Datové sběrnice

Přenos dat do dalších systémů

Využívání elektronických řídících a regulačních systémů ve vozidle vyžaduje jejich propojení do sítě. Sdílení informací mezi systémy snižuje celkový počet snímačů. Pro motorová vozidla byly speciálně vyvinuty komunikační systémy, které lze rozdělit do dvou skupin:

• konvenční rozhraní,

• sériová rozhraní - např. CAN – (Controller Area Network).

Konvenční přenos dat

U tohoto druhu přenosu je každý jednotlivý signál veden po samostatném vedení. Signál binární povahy lze přenášet jen pomocí dvou stavů (0 a 1). Potřeba přenosu velkého množství dat v moderních automobilech je však již tímto způsobem neřešitelná, protože je nutné velkého množství kabelů (tisíce metrů). Konvenční rozhraní se již nepoužívá.

Obr. 1: Konvenční způsob přenosu dat

Sériový přenos dat (CAN)

Sběrnicový systém (datové sběrnice) jsou náhradou konvenčního systému přenosu dat. Pro motorová vozidla byl speciálně vyvinut systém sběrnice CAN (Controller Area Network), který se používá ve třech hlavních oblastech:

• připojení řídících jednotek,

• komfortní elektronika,

• mobilní komunikace.

Propojení řídících jednotek ve vozidle se uskutečňuje pomocí dvou zkroucených vodičů (dvoupólového kabelu), na jejichž koncích jsou odpory proti odrazům a zkreslování přenášených dat.

Obr. 2: Systém CAN – Bus s vnějšími uzlovými body v kabelovém svazku

Po obou vodičích je přenášen stejný signál, ale v opačné poloze tzn. okamžitý součet napětí na obou vodičích je konstantní. Používají se měděné vodiče (nově nahrazovány optickými kabely – světlovody, systém D2B).

Obr. 3: Vedení systému CAN - Bus

Ostatní části sběrnice jsou v řídící jednotce:

• CAN – Controller,

• CAN – Transceiver.

CAN – Controller má za úkol měnit signály řídící jednotky na vysokofrekvenční pravoúhlé kmity a odeslat je do CAN – Transceiveru a signály přicházející od CAN – Transceiveru upravovat a předávat ke zpracování řídící jednotce.

CAN – Transceiver je vysílač a přijímač, který přijímá data od CAN – Controlleru, mění je na elektrické signály a naopak.

Průběh přenosu dat v systému CAN-Bus je následující:

• řídící jednotka připraví a předá data CAN – Controlleru,

• CAN – Controller data zpracuje a předá CAN – Transceiveru,

• CAN – Transceiver přijatá data převede na elektrické signály a odešle po vedení do systému CAN-Bus,

• všechny řídící jednotky napojené na sběrnici CAN-Bus obdrží data,

• každá řídící jednotka zkontroluje data, zda jsou určena pro její činnost, nebo jsou pro ni nepotřebná (určena jiné řídící jednotce).

Obr. 4: Struktura řídící jednotky pro zapojení do systému CAN-Bus

Obr. 5: Průběh přenosu dat v systému CAN-Bus

Aby systém CAN-Bus a všechny řídící jednotky správně fungovaly musí být přenos dat prováděn standardizovaným datovým protokolem. Používá se dvojkový kód, pro vyjádření logické 0 (low) je napětí 0V, pro vyjádření logické 1 (high) je napětí 0,8V.

Obr. 6: Průběh signálu ve sběrnici CAN-Bus

Data vyjádřená ve dvojkovém kódu jsou seřazena do datového protokolu s přesně definovanou strukturou, která má sedm polí:

• počáteční pole (start of frame) – začátek datového protokolu,

• statutární pole (arbitration field) – určuje prioritu, přednost (např. datový protokol ABS má přednost před protokolem samočinné převodovky),

• kontrolní pole (control field) – udává počet bitů zaslaných v datovém poli, kontrola úplnosti přenosu,

• datové pole (data field) – vlastní informace určená řídící jednotkou,

• bezpečnostní pole (CRC field) – umožňuje rozpoznání chyb vznikajících při přenosu,

• potvrzovací pole (ack field) – signalizuje ze strany příjmu správnost převzetí datového protokolu, pokud je zaznamenána chyba, přenos se okamžitě opakuje,

• koncové pole (end of frame) – ukončuje datový protokol.

