Fot. Delphi

Moduł samochodowej nawigacji satelitarnej

Wyposażenie elektryczno-elektroniczne współczesnego samochodu jest systemem rozproszonym. Składa się bowiem z szeregu układów mikroprocesorowych działających w czasie rzeczywistym.

Układy mikroprocesorowe współpracują i komunikują się ze sobą w ściśle określony i kontrolowany sposób (rys. 1). Średniej klasy samochód posiada około 30 różnych systemów mikroprocesorowych. W samochodach wyższej klasy liczba ta może dochodzić nawet do 100. Procentowy udział kosztu układów elektronicznych w całkowitej cenie samochodu wynosi obecnie około 30%, przy czym w samochodach o napędach hybrydowych i elektrycznych może sięgać nawet 40%.

ZOBACZ TAKŻE:

• Samochodowe systemy elektroniczne (cz. II)
• Samochodowe systemy elektroniczne (cz. III)

Cechą charakterystyczną współczesnych układów samochodowych jest powszechne wykorzystanie zaawansowanych technologii: elektronicznej i informatycznej, zastępujących dotychczasowe rozwiązania: analogowe, mechaniczne i elektromechaniczne. Układy elektroniczne są stosunkowo tanie, lekkie, łatwo konfigurowalne i niezawodne. Dlatego nadają się bardzo dobrze do zastosowań w systemach sterujących, których istotnym elementem jest realizacja algorytmów w czasie rzeczywistym (np. sterowanie silnikiem, skrzynią biegów), i w systemach krytycznych ze względu na bezpieczeństwo (np. sterowanie układem hamulcowym i jezdnym).

^{Rys. 1: Schemat elektronicznej „architektury” współczesnego samochodu}

Współczesny moduł mikroprocesorowy montowany w samochodach to specjalizowany układ elektroniczny, wyposażony w oprogramowanie realizujące określoną funkcję oraz w interfejs zawierający elementy mechaniczne (rys. 2). Tego typu systemy określa się mianem systemów wbudowanych (ang. embedded systems). Realizacja sterowania odbywa się z reguły na niestandardowej platformie sprzętowej, która bardzo często skonstruowana i skonfigurowana jest specjalnie dla potrzeb danego urządzenia. Projektowanie samochodowego wbudowanego układu elektronicznego wymaga dokładnego przeanalizowania dotyczących go wymagań, opracowania odpowiedniej jego „architektury”, czyli rozmieszczenia w przestrzeni, i stworzenia oprogramowania.

^{Rys. 2.: Samochodowy system elektromechaniczny, składający się z inferfejsu mechanicznego,
układu elektronicznego oraz oprogramowania}

Zarówno oprogramowanie, jak i cały system wymagają następnie wielostronnego testowania, ponieważ ewentualne błędy popełnione we wstępnych fazach projektowania mogą mieć potem katastrofalne skutki, a w najlepszym razie wydłużają czas trwania i zwiększają koszt realizacji projektu. Za każdy typowy projekt odpowiada jego kierownik koordynujący i nadzorujący pracę wielu specjalistów, takich jak inżynierowie systemowi, programiści, mechanicy, elektronicy, organizatorzy testów, kontrolerzy jakości i inżynierowie do spraw produkcji.

Przy projektowaniu elektroniki samochodowej należy brać pod uwagę warunki, w jakich dane urządzenie będzie pracować. Samochodowy układ wbudowany musi poprawnie realizować swoje funkcje w zakresie temperatur od -40^oC do +125^oC i w prawie pełnym zakresie wilgotności. Musi być też odporny na zmiany napięcia zasilającego (rys. 3), zwarcia i przeciążenia, drgania, wyładowania elektrostatyczne i wiele innych zjawisk. Należy go przy tym wykonać z odpowiednich materiałów, by nie uległ zniszczeniu przy przepływie dużych prądów rzędu setek amperów (rys. 4). Stabilność jego konstrukcji, odporność na awarie i niespodziewane warunki pracy sprawdzana jest w trakcie intensywnych testów przeprowadzanych na każdym etapie powstawania produktu.

^{Rys. 3.: Przebieg napięcia akumulatora podczas rozruchu silnika}

^{Rys. 4.: Prąd pobierany z akumulatora podczas rozruchu silnika}

Rosnąca ilość układów elektronicznych montowanych seryjnie w samochodach sprawia, że konieczne stają się systemy zarządzające wymianą informacji pomiędzy poszczególnymi modułami. Obecnie do tego celu wykorzystuje się różne typy magistral danych (rys. 1). Do przekazywania sygnałów szybkozmiennych, mających stałe czasowe rzędu kilku milisekund (np. przy sterowaniu silnikiem, skrzynią biegów, ABS, ESP,) stosowane są magistrale CAN (ang. controller area network) wykonywane w wersji szybkiej (ang. high speed can). Tzw. wolna sieć CAN (ang. low speed can) obsługuje aplikacje mniej krytyczne pod względem czasowym (np. sterujące klimatyzacją, centralnym zamkiem, oświetleniem samochodu itp.).

Magistrala światłowodowa MOST (ang. media oriented system transport) służy do wymiany informacji pomiędzy samochodowymi systemami multimedialnymi, takimi jak radio, nawigacja satelitarna (rys. 5) i telewizja samochodowa.

Do komunikacji z czujnikami i urządzeniami wykonawczymi wykorzystuje się obecnie protokół LIN (ang. local interconnect network). Sieć FlexRay, odznaczająca się dużą szybkością transmisji, przepustowością i niezawodnością, zastępuje standardowe połączenia mechaniczne (np. linki, cięgna sztywne) przy elektronicznych systemach sterowania przepustnicy i układu kierowniczego.

Kluczowym elementem systemu elektrycznego samochodu jest centralny moduł sterowania (rys. 6). Używa on danych wejściowych zebranych z rozmaitych czujników, np. poziomu paliwa, deszczu, temperatury zewnętrznej oraz innych modułów elektronicznych i manipulatorów dostępnych dla użytkownika pojazdu (zintegrowany przełącznik na kolumnie kierowniczej, przełącznik świateł, zdalny kluczyk). Dane wejściowe są wykorzystywane do realizacji funkcji związanych z zabezpieczeniem samochodu (immobilizer), ze zdalnym sterowaniem otwierania i zamykania zamka drzwi, ze sterowaniem zewnętrznymi światłami, wycieraczkami i spryskiwaczami szyb. Centralny moduł sterowania w czasie swojej pracy nieustannie przeprowadza testy diagnostyczne, co umożliwia szybkie wykrycie i lokalizację uszkodzeń podłączonych układów, a także poinformowanie kierowcy o konieczności oddania samochodu do serwisu.

Rys. 5.: Moduł samochodowej nawigacji satelitarnej	Rys. 6.: Centralny moduł sterujący

Tweet

Dr inż. Paweł Skruch
Manedżer Zespołu Inżynierów Centrum Techniczne Delphi Kraków