DIPLOMOVÁ PRÁCA - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/664.pdf · Diplomová práca sa zaoberá rieãením informaþnej siete motorového vozidla a jej aplikácií pre komunikáciu inteligentných

Informa ná sie vozidla

DIPLOMOVÁ PRÁCA

ANDREJ KA OVSKÝ

ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINEElektrotechnická fakultaKatedra telekomunikácií

tudijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD

Stupe kvalifikácie: in inier (Ing.)Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

ILINA 2006

Abstrakt

Diplomová práca sa zaoberá rie ením informa nej siete motorového vozidla a jej

aplikácií pre komunikáciu inteligentných senzorov s centrálnym palubným po íta om za

elom monitorovania stavu nákladu, vozidla a posádky. V úvodnej asti analyzuje

v sú asnosti najpou ívanej ie automobilové zbernice. alej sa venuje výberu

najvhodnej ej zbernice pre prepojenie senzorov. Problematike senzorov, ich vlastnos ami

a truktúrou inteligentných senzorov je venovaná samostatná kapitola. Nasleduje návrh

a rie enie senzorových jednotiek, centrálneho napájacieho zdroja senzorovej siete

a identifikácie a kontroly posádky. V závere je rozobratá problematika návrhu protokolu

aplika nej vrstvy a návrhu firmvéru pre senzorové jednotky. Konkrétne rie enia

obvodového zapojenia senzorových jednotiek ako aj vývojové diagramy firmvéru sú

uvedené v prílohovej asti.

Abstract

Diploma theses deals with the road vehicles information networks and application

of communication between the smart sensors and a central on-board computer in purpose

of monitoring the condition of load, vehicle and a crew. The recital of the theses analyses

the most frequent automotive buses in present. It also deals with the choice of the most

suitable buses for sensors connection. There is a special chapter which is aimed to the

question of sensors, especially of characteristics and the structure of smart sensors. The

following chapter includes the pre-design as well as the solution of sensors units, central

power supply unit of sensors networks and the identification and the control of the crew.

The conclusion contains the question of the protocol pre-design of the application layer

and the firmware pre-design for sensors units. There are concrete solutions of the sensors

units circuit schemes as well as the firmwares developed diagram in the appendix.

ilinská univerzita v iline, Elektrotechnická fakulta,

Katedra telekomunikácií________________________________________________________________________

ANOTA NÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko, meno: Ka ovský Andrej kolský rok: 2005/2006

Názov práce: Informa ná sie vozidla

Po et strán: 64 Po et obrázkov: 41 Po et tabuliek:

15

Po et grafov: 0 Po et príloh: 7 Pou itá lit.: 37

Anotácia v slovenskom jazyku: Diplomová práca rie i problematiku návrhu senzorovej

komunika nej siete cestných vozidiel. Zaoberá sa analýzou pou ívaných automobilových

zberníc, vlastnos ami senzorov, ich parametrami a mo nos ami pripojenia k navrhnutej

komunika nej sieti. Jadrom práce je rie enie obvodového zapojenia senzorových

jednotiek, spôsob ich komunikácie s centrálnym palubním po íta om a návrh rie enia

protokolu aplika nej vrstvy senzorovej siete.

Anotácia v anglickom jazyku: Diploma theses solves the questions about the project of

road vehicles sensor-based communication networks. It deals with analysis of using

automotive communication buses, characters of sensors, sensors properties and

connection methods of designing the communication networks. The theses is aimed on

solving the circuit connection methods of sensors units, possibilities of communication

between the sensor-based units and the central on-board computer and predesign of

sensor-based networks application layer protocol.

ové slová: Zbernica, CAN, senzor, cestné vozidlá, preprava nebezpe ných vecí,

Vedúci práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD

Recenzent práce: Dr. Ing. Peter Vestenický

Dátum odovzdania práce: 19. 5. 2006

Obsah

1. Úvod ..................................................................................................................... 1

2. Analýza zbernicového systému motorového vozidla a výber vhodnej

komunika nej zbernice na pripojenie senzoro .................................................... 3

2.1. Triedenie automobilových zberníc ................................................................... 3

2.2. Preh ad a popis automobilových zberníc.......................................................... 4

2.2.1. Zbernica MOST .................................................................................... 4

2.2.2. Zbernica OBD2 ..................................................................................... 5

2.2.3. Zbernica SAE J1850.............................................................................. 6

2.2.4. Zbernica IE Bus .................................................................................... 7

2.2.5. Zbernica LIN......................................................................................... 9

2.2.6. Zbernica MI ........................................................................................ 11

2.2.7. Zbernica BYTEFLIGHT ..................................................................... 13

2.2.8. Zbernica CAN-BUS ............................................................................ 19

2.3. Porovnanie základných vlastností automobilových zberníc ............................ 23

2.4. Výber vhodnej senzorovej zbernice................................................................ 23

3. Senzory ................................................................................................................ 25

3.1. Definícia senzora ........................................................................................... 25

3.2. Základné rozdelenie senzorov........................................................................ 25

3.3. Merací re azec............................................................................................... 26

3.4. Inteligencia senzorov ..................................................................................... 27

3.4.1. Inteligentný senzor .............................................................................. 27

3.4.2. Rozdelenie senzorov pod a inteligencie............................................... 29

3.5. Automatizované spracovávanie dát v senzorovej technike.............................. 30

3.6. Technické parametre senzorov....................................................................... 31

3.7. Preh ad a rozdelenie senzorov vhodných na pou itie v cestných vozidlách .... 32

3.7.1. Senzory monitorujúce stav vozidla ...................................................... 33

3.7.2. Senzory monitorujúce náklad .............................................................. 34

3.7.3. Senzory pre identifikáciu a kontrolu stavu posádky ............................. 35

4. Definovanie rozhrania medzi senzorom a zbernicou......................................... 39

4.1. Inteligentný senzorový modul........................................................................ 39

4.2. Návrh inteligentného senzorového modulu pre zbernicu CAN Bus ................ 39

5. Výber predspracujúceho procesora, CAN transceivera a detailný návrh

obvodov senzora.................................................................................................. 42

5.1. Kritériá výberu .............................................................................................. 42

5.2. Výber procesora pre inteligentný senzorový modul........................................ 42

5.3. Výber CAN transceivera................................................................................ 44

5.4. Detailný návrh obvodov senzora .................................................................... 45

5.5. Popis rie enia senzorovej jednotky................................................................. 47

5.6. Návrh centrálneho napájacieho zdroja senzorových jednotiek ........................ 48

5.6.1. Rie enie centrálneho napájacieho zdroja.............................................. 48

5.7. Výber káblov, konktorov a ich zapojenie ....................................................... 50

6. Návrh truktúry komunika nej vety ................................................................. 52

6.1. CANopen ...................................................................................................... 52

6.1.1. Identifikátory protokolu CANopen ...................................................... 53

6.1.2. Identifikátor zariadenia........................................................................ 56

6.1.3. Objekty sie ových slu ieb (NMT Objects) .......................................... 56

6.1.4. Objekt zabezpe enia prevádzky (Node/Life Guarding Object)............. 58

6.1.5. Objekt synchronizácie (SYNC Object) ................................................ 58

6.1.6. Objekt asová zna ka (Time Stamp Object)......................................... 59

6.1.7. Núdzový objekt (Emergency Object)................................................... 59

6.1.8. Objekty PDO....................................................................................... 60

6.1.9. Objekty SDO....................................................................................... 60

6.2. Návrh protokolu aplika nej vrstvy senzorovej siete........................................ 61

6.3. Programové vybavenie procesora senzorovej jednotky................................... 62

6.3.1. obecná truktúra firmvéru ............................................................... 62

6.3.2. Inicializácia ......................................................................................... 62

6.3.3. Automatický test funk nosti ................................................................ 63

7. Záver ................................................................................................................... 64

Zoznam pou itej literatúry ...................................................................................... 65

Zoznam obrázkov

Obrázok 2.1: Prepojenie zariadení MOST zbernicou .................................................... 4

Obrázok 2.2: Dátový rámec protokolu SAE J1850........................................................ 7

Obrázok 2.3: Elektrické prepojenie zbernice IE Bus ..................................................... 8

