Protocoale de comunicaţie pentru automobile

    În prezent sistemele electronice de pe automobile cunosc o dezvoltare fără precedent. Pentru automobilele de lux se estimează că sistemele electronice reprezintă aproximativ 23% din costul total al automobilului. De asemenea, experţii estimează că aproximativ 80% din inovaţiile aduse în domeniul auto fac parte din categoria sistemelor electronice.

Sistemele electronice aflate la bordul unui automobil

Foto: Sistemele electronice aflate la bordul unui automobil
Sursa: Siemens VDO (Continental)

Evoluţia sistemelor electrice/electronice de pe automobile

    Începând cu 1970 se poate observa o creştere exponenţială a numărului de componente electronice utilizate pe automobile, ce au ca scop înlocuirea componentelor mecanice şi hidraulice. Scopul principal al sistemelor electronice de pe automobile este de a asista conducătorul auto în ceea ce priveşte controlul automobilului, prin intermediul tracţiunii (motor), direcţiei (servodirecţie electrică), sistemului de frânare (ABS, ESP) sau a suspensiei (suspensie activă). Un alt scop al sistemelor electronice este de a controla luminile, ştergătoarele, uşile şi mai nou sistemele multimedia (radio, DVD), sistemele de comunicaţie (telefonie "hands free") şi de poziţionare globala (GPS).

Evoluţia procentului de sisteme electronice de pe automobile

Foto: Evoluţia procentului de sisteme electronice de pe automobile

    Literele din graficul de mai sus reprezintă progresele semnificative făcute în domeniul sistemelor electrice/electronice de pe automobile:

  1. semnalizare optică, acustică, radio, demaror, dinam;
  2. aprindere tranzistorizată, alternator;
  3. controlul vitezei de croazieră, injecţia electronică de combustibil, controlul electronic al transmisiilor automate;
  4. calculator de bord, indicator interval service, ABS, telefonie mobilă;
  5. cheie electronică, sisteme integrate de control al motorului şi al transmisiei, instrumente de bord electronice, TCS, suspensie adaptivă, diagnoza senzorilor de impact, sisteme de protecţie antifurt;
  6. imobilizator electronic, senzor de impact zonal;
  7. multiplexare, diagnoză, sistem de navigare;
  8. senzori de impact lateral, senzor de măsura a presiunii din pneuri;
  9. sistem de acces în automobil bazat pe perimetru, detectarea prezentei ocupanţilor automobilului, detectarea şi prevenirea răsturnării automobilului;
  10. ACC, ESP;
  11. sisteme X-by-wire (sistem de frânare şi direcţie electronică);

    Introducerea sistemelor electrice pe automobile începe în jurul anului 1950. În acestă perioadă nu putem vorbi încă de sisteme electronice veritabile deoarece nici unul dintre sisteme nu conţine materiale semiconductoare.

    Evoluţia sistemelor electrice/electronice a luat avânt începând cu anii 1970 şi continuă până în zilele noastre. Conţinutul de sisteme electrice/electronice de pe automobile a crescut de la 0% în 1950 până la 25% în prezent.

    Numărul mare de sisteme electronice aflat pe un automobil impune schimbul de informaţii între diferitele sisteme ce echipează automobilul. Acest schimb de informaţii are ca scop reducerea numărului de senzori, prin utilizarea aceleiaşi informaţii furnizată de un senzor de către mai multe calculatoare.

Multiplexarea

    Pentru a putea discuta despre protocoale de comunicaţie utilizate pe automobile mai întâi trebuie să clarificam modul în care calculatoarele ce echipează un automobil schimbă informaţii între ele. Să presupunem că automobilul este echipat cu un calculator de injecţie (ECU), are transmisie automată (TCU) şi de asemenea este prevăzut cu sistem de frânare ce previne blocarea roţilor (ABS).

    În tabelul de mai jos sunt date ca exemplu informaţiile care sunt schimbate între cele trei calculatoare. „Tx”semnifica faptul ca informaţia este transmisa iar „Rx” înseamnă că informaţia este recepţionată.

Informaţia \ Calculatorul ECU TCU ABS
Turaţia motorului Tx Rx -
Poziţia clapetei obturatoare Tx Rx -
Temperatura motorului Tx Rx -
Tensiunea bateriei Tx - Rx
Viteza automobilului Rx Rx Tx
ABS activ Rx Rx Tx
Cuplul motor cerut Rx Tx -
Schimbarea de treapta este activă Rx Tx -

    Pentru a explica conţinutul tabelului luăm ca exemplu informaţia "viteza automobilului". Acesta este trimisă de calculatorul sistemului de frânare (ABS) şi este recepţionată de calculatorul de injecţie (ECM) şi al cutiei de viteze automată (TCU).

Conexiunea electrică clasică între calculatoarele unui automobil

Foto: Conexiunea electrică clasică între calculatoarele unui automobil

    Astfel pentru a putea împărţii aceste informaţii intre cele trei calculatoare, pentru fiecare semnal, trebuie realizata o conexiune electrică. Acest mod de a comunica anumite informaţii prezintă numeroase dezavantaje, cum ar fi:

  • creşterea greutăţii totale a automobilului datorită numărului mare de cabluri şi conectori electrici;
  • scăderea fiabilităţii automobilului datorită posibilităţii de defectare a unei conexiuni;
  • complexitatea crescută a cablajului automobilului, pentru fiecare noua informaţie trimisă/recepţionată este nevoie de cabluri adiţionale.

