(ИУС) автомобилей (ppt, 1,2 Мб)

Встроенные системы управления
Лекция 3
ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ (ИУС)
АВТОМОБИЛЕЙ
А. Астапкович
Государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПб, 2012
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
 Система управления распределенная (сетевая ) и состоит
больше, чем из одной сети
СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Стоимость электроники и программного обеспечения в структуре
цены проекта современного автомобиля доходит до 20 %

Темп обновления модельного ряда 2-4 года

Необходимость обеспечить совместимость электронных узлов, получаемых от
разных производителей потребовала разработки и внедрения ряда стандартов,
которые с одной стороны относятся к программному обеспечению, но
учитывают специфику автомобильных систем управления и являются частью
соответствующих платформ поддержки разработки.

В настоящее время в европейской автомобильной промышленности при
разработке систем управления широко применяются три стандарта:
• AUTOSTAR (Automative Open System Architeture) ;
• OSEK/VDK (Open System and the corresponding interfaces for
automotive Electronics/Vehicle Distributed eXecutive);
• MISRA C (Motor Industries Software Reliability Association).
ПЛАТФОРМЕННЫЙ ПОДХОД

Системы управления современных автомобилей представляют собой
пространственно распределенную структуру. Эта структура образована
электронными блоками, реализуемыми на микроконтроллерах и
объединенных между собой коммуникационными каналами.

Узлы
такой
сети
представляют
собой
программируемые
интеллектуальные датчики, исполнительные устройства, локальные
системы обработки данных.

Для современных систем управления распределенного класса
характерным является разнородность используемой элементной базы и
разнотипных каналов связи.
Обобщенная структура платформы
• Разработка современных систем требует использование ряда технологий,
совокупность которых принято называть платформой.
• Платформа представляет собой набор взаимоувязанных решений по
элементной базе, по способу организации сетевой структуры и по
применяемым технологиям разработки программного обеспечения.
Производители микроконтроллеров
 В связи с бурным развитием рынка автономных коммуникационных
устройств и цифровой видео и аудиоаппаратуры в настоящее время ряд ведущих
компаний разработали специализированные семейства 16 и 32-битных
микроконтроллеров.
 Как правило, микроконтроллеры для этих применений содержат на кристалле
широкий набор коммуникационных модулей и модулей аппаратной поддержки
специализированных шин
БАЗОВЫЕ ТОПОЛОГИИ
ОПИСАНИЕ ТОПОЛОГИИ ИУС
Матричный способ описания структуры
 Наиболее универсальным способом описания структуры сети и
структуры информационного обмена является граф обмена,
описываемый матрицей.
 Узлы сети упорядочиваются и нумеруются I = 1……N
 В матрице описания наличие связи между i и j узлами описывается
1 в позиции (i,j), отсутствие связи описывается 0.
1 1 1 … 1
1 1 1 … 1
1 1 1 … 1
1 0 1 ….. 0
S =
B=
1 1 1 … 1
1 0 0 … 1
Матрицы описания топологий “шина” и “звезда”
Узлы ИУС
Узел. Электронное устройство, реализующее специфицированную
часть функций системы управления и имеющее в своем составе
модуль реализации физического уровня протокола доступа к
коммуникационному каналу ( сети).



В качестве узлов в распределенных сетях выступают интеллектуальные
датчики, устройства управления, коммуникационные узлы, контроллеры
Электронный блок, обеспечивающий реализацию функционально
полного набора функций системы управления “измерение-расчетуправляющее воздействие” и конструктивно обособленный, называют
контроллером
В автомобильной промышленности используется обозначение ECU
( Electronic Control Unit)
ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА ECU
 Узлы сети связаны между собой по сети питания и
цифровыми каналами связи
ОСОБЕННОСТИ АВТОМОБИДЛЬНЫХ ИУС




