Шины передачи данных. Реферат Шины передачи данных Студент группы нттк4 Кузнецов А. А. Док. Тех. Наук, Доцент,профессор
 Скачать 60.92 Kb.
|
|
Министерство образования и науки РФ Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра электроэнергетики и электротехники Дисциплина: Электрооборудование Реферат Шины передачи данных Студент группы НТТК-4 Кузнецов А.А. Руководитель: Док.Тех.Наук, Доцент,профессор Р.Н.Сафиуллин Санкт-Петербург 2018 Содержание Введение…………………………………………………………………...………3 Основы передачи данных…………………………………………………............4 К - провод (Однополосная шина данных)………………………………..............5 Технология LIN……………………………………………………………………6 Технология FlexRay……………………………………………………………….7 Технология Bluetooth……………………………………………………………...8 Технология CAN…………………………………………………………………..9 Технология MOST……………………………………………………………….12 Борьба с помехами при передаче информации………………………………...14 Список литературы………………………………………………………………15 Введение Современный автомобиль представляет собой сложный многофункциональный объект, содержащий большое число разнообразных электронных компонентов. Конструкция автомобильных агрегатов дает возможность управлять большим количеством различных входных и выходных параметров. В связи с этим автомобиль рассматривается как многопараметрический объект управления. Для организации сбора и обработки информации во время работы такого объекта требуются электронные блоки управления и большое количество всевозможных датчиков. При этом реализация управляющего воздействия по сигналам от блоков управления осуществляется специальными исполнительными механизмами. В настоящее время на автомобилях устанавливаются разнообразные электронные блоки управления в системах привода и ходовой части, в кабинах или салоне, для различных радио, коммуникационных и навигационных систем. Для передачи и обмена информацией между различными системами и, соответственно, блоками управления используются цифровые шины передачи данных, которые позволяют уменьшить общую длину применяемых на автомобиле электрических проводов, количество датчиков, а также повысить скорость и качество передаваемой информации. Основы передачи данных Требования к безопасности движения, уровню комфорта при езде, токсичности отработавших газов (ОГ) и расходу топлива постоянно возрастают. В связи с этим увеличивается необходимость все более интенсивного обмена информацией между блоками управления (БУ). На протяжении длительного времени в системах автомобилей между различными электрическими компонентами использовалось только прямое, аналоговое соединение. Сигнал, в данном случае – напряжение, направлен в БУ и непосредственно им принимается. Таким образом, датчик и приемник сигналов являются звеньями одной электронной схемы. С целью уменьшения подверженности к помехам и устранения проблем при обработке сигналов была внедрена широтно- импульсная модуляция. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. Таким образом, избегаются изменения сигнала вследствие сопротивления и помех. Значение сигнала при этом кодируется в качестве момента переключения в течение установленного, постоянно повторяющегося интервала времени. Электрический провод, присоединенный к БУ, теперь уже не должен передавать точные характеристики сигнала, а только включаться и выключаться. Чем дольше он находится под напряжением, тем выше становится передающееся значение. Виды шин данных К - провод (Однополосная шина данных) K-линия или K-шина является предшественником всех шинных систем, применяемых в европейских автомобилях. K-линия используется для диагностики и официально стандартизирована еще в 1989 году. К ее преимуществам относятся простое исполнение и возможность подключения к компьютеру. В большинстве случаев K-линия состоит только из одного электропровода. Напряжение сигнала является рабочим напряжением транспортного средства по отношению к его массе. Максимальная длина K-линии не специфицирована. K-линия предназначена исключительно для выполнения диагностических функций в двунаправленных соединениях с двумя участниками. На современных грузовых автомобилях модифицированная K-линия применяется для соединения нескольких БУ. Так как K-линия используется только в диагностических целях, надежность передачи данных здесь не так важна. Благодаря простым и давно стандартизированным техническим параметрам затраты остаются минимальными. K-линия работает по асинхронной схеме передачи данных с управлением доступом в режиме “задающий / ведомый“. Так как шина, не рассчитана на большие скорости передачи данных, прием одного сообщения при определенных обстоятельствах может длиться до 5 секунд. В 1989 году К-провод стандартизован как ISO 9141 Технология LIN Технология LIN (Local Interconnent Network) разработана совместными усилиями различных производителей автомобилей в конце 90-х годов в качестве более дешевой