Obrázok 2.4: Transportný rámec protokolu zbernice IE Bus ......................................... 8

Obrázok 2.5: Rámec Master zbernice LIN .................................................................. 10

Obrázok 2.6: Rámec Slave zbernice LIN .................................................................... 10

Obrázok 2.7: Bloková schéma zbernice MI................................................................. 11

Obrázok 2.8: Rámec push riadiacej jednotky .............................................................. 11

Obrázok 2.9: Rámec pull podriadeného zariadenia ..................................................... 11

Obrázok 2.10: Pripojenie mikroprocesora na zbernicu MI .......................................... 12

Obrázok 2.11: Flexibilný asovo delený viacnásobný prístup (FTDMA) .................... 15

Obrázok 2.12: Po ítadlá synchronizovaných slotov .................................................... 16

Obrázok 2.13: Synchrónny a asynchrónny prenos....................................................... 17

Obrázok 2.14: Formát správy zbernice Byteflight ....................................................... 18

Obrázok 2.15: Komunikácia na zbernici CAN ............................................................ 20

Obrázok 2.16: Bloková schéma ECAN modulu .......................................................... 22

Obrázok 3.1: Bloková schéma meracieho re azca so senzorom................................... 26

Obrázok 3.2: Inteligentný senzor ................................................................................ 27

Obrázok 3.3: Logická truktúra inteligencie senzora pod a integrovaných funk ných

blokov ........................................................................................................................ 29

Obrázok 3.4: Centralizovaný systém pripojenia senzorov a merací re azec................. 30

Obrázok 3.5: Decentralizovaná truktúra s distribuovanou inteligenciou..................... 30

Obrázok 3.6: Základné funkcie realizované pou itím senzorov pôvodnej senzorovej

siete............................................................................................................................ 33

Obrázok 3.7: Senzor tlaku a teploty pneumatík SMD 400........................................... 34

Obrázok 3.8: PRETEC i-Disk Touch .......................................................................... 36

Obrázok 3.9: APC Biometric Password Manager........................................................ 37

Obrázok 3.10: Prístroj na meranie srdcového tepu Garmin Forerunner 301................. 38

Obrázok 3.11: Prenos údajov medzi Forerunner 301 a PC .......................................... 39

Obrázok 4.1: Inteligentný senzorový modul zbernice CAN Bus.................................. 40

Obrázok 4.2: Bloková schéma senzorovej jednotky .................................................... 41

Obrázok 5.1: Bloková schéma senzorovej jednotky s procesorom PIC18F2580 .......... 46

Obrázok 5.2: Spôsob automatickej detekcie po kodenia senzora................................. 47

Obrázok 5.3: Bloková schéma centrálneho napájacieho zdroja ................................... 50

Obrázok 5.4: Kabelá zbernice CAN .......................................................................... 51

Obrázok 6.1: Identifikátor komunika ných objektov protokolu CANopen .................. 56

Obrázok 6.2: Riadiaci objekt sie ových slu ieb .......................................................... 56

Obrázok 6.3: Objekt zabezpe enia prevádzky............................................................. 58

Obrázok 6.4: Formát asovej zna ky .......................................................................... 59

Obrázok 6.5: Formát objektu Emergency.................................................................... 59

Obrázok 6.6: Formát objektu PDO ............................................................................. 60

Obrázok 6.7: Formát prvého segmentu objektu SDO .................................................. 60

Obrázok 6.8: Formát druhého a al ích segmentov objektu SDO ............................... 60

Zoznam tabuliek

Tabu ka 2.1: Transportný rámec protokolu IE Bus ....................................................... 9

Tabu ka 2.2: Rámec Master zbernice LIN .................................................................. 10

Tabu ka 2.3: Rámec Slave zbernice LIN .................................................................... 10

Tabu ka 2.4: Polia rámca Push ................................................................................... 12

Tabu ka 2.5: Polia rámca Pull .................................................................................... 12

Tabu ka 2.6: Porovnanie zberníc CAN-Bus a Byteflight............................................. 18

Tabu ka 2.7: Porovnanie automobilových zberníc ...................................................... 23

Tabu ka 5.1: Charakteristické parametre procesora PIC18F2580................................ 43

Tabu ka 5.2: Porovnanie po iadaviek normy ISO 11898 s parametrami MCP2551 .... 45

Tabu ka 6.1: Zoznam povinných objektov s identifikátormi protokolu CANopen....... 54

Tabu ka 6.2: Slovník objektov ................................................................................... 55

Tabu ka 6.3: pecifikátor príkazu riadiacich slu ieb NMT ......................................... 57

Tabu ka 6.4: Stav zariadenia ...................................................................................... 58

Tabu ka 6.5: Bitová mapa chybového hlásenia z chybového registra (0x1001)........... 59

Tabu ka 6.6: Objekty komunika ného protokolu senzorovej siete .............................. 61

Zoznam pou itých skratiek

Skratky Anglický význam Slovenský význam

ADR European Agreement concerning

the International Carriage of

Dangerous Goods by Road

Európska dohoda o medzinárodnej

cestnej preprave nebezpe ných

vecí

A/D Analog to Digital converter Analógovo digitálny prevodník

CAN Bus Controller Area Network –

Bitserielle Universelle

Schnittstelle

Sériový komunika ný protokol pre

automobilové zbernice vyvinutý

firmou Robert Bosch

CD Compact Disk Kompaktný disk

CiA CAN in Automation Organizácia pre podporu

a tandardizáciu zbernice CAN v

automatizácií

COB-ID Communication Object ID Identifikátor komunika ného

objektu protokolu CANopen

CPU Central Processor Unit Centrálna procesorová jenotka

CRC, CRCH Cyclic Redundancy Check Cyklický redundantný sú et

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Viacnásobný náhodný prístup na

prenosové médium s kolíznou

detekciou

CSMA/CR Carrier Sense Multiple Access

with Collision Resolution

Viacnásobný náhodný prístup na

prenosové médium s rozlí ením

kolízií

DVD Digital Video Disk Disk digitálneho videa

ECAN Enhanced Controller Area

Network

Roz írenie protokolu zbernice

CAN

EDS Electronic Data Sheet pecilny súbor elektronických dát

protokolu CANopen

EEPROM Electric Erasable Programmable

Read-Only Memory

Elektricky zmazate ná

programovate ná pamä typu „iba

na ítanie“

EO Electronic circuit Elektronický obvod

EOF End of Frame Koniec rámca

FIFO First In First Out Pamät typu posuvný register

FTDMA Flexibile Time Division Multiple

Access

Flexibilný asovo delený

viacnásobný prístup na prenosové

médium

GPS Global Position System Globálny lokaliza ný systém

GSM Global System for Mobile

communication

Globálny systém mobilnej

komunkácie

HIQ High Intelligency Sensor Senzor s vysokou inteligenciou

HLP Higher Layer Protocol Protokol vy ích vrstiev

I2C Inter-Integrated Circuit Zbernica pre komunikáciu

integrovaných obvodov

ICD In Circuit Debug Technika programovania a ladenia

aplikácie procesora pomocou

dvoch pinov

ID Identifier Identifikátor

IE Bus Inter Equipment Bus Zbernica pre prepojenie zariadení

ISM Intelligent Sensor Module Inteligentný senzorový modul

ISO International Standards

Organization

Organizácia pre medzinárodnú

tandardizáciu

LIN Local Interconnect Network Lokálna prepojovacia sie

LIQ Low Intelligency Sensor Senzor s nízkou inteligenciou

MI Motorola Interconnect Automobilová zbernica vyvinutá

firmou Motorola

MOST Media Oriented Systems Transport Mulimediálna automobilová

zbernica

MP Mikroprocessor Mikroprocesor

MX Multiplexor Multiplexor

NIQ Non Intelligency Sensor Senzor bez inteligencie

NMT Network Managment Sie ový mana ment

NRZ Non Return to Zero Bez návratu k nule

OBD2 On-Board Diagnostics 2 Palubná diagnostika verzia 2

PDO Process Data Objects Objekt procesných dát

PWM Pulse Width Modulation Impulzná írková modulácia

R Interface Rozhranie

RAM Random Access Memory Pamä s náhodným prístupom

SAE Society of Automotive Engineers Spolo nos automobilových

in inierov

SDO Service Data Objects Objekt servisných dát

SOF Start of Frame Za iatok rámca

SPI Serial Peripheral Interface Sériové rozhranie pre

komunikáciu vonkaj ích zariadení

STP Shielded Twisted Pair Tienený krútený pár vodi ov

U Unification Unifikácia

UART Universal Asynchronous Reciever

Transmitter

tandard pre asynchrónny prenos

dát

USB Universal Serial Bus Univerzálna sériová zbernica

U.S. EPA United States Environmental

Protection Agency

Americká agentúra pre kontrolu

emisií motorových vozidiel

UTP Unshielded Twisted Pair Netienený krútený pár vodi ov

VPW Variabile Pulse Width Variabilná írka impulzov

XML Extensible Markup Language Pred ite ný jazyk so zna kami

ilinská univerzita v iline Diplomová prácaKatedra telekomunikácií––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

