þásti s užiteþnými informacemi. PĜedzpracované prĤbČhy proudĤ a napČtí jsou poté slouþeny do jediného diagnostického pĜíznaku, kterým je pĜíkon žárovek. Z pĜíkonĤ levé a pravé žárovky je aritmetickým prĤmČrem urþen stĜed vzdáleností, který je vzat jako rozhodovací úroveĖ.
59
Tento stĜed vzdáleností je velice podobný polovinČ pĜíkonu dodávaného v pĜípadČ rozsvícení obou svítilen, který by také mohl být použit k diagnostice. Použitím aritmetického prĤmČru je však stĜed urþen pĜesnČji. V posledním kroku úpravy je rozhodovací hranice parametrizována a odrušena tak, aby dávala hladkou plochu pro pĜesnČjší diagnózu. Parametrizace je velice užiteþná pro budoucí nasazení metody v diagnostických zaĜízeních, protože šetĜí svou velikostí místo a jednoduchostí použití þas procesoru. Vyhlazená plocha prĤmČru výkonĤ je finálním výsledkem diagnostické metody. Kontrolou výsledku diagnostické metody jsem zjistil její úspČšnost v 97% pĜípadĤ z dvou set testovaných. Dosažený výsledek je velice uspokojující, zejména pĜihlédneme-li k podobnosti a pĜekrývání se prĤbČhĤ proudĤ a napČtí na základČ nichž byla diagnostická metoda postavena. Teoretický základ a postup získání diagnostické metody je možné použít i na další podobné spotĜebiþe použité v automobilu (a nejen v automobilu). TČmito spotĜebiþi jsou napĜíklad dálková, brzdová, parkovací nebo smČrová svČtla a podobnČ. Na úplný závČr uvádím výþet bodĤ a témat pro další práci: 1. RozšíĜit diagnostickou metodu na celý teplotní rozsah, ve kterém je automobil provozován. 2. Zakomponovat výslednou metodu pĜímo do Ĝídícího modulu diagnostického systému. 3. Upravit nalezenou metodu pro analýzu ostatních svČtelných zdrojĤ automobilu. 4. Nalézt a navrhnout metody diagnostiky ostatních systémĤ automobilu.
60
7 Literatura [1] Kocourek P., Novák J.: PĜenos informace. Skripta ýVUT, Praha 2003 [2] Haasz V.,Roztoþil J.,Novák J.: ýíslicové mČĜící systémy. Vydavatelství ýVUT, Praha 2000 [3] Standard ISO11898-1998 [4] Rogalewicz V.: PravdČpodobnost a statistika pro inženýry. Vydavatelství ýVUT, Praha 2000 [5] Sedláþek M.,Šmíd R.: Matlab v mČĜení. Skripta ýVUT, Praha 2005 [6] Matlab 7.0.4, Release 14 with service pack 2,software [7] Vedral, J., Fischer, J.:Elektronické obvody pro mČĜící techniku. Vydavatelství ýVUT, 1999 [8] Kreidl, M. a kol.: Diagnostické systémy. Vydavatelství ýVUT, 2001 Ćaćo, S., Vedral, J.: ýíslicové mČĜení, pĜístroje a metody. Vydavatelství ýVUT, [9] 2002 [10] Doležal R.: Aplikaþní vrstva systému pro mČĜení napájecí sítČ automobilu. BakaláĜská práce ýVUT FEL Katedra poþítaþĤ, Praha 2006 [11] Král J.: ěídící modul systému pro mČĜení napájecí sítČ v automobilu s procesorem Motorola. BakaláĜská práce ýVUT FEL Katedra mČĜení, Praha 2006
61
8 Použité zkratky a symboly ai,bi,ci,di – koeficienty prokladu ( diagnostické koeficienty ) AD – AnalogovČ digitální pĜevodník ( realizaþní prostĜedek ) BHE – vývod aktivující horní polovinu dat ( vývod obvodu IDT71016 ) BLE – vývod aktivující spodní polovinu dat ( vývod obvodu IDT71016 ) BDM – Background Debug Mode ( jednovodiþová ladící sbČrnice procesoru ) BKGD – Vývod urþený pro ladČní a programování ( vývod procesoru ) CAN – Controller Area Network ( typ sbČrnice ) CAN 0 – SbČrnice propojující RP a RM ( sbČrnice diagnostického systému ) CAN 1 – SbČrnice propojující RM a MM ( sbČrnice diagnostického systému ) CAN (A)– SbČrnice hnacího ústrojí ( sbČrnice automobilu ) CAN (K) – SbČrnice komfortní výbavy ( sbČrnice automobilu ) CPU – Central Processing Unit ( centrální Ĝídící jednotka procesoru ) hi – pákové koeficienty pĜizpĤsobující rezidua ( robustní metoda nejmenších þtvercĤ ) HC12 – ěada procesorĤ firmy Motorola ( realizaþní prostĜedek ) IL (t) – Okamžitý proud tekoucí do levého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) IP (t) – Okamžitý proud tekoucí do pravého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) LAR – Least absolute residuals ( robustní metoda nejmenších þtvercĤ ) MAD – StĜední hodnota absolutní odchylky reziduí ( robustní metoda nejmenších