альтернативы к технологии Low-Speed-CAN. Технология LIN применяется везде, где не требуется ширина полосы пропускания и универсальность технологии CAN. Физически LIN структурирована как K-провод. На одном проводе уровень сигнала определяется при рабочем напряжении транспортного средства по отношению к его массе. Длина линии ограничена до 40 м. Этого достаточно для использования шины LIN внутри одного локального узла автомобиля. В отличие от K- провода технология LIN допускает соединения до 16 БУ. В шинах LIN автомобилей скорость передачи данных от 9,6 до 20 Кбит/сек. Технология LIN предназначена для использования в некритических с точки зрения безопасности системах. Для LIN существует несколько механизмов для распознавания и корректировки ошибок. Затраты на производство и эксплуатацию незначительны, что собственно и являлось целью разработки. Протокол LIN также похож на протокол K-линии. Технология FlexRay Почти одновременно с созданием низкоскоростной и дешевой технологии LIN ряд автопроизводителей осознали потребность в более скоростной (опять-таки по сравнению с CAN) технологии передачи данных. Таковой стала FlexRay, появившаяся благодаря усилиям BMW. В сентябре 2000 года компания совместно с Freescale и Philips образовали организацию FlexRay Consortium, нацеленную на продвижение одноименной технологии. FlexRay обеспечивает скорость до 10 Мбит/с, то есть в 10 раз больше, чем CAN, и может работать как по электрической (витая пара), так и по оптической среде передачи. Для повышения отказоустойчивости эта технология предполагает использование двух линий передачи. Одно из главных приложений, на которое изначально ориентировали FlexRay ее разработчики, — системы, получившие в англоязычной литературе наименование X-by-Wire (или Drive-by-Wire). Речь идет о замене механической и/или гидравлической связи между органами управления водителя (руль, педали…) и двигателем, колесами, тормозными колодками и пр. на электрическую связь. Вместо «X» в X-by-Wire можно подставить названия различных систем автомобиля, например «Brake», «Steer» или «Park», что означает соответственно управление тормозами, рулежкой или парковкой «по проводам». В настоящее время в серийных автомобилях применяются системы, где принцип X-by-Wire реализован лишь частично: это антиблокировочная система, электронный контроль устойчивости, электронное управление тягой и торможением в гибридных автомобилях, помощь при парковке. Однако переход к электронной цифровой системе управления автомобилем считается очень перспективным Технология Bluetooth Bluetooth, разработанная фирмой Ericsson, объединяет радио технологии и технологии электронных сетей. При помощи Bluetooth возможно создавать небольшую бескабельную сетевую структуру. В качестве среды-носителя используются радиоволны в нелицензированом диапазоне частот 2.4 гГц. Этот диапазон используется также в бескабельных телефонах и микроволновых печах. По этой причине технология Bluetooth очень чувствительна к помехам. В зависимости от мощности сигнала, максимальное расстояние между устройствами может составлять от 1-10, до более 100 метров. Технология Bluetooth позволяет создавать сетевые структуры, в которые могут объединяться до 260 устройств, но активными могут оставаться одновременно не более 8. Другие устройства 20 поддерживают синхронизацию и могут быть активированны по запросу. Скорость передачи данных очень высока и составляет более 700 Кбит/сек. Но такая скорость достигается только при идеальных условиях. Часто подключенные устройства создают помехи друг другу и скорость передачи по Bluetooth сильно уменьшается. По причине чувствительности к помехам технологию Bluetooth нельзя рассматривать как высоконадежную технологию. Однако различные устройства легко подключаются к этой системе передачи данных. Для технологии Bluetooth используются готовые микрокристаллические модули, позволяющие простое применение. Технология CAN Сокращение ”CAN” означает Controller Area Network. Технология CAN была разработана фирмой Bosch во второй половине 80-х годов для надежной передачи данных измерений, управления и контроля. В 1991 г. система CAN впервые применена в качестве шины передачи данных класса C в транспортных средствах и с того времени хорошо себя зарекомендовала. Стандарт CAN описан в норме ISO 11898. В системе CAN используется витая двухпроводная линия. Уровень сигнала представляет собой разность напряжений между проводами. Благодаря этому CAN не так сильно подвержена помехам и не создает помехи для других БУ. При низких скоростях передачи в случае разрыва одного провода шина может функционировать даже с одним проводом. Длина проводки зависит от скорости передачи данных. При этом главную роль играет время распространения сигнала. (При 1 Мбит/сек длина CAN-шины может достигать 40 метров, а при 10 Кбит/сек длина теоретически