________________________________________________________________________

1

1 Úvod

Po iadavky na odolnos elektroniky v automobile sa dajú prirovna

k najnáro nej ím po iadavkám na elektroniku do zbra ových systémov (napr. teplotné

po iadavky na spo ahlivú funkciu elektronických systémov v automobiloch sú od -40°C

125°C). Na základe po iadaviek na odolnos a spo ahlivos je riadiaca elektronika

v automobile rie ená vo vä ine prípadov ako decentralizovaná architektúra, teda

nieko ko riadiacich jednotiek poprepájaných zbernicou. Po vyradení jedného uzla,

modulu alebo komunika nej vetvy tak nemusí dôjs k znefunk neniu celého systému.

Ka dý elektronický systém v automobile má svoju vlastnú riadiacu jednotku a taktie aj

senzory, sníma e a ak né leny. Decentralizácia na jednej strane zvy uje spo ahlivos

systému, no na druhej strane pochody kontrolované a ovládané jednotlivými riadiacimi

jednotkami musia by vzájomne synchronizované. Samozrejme je mo né riadiace

jednotky poprepája samostatnými vedeniami, ale tým sa stráca preh adnos

a jednoduchos , pri om obidve tieto vlastnosti sú k om k spo ahlivosti

a k jednoduchému servisu. Pre výmenu údajov medzi jednotlivými riadiacimi jednotkami

sa preto pou íva jednoduchý systém zberníc, aby elektronická a elektrická as vozidla

zostala preh adná, spo ahlivá a nenáro ná na údr bu. V sú asnosti sa vo vozidlách

pou íva viacero tandardou zberníc, ktoré sa vzájomne lí ia nie len topológiou,

prenosovým médiom a fyzickou vrstvou ale hlavne protokolmi vy ích vrstiev, z oho

vyplýva ich vzájomná nekompatibilita a vzájomná nezamenite nos modulov. Tento stav

nastal v dôsledku toho, e viacero ve kých svetových výrobcov automobilov sa sna ilo

vyvinú vlastný zbernicový systém pre svoje vozidlá. I ke s postupom asu a v dôsledku

fúzie viacerých automobiliek do jedného koncernu (napr. Buggati, Audi, Seat patria

koncernu Wolkswagen) sa po et pou ívaných zbernicových systémov vykry talizoval do

nieko kých tandardov, stále sa objavujú nové, ktoré sú vyvíjané za ú elom zvý enia

spo ahlivosti, prenosovej rýchlosti a vo vä ine prípadov ponúkajú aj nové mo nosti.

Preto sa v moderných vozidlách v sú asnosti za íname stretáva s multimediálnymi

zbernicami, ktorých úlohou je prepoji multimediálne zariadenia ( prehráva e DVD, CD,

rádio prijíma , palubný po íta , pozi né zariadenie GPS, bezdrôtový telefón a pod.)

a zvý tak komfort posádky.


________________________________________________________________________

2

Medzi pi ku v oblasti multimediálnych zberníc pre automobily patrí zbernica MOST

(Media Oriented Systems Transport) vyvinutá firmou MOST Cooperation z Nemecka.

Takýto typ zberníc nájde uplatnenie najmä v luxusných osobných automobiloch, av ak

pre ú el prepojenia senzorov je nepou ite ná.

Iným typom novo vyvinutých zberníc je zbernica FlexRay , ktorú v júni 2004 predstavilo

FlexRay Consortium, ktorého lenmi sú automobilky BMW, DaimlerChrysler, General

Motors, Wolkswagen a pi kové firmy z oblasti elektrotechniky a automatizácie ako

Robert Bosch, Philips, Freescale Halbleiter. Medzi hlavné rty zbernice FlexRay patrí jej

vysoká prenosová rýchlos (a 10 Mb/s) a schopnos pracova v synchrónnom aj

asynchrónnom re ime. Zbernicový systém FlexRay sa v sú asnosti pou íva

v automobiloch BMW rady 7.

alej nesmieme zabúda na priemyselné zbernice, ktoré nie sú implicitne ur ené

pre pou itie v cestných vozidlách, ale ich vlastnosti toto pou itie vôbec

nevylu ujú.(Industrial Ethernet, ProfiBus a pod.)

Dne ný trend v oblasti automobilovej elektroniky a elektrotechniky je nárast

elektronických systémov, nárast stup a decentralizácie a tie nárast potreby vzájomnej

komunikácie elektronických systémov vo vozidle. Tým sa za ínajú objavova problémy

s prudkým nárastom vodi ov a káblov, nárast variácií káblových zväzkov pod a stup a

výbavy vozidla a tie vysoká cena v prípade modifikácie týchto zväzkov.

Pri rie ení týchto problémov sa za alo vá ne uva ova o pou ití bezdrôtových technológií

v zbernicových systémoch vozidiel a za ali sa skúma mo nosti pou itia u jestvujúcich

bezdrôtových tandardov pre automobily. V tejto oblasti sa do popredia záujmu

svetových automobiliek dostáva technológia Bluetooth a to nie len ako náhrada za

metalické i optické zbernice cez ktoré spolu komunikujú elektronické moduly v rámci

vozidla, ale otvára aj nové mo nosti komunikácie medzi vozidlami navzájom. Tieto

trendy smerujú ku zvý eniu bezpe nosti na cestách, preto e vozidlo sa stáva nosite om

informácií, ktoré je schopné v prípade havárie alebo výnimo nej situácie na ceste

(zápche, obchádzke a pod.) automaticky predáva iným vozidlá alebo dispe ingu.


________________________________________________________________________

3

2 Analýza zbernicového systému vozidla a výber vhodnej

komunika nej zbernice na pripojenie senzorov

2.1 Triedenie automobilových zberníc

Automobilové zbernice triedime pod a iestich kritérií: Trieda A, trieda B, trieda

C, emisie/diagnostika, mobilné médiá a X-by-wire.

1. Trieda A: Do tejto triedy patria multiplexné káblové systémy, ktoré redukujú

po et vodi ov potrebných na komunikáciu tým, e pou ívajú to isté prenosové

médium na vysielanie aj príjem pomocou multiplexovania signálov. Takéto

zbernice nahrádzajú individuálne vodi e vykonávajúce tú istú funkciu. V podstate

trieda A v eobecne definuje spôsob UART (Universal Asynchronous Reciever

Transmitter) komunikácie s bitovou rýchlos ou pod 10 kb/s.

2. Trieda B: Do tejto triedy patria multiplexné káblové systémy, ktoré vysielajú dáta

medzi uzlami. Uzly nahrádzajú existujúce moduly, ktoré sa komunikácie

nezú ast ujú. Do triedy B sa zara ujú menej spo ahlivé (non-critical) zbernice

s prenosovými rýchlos ami od 10 kb/s do 125 kb/s.

3. Trieda C: Do tejto triedy patria multiplexné káblové systémy, ktoré redukujú

po et vodi ov potrebných na komunikáciu tým, e pou ívajú vysokorýchlostný

prenos dát v reálnom ase. Pracujú s prenosovými rýchlos ami od 125 kb/s

do 1 Mb/s.

4. Emisie a diagnostika: Táto trieda v sebe zah a zbernice pre kontrolu a riadenie

emisií a zbernice pre diagnostiku.