Obr. 7: Struktura datového pole

Podle rychlosti jsou u většiny automobilů použity dvě na sobě nezávislé sběrnice CAN-Bus:

• vysokorychlostní sběrnice – používá se pro oblast pohonu a systémů bezpečnosti provozu vozidla, pracuje s přenosovými rychlostmi 250 až 500 kbit.s^-1, řídící jednotky provádí přenosy každých 7 až 20 ms, podle priority jsou k této sběrnici připojeny řídící jednotky ABS/EDS, řízení motoru – např. Motronic, řízení samočinné převodovky,

• nízkorychlostní sběrnice – pracuje s přenosovými rychlostmi jen 62,5 až 125 kbit.s^-1, spojuje především oblast komfortu, např. centrální zamykání, elektrické ovládání oken, elektricky ovládaná a vyhřívaná zrcátka, vnější a vnitřní diagnostiku atd.

Systémy přenosu dat CAN-Bus v motorových vozidlech jsou standardizovány podle mezinárodních norem ISO.

Optická sběrnice byla poprvé uvedena jako D2B (Domestic Digital Bus) u automobilů Mercedes. Vedení sběrnice je provedeno skleněnými vlákny a k přenosu dat se používá světlo. Převod elektrických signálů na světlo zajišťují tzv. Controller-Ch

Datová sběrnice LIN (Local Interconnect Nerwork) je sériová sběrnice používající ke komunikaci jednovodičové spojení připojených zařízení.  Nepoužívá jako úplná náhrada sběrnice CAN, nýbrž jako doplněk, například pro řízení klimatizace, dveří, zámků, oken. Jedná se tedy o části, kde není zapotřebí dosáhnutí takových přenosových rychlostí nebo bezpečnosti. Maximální rychlost komunikace se pohybuje na 19,2 kbit/s. Sběrnice LIN přinesla snížení ceny 2x až 3x oproti sběrnici CAN. LIN používá jednotný formát rámce zprávy viz. Obr. 8, který slouží k synchronizaci, adresaci uzlů a k výměně dat mezi nimi. Nevýhody jsou: možnost připojit maximálně 16 jednotek a vyšší náchylnost na elektromagnetické rušení.

 

Optická sběrnice byla poprvé uvedena jako D2B (Domestic Digital Bus) u automobilů Mercedes. Vedení sběrnice je provedeno skleněnými vlákny a k přenosu dat se používá světlo. Převod elektrických signálů na světlo zajišťují tzv. Controller-Chips. Rychlost přenosu je až 60 krát větší než u sběrnice CAN-Bus s měděnými vodiči. Optická sběrnice má tyto výhody:

• vysoká rychlost přenosu,

• necitlivost k elektromagnetickému rušení,

• odolnost proti zkratu,

• minimální opotřebení (bez oxidace),

• malá hmotnost,

• malý průměr vodičů.

Nevýhody:

• malá mechanická odolnost,

• vysoká cena síťových komponent.

V současnosti se v automobilech rozšiřuje použití plastových optických kabelů ve sběrnicích systému MOST (Media Oriented Systems Transport), která byla vyvinuta pro multimediální přenosy v automobilu. Systémy pracující s multimédii mají díky velkým objemům dat vyšší nároky na rychlost, která dosahuje až 24,5 Mbit/s. Díky optické síti tak je možné přenášet video či audio signály, SMS nebo mohou zprostředkovat internetové připojení.

Zdroje

• Čupera, Jiří., Štěrba, Pavel. Automobily 7 Diagnostika motorových vozidel I. 2. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2010. 195 s. ISBN 978-80-87143-17-9.
• Čupera, Jiří., Štěrba, Pavel. Automobily 8 Diagnostika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, s. r. o., 2011. 181 s. ISBN 978-80-87143-19-3.
• Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 5 Elektrotechnika motorových vozidel I. 2. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2009. 234 s. ISBN 978-80-87143-13-1.
• Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8.
• Pošta, Josef. a kol. Opravárenství a diagnostika I pro 1. roč. UO Automechanik. 1. vydání. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 2000. 154 s. ISBN 978-80-7333-058-3.
• Pošta, Josef. a kol. Opravárenství a diagnostika II pro 2. roč. UO Automechanik. 2. vydání. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 2008. 188 s. ISBN 978-80-7333-066-8.
• Škoda- Bosch- Scania školící materiály

Obrázky:

• Obr. 1: Konvenční způsob přenosu dat. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 2: Systém CAN – Bus s vnějšími uzlovými body v kabelovém svazku. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 3: Vedení systému CAN - Bus. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 4: Struktura řídící jednotky pro zapojení do systému CAN-Bus. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 5: Průběh přenosu dat v systému CAN-Bus. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 6: Průběh signálu ve sběrnici CAN-Bus. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..
• Obr. 7: Struktura datového pole. Jan, Zdeněk., Ždánský, Bronislav., Kubát, Jindřich. Automobily 6 Elektrotechnika motorových vozidel II. 1. vydání. Brno: Avid, spol.s r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-87143-14-8..