þtvercĤ ) MM – MČĜící modul ( modul mČĜící sítČ ) P (ti) – Výkon v okamžiku ti ( diagnostický pĜíznak ) P^ (ti) – Odhad výkonu v okamžiku ti ( diagnostický pĜíznak ) PL (t) – Okamžitý pĜíkon levého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) PP (t) – Okamžitý pĜíkon pravého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) PS (ti) – Hodnota diagnostické hranice výkonu v okamžiku ti PR (ti) – Hodnota rezidua výkonĤ v okamžiku ti ri – Rezidua ( metody nejmenších þtvercĤ ) radj – PĜizpĤsobená rezidua ( robustní metoda nejmenších þtvercĤ ) RM – ěídící modul ( modul mČĜící sítČ ) RP – ěídící poþítaþ ( modul mČĜící sítČ ) Se – Reziduální souþet þtvercĤ ( metoda nejmenších þtvercĤ ) UL (t) – Okamžité napČtí napájecí sítČ po zapnutí levého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) UP (t) – Okamžité napČtí napájecí sítČ po zapnutí pravého svČtla ( diagnostický pĜíznak ) wi – Váhový koeficient ( váhová metoda nejmenších þtvercĤ ) X T – je transponovaná matice X ( metoda nejmenších þtvercĤ ) İ – je vektor chyb ( metoda nejmenších þtvercĤ )
62
9 Seznam obrázkĤ Obr. 2.1 RozmístČní hlavních kabelových svazkĤ ve voze Fabia...................................... 13 Obr. 2.2 NejdĤležitČjší místa ve voze Fabia ...................................................................... 14 Obr. 2.3 RozmístČní Ĝídících jednotek ve voze Fabia........................................................ 15 Obr. 2.4 Blokové schéma elektrických rozvodĤ vozu Fabia ............................................. 17 Obr. 2.5 UspoĜádání mČĜící soustavy................................................................................. 18 Obr. 2.6 Informaþní síĢ diagnostického systému............................................................... 23 Obr. 2.7 Data a rezidua vhodná pro váhovou metodu ....................................................... 29 Obr. 2.8 Srovnání lineární a robustní metody.................................................................... 31 Obr. 3.1 PrĤbČhy proudĤ jednou a obČma žárovkami ....................................................... 35 Obr. 3.2 PrĤbČhy proudĤ pravou (modrá) a levou (zelená) žárovkou ............................... 36 Obr. 3.3 PrĤbČhy proudĤ levou žárovkou pĜi rĤzných poþáteþních teplotách................... 37 Obr. 3.4 MČĜící pracovištČ ................................................................................................. 39 Obr. 3.5 Ukázka prĤbČhu proudu (vpravo) a napájecího napČtí (vlevo) pĜi spuštČní obou potkávacích svČtel...................................................................................................... 41 Obr. 3.6 PrĤbČhy proudĤ tekoucích do obou potkávacích svČtel ...................................... 42 Obr. 4.1 PĤvodní prĤbČh proudu tekoucích do levého potkávacích svČtel........................ 44 Obr. 4.2 Zkrácený prĤbČh proudu tekoucích do levého potkávacího svČtla...................... 45 Obr. 4.3 Zkrácený prĤbČh napČtí pĜi zapnutí levého potkávacího svČtla........................... 46 Obr. 4.4 Zkrácené prĤbČhy proudu tekoucí do potkávacích svČtel.................................... 46 Obr. 4.5 Zkrácené prĤbČhy výkonĤ pĜi spuštČní potkávacích svČtel ................................. 47 Obr. 4.6 PrĤmČrný výkon dodávaný do potkávacích svČtel .............................................. 48 Obr. 4.7 Parametrizovaný prĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel ..................................... 49 Obr. 4.8 Parametrizovaný prĤbČh prĤmČrného výkonĤ do potkávacích svČtel ................. 50 Obr. 4.9 PrĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel po použití nelineární metody s robustním prokladem .................................................................................................................. 52 Obr. 4.10 PrĤbČh výkonĤ do potkávacích svČtel po použití nelineární metody ................ 