5. Mobilné médiá: Do tejto triedy patria multimediálne a komfortné zbernice, cez

ktoré navzájom komunikujú rôzne multimediálne zariadenia.(GPS, rádio,

DVD/CD prehráva e bezdrôtové telefóny, prenosné po íta e a pod.).

6. X-by-wire: Je to súhrnný termín pre pridávanie elektronických systémov do

vozidiel za ú elom nahradi a zlep úlohy, ktoré boli predtým plnené pomocou

mechanických a hydraulických systémov.


________________________________________________________________________

4

2.2 Preh ad a popis automobilových zberníc

V kapitole 2.2 sú popísané najpou ívanej ie automobilové zbernice, ich vlastnosti

základné parametre a mo nosti ich pou itia.

2.2.1 ZBERNICA MOST

MOST (Media Oriented Systems Transport) je vysoko rýchlostná multimediálna

zbernica optimalizovaná pre pou itie v automobiloch, ktorá ako prenosové médium

pou íva plastové optické vlákno. Ide o zbernicu typu bod-bod a jej sie ová topológia je

realizovaná ako kruh. Definície pre fyzickú vrstvu (elektrické a optické parametre),

aplika nú vrstvu, sie ovú vrstvu a riadenie prístupu na médium sú uvedené v pecifikácií

MOST Bus specification. Zbernica MOST poskytuje lacné optické rie enie na realizáciu

multimediálnej siete vozidla. Ako je vidie na obrázku 2.1, na zbernicu MOST mô u by

pripojené nízko inteligentné zariadenia ako napr. mikrofón i aktívne reproduktory, ale aj

inteligentné digitálne zariadenia ako digitálny rádio prijíma , GPS navigácia, interaktívny

zabezpe ovací systém a pod. MOST zariadenia sú navzájom zapojené do kruhu, a to tak,

e optický výstup jedného je pripojený pomocou optického vlákna do optického vstupu

al ieho. Dáta sú cez optické vlákno prená ané pomocou dátových rámcov. Prenos mô e

by synchrónny aj asynchrónny, pod a toho, aké zariadenia spolu komunikujú.

Obr. 2.1 Prepojenie zariadení MOST zbernicou

Zbernicu MOST vyvinulo zdru enie MOST Cooperation, ktorého lenmi je 20 svetových

výrobcov automobilov (Audi, BMW, DaimlerChrysler a iní) a viac ako 50 dodávate ov

automobilových komponentov.


________________________________________________________________________

5

2.2.2 ZBERNICA OBD2

OBD2 (On-Board Diagnostics 2) je zbernica pre kontrolu a riadenie emisií

a diagnostiku. Definuje komunika ný protokol a tandardný konektor pre

zhroma ovanie dát z automobilov. Bol vyvinutý pre pomoc pri kontrole a monitorovaní

emisií kodlivín motorových vozidiel. Jeho vývoj bol vy iadaný Americkou tátnou

organizáciou pre kontrolu emisií motorových vozidiel (U.S. EPA) a musí by pou itý vo

etkých osobných automobiloch a ahkých nákladných automobiloch vyrobených alebo

predávaných po roku 1996 v USA. Ka dé takéto vozidlo musí by vybavené kontrolkou

na prístrojovej doske (malfunction indicator lamp), ktorá signalizuje nesprávnu funkciu

motora a zvý enú produkciu kodlivín.

Na OBD2 konektor mô e by pripájané diagnostické zariadenie, komunikujúce

pod a tandardu spolo nosti automobilových in inierov SAE (Society of Automotive

Engineers) J1979. OBD2 tandard umo uje komunikáciu jedného diagnostického

zariadenia z viacerými typmi automobilových zberníc a to tak, e pod a typu zbernice

vozidla je táto zbernica pripojená na ur ené kontakty tandardného OBD2 konektora. Po

zasunutí diagnostického zariadenia do OBD2 konektora zariadenie automaticky zistí

o akú zbernicu ide.

Jednovodi ová zbernica J1850 VPW pou ívaná vo vozidlách GM (General Motors)

pou íva kontakty 2, 4, 5 a 16 OBD2 konektora.

Dvojvodi ová zbernica J1850 PWM pou ívaná vo vozidlách Ford vyu íva kontakty 2, 4,

5 a 10 OBD2 konektora.

Jednovodi ová zbernica (ISO 9141-2) po ívaná v automobiloch Chrysler vyu íva

kontakty 4, 5, 7, 15 a 16.

Komunikácia medzi diagnostickým zariadením a hociktorou z uvedených zberníc

prebieha pod a protokolu SAE J1979 a súbor pou ívaných príkazov je fixný.

Uvedený spôsob komunikácie zariadení pripojených na automobilovú zbernicu

a diagnostickým prístrojom je pou itý aj vo vozidlách so zbernicou CAN Bus.


________________________________________________________________________

6

2.2.3 ZBERNICA SAE J1850

Zbernica SAE J1850 patrí do triedy B automobilových zberníc a bola vyvinutá

v roku 1994. Je pou ívaná pre diagnostiku a dáta zdie ajúce aplikácie v cestných

a terénnych vozidlách.

Zbernica SAE J1850 má dva varianty:

• Variant A: Pou íva prenosovú rýchlos 41,6 kb/s s impulznou írkovou

moduláciou (PWM) a dvojvodi ové metalické prenosové médium.

• Variant B: Pou íva prenosovú rýchlos 10,4 kb/s s variabilnou írkou impulzov

(VPW) a jednovodi ové metalické prenosové médium.

Jednovodi ový spôsob prepojenia mô e dosahova d ku zbernice a 35 m

s maximálnym po tom uzlov 32. Vysoká logická úrove (High) nadobúda hodnoty od

4,25 V a 20 V a za nízku logickú úrove (low) je pova ovaná ka dá hodnota pod 3,5 V.

Vysoké a nízke logické hodnoty sú posielané ako bitové symboly a nie ako jednotlivé

bity. Doby trvania symbolov sú 64 s a 128 s pre jednovodi ovú zbernicu. Ak iaden

modul pripojený na zbernicu nevysiela, na zbernici je nízka úrove . Ak chce nejaký

modul za vysiela , potrebuje nastavi úrove na zbernici na vysokú.

Na zbernici SAE J1850 existujú dva spôsoby reprezentácie logických úrovní:

• pasívny – pasívna logická 1 je posielaná ako 128 s trvajúca nízka úrove

a pasívna logická 0 je posielaná ako 64 s trvajúca nízka úrove .

• aktívny – aktívna logická 1 je posielaná ako 64 s trvajúca vysoká úrove

a aktívna logická 0 je posielaná ako 128 s trvajúca vysoká úrove .

Protokol SAE J1850 pou íva spôsob riadenia prístupu na médium CSMA/CR (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Resolution).


________________________________________________________________________

7

Rámec protokolu SAE 1850 pozostáva s nasledovných polí:

• Za iatok rámca (Start of Frame SOF), ktorý trvá 200 s a má vysokú logickú

úrove

• Záhlavie (Header), je dlhé jeden bajt

• Dáta (data), pole obsahuje prená ané informácie

• Kontrolný sú et dát (CRC)

• Koniec dát (End of Data EOD), je 200 s trvajúci impulz nízkej logickej úrovne

• Kontrolný sú et rámca (CRC)

• Koniec rámca (End of Frame)

Obr. 2.2 Dátový rámec protokolu SAE J1850

Preto e o tandard SAE J1850 nebol masový záujem zo strany výrobcov automobilov,

v dne nej dobe sa vo vozidlách u nepou íva.

2.2.4 ZBERNICA IE Bus

Zbernica IE Bus (Inter Equipment Bus) bola vyvinutá firmou NEC Electronics. Je

pou ívaná ako automobilová zbernica, umo ujúca pripojenie viacerých riadiacich

jednotiek (Multi-Master). Komunikácia na zbernici IE Bus je asynchrónna , polo

duplexná (half duplex asynchronous). Na riadenie prístupu na prenosové médium je

pou itá metóda náhodného viacnásobného prístupu s kolíznou detekciou známa ako

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Zbernica IE Bus je

dvojvodi ová, pozostáva z dvoch diferenciálnych liniek: Data + a Data – .