может достигать более 1 км.) Так как управление доступом происходит на уровне сообщения, количество БУ, в принципе, не ограничено. В практике все же существуют ограничения в соответствии с исполнением приемопередатчиков. Как и в случае с напряжением сигнала, скорости передачи данных в системе CAN не предписаны. В электронных системах автомобилей используются шины CAN с низкой и высокой скоростью (Lowspeed-/Highspeed-CAN). Скорость передачи данных Lowspeed составляет до 125 Кбит/сек, Highspeed-CAN - более 125 Кбит/с. Применяются различные механизмы предотвращения, распознавания и корректирования ошибок. С их помощью БУ могут предупреждать об ошибочных сообщениях или отключаться при установлении ошибки во время передачи данных. Поэтому технология CAN считается самой надежной технологией. Благодаря простым и давно стандартизированным техническим параметрам затраты на производство и эксплуатацию этих шин являются минимальными. Поэтому в настоящее время CAN применяется даже в качестве диагностических шин. Технология CAN функционирует синхронно. Управление доступом осуществляется при помощи арбитража на уровне сообщений. Каждое возможное сообщение в системе имеет однозначный код опознавания, первый бит которого получает приоритетный статус. Если два устройства передают данные одновременно, первоочередность передачи автоматически переходит к приоритетному сообщению. Элементы привода автомобиля составляют единую систему, куда входят: блок 1 управления двигателем; блок 2 управления АКП; блок 3 управления системами ходовой части.   Рис 2 Варианты соединения блоков управления в единую сеть: а – узловой пункт находится за пределами БУ; б – узловой пункт находится в БУ двигателем; 1 – БУ тормозной системой; 2 – БУ АКП; 3 – БУ двигателем; 4 – узловой пункт При этом возможны варианты соединения БУ между собой в единую сеть (рис. 2). Так, узловой пункт находится, как правило, за пределами БУ, в жгуте проводов (рис. 2, а). В исключительных случаях узловой пункт может находиться внутри БУ двигателем рис. 2, б. Комфортные элементы также составляют единую систему, включающую в себя центральный блок 4 (рис. 1) управления и блоки 5 управления в дверях. При обмене информацией с помощью CAN-шины все данные передаются по двум двунаправленным проводам (проводящим сообщения в обе стороны), независимо от количества данных и БУ. В этом случае передача данных происходит аналогично телефонной «конференц-связи», где один участник (блок управления) «говорит» свои данные в проводящую сеть, в то время как остальные участники «слушают» эти данные. Одни участники находят эти данные интересными для себя и будут их использовать, другие - нет. Чем больше информации о состоянии всей системы содержится в БУ, тем лучше он может согласовывать отдельные функции системы. Таким образом, шина передачи данных имеет следующие преимущества: если протокол данных предполагается расширить за счет дополнительной информации, то не требуется вносить изменения в программное обеспечение; низкая квота ошибок в результате постоянной перепроверки информации, передаваемой через БУ; меньшее количество датчиков и проводов благодаря возможности многократного использования одного сигнала; между БУ возможна очень быстрая передача данных; экономия места за счет уменьшения размеров БУ и разъемов для подключения БУ; CAN-шина принята к использованию во всем мире, поэтому через нее может происходить обмен данными между БУ, изготовленными различными производителями. Коммуникацию между БУ обеспечивают так называемые приемопередатчики, соединяющие их с шиной. Они интегрированы в БУ, но представляют собой самостоятельные компоненты, посылающие и принимающие данные. Технология MOST Шины MOST (Media Oriented Systems Transport) используются в настоящее время на автомобилях для передачи данных между такими системами как радиоприемник, CD-плеер, телефон, навигационные системы и бортовое телевидение. Такие шины позволяют передавать большой объем информации. Технология MOST впервые разработана компанией Oasis Silicon Systems, позже – основанной в 1998 году организацией MOST-Cooperation, которая стандартизировала ее в сфере создания мультимедийных сетевых структур в транспортных средствах. В технологии MOST используются оптоволокно. Они допускают экстремально высокие скорости передачи данных при абсолютной невосприимчивости к электромагнитным помехам. Длина линии не специфицирована. Максимально возможно подключить до 64 различных мультимедийных компонентов, которые соединены, как правило, в виде кольца. Надежность передачи данных в шинах MOST не является основной, так как эта технология разработана для некритических с точки зрения безопасности систем. Однако кольцевая структура, в которой соединены оптоволокно, влечет за собой опасность рассоединения цепи в случае выхода из строя одного из компонентов. Технология