53 Obr. 4.11 Suma þtvercĤ reziduí v jednotlivých meziþasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu....................................................................................... 53 Obr. 4.12 Suma þtvercĤ reziduí v jednotlivých meziþasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu s robustním prokladem................................................. 54 Obr. 4.13 Parametrizovaný prĤbČh prĤmČrĤ výkonĤ v jednotlivých þasech ..................... 55 Obr. 4.14 Detail chyby parametrizovaného prĤbČhu v þase 0,283s pĜi použití exponenciální funkce ................................................................................................. 55 Obr. 4.15 Parametrizovaný prĤbČh podle þasĤ odbČru vzorkĤ pĜi použití exponenciely a polynomu ................................................................................................................... 56
63
Obr. 4.16 Reziduální souþet þtvercĤ v jednotlivých þasech (vlevo) a rezidua (vpravo) parametrizovaného prĤbČhu....................................................................................... 57 Obr. 11.1 Blokové schéma mikroprocesoru MC9S12DG128B......................................... 67 Obr. 11.2 Mikroprocesor Motorola MC9S12DG128B...................................................... 68 Obr. 11.3 Schéma digitální þásti mČĜícího modulu............................................................ 71 Obr. 11.4 Schéma analogové þásti mČĜícího modulu ........................................................ 73
64
10 Seznam tabulek Tab. 1 Módy þinnosti mikroprocesoru............................................................................... 69 Tab. 2 ěídící signály pamČti IDT71016 ............................................................................ 72
65
11 PĜílohy 11.1 MČĜící modul
11.1.1Mikroprocesor MC9S12DG128B V modulu je použit 16 bitový procesor MC9S12DG128B od firmy Motorola, který patĜí do rodiny HC12. Mikroprocesor obsahuje 128 kB Flash EEPROM, 8kB interní RAM a 2kB EEPROM. Mezi periferie, kterými je osazen tento typ se nachází 2 asynchronní sériová rozhraní, 8 kanálový þasovaþ, 8 kanálový AD pĜevodník umožĖující 8 nebo 10 bitový režim þinnosti, 8 kanálový pulsnČ šíĜkový modulátor, 3 kanály pro sbČrnici CAN 2.0 A,B a periferie pro pĜipojení externí pamČti. Kanály þasovaþe lze nastavovat nezávisle a to buć jako „output compare“ nebo jako „input capture“. V módu „output compare“ se neustále porovnává hodnota nastavená v pĜíslušném registru s aktuální hodnotou þasovaþe a v pĜípadČ jejich shody mĤže provést následující operace: vypnout kanál, zapsat na nČj logickou hodnotu nebo ji negovat, pĜípadnČ vyvolat pĜerušení. V módu „input capture“ sleduje úroveĖ vstupního signálu a v pĜípadČ zachycení požadovaného typu hrany zapíše stav þasovaþe do pĜíslušného registru, pĜípadnČ vyvolá pĜerušení. Nastavovat lze reakci na hranu spádovou, nábČžnou pĜípadnČ obČ. Mezi periferie procesoru patĜí 16 adresnČ datových vodiþĤ, které mĤže využívat ve dvou módech þinnosti jednoduchém nebo rozšíĜeném. V rozšíĜeném módu dokáže pracovat buć s 8 nebo 16 bitovými buĖkami pamČtí. Jestliže je tĜeba spolupracovat s 8 bitovou pamČti multiplexuje horní polovinu adresy s daty, oproti tomu v pĜípadČ použití 16 bitové pamČti je sbČrnice plnČ multiplexována. NejdĤležitČjší prostĜedky využívané mČĜícím modulem jsou AD pĜevodník, kanál sbČrnice CAN 2.0, sbČrnice pro pĜipojení externí pamČti a jednovodiþová ladící sbČrnice „Background Debug Mode“ (BDM) používanou k programování, testování a prĤbČžné pĜenastavování pomocí osobního poþítaþe. Na následujících obrázcích je zobrazen pĤdorys použitého mikroprocesoru MC9S12DG128B a popsány jeho periferie.
66
Obr. 11.1 Blokové schéma mikroprocesoru MC9S12DG128B
67
Obr. 11.2 Mikroprocesor Motorola MC9S12DG128B
11.1.2Módy þinnosti mikroprocesoru HC12 Mikroprocesor je možno provozovat v jednom z 8 módĤ þinnosti. Každý mód má pĜednastaveno mapování pamČtí a periferií. Po resetu pracuje v módu nastaveném kombinací vstupních pinĤ MODA (PE5), MODB (PE6) a MODC (BKGD) , ale toto nastavení lze v programu mČnit pĜíslušnými registry. Mód þinnosti se dá nastavit registrem MODE.