Pre zbernicu IE Bus sú definované dva transportné módy:

• Mód 0 – pou íva 16 bajtový rámec a pracuje s prenosovou rýchlos ou 3,9 kb/s

alebo 4,1 kb/s.

• Mód 1 – pou íva 32 bajtový rámec a pracuje s prenosovou rýchlos ou 17 kb/s

a frekvenciou oscilátora 6 MHz alebo 18 kb/s a frekvenciou oscilátora 6,29 MHz.


________________________________________________________________________

8

Maximálna d ka zbernice IE Bus je 50 m a mô e na u by pripojených maximálne 50

zariadení.

Obr. 2.3 Elektrické prepojenie zbernice IE Bus

Kapacita kábla mô e dosahova maximálnu hodnotu 8 nF pri frekvencií oscilátora

6 MHz alebo 7,1 nF pri frekvencií oscilátora 6,29 MHz.

Zbernica je na oboch koncoch zakon ená zakon ovacími rezistormi s hodnotou 120

z dôvodu impedan ného prispôsobenia. Sérové ochranné rezistory s hodnotou 180 sú

pou ité medzi ka dým zariadením pripojeným na zbernicu.

Napätie na zbernici dosahuje úrovne od – 0,5 V do + 6 V. Logická 1 je definovaná ako

rozdiel napätia medzi dátovými linkami Data + a Data – men í alebo rovný 20 mV . Ak je

rozdiel napätia medzi dátovými linkami Data + a Data – rovný 120 mV alebo vä í na

zbernici je logická 0.

Obr. 2.4 Transportný rámec protokolu zbernice IE Bus

Transportný rámec protokolu zbernice IE Bus trvá 7330 s + ( 1590 x [po et bitov

dátového po a]) s v transportnom móde 0.

V transportnom móde 1 je transportný rámec vysielaný za as 2090 s + (410 x [po et

bitov dátového po a]) s.


________________________________________________________________________

9

Tabu ka 2.1 Transportný rámec protokolu zbernice IE Bus

Transportný rámec protokolu zbernice IE BusNázov po a Po et bitov po a

Záhlavie (Header) 1 tartovací bit + 1 prenosový bitAdresné pole riadiacichjednotiek (Master Address Field)

12 bitová adresa riadiacej jednotky ktorá rámec vyslala+ 1 bit kontroly parity

Adresné pole podriadenýchjednotiek (Slave Address Field)

12 bitová adresa podriadeného zariadenia, ktorému jerámec ur ený + 1 bit kontroly parity + 1 potvrdzovacíbit

Riadiace pole (Control Field) 4 bity riadiacich informácií + 1 bit kontroly parity + 1potvrdzovací bit

Pole d ky dát (Data LengthField)

8 bitov ur ujúcich d ku prená aných dát + 1 bitkontroly parity + 1 potvrdzovací bit

Pole dát (Data Field) 8 + 8 bitov dát + 2 krát 1 bit kontroly parity a 2 krát 1potvrdzovací bit

Synchronizácia je robená pre ka dý vysielaný bit. Na zbernici je po as ne innosti

vysoká logická úrove , preru ovaná nízkou úrov ou synchroniza ných impulzov. Po as

trvania prenosu dát sa logická úrove na zbernici mení pod a prená aných bitov. Po

prenose sa zbernica vráti do stavu vysokej logickej úrovne.

2.2.5 ZBERNICA LIN

Zbernica LIN (Local Interconnect Network) patrí do triedy A automobilových

zberníc. Je ur ená na pou itie vo vozidlách, ako komunika ná sériová zbernica pre

komunikáciu senzorov a ak ných lenov pracujúcich s napätím 12 V. Zbernicu LIN

vyvinulo LIN konzorcium, ktoré publikovalo LIN pecifikáciu obsahujúcu popis

komunika ného protokolu, popis fyzickej vrstvy, vrstvy dátového spoja a popis

prenosového média. Maximálna komunika ná rýchlos na zbernici LIN je 19200 Baudov

sa sekundu pri maximálnej d ke zbernice 40 m. Uzly pripojené na zbernicu LIN mô u

vysiela alebo prijíma príkazy d ky 8 bajtov ka dých 10 ms alebo krat ie príkazy

ka dých 5 ms. Zbernica LIN doká e pracova so znakovými rýchlos ami 2400 Baudov za

sekundu a 9600 Baudov za sekundu a mô e by pou itá ako sub–zbernica pre prepojenie

zo zbernicou CAN. Zbernica LIN je zbernica typu Master/Slave, to znamená, e na

zbernicu mô e by pripojený jeden modul riadiacej jednotky (Master) a jeden alebo viac

(pod a po a identifikátor rámca Master mô e by po et zariadení Slave na zbernici LIN

26 = 64) podriadených zariadení (Slave).


________________________________________________________________________

10

Zbernica LIN nepotrebuje rozhodova a riadi prístup na médium, preto e na

zbernici je povolený iba jeden dátový blok v jednom ase. Komunikáciu v dy iniciuje

riadiaca jednotka vyslaním rámca Master, ktorý obsahuje adresné pole s adresou jedného

s pripojených podriadených zariadení. Adresované podriadené zariadenie odpovedá

riadiacej jednotke vyslaním rámca Slave. Po as tejto komunikácie ostatné uzly pripojené

na zbernicu nevysielajú.

Tabu ka 2.2 Rámec Master zbernice LIN

Rámec Master zbernice LIN

Názov po a ka po a

Za iatok rámca (Sync. break) 13 bitov

Synchroniza né pole (Sync. field)Striedajúce sa 1 a 0 pre hodinovú

synchronizáciu uzlov

Identifikátor, adresa podriadenej jednotky

(Identifier)

6 bitová adresa zariadenia Slave a 2 bity

kontrola parity

Pole dát (Data field) 2, 4 alebo 8 bajtov dát

Tabu ka 2.3 Rámec Slave zbernice LIN

Rámec Slave zbernice LIN

Názov po a ka po a

Pole dát (Data field) 1 a 8 bajtov dát

Kontrolný sú et (CRC) 8 bitov

Obr. 2.5 Rámec Master zbernice LIN Obr. 2.6 Rámec Slave zbernice LIN


________________________________________________________________________

11

2.2.6 ZBERNICA MI

Zbernicu MI (Motorola Interconnect) ako u z názvu vyplýva vyvinula firma

Motorola. Ide o sériovú komunika nú zbernicu pou ívajúcu jeden vodi na prepojenie

modulov. Na zbernicu MI mô e by pripojená jedna riadiaca jednotka (Master) a jeden a

osem podriadených zariadení (Slave) ako sú inteligentné spína e, motory, senzory

a ak né leny. Zbernica MI sa v automobiloch zvy ajne pou íva na ovládanie spätných

zrkadiel, polohy sedadiel, ovládanie okien a podobne.

Ako je zrejmé z obrázku, zbernica MI pou íva iba jeden vodi na vysielanie a prijímanie

dát.

Obr. 2.7 Bloková schéma zbernice MI

Zbernica MI pou íva takzvaný „tam - sem“ (push/pull) postup na prenos dát

medzi riadiacou jednotkou a podriadenými zariadeniami. Riadiaca jednotka posiela push

rámec po zbernici MI v etkým pripojeným podriadeným zariadeniam. Tento push rámec

obsahuje dáta a adresu jedného z podriadených zariadení. To podriadené zariadenie,

ktorého adresa je uvedená v rámci push vyslanom riadiacou jednotkou prijme dáta

ulo ené v rámci push a potom odpovedá vyslaním rámca pull cez zbernicu MI riadiacej

jednotke. Rámec pull obsahuje dáta ktoré reprezentujú internú alebo externú informáciu

poskytnutú podriadeným zariadením riadiacej jednotke. Pri tomto procese spolu

komunikuje riadiaca jednotka s jedným z ôsmych podriadených jednotiek. Ostatné

podriadené jednotky sa správajú pasívne, a pokia ich riadiaca jednotka neosloví

pomocou rámca push.