С точки зрения эксплуатации ИУС автомобиль представляет собой очень
агрессивную среду для используемых электронных устройств и каналов
передачи информации.
Эта характеристика формируется из-за совокупного воздействия факторов:
вибрации, необходимости работать в широком температурном диапазона -40 +80 С при наличии загрязнений маслом, бензином, водой, льдом и пылью.
Принципиально важно при этом обеспечить высокую надежность и
детерминизм поведения сетей контура управления реального времени в
условиях воздействия сильных электромагнитных воздействий (напряженность
поля > 200 В/м ) и помех, нестабильности питающих напряжений и
потенциально возможных нарушений, связанных с короткими замыканиями.
Этот набор требований требуется обеспечить при необходимости
вписаться в жесткие требованиях по стоимости и времени разработки, а
также стоимости систем в производстве.
Классификация SAE
Американская ассоциация SAE (Society of Automotive Engineers)
предложила формальную классификацию типов автомобильных сетей.
Классификация информационно-управляющих сетей автомобиля
Класс
Скорость обмена
Примеры применения
Управление
конфигурацией
< 10 кБит/сек
А
положение стекол, зеркал, дверных
(малая)
стекол, багажник, климат контроль
B (средняя)
10 – 125 кБит/сек
C
(высокая)
D
0.125- 1 Мбит/сек
> 1 Мбит/сек
Передача информации общего типа: с
датчиков, системы питания и т.п.
Управление в реальном режиме
времени: активная подвеска, система
предотвращения
столкновений,
управление двигателем
Мультимедийное
оборудование:
цифровое радио и аудиосистемы для
управления
и
прослушивания
разнообразного контента
Назначение сетей класса D
 В настоящее время идет активное насыщение автомобиля системами
класса D за счет широкого использования голосового управления
системами автомобиля.
 С помощью этого интерфейса обеспечивается
 доступ в Internet;
 голосовое чтение сообщений электронной почты в движении;
 посылка голосовых сообщений по электронной почте;
 получение сообщений от системы планирования маршрута;
 использование компьютерные игр и систем развлечения
пассажирами заднего сидения.
Стандарты ISO
 Для сетей классов A,B,C наиболее распространенной технологией передачи
данных является применение витой пары.
 В Европе доминирующее положение для сетей этих классов занимает
стандарт CAN (Controller Area Network), разработанный фирмой Robert
Bosch GmBH еще в середине 1980 для Mercedes Benz S-класса.
 В 1994 году SAE использовала его при разработке стандарта J1939 для сетей
класса С, применяемых в грузовиках и автобусах. Этот стандарт впоследствии
стал широко использоваться компаниями большой тройки FORD, GM, Crysler
для сетей классов SAE A,B,C.
 Вслед за ведущими производителями международная организация по
стандартам ISO приняла спецификацию CAN стандарта в виде спецификаций
ISO 11898 и ISO 11519-2.
Сети класса D
 Структура стандартов для класса D только формируется
Автомобильные сети класса SAE D
Наименование
сети
Макс. скорость
cреда передачи данных
Компания или вариант
использования
D2B
Domestic Digital Bus
12 Мбит/ сек
оптоволоконо
Optical Chip Consortium
Мерседес S-класса
MOST
Media Oriented
Systems Transport
25 Мбит/ сек
оптоволоконо
Delphi Automotive Systems
MML
Mobile Media Link
110 Мбит/ сек
оптоволоконо
AMIC (Automotive Multimedia
Interface Collaboration:
GM,FORD,TOYOTA,
DAIMLER,CRYSLER, RENAULT)
 Физическая среда – оптоволокно (?)
Модели длинных линии


Следует отметить, что модель длинной линии предложена достаточно
давно и является классической для понимания механизма
высокоскоростной передачи информации
Модель длинной линии существенным образом базируется на
однородности элементарных ячеек, образующих линию передачи
данных. Из этого следует, что физические размеры проводника и его
электрические параметры должны быть постоянными вдоль линии
передачи данных. Для описания элементарных ячеек, образующих
линию передачи данных, используются погонные параметры: емкости,
индуктивности и омического сопротивления на единицу длины.
Идеальная длинная линия
Линия с потерями
Идеальная длинная линия