68
MODA 0 0 0 0 1
MODB 0 0 1 1 0
1 1
0 1
1
1
MODC 0 1 0 1 0
mode Special Single Chip Emulation Narrow Special Test Emulation Wide Normal Single Chip Normal Expanded 1 Narrow 0 Special Peripheral Normal Expanded 1 Wide
Tab. 1 Módy þinnosti mikroprocesoru
Módy Speciál jsou urþeny pro vývoj mikroprocesoru a umožĖují širší pĜístup k registrĤm. Z uživatelského hlediska jsou použitelné módy Normal. V módu Single se procesor používá jestliže používáme pouze interní pamČĢ a nepotĜebujeme používat sbČrnice pro pĜístup do externí pamČti. Porty PA a PB je možné využívat jako univerzální vstupnČ výstupní brány. V módech expanded, které lze využít v našem pĜípadČ, se procesor používá, pokud je využívána externí pamČĢ. Lze použít buć mód Narrow, kde pĜipojená pamČĢ je 8bitová nebo Wide, kde používáme 16 bitĤ dat.
11.1.3Konstrukce mČĜícího modulu Modul se skládá z digitální a analogové desky plošných spojĤ, které jsou sendviþovČ propojeny. Základem digitální desky je 16 bitový mikroprocesor MC9S12DG128B. Tato deska obhospodaĜuje navržený program, komunikaþní rozhraní, AD pĜevod, pole nastavení, synchronizaci a þasování. Analogová deska se stará o úpravu mČĜených úrovní pro AD pĜevodník. RozdČlení mČĜícího modulu na dvČ takto použité desky má mnoho výhod. Jeho nejvČtší výhodou je možnost úpravy pouze analogové þásti v pĜípadČ nutnosti mČĜit jiné úrovnČ a veliþiny než na jaké je prvotnČ navržen.
69
1 2 3 4 5 6
1 6 2 7 3 8 4 9 5
1 6 2 7 3 8 4 9 5
VCC_Input
R11 120 SM/R_0805
JP2 JUMPER1 2JP100
VCC_Input
CONNECTOR DB9
P2
1 2
HEADER 2
J3
VCC
VCC
RES*
BKG
VCC
R6
CAN_L CAN_H
IRQ*
VCC
R8 10k SM/R_0805
3k3 SM/R_0805
SM4T6V8A SOD6_REV1
VZ1
VD3 VD4 BY D17J BY D17J MINIMELF_REV1 MINIMELF_REV1
SM/R_0805
R10 10k
C17100n SM/C_0805
VD1 VD2 BY D17J BY D17J MINIMELF_REV1 MINIMELF_REV1
ISO1 PC815 DIP.100/4/W.300/L.275
SM/R_0805
R9 1k5/0.4W
16 17 18 19 20 21 22 23
41 42 43 44 45 46 47 48
24 25 26 27 37 38 39 40
15 30
34 35 32 36
5 6 7 LED Cerv ena 8 11 LED zelena 12 Page0 13 Page1 14 R7 67 VCC
D2
AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 D1 AD7
AD8 AD9 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AD15
ECLK LSTRB* R/W* IRQ*
BKG RES*
XFC
Y 1 miniaturni 16MHz HC49 U/S HC18UV R2 10M SM/R_0805
C4 22p SM/C_0805
C2 22p SM/C_0805
470 470 SM/R_0805 SM/R_0805
R5
R3 4k7 SM/R_0805
R4 4k7 SM/R_0805
VCC
3 2 1
HEADER 6 6CN100
J2
MC34064
GND VCC RESET
U4
C3 x / R_10k SM/C_0805
SM/C_0805 SM/R_0805
CONNECTOR DB9
P1
VDDPLL
XFC U1
RXD0/PS0 TXD0/PS1 RXD1/PS2 TXD1/PS3
AN00/PAD00 AN01/PAD01 AN02/PAD02 AN03/PAD03 AN04/PAD04 AN05/PAD05 AN06/PAD06 AN07/ETRIG0/PAD07
VRH VRL
Rs TxD CANH GND CANL Ucc Vref RxD
U8 1 2 3 4
PCA82C250T SOG.050/8/WG.275/L.250
8 7 6 5 CRX
CTX
C16 100n SM/C_0805
VCC
VDD1 VSS1 VDD2 VSS2 VDDPLL VSSPLL
VDDA VDDR VDDX VSSA VSSR VSSX
PWM0/KWP0/MISO1/PP0 PWM1/KWP1/MOSI1/PP1 PWM2/KWP2/SCK1/PP2 PWM3/KWP3/SS1/PP3 PWM4/KWP4/PP4 PWM5/KWP5/PP5 PWM7/KWP7/PP7