Obr. 2.8 Rámec push riadiacej jednotky Obr. 2.9 Rámec pull podriadeného zariadenia


________________________________________________________________________

12

Tabu ka 2.4 Polia rámca Push

Rámec Push zbernice MI

Názov po a Po et bitov po a

Za iatok rámca (SOF) 3 asové sloty nízkej logickej úrovne

Synchroniza ný bit (Synch.bit) 1 bit fázovo kódovaný

Dátové pole (Data) 5 bitov fázovo kódovaných dát

Adresné pole (Address) 3 bity fázovo kódované

Tabu ka 2.5 Polia rámca Pull

Rámec Pull zbernice MINázov po a Po et bitov po a

Synchroniza ný bit (Synch. bit) 1 bit fázovo kódovaný, ktorý iniciovala riadiacajednotka

Dátové pole (Data) 3 bity kódované kódom bez návratu k nule (NRZ)Koniec rámca (EOF) 3 cyklusy 20 kHz impulzov obd nikového tvaru

Obr. 2.10 Pripojenie mikroprocesora na zbernicu MI


________________________________________________________________________

13

Na obrázku 2.10 je znázornená typická schéma pripojenia mikroprocesorovej jednotky na

zbernicu MI. Tranzistor T1 slú i na zosilnenie impulzov vysielaných na zbernicu

a ochranu mikroprocesorovej jednotky pred prechodnými napätiami na zbernici.

Mikroprocesorová jednotka má vstup prijíma a (pin RX) chránený dvoma rezistormi

a dvoma diódami, ktoré ho chránia proti prechodným prúdom.

Zbernica MI sa mô e nachádza v dvoch stavoch:

• Dominantný stav (stav 0) – zbernica je v tomto stave, ke napätie na zbernici vo i

zemniacej svorke nepresiahne 0,3 V

• Recesívny stav (stav 1) – zbernica je v tomto stave, ke napätie na zbernici vo i

zemniacej svorke dosiahne napätie +5 V.

Na konci zbernice MI je nutné pou zakon ovací rezistor s hodnotou 600 , z dôvodu

eliminácie odrazov signálov na zbernici.

2.2.7 ZBERNICA BYTEFLIGHT

Zbernica Byteflight patrí medzi najmodernej ie vyvinuté automobilové zbernice.

Stále narastajúca zlo itos elektroniky v automobiloch a rýchlo stúpajúci po et senzorov,

ak ných lenov a riadiacich jednotiek nastolujú vy ie po iadavky na rýchle

komunika né protokoly. Bezpe nostné systémy vozidla potrebujú deterministické

protokoly odolné vo i poruchovým stavom. iadne z komunika ných rie ení dostupných

na trhu doteraz nebolo schopné splni v etky tieto po iadavky. Na rie enie týchto

problémov automobilový podnik BMW, v spolupráci s firmami ELMOS, Infineon, Tyco

a spolo nos ou Motorola vyvinuli nový komunika ný protokol pre bezpe nostné

aplikácie vo vozidlách. Oficiálny názov dátovej zbernice je Byteflight, ale po as jej

vývoja bol pracovný názov SI–Bus.

Protokol zbernice Byteflight kombinuje výhody synchrónnych a asynchrónnych

protokolov a garantuje vysokú integritu dát pri prenosovej rýchlosti 10 Mb/s a pri

rýchlosti aktualizácie informácií 250 s.


________________________________________________________________________

14

al ie charakteristiky sú bez kolízny prístup na médium, adresovanie orientované

na správy prostredníctvom identifikátorov, garantovanie oneskorenia pre ur itý po et

vysoko prioritných správ, vysoká flexibilita, jednoduché roz írenie systému, dynamické

vyu itie írky pásma a nízke prevádzkové náklady. Za ú elom zmen elektromagnetické

ru enie (EMI), je fyzická vrstva rie ená opticky a pou ité prenosové médium je plastické

optické vlákno (Plastic Optic Fiber).

Zbernica Byteflight pou íva topológiu hviezda s inteligentným spojovacím blokom.

Vlastnosti zbernicového systému Byteflight rie ia mnohé problémy dnes pou ívaných

automobilových zberníc, o by mohlo vies k tomu, e by sa zbernicový systém

Byteflight stal tandardom v automobilovom priemysle.

Protokol zbernice Byteflight:

• Ide o nový protokol kombinujúci asový a prioritný prístup na zbernicu

• Byteflight kombinuje výhody synchrónnych a asynchrónnych protokolov

• Bezkolízna komunikácia

• Prenosová rýchlos 10 Mb/s (celkovo), pri plnej zá i zbernice viac ako 5 Mb/s

• Protokolom a fyzickou vrstvou garantované oneskorenie pre vysoko prioritné

správy, protokolom zaru ené doru enie správ

• Flexibilný prístup na zbernicu nízko prioritných správ ako pri asynchrónnych

protokoloch ( tatistický re im)

• Kontrola oneskorenia asynchrónnych správ je podporovaná simula nými

prostriedkami.

Fyzická vrstva:

• Hviezdová topológia s obojsmernou poloduplexnou komunikáciou cez plastické

optické vlákno

• Vysiela a prijíma spolu na jednom ipe s LED a foto diódou integrovanými

v optickom konektore

• Kódovanie kódom bez návratu k nule (NRZ)

• Mo nos zní enia prenosovej rýchlosti s elektrickým transceiverom (napr. CAN

Bus transceiverom)


________________________________________________________________________

15

Prístupová metóda FTDMA (Flexibile Time Division Multiple Access):

Základom pre dátovú komunikáciu na zbernici Byteflight sú cyklické

synchroniza né impulzy (SYNC pulses). Tieto impulzy tvoria spolo nú asovú základ u

pre v etky uzly zbernice a pre aplika ný software. ubovolný Byteflight uzol mô e by

konfigurovaný ako zdroj synchronizácie (SYNC Master), ktorý generuje hodinové

impulzy pre v etky uzly zbernice.

as cyklu je asový interval medzi synchroniza nými impulzmi. V aktuálnej verzií

protokolu Byteflight je tento interval nastavený na 250 s pri prenosovej rýchlosti 10

Mb/s.

Obr. 2.11 Flexibilný asovo delený viacnásobný prístup (FTDMA)

V ase medzi synchroniza nými impulzmi mô u v etky uzly vysiela správy.

V tomto procese sú v etky uzly na rovnakej pozícií (sú si rovnocenné). Prístup na

zbernicu je riadený samostatne a asovo riadený pomocou protokolového procesora

implementovaného v zariadení. Takéto riadenie je pou ité v takom prípade, ke v jednom

cykle narastá sekvencia identifikátora. Zoradenie v etkých uzlov zbernicového systému

sa zaru uje, e identifikátor mô e by pou itý iba jedným uzlom. Tým je zabezpe ené,

e nedochádza ku kolíziám na zbernici. Protokolový procesor zbernice, ktorý pracuje

samostatne zo základnej riadiacej jednotky (Host CPU) alej zabezpe uje, e jeden

identifikátor, ktorý bol u raz pou itý, nie je viac poslaný v jednom cykle. asový

okamih pre prístup na zbernicu je riadený jedine riadiacim obvodom zbernice (bus

controller) a nemô e by ovplyvnený základnou riadiacou jednotkou. Základná riadiaca

jednotka mô e iba poskytova dáta prená ané cez dvoj portovú pamä RAM(Dual Port

Random Access Memory) alebo íta prijaté dáta.

Prístup na zbernicu je regulovaný pod a metódy FTDMA (obrázok 2.12). S touto

metódou, sú po ítadlá slotov (slot = asový blok) v etkých uzlov spú ané

synchroniza ným impulzom. Po ítadlá slotov za nú od nuly a po ítajú do najvy ej

mo nej hodnoty identifikátora.


________________________________________________________________________

16

Ke po ítadlo slotov dosiahne hodnotu identifikátora, pre ktorý je uvedená

vysielaná po iadavka, cez zbernicu je vyslaná zodpovedajúca správa a v etky po ítadlá

slotov sú zastavené na aktuálnej hodnote po as vysielania. Akonáhle je prenos kompletný

po ítadlá slotov po ítajú alej nahor. Obr. 2.12 zobrazuje príklad takéhoto prenosu

zaznamenaného logickým analyzátorom.