Характеристический импеданс идеальной линии имеет размерность
омического сопротивления
R0= (L/C)1/2 [ом]

Задержка передачи сигнала на единицу длины идеальной длинной
линии постоянна и равна
ν0= (LC) ½ [сек/м]
 Идеальная длинная линия из-за отсутствия потерь не
имеет
ограничений по дальности на возможность распространения по ней
электромагнитной энергии.
ЛИНИИ С ПОТЕРЯМИ


В реальных линиях кроме омических потерь существует ряд
дополнительных каналов рассеивания энергии, которые приводят к
ограничению максимальной дальности передачи информации из-за
деградации сигнала.
Можно констатировать, что чем ближе параметры реальной линии
связи к модели идеальной длинной линии, тем на большие расстояния
может быть передана информация.
Conductor 28 AWG
(7  36 AWG)
Insulating layer
Filler
 Структура кабеля Space Wire
Twisted pair
Inner shield around
twisted pair (40 AWG)
Jacket
Filler
Binder
Outer shield (38 AWG)
Outer jacket
СТАНДАРТ SpaceWire

Канал передачи по витой паре для космических
применений:
 для
уменьшения
омического
сопротивления
использования
разнесенных
в
пространстве
посеребренных экранированных витых пар;
 для обеспечения малости коэффициента отражения
сопротивление нагрузки выбрано RL = 100 ом, что
соответствует импедансу линии R0 ;
 использование топологии точка-точка для обеспечения
однородность канала на всем его протяжении и отсутствия
“внутренних ” точек отражения.
Классификация кабеля витая пара
 В технической и научной литературе для описания структуры
кабеля используется ряд устоявшихся обозначений :
UTP - неэкранированная 4-х парная витая пара с погонным
импедансом 100 ом;
STP - 2-х парный кабель с индивидуальным экранированием
каждой витой пары c погонным импедансом 150 ом;
FTP - 4-x экранированный кабель с погонным импедансом
100 ом;
Американская классификация кабелей
типа “витая пара”


Категория 5 (Сат 5) - UTP кабель и предназначен для передачи
сигналов с частотой 100 Мгц. Ориентирован нам применение в сетях
100BASE-T Ethernet и 155 Мбит ATM. В Европе для обозначения этого
типа кабеля также используют обозначение ISO/IEC 11801 Class D.
Параметры кабеля этого типа специфицированы в стандартах ISO/IEC11801 и TIA/EIA-568-A-5.
Категория 6 (Сат 6). UTP кабель разработан для использования на
частот до 200 Мгц. По ряду параметров обеспечивает возможность
использования частот до 250 Мгц. Кабель специфицируется
параллельно стандартами ISO 11801-2001 и TIA568B (ANSI/TIA/EIA568-B.2.1). Последняя спецификация утверждена в 2002 г. Считается,
что эта категория кабеля обеспечивает предельные параметры для
сетей с разъемами RJ-45 (8 ножек). В Европе для обозначения этой
категории кабеля используют обозначение ISO/IEC 11801 Class E.
СТАНДАРТ IEEE 1394b
 Принят в 2002 году
 Этот стандарт может реализовываться на разных видах
среды передачи
 Важной особенностью стандарта является наличие питающей
шины в шлейфе, соединяющем устройства.
ШИНА CAN
Идея CAN была предложена в середине 80-х немецкой
компанией Robert Bosch, которая задумывала ее в качестве
экономичного средства для объединения контроллеров,
расположенных внутри автомобиля.
Традиционный способ связи распределенных по объекту
контроллеров жгутами проводов по своей технической
сложности, по ценовым и по весовым параметрам для
массового изделия, которым является автомобиль, оказался
непригоден.
Требовалось альтернативное решение, сокращающее
количество проводов, поэтому был предложен протокол CAN,
для которого достаточно любой проводной пары.
ОСОБЕННОСТИ ШИНЫ CAN
Протокол CAN обеспечивает высокий уровень защиты данных от
повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи). При
этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1
Мбит/сек на расстояния до 40 м).
Высокая степень и надежности сети достигается благодаря развитым
механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных
узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех
обеспечивает сети широчайшую сферу применения.
Существенной особенностью этого протокола является использование
контекстной адресации передаваемой информации.
Кадр передаваемой информация маркируется типом содержащейся в нем
информации и доступен всем узлам сети, которые сами определяют
необходимость ее использования. По сути дела это вариант широко
вещательного доступа, который не требует использование сетевого и
сеансового уровней протокола классической семиуровневой модели OSI.
ТОПОЛОГИЯ СЕТИ CAN.
Наиболее распространена спецификация стандарта ISO 11898. Этот стандарт
в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную
линию с импедансом 120 Ом.
Передаваемый бит кодируется с помощью двух импульсов
напряжений, подаваемых одновременно на CAN_H и CAN_L.
Минимальная длина импульса составляет 1 мксек.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СЕТИ CAN.