MC9S12DG128B - 80QFP Z_QUAD.65M/80/WG17.45/SMS1
VREGEN
IOC0/PT0 IOC1/PT1 IOC2/PT2 IOC3/PT3 IOC4/PT4 IOC5/PT5 IOC6/PT6 IOC7/PT7
ADDR0/DATA0/PB0 ADDR1/DATA1/PB1 ADDR2/DATA2/PB2 ADDR3/DATA3/PB3 ADDR4/DATA4/PB4 ADDR5/DATA5/PB5 ADDR6/DATA6/PB6 ADDR7/DATA7/PB7
ADDR8/DATA8/PA0 RXCAN0/RXB/PM0 ADDR9/DATA9/PA1 TXCAN0/TXB/PM1 ADDR10/DATA10/PA2 RXCAN1/RXCAN0/MISO0/PM2 ADDR11/DATA11/PA3 TXCAN1/TXCAN0/SS0/PM3 ADDR12/DATA12/PA4 RXCAN0/RXCAN4/MOSI0/PM4 TXCAN0/TXCAN4/SCK0/PM5 ADDR13/DATA13/PA5 RXCAN4/KWJ6/SDA/PJ6 ADDR14/DATA14/PA6 TXCAN4/KWJ7/SCL/PJ7 ADDR15/DATA15/PA7
XCLKS/NOACC/PE7 MODB/IPIPE1/PE6 MODA/IPIPE0/PE5 ECLK/PE4 LSTRB/TAGLO/PE3 R/W/PE2 IRQ/PE1 XIRQ/PE0
MODC/TAGHI/BKGD RESET
EXTAL XTAL XFC TEST
9 10 49 50 31 33
59 29 77 62 28 76
4 3 2 1 80 79 78
75 74 73 72 71 70 69 68
63 64 65 66
51 52 53 54 55 56 57 58
60 61
VDDPLL
220nF
4 3 2 1
220nF
SM/C_0805
C8
SM/C_0805
C5
SW DIP-4
VCC
5 6 7 8
SW2
C6 220nF SM/C_0805
VSSA
VDDA
CRX CTX
ATD0 ATD1 ATD2 ATD3 ATD4 ATD5 ATD6 ATD7
VRH VRL
VCC
HEADER 3
1 2 3
JP3
C9 100n
LED
D10
330 SM/R_0805
R14
VCC
AD15 AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8
AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0
11 1
2 3 4 5 6 7 8 9
11 1
2 3 4 5 6 7 8 9
+
U2 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8
C18 47M/10V
VCC
IN
1
1N5819
D7
1N5819
D9
SM/C_0805
SM/C_0805
TO220AA/RF1
78S05
OUT
U7
C12 100n
3
A8 A14 A13 A12 A11 A10 A9
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
C11 100n
C19 470M/10V
19 18 17 16 15 14 13 12
19 18 17 16 15 14 13 12
+
IDT573/SOIC20
C OC
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
IDT573/SOIC20 U5
C OC
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
GNDA GNDA ATD1 ATD3 ATD5 ATD7 VRH VRL
SM/C_0805
C13 100n
C10 100n
ECLK*
I/O8 I/O9 I/O10 I/O11 I/O12 I/O13 I/O14 I/O15
I/O0 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7
4
AD15 AD13 AD11 AD9 AD6 AD4 AD2 AD0
AD1 AD3 AD5 AD7 AD8 AD10 AD12 AD14
2 4 6 8 10 12 14 16 HEADER 8X2
1 3 5 7 9 11 13 15
JP5
C15 100n
D8 1N4007 DAX2/1N_4001-4007 GNDA ATD0 ATD2 ATD4 ATD6 VDDA VSSA
2
C20 100n
A
VRR
SM/C_0805
VCC_Input
SM/C_0805
D5 BZW06-13B15V DAX2/DO26
DAX2/1N_5333B-5388B_D3 C7 22M/20V SM/CT_7343_12MV
D3 D4 1N4007 1N5335B (3,9V) DAX2/1N_4001-4007 VRR
C14 100n
Y
VCC
U9 SN74LVC1GU04
29 30 31 32 35 36 37 38
7 8 9 10 13 14 15 16
IDT71016S/SOJ44
CS
BLE BHE
WE OE
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15
U3
SM/C_0805
+
39 40 6
17 41
LSTRB*
5 4 3 2 1 44 43 42 27 26 25 24 21 20 19 18
R/W*
A7 A6 A2 A1 Page1 A3 A4 A5 A9 A10 A11 A12 Page0 A8 A14 A13
NC
R1 4k7
1
2
5 VCC
x
2
1
4
3
1 GND 3
C1
ECLK
Popis schéma digitální þásti
70
Obr. 11.3 Schéma digitální þásti mČĜícího modulu