Obr. 2.12 Po ítadlá synchronizovaných slotov

Na obrázku 2.12 sú zobrazené po ítadlá slotov pre uzly A a B. Uzol A posiela

identifikátor 4, uzol B posiela identifikátor 1 a 7. Prenosové sloty 1, 4 a 7 (zobrazené

erveno) trvajú tak dlho ako je nevyhnutné pre prenos správy. Preto e nie je vysielaná

po iadavka pre identifikátory 2 a 3 v tomto cykle, sloty 2 a 3 nie sú pou ité a javia sa iba

ako ve mi krátke akacie sloty (zobrazené zelenou farbou). Po iadavka na prenos správy

v danom cykle, musí by reprezentovaná vzostupnou hranou synchroniza ného impulzu

pre daný cyklus. akacia doba medzi správou s identifikátorom IDt-1 a nasledujúcou

správou s identifikátorom ID mô e by vypo ítaná pod a nasledovného vz ahu:

akacia doba t_wait = t_0 + t_delta*(ID IDt-1)

Pevne stanovená as akacej doby t_0 je pou itá pre udr anie minimálneho intervalu

1100 ns medzi dvoma správami.


________________________________________________________________________

17

Preto e optimálne hodnoty pre t_0 a t_delta sú odvodené z dôb írenia signálu

zbernicovým systémom, tieto parametre sú realizované programovo v Byteflight

moduloch. Procedúra FTDMA popísaná vy ie je teda isto asovo riadená metóda

prístupu na zbernicu. Napriek tomu táto metóda umo uje garantova alebo

deterministicky prená presný po et vysoko prioritných správ v ka dom

komunika nom cykle dokonca, ke kapacita zbernice je plne vyu itá a sú asne povo uje

flexibilné a tatistické pridelenie írky pásma pre zvy né správy, ak zá zbernice je

dostato ne nízka. Toto mô eme vidie na obrázku 2.13.

Obr. 2.13 Synchrónny a asynchrónny prenos

V opera nom móde je zobrazených 10 vysoko prioritných správ (znázornených

ervenou farbou). Sú prená ané synchrónne a cyklicky ka dých 250 s. Druhá as

komunika ného cyklu (znázornená zelenou farbou) mô e by pou itá pre správy

vysielané pri náhodnej udalosti (event-controlled messages).

Napriek garantovanému prenosu presného po tu vysoko prioritných správ, flexibilita nie

je stratená. Je mo né pridáva vysoko prioritné správy a garantovanie prenosu týchto

správ mô e by dokázané analyticky. Je alej mo né pridáva asynchrónne správy.

V tomto prípade, overenie oneskorenia mô e by najvhodnej ie cez tatistické

pozorovania, ako napríklad z CAN protokolom. Nie je nevyhnutné robi softvérové

zmeny uzlov, ktoré sú u pou ité v systéme.

truktúra správy protokolu zbernice Byteflight:

Správa zbernice byteflight je znázornená na obrázku 2.14. Pozostáva zo 6 bitovej

tartovacej sekvencie, jedno bajtového identifikátora ID, jedno bajtového po a d ky

správy LEN, 0 a 12 bajtov dát D0a D11 a dvoch bajtov kontrolného sú tu CRCH

(Cyclic Redundancy Check). Vysoká úrove integrity dát je zabezpe ená kontrolným

sú tom, ktorého Hammingova vzdialenos je h = 6.


________________________________________________________________________

18

Pre bitovú synchronizáciu, je ka dý bajt rámcovaný jedným tartovacím bitom

a jedným stop bitom. as trvania jedného bitu je 100 ns pri prenosovej rýchlosti 10 Mb/s.

Obr. 2.14 Formát správy zbernica Byteflight

Flexibilita:

Technológia Byteflight umo uje jednoduché roz írenie systému pridaním al ích

funkcií do riadiacich jednotiek, ktoré sú u v systéme pou ité, alebo za lenením vä ieho

po tu zbernicových uzlov (napríklad volite ná výbava automobilu). Systém mô e by

doplnený novými správami bez zmeny softvéru existujúcich kontrolných jednotiek, ktoré

sú u prispôsobené. Charakteristiky systémového roz írenia umo ujú vysoký stupe

flexibility vo výrobe (rozdielne mo nosti výbavy s rovnakými podzostavami). Taktie

umo ujú pou rovnaké riadiace jednotky v rozdielnych modeloch automobilov

a s rozdielnou konfiguráciou elektrického systému vozidla.

Tabu ka 2.6 Porovnanie zberníc CAN Bus a Byteflight

Vlastnosti CAN–Bus ByteflightPrenos správ asynchrónny asynchrónny a synchrónny

Identifikácia správy identifikátor správy identifikátor správyPrenosová rýchlos 1 Mb/s 10 Mb/sBitové kódovanie NRZ s bitovým vypl ovaním NRZ so tart a stop bitmi

Fyzická vrstva transceivery a do 1 Mb/s optické transceivery a do 10Mb/s

asová nestabilita(jitter) závislá na za ení zbernice kon tantná pre prioritné správy

pod a t_cycHodinová

synchronizácia nie je poskytovaná poskytovaná riadiacoujednotkou v 100 ns intervaloch

Obmedzenie chýbna fyzickej vrstve zabezpe ované paritne zabezpe ované optickým

vláknomDostupnos

komponentovnieko ko rodín mikroprocesorov,

transceiverov a radi ovHC 12BD32, E100.38

byteflight radi , E100.39


________________________________________________________________________

19

2.2.8 ZBERNICA CAN-BUS

Zbernica CAN-BUS (Controller Area Network – Bitserielle Universelle

Schnittstelle), ktorú v roku 1986 vyvinula firma Robert Bosch je v sú asnosti

najpou ívanej ou zbernicou v moderných automobiloch.

Sériová zbernica CAN je pou ite ná v ade, kde majú navzájom komunikova viac ako

dve zariadenia na báze mikropo íta a. Jej roz íreniu prispelo aj to, e americký a

výrobcovia z alekého východu sa rozhodli pou ju do automobilov. K jej konkurencie

schopnosti napomáha aj vynikajúci pomer cena/výkon. Obrovskou výhodou CAN je to,

e umo uje komunikáciu medzi rôznymi výrobkami od rôznych výrobcov.

Na CAN-BUS je v moderných automobiloch napojená prakticky celá elektronická

sústava (napríklad sledovanie otá ok, vstrekovanie paliva, zapa ovanie, katalyzátor, ABS

a al ie). Rýchlym prepojením dát je dosiahnutá perfektná súhra v etkých elektronických

komponentov. Okrem zna ného zjednodu enia prepojenia a ve mi rýchleho prenosu

údajov medzi riadiacimi jednotkami dochádza aj k úspore miesta a hmotnosti v aka

men ím rozmerom riadiacich jednotiek a men ím svorkovniciam. Tie sa zvy uje

spo ahlivos vozidla ako celku, nako ko dochádza k sústavnej kontrole

a vyhodnocovaniu prevádzkových parametrov zo v etkých dôle itých mechanických

a elektrických blokov. al ou výhodou je flexibilnos a kálovate nos . Nielen e je

mo né pridáva al ie elektronické bloky a zariadenia, zbernica CAN dovo uje v prípade

potreby aj roz írenie prenosového protokolu. Medzi podstatné výhody CAN zbernice tie

patrí to, e zbernica CAN je normalizovaná ( ISO 11898 ), tak e je mo ný prenos údajov

medzi jednotkami a diagnostickými prístrojmi rôznych výrobcov.

Protokol CAN bol navrhnutý tak, aby umo nil distribuované riadenie systémov

v reálnom ase s prenosovou rýchlos ou do 1 Mb/s a vysokým stup om zabezpe enia

prenosu proti chybám. Jedná sa o protokol typu multi-master, kde ka dý uzol zbernice

mô e by master a riadi tak chovanie iných uzlov. Nie je teda nutné riadi celú sie

z jedného nadriadeného uzla, o priná a zjednodu enie riadenia a zvy uje spo ahlivos

(pri poruche jedného uzla mô e zbytok siete pracova alej). Po zbernici prebieha

komunikácia medzi dvoma uzlami pomocou správ (dátová správa a iados

o dáta). Mana ment siete (signalizácia chýb, pozastavenie komunikácie) je zaistený

pomocou dvoch peciálnych správ (chybovej správy a správy o pre ení).