MOST является относительно дорогой технологией. Но ввиду применения главным образом в системах обеспечения комфорта автомобилей представительского класса, затраты оправдывают себя. В каждом приборе принятые световые сигналы преобразуются в электрические, обрабатываются МОST-процессором и снова преобразуются в световые с помощью светодиода. Скорость передачи данных равна 24,8 Мбит/с. На основании опытных испытаний было установлено, что система должна обладать следующими свойствами: система должна иметь центральные системные часы, которые обеспечивают тактирование шины; должна быть предусмотрена возможность модернизации системы (plug and play), то есть подключение нового или исключение одного из имеющихся приборов; должны быть MOST-спецификаторы, которые компенсируют небольшие различия сигналов между узлами системы; каждый прибор имеет доступ к шине в любое время. Для обеспечения высокой надежности оптические разъемы должны удовлетворять требованиям, которые предъявляются к электрическим разъемам: фиксация проводов в разъемах должна выдерживать максимальную силу на разъединение 60 Н без повреждения. допустимый температурный диапазон должен быть от –40 до +85 °С при влажности воздуха 95%. разъемы должны выдерживать заданные климатические, вибрационные и шоковые нагрузки. Кроме того, для оптических систем обязательным является требование, чтобы потребляемая мощность была равна разности мощности передатчика и чувствительности приемника. В процессе эксплуатации могут возникать царапины на оптической поверхности, появляться пленки вследствие воздействия дыма сигарет и выхода газа из пластмасс, а также появляться наслоения пыли и т.д. Поэтому у передатчиков должны быть предусмотрены регулиров ки для компенсации воздействия отрицательных факторов. Первым, наиболее сложным элементом MOST-системы является MOST-процессор и программное обеспечение к нему. Вторым элементом является шина данных. При разработке требований к шине следует учитывать большое отличие соединяемых элементов друг от друга. Третьим элементом MOST-системы является система связи. Она включает привязку волоконно-оптического передатчика (FOT) к MOST-процессору, привязку световода к FOT и разъемы в каждом приборе, муфты и сами световодные провода. Основные элементы системы связи MOST-системы показаны на рис.3. Для привязки приборов к световодным линиям Tyco Electronics AMP разрабатывает изделия, которые предусматривают возможность вставки новых элементов. Имеются разъемы для одной и двух световодных линий, которые вследствие их специальной формы обозначаются Pigtail (рис.4). Основанием для разделения оптических разъемов от элементов подключения с электрооптическими преобразователями послужила возможность более эффективной защиты от электромагнитных воздействий, взаимозаменяемость передающих и приемных элементов и более эффективная защита оптической поверхности. Для особых случаев имеются в продаже интегральные элементы Pigtail, которые согласованы с действующими приборами. Они компактны и взаимозаменяемы. Передающие и приемные элементы функциональных модулей MOST-системы состоят из микросхемы CMOS и одного высокоскоростного pin-диода. Скорость передачи этих элементов может достигать 25 Мбит/c. Борьба с помехами при передаче информации Источниками помех в автомобиле становятся детали, при работе которых возникает искровой разряд, т.е. происходит размыкание или замыкание электрической цепи. Другими источниками помех могут становиться, например, мобильные телефоны и передающие радиостанции, т.е. все, что излучает электромагнитные волны. Эти волны могут оказывать влияние на передачу данных или искажать их. Чтобы ослабить действие помех на передачу данных, два провода передачи данных CAN-шины скручиваются между собой. Таким образом, устраняется возможность излучения помех также и от самих проводов передачи данных. На обоих проводах создается соответственно противоположное напряжение: если на одном из проводов передачи данных напряжение около 0 В, то на другом проводе – около 5 В, и наоборот. Благодаря этому сумма напряжений в любой момент остается постоянной, и эффект электромагнитного поля на обоих проводах взаимно уничтожается. При этом провод передачи данных защищен от наружных помех и сам не является источником помех. Список литературы http://lib.madi.ru/fel/fel1/fel09E043.pdf http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03_01/stat_52.htm https://ledjournal.info/spravochnik/shirotno-impulsnaya-modulyaciya.html http://dop-center.ru/stati/chto-takoe-can-shina-avtomobilya/ https://www.osp.ru/lan/2014/02/13039887#&gid=1&pid=2 Диагностика систем шины LIN осуществляется через адресное слово задающего блока управления LIN-Master. Передача диагностических данных от исполнительного блока управления LIN-Slave к задающему блоку управления LIN-Master происходит по шине LIN. |