Z dĤvodu napČtí napájecí sítČ automobilu je i napájecí napČtí modulu 12V. Toto napČtí je pĜivedeno do obvodu buć pomocí konektoru P1 nebo P2. Poté je pĜipojeno na ochranné diody. Dioda D4-1N4007 je usmČrĖovací dioda a chrání obvod proti pĜepólování, D5 je zenerova dioda s napČtím 14,3V a chrání obvod proti pĜepČtí, D3 je zenerova dioda se ztrátovým výkonem 5W a napČtím 3,9V a snižuje výkonovou ztrátu napČĢového stabilizátoru snížením vstupního napČtí. Za touto diodou je již stabilizátor napČtí U7-78S05, jde o 2A stabilizátor s napČtím 5V. Konektor J2 obsahuje jednovodiþovou ladící sbČrnici BDM, resetovaní vstup a 5V napájení. Slouží pro pĜipojení osobního poþítaþe prostĜednictvím programátoru, pomocí nČhož se provádí programování a ladČní jednoþipového mikropoþítaþe. Background Debug Mode ( BDM ) se používá pro vývoj , obvodové testování a programování. BDM je hardwarovČ implementován na þipu a obsahuje úplný soubor ladících funkcí. Protože Ĝídící logika BDM není uložena v CPU, mohou být pĜíkazy BDM vykonávány zatím co procesor plnČ funguje. ěídící logika obvykle využívá mrtvý cyklus CPU k vykonání tČchto pĜíkazĤ, ale pokud je to nutné zasahuje i do využitého strojového þasu. Ostatní pĜíkazy jsou uloženy v malé 64-kilo bytové pamČti umístČné v procesoru a jsou volány pouze pĜi ladČní. BDM komunikuje sériovČ s externím hostitelským vývojovým systémem, prostĜednictvím BKGD vývodu procesoru. Konektor J3 slouží pro pĜivedení externího pĜerušení, pĜípadnČ ovládání prostĜednictvím 12V impulsu. Signál je veden pĜes oddČlující optoþlen upravující napČĢovou úroveĖ pĜímo na paralelní port procesoru. Konektor JP3 lze využít k pĜedávání dat a komunikaci s externím zaĜízením prostĜednictvím sériového komunikaþního rozhraní. Konektory P1 a P2 slouží pro pĜipojení na sbČrnici CAN prostĜednictvím bućiþe U8 – PCA82C250T. Konektor JP5 slouží jako propojení analogové a digitální desky mČĜícího modulu. Na tento konektor jsou pĜivedeny vstupy AD pĜevodníkĤ mikroprocesoru, na které je pĜivedena úroveĖ snímaného napČtí upravená v analogové desce. Na tento konektor jsou samozĜejmČ pĜipojeny vstupy napČĢových referencí AD pĜevodníku mikropoþítaþe. Dalšími piny jsou VDDA a VSSA, které slouží jako napájení AD pĜevodníku. Na posledních pinech je zem a 12V napájení. PĜepínaþ SW2 je použit pro nastavení adresy mČĜícího modulu na hodnotu volitelnou v rozmezí 0-15. U1 – MC9S12DG128B je mikropoþítaþ obhospodaĜující všechny funkce mČĜícího modulu. PodrobnČjší popis lze nalézt v kapitole Mikroprocesor MC9S12DG128B a na pĜiloženém CD v adresáĜi „mm/datasheets/9s12dt128b“. U2,U5 – IDT573 jsou záchytné obvody podporující multiplexování sbČrnice. U3 – IDT71016 je vysokorychlostní statická pamČĢ RAM organizovaná jako 64k x 16. PamČĢ umožĖuje provoz v osmi a šestnáctibitovém režimu voleného pomocí vývodĤ BHE a BLE. Tato pamČĢ je stránkována pomocí výstupĤ procesoru PT6 a PT7. Detailní popis Ĝídících signálĤ je patrný z následující tabulky.