Приемо-передатчики реализуют ряд дополнительных функций,
включающих:
 регулировку скорости нарастания входного сигнала путем
изменением тока на входе;
 ограничение тока встроенной схемой, которая защищает выходы
передатчиков от повреждения при возможных замыканиях линий
CAN_H и CAN_L с цепями питания, а также от кратковременного
повышения напряжения на этих линиях;
 внутреннюю тепловую защиту;
 режим пониженного энергопотребления, в котором приемники
продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того,
чтобы при обнаружении на шине информационных сигналов он
мог вывести приемопередатчики в нормальный режим работы.
ТИПЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАДРОВ

Данные по CAN сети пересылаются в виде отдельных кадров
стандартного формата. Разрешено использование четырех видов
кадров:
 кадр для передачи данных (data frame);
 кадр для запроса на передачу кадра данных (remote frame);
 кадр перегрузки (overload frame) для обеспечения промежутка
между кадрами данных;
 кадр ошибки (error frame) для передачи сообщения об ошибке.
 Кадры данных и запроса отделяются от предыдущих
кадров межкадровым промежутком.
 Формат кадра данных бывает двух типов: базовый и расширенный.
Формат базового кадра данных CAN bus
Поле
Длина
в битах
Начало кадра (SOF)
1 бит
Идентификатор
Запрос на передачу (RTR)
Бит расширения идентификатора (IDE)
11 бит
1 бит
1 бит
Зарезервированный бит (R0)
Длина данных (DLC)
Поле данных
Контрольная сумма (CRC)
Разграничитель контрольной суммы
1 бит
1 бит
0-8
байт
15 бит
1 бит
Промежуток подтверждения (ACK)
1 бит
Разграничитель подтверждения
Конец кадра (EOF)
1 бит
7 бит
Описание
Сигнализирует начало передачи
кадра
Уникальный идентификатор
Резерв
Длина поля данных в байтах (0-8)
Передаваемые данные (длина
определяется значением DLC)
Контрольная сумма всего кадра
Арбитраж шины CAN.
 Одной из уникальных особенностей стандарта CAN является механизм так
называемого недеструктивного арбитража шины посредством сравнения бит
идентификаторов конкурирующих сообщений.


Ситуация коллизии на шине возможна в случае начала одновременной передачи
SOF битов разными узлами.
Вслед за этим битом передаются биты идентификатора, которые и определяют хозяина шины
СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Спецификация CAN исходит из предположения, что все CAN контроллеры
принимают сигналы с шины одновременно, т.е. в одно и то же время один и тот
же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны такое
положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, а с другой стороны,
ограничивает длину CAN bus, так как скорость распространения сигнала конечна
Скорость передачи данных для шины CAN
Длина шины,
Максимальная
Битовое
м
скорость передачи
время, мксек
30
50
100
250
500
1000
2500
5000
1 Мбит/сек
800 Кбит/сек
500 Кбит/сек
250 Кбит/сек
125 Кбит/сек
62.5 Кбит/сек
20 Кбит/сек
10 Кбит/сек
1
1.25
2
4
8
20
50
100