Conexiunea electrică dintre calculatoarele unui automobil pentru protocolul CAN

Foto: Conexiunea electrică dintre calculatoarele unui automobil pentru protocolul CAN

    În prezent, datorită numărului mare de calculatoare utilizate pentru un automobil, acest mod, de a schimba informaţii, este imposibil de folosit. Pentru a îndepărta aceste inconveniente s-a trecut la multiplexare, care reprezinta de fapt transmiterea mai multor informaţii utilizînd aceleaşi fire electrice.

    Avantajele utilizării comunicaţiei multiplexate sunt evidente:

  • mai puţini senzori, cabluri şi conectori;
  • reducerea greutăţii automobilului;
  • reducerea spaţiului ocupat de partea electrică a automobilului;
  • creşterea fiabilităţii automobilului datorită reducerea numărului de componente care se pot defecta.

    În funcţie de protocolul de comunicaţie utilizat conexiunea electrică poate fi realizată cu un singur fir (protocolul LIN) sau cu două fire (protocolul CAN). Despre acestea vom discuta într-un articol viitor.

CAN, LIN, FlexRay, MOST şi Bluetooth

    Protocoalele de comunicaţie utilizate în industria automobilelor se clasifica în principal în funcţie de viteza de transmitere a datelor. SAE (Society of Automotive Engineers), societatea inginerilor de automobile, propune următoarea clasificare a sistemelor/reţelelor de comunicaţie:

Clasa Viteza Aplicaţii Exemple Protocol
A < 10 kb/sec Acţionare oglinzi, geamuri electrice LIN
B 10 ... 125 kb/sec Instrumente de bord CAN "low speed"
C 125 kb/sec ... 1 Mb/sec Management motor, transmisie, sisteme de frânare (ABS) CAN "high speed"
D > 1 Mb/sec Sisteme "X-by-wire", multimedia FlexRay, MOST

Logo protocol CAN

Foto: Logo protocol CAN (Controller Area Network)

    Începând cu mijlocul anilor 1980 Bosch a demarat dezvoltarea protocolului CAN. În prezent acest protocol este cel mai utilizat în industria automobilelor, în anul 2000 fiind comercializate aproximativ 100.000.000 de module CAN. Protocolul CAN se caracterizează prin robusteţe şi viteză de transmitere a datelor relativ mare. Este utilizat în principal pentru aplicaţii în timp real, cum ar fi managementul motorului, transmisiei şi a sistemului de frânare clasic (hidraulic).

Logo protocol LIN

Foto: Logo protocol LIN (Local Interconnect Network)

    Protocolul LIN este rezultatul colaborării dintre Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Freescale, VW şi Volvo. Scopul colaborării este de a crea un protocol simplu, ieftin, de viteza mica care sa fie utilizat la controlul sistemului de închidere centralizată, climatizare, oglinzi electrice, etc. Faţă de protocolul CAN care utilizează doua fire pentru a transmite informaţiile protocolul LIN este monofilar, utilizează doar un fir.

Logo protocol FlexRay

Foto: Logo protocol FlexRay

    Sistemele "X-by-wire" (control electronic, prin fir) cum ar fi "steer-by-wire" (sistem de directie actionat electric) sau "brake-by-wire" (sistem de frânare acţionat electric) necesită un protocol de comunicaţie stabil, tolerant la erori şi cu viteza mare de transport a informaţiilor. Răspunsul la aceste cereri l-a dat cooperarea dintre BMW, Daimler, Philips şi Freescale, având ca rezultat protocolul FlexRay. Prima implementare a protocolului FlexRay s-a făcut în 2006 pentru suspensia adaptiva a BMW-ului X5. Industrializarea protocolului s-a făcut în 2008 pe noul BMW seria 7.

Logo protocol MOST

Foto: Logo protocol MOST

    Aplicaţiile multimedia de pe automobile (GPS, DVD, comenzi vocale, etc.) necesită protocoale dedicate atât din punct de vedere al vitezei de transport a datelor cât şi din punct de vedere al suportului fizic. Protocolul MOST utilizează fibra optică pentru transportul datelor şi este rezultatul colaborării dintre Audi, BMW, Daimler, s.a.

Logo protocol Bluetooth

Foto: Logo protocol Bluetooth

    Acest protocol wireless (utilizează undele radio pentru transmiterea informaţiilor) este caracterizat prin costuri scăzute, consum mic de energie şi cu arie de acoperire între 10 şi 100 de metri. În domeniul automobilelor este utilizat pentru conectarea automobilului cu diferite terminale externe multimedia (telefoane mobile, MP3 player-e, DVD-uri portabile, etc.), calculatoare portabile cat şi cu echipamente de diagnoza auto.

    Utilizarea unui anumit protocol se face pe baza cerinţelor pe care trebuie sa le îndeplinească, cat şi pe baza costurilor aferente implementării pe automobil. Este de la sine înteles că, odată cu creşterea performanţelor (viteza de transport a datelor, toleranta la erori, etc.) creşte şi costul implementării. De obicei protocoalele FlexRay şi cele multimedia (MOST, Bluetooth) se utilizează pe automobile de clasa mare, limuzine, la care costul sistemului este relativ mic în comparaţie cu costul total al automobilului.

Viteza de transfer a datelor pentru protocoalele de comunicaţie utilizate pe automobile

Foto: Viteza de transfer a datelor pentru protocoalele de comunicaţie utilizate pe automobile

    Descrierea detaliată a fiecărui protocol se va face în articole dedicate, acest articol având scopul de a prezenta într-o manieră simplificată diversitatea protocoalelor de comunicaţie utilizate în industria automobilelor precum şi domeniul lor de utilizare.

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

Login

Logo motorul anului