71
Tab. 2 ěídící signály pamČti IDT71016
U4 – MC34064 je podpČĢový snímací obvod specielnČ navržený pro Ĝízení resetovacího vstupu v mikroprocesorové technice. Nabízí úsporné Ĝešení pro odhalení poklesu napČtí s jediným externím odporem. Obvod je vybaven pĜesnou napČĢovou referencí a operaþním zesilovaþem s hysterezí a má za úkol zabránit neúmyslným zákmitĤm na resetovacím vstupu. U7 – 78S05 je obdobou napČĢového stabilizátoru 7805 jen s tím rozdílem, že jeho vnitĜní obvody omezují funkci až pĜi 2A. U8 – PCA82C250T je rozhraní sbČrnice CAN upravující napČĢové úrovnČ mezi procesorem a fyzickou vrstvou sbČrnice. Tento obvod je plnČ kompatibilní se standardem ISO 11898. Obvod je vysokorychlostní a je možno jej provozovat až do rychlosti 1Mbaud. PĜi této rychlosti byl provozován i v mČĜícím modulu. Obvod je navržen pĜímo pro nasazení v automobilovém prĤmyslu a mČl by být odolný proti bČžnému rušení vznikajícímu v automobilu. Jeho vstupní obvody jsou chránČny proti vysokofrekvenþnímu a ektromagnetickému rušení. U8 – PCA82C250T je jednovstupové invertující hradlo. Pracující s napájecím a vstupním napČtím do 5,5V. Obvod pĜevrací logickou úroveĖ signálu pro ovládání pamČtí.
72
C11 100n
VCC
VCC
VCC
VCC
C21 100n
C8 47M/10V
+
VRL
C15 22u
VRH
C22 100n
IN
+
C23 100n
+OUT
-OUT
1
CHS20515
-IN
COMOUT
+IN
U3
+
C19 1u
3.96V +
R28 390
R36 1k
R33 110
4.4 V
I = 4 mA
C16 1u
2.2 V
R24 390
8
+
+
C5 47M/10V -15V
GND15
C2 47M/10V
+15V
R37 100
R34 300
R29 130
R25 680
R21 5k1
R20 3k9
4.4 V
+
CON3
J2 1 2 3 -15V
+15V 2 4 6
HEADER 3X2
1 3 5
JP1
CON2
J1 1 2
C17 1u
C20 1u
U = 1,1 V => Imax = +5 uA / -10 uA
1.1 V
R3 100k
R2 100k D2
R5 22k C4 120p
1N4148 1N4148
D1
2 -
3 + U1 OPA340
6
120p
C1
R1 22k
R40 Rs
GND15
R39 Rs
R14 Rs C13 33p
C18 100u
R16 270k
R15 270k
+
2
3
2
3
+
C14 33p
6 -
+
6
5
100k
-
+
OPA4340
R30 130k
R26 130k
OPA4340
U6B 7
2.2 V
R10 510k
ATD2
0.7 V
R31 180k
1.1 V
ATD5
OPA4340
0 - ATD7 4,4V <=> ~1.96 Vss 14
U2D
OPA4340
OPA4340
14
0 - 4,4V <=> ~22,66 Ass (-2,66A - +19,8A) ATD6
U6D
OPA4340
0 - 4,4V <=> ~35,75 Ass (-5,7 A - +30 A) ATD4
U6C 8
R35 130k R38 220k
13 -
12 +
R32 180k
9 -
10 +
2.2 V
ATD1
ATD3
0 - 4,4V <=> ~3,92 Vss
U2C 8
R12 220k R13 220k
13 -
12 +
R11 510k
9 -
10 +
0 - 4,4V <=>ATD0 0 - 49,95 A
OPA4340
R9 100k
U2B 7
OPA4340
0 - 4,4V <=> 9 - 19 V
U2A 1
R7 100k
R4 220k
-
+
0 - 4,4V <=> 20 - 49,95 A
U6A 1
R22 100k R23 150k
-
+
6 U5 OPA340
R17 240k
-
+
4.4 V
R27
R19 240k
C7 100u
5
100k
R8
3.96V
R6 220k
2
3
0 - 4,4V <=> 0 - 20 V
fn = 20 kHz
Rs = 100/0,6W pro HTP50, HTP100/2k Rs = 200/0,6W pro HTP50/2k
MINUS
PLUS
0 - 20 V
fn = 60 kHz
U = 0,7 V => Imax = +2,5 uA / -12,5 uA
I = 12 mA
4.4 V
+
0.7 V
I = 6 mA
4.4 V
DAX2/1N_5333B-5388B_D3 C10 22M/20V SM/CT_7343_12MV GNDA
D3 1N5335B (3,9V) VRR
U7 TL431
R18 15
4.4 V
I = 6 mA
+
C6 100n
C3 100n
I = 40 mA
VCC
C12 100n
3
4
5
I = 12 mA U = 4,4 V
C24 100n
TO220AA/RF1
78S05
OUT
U4
2
GND
3
1
VCC
C9 470M/10V
VRR GNDA ATD2 ATD6 ATD1 ATD5 VDDA VSSA
U = 2,2 V => Imax = +/- 10 uA
+
HEADER 8X2
2 4 6 8 10 12 14 16
U = 3,96 V => Imax = +10 uA/ -1uA
VCC
VSSA
VDDA
1 3 5 7 9 11 13 15
JP5
1 6
GNDA GNDA ATD0 ATD4 ATD3 ATD7 VRH VRL
Popis schéma analogové þásti
Obr. 11.4 Schéma analogové þásti mČĜícího modulu
73
Analogová þást mČĜícího modulu byla navržena pro úpravu úrovní snímaného napČtí napájecí sítČ a signálĤ z prĤvlakových senzorĤ proudu. Upravený signál je veden do AD pĜevodníku procesoru na digitální desce. Napájení analogové desky spolu s namČĜenými signály jsou vedeny do mČĜící desky prostĜednictvím konektoru JP5. DetailnČjší popis vývodĤ tohoto konektoru se nachází v pĜedchozí þásti této pĜílohy. Napájecí napČtí pro pČti voltové souþástky je upravováno podobným zpĤsobem jako v digitální þásti. Konektor J1 je použit pro pĜipojení mČĜeného napČtí napájecí sítČ automobilu. Toto napČtí je upraveno pomocí operaþních zesilovaþĤ na úroveĖ požadovanou AD pĜevodníkem. Tato úroveĖ je definována referenþními hodnotami VRH a VRL, což jsou reference AD pĜevodníku urþující jeho rozsah. V celém obvodu je použit jediný typ operaþního zesilovaþe. Tento typ je na desce osazen ve dvou variantách. Jde o OPA340, který ve svém pouzdĜe obsahuje jediný operaþní zesilovaþ a OPA4340 ve kterém jsou þtyĜi operaþní zesilovaþe. Zesilovaþe jsou Ĝady CMOS operaþních zesilovaþĤ optimalizovaných pro provoz pĜi nízkých napČtích. Tyto zesilovaþe nepotĜebují symetrické napájení. KromČ zmínČných variant je vyrábČna ještČ verze se dvČma zesilovaþi na þipu OPA2340. ýásti upravující napČtí je možno provozovat ve þtyĜech režimech v závislosti na mČĜeném napČtí. Jednotlivé režimy se volí použitým kanálem AD pĜevodníku. Kanál ATD1 se použije jestliže požadujeme mČĜení napČtí v nejširších mezích 0-20V. Kanál ATD3 je urþen k detailnČjšímu mČĜení napájecí sítČ 9-19V. PĜedposledním kanálem ATD5 je mČĜena hodnota napČtí s rozkmitem 3,92Všš a poslední kanál ATD7 dokáže mČĜit hodnotu napČtí s rozkmitem 1,96Všš. Konektor J2 je použit pro pĜipojení prĤvlakových senzorĤ proudu napájených symetrickým napČtím ±15V. Symetrické napČtí je vyrábČno z 5v obvodem CHS20515. Použitelné jsou tĜi typy senzorĤ. První senzor má pĜevod 2000:1 s maximálním vstupním proudem 50A, druhý a tĜetí mají pĜevodní konstantu 1000:1 s maximálním proudem 50A a 100A. V závislosti na použitém senzoru je tĜeba sepnout pĜíslušné kontakty spínaþe JP1 na který jsou pĜipojeny snímací rezistory R14, R39 a R40. NapČtí ze snímacích rezistorĤ je upraveno podle požadované úrovnČ mČĜeného proudu pomocí operaþních zesilovaþĤ. ÚrovnČ jsou upraveny tak, aby bylo možno mČĜit proudy v rozsazích 0-49,95A, 20-49,95A, -5,7-+30A a -2,66-+19,8A. Použitý rozsah je vybírán použitým kanálem AD pĜevodníku. Pro mČĜení proudu lze použít kanály ATD0, ATD2, ATD4 a ATD6. NapČĢová reference AD pĜevodníku urþující jeho rozsah je vytvoĜena obvodem TL431. Jde o tĜísvorkový nastavitelný regulátor napČtí s nízkým šumem obsaženým ve výstupním napČtí. Výstupní napČtí je nastaveno na hodnotu 4,4V pomocí rezistorĤ R20 a R21. Tento obvod se vyznaþuje velmi malým výstupním odporem 0,2Ω. Aktivní výstupní obvody zajišĢují velmi rychlý nábČh výstupního napČtí. Tudíž tyto obvody jsou vhodné pro náhradu zenerových diod v mnoha aplikacích, napĜíklad v nastavitelných zdrojích nebo spínaných zdrojích.
74
Tato reference je využita i pro nastavení posunu spodní hranice mČĜících rozsahĤ jak napČtí tak proudĤ. NapČĢové úrovnČ potĜebné pro tyto posuny jsou vytváĜeny odporovými dČliþi.
75