________________________________________________________________________

20

Správy vysielané po zbernici protokolom CAN neobsahujú iadnu informáciu

o cie ovom uzle, ktorému sú ur ené a sú prijímané v etkými ostatnými uzlami

pripojenými ku zbernici. Ka dá správa obsahuje identifikátor, ktorý udáva význam

prená anej správy a jej prioritu. Najvy iu prioritu má správa s identifikátorom 0.

Protokol CAN zais uje, aby správa s vy ou prioritou bola v prípade kolízie dvoch správ

doru ená prednostne. alej je mo né na základe identifikátoru zaisti , aby uzol prijímal

iba tie správy, ktoré sa ho týkajú (Acceptance Filtering).

Obr. 2.15 Komunikácia na zbernici CAN

Protokol CAN je obvykle realizovaný za pomoci komer ne dostupných radi ov

CAN. Existuje ve ké mno stvo vhodných obvodov od rôznych výrobcov. Limitujúcim

faktorom pri návrhu je po adovaná priepustnos dát a úrove po adovanej integrácie. Ak

po adujeme od zariadenia funk nos pri vysokých prenosových rýchlostiach (do 1 Mb/s)

a silnej prevádzke na zbernici, je nutné rie návrh tak, aby aplikácia stihla prijíma

správy a reagova na ne. Toho sa dá dosiahnu napríklad pou itím výkonného

mikroprocesora s integrovanou podporou protokolu CAN. Podrobný popis protokolu

CAN je uvedený v prílohe íslo 1.

ECAN (Enhanced Controller Area Network) modul (uzol, zariadenie) je posledné

roz írenie existujúcich CAN modulov. ECAN ponúka ve a roz írení oproti klasickým

CAN modulom a to najmä viac vstupno-výstupných vyrovnávacích pamätí, viac filtrov

prijímaných správ a sú naviac vybavené funkciou FIFO (First In First Out) o je vlastne

typ pamätí, realizovaných posuvnými registrami.


________________________________________________________________________

21

ECAN moduly sú naviac plne spätne kompatibilné s klasickými CAN modulmi.

ECAN poskytuje tri módy innosti – Mód 0, mód 1 a mód 2. V móde 0 je plne spätne

kompatibilný s klasickými CAN modulmi. Aplikácie vyvinuté pre klasické CAN moduly

budú alej pracova bez akýchko vek zmien pou itím modulov ECAN. Mód 1 je

roz írený klasický mód s vä ím po tom vyrovnávacích vstupno-výstupných pamätí

a filtrov správ. Mód 2 má rovnaké prostriedky ako mód 1, ale má naviac technicky

mana ovanú prijímaciu pamä FIFO (hardware managed recieve FIFO), ktorá poskytuje

vä ie mo nosti a flexibilitu a tak ECAN moduly mô u overi funk nos mnohých CAN

aplikácií.

Hlavné vlastnosti ECAN modulu sú:

• Plne spätne kompatibilný s klasickými CAN modulmi

• Tri opera né módy:

- Mód 0 – Plne spätne kompatibilný mód

- Mód 1 – Roz írený klasický mód

- Mód 2 – Hardware FIFO mód

• Implementácia CAN protokolov CAN 1.2, CAN 2.0A, CAN 2.0B

• Podpora tandardného a roz íreného dátového rámca

• ka dát od 0 do 8 bajtov

• Programovate ná prenosová rýchlos do 1 Mb/s

• Podpora automatického vysielania rámca iadosti o dáta

• Priradený dvojitý ochranný prijíma

• Tri priradené vysielacie vyrovnávacie pamäte so schopnos ou pecifikova

prioritu správy a mo nos ou preru vysielanie

• es plne programovate ných vstupno/výstupných pamätí

• estnás akcepta ných filtrov s dynamickou spoluprácou s prijímacími

vyrovnávacími pamä ami

• Tri masky akcepta ných filtrov s dynamickou spoluprácou s prijímacími filtrami

• Programovate ná funkcia zobudenia s integrovaným dolno-priepustným filtrom

• Signalizácia prijatých a vysielaných chýb v etkých CAN uzlov

• Programovate ný zdroj hodinových impulzov

• Podpora nízko príkonového re imu spánku

• Podpora roz íreného mana mentu spracovania chýb


________________________________________________________________________

22

ECAN radi je vlastne CAN radi s 32 bitovou architektúrou. Ako je vidie na

obrázku 2.16, pozostáva z dvoch základných astí – Jadra protokolu CAN a radi a správ.

Obr. 2.16 Bloková schéma ECAN modulu

Moduly CAN sú vhodnej ie do sietí so slabou prevádzkou a ECAN moduly skôr

do sietí so silnou prevádzkou. Aj ke moduly ECAN ponúkajú ve a nových mo ností

oproti klasickým CAN modulom a mô eme ich pova ova za al í stupe vývoja CAN

rie ení, pre ú el prepojenia senzorov sú ich roz írené funkcie (oproti klasickým CAN

uzlom) zbyto né. ECAN moduly nájdu uplatnenie najmä v sie ach v ktorých spolu

komunikujú procesory s 32 bitovou architektúrou.

Ako je z kapitoly 2.2.8 zrejmé, zbernica CAN je ve mi dobre prepracovanou

zbernicou, ktorá sa v aka svojím vlastnostiam asto pou íva a to nielen v automobilovom

priemysle, pre ktorý bola pôvodne navrhnutá.


________________________________________________________________________

23

2.3 Porovnanie základných vlastností automobilových zberníc

V tabu ke 2.7, sú uvedené niektoré charakteristické vlastnosti automobilových

zberníc. Uvedené sú len zbernice, ktoré sú pou ite né pre prepojenie senzorov a ich

najvä ie nedostatky pre tento ú el sú zvýraznené edou farbou.

Tabu ka 2.7 Porovnanie automobilových zberníc

IE Bus LIN Byteflight CAN–BusMax. prenosová

rýchlos 18 kb/s 19,2 kb/s 10 Mb/s 1 Mb/s

Max. d ka zbernice 50 m 1 km viac ako 1 km 1 km

Riadenie prístupu naprenosové médium CSMA/CD

Iniciovanériadiacoujednotkou

FTDMA CSMA/CD+ priorita

Mo nos Multi-Master áno nie áno ánoSpôsob prenosu

rámcov asynchrónny asynchrónny synchrónny ajasynchrónny asynchrónny

Max. po et zariadenína zbernici 50 64 256 reálne viac

ako 100

Prenosové médium UTP, STP UTP, STP optickévlákno UTP, STP

Dostupnoskomponentov ve mi malá

viac ako 30svetovýchvýrobcovradi ov aj

procesorou

zatiakomer nea cenovo

nedostupné

ako zbernicaLIN

2.4 Výber vhodnej senzorovej zbernice

Ako je vidie z tabu ky 2.7, najmenej vhodnou zbernicou pre prepojenie senzorov

je zbernica IE Bus a to najmä preto, e jej maximálna prenosová rýchlos je len 18

kb/s. Maximálna d ka prenosového média zbernice IE Bus je len 50 m, o sa mô e javi

ako dostato né pre pou itie vo vozidlách, av ak treba bra do úvahy aj fakt, e nákladné

cestné vozidlá s návesom dosahujú d ku viac ako 20 m.


________________________________________________________________________

24

Tie musíme ráta s rôznymi kon truk nými obmedzeniami pri kabelá i (nie je

dy mo né uklada kabelá najkrat ou mo nou cestou), z oho vyplýva, e pri pou ití

zbernice IE Bus by nebolo mo né rozlo senzory po oboch stranách celého vozidla.

al ím záva ným nedostatkom zbernice IE Bus je malá dostupnos komponentov a to

najmä z dôvodu malého záujmu výrobcov automobilov o túto zbernicu. al ou

pou ite nou zbernicou pre prepojenie senzorov je zbernica LIN, ktorá bola na tento ú el

priamo vyvinutá. Jej maximálna prenosová rýchlos 19,2 kb/s je podobne ako u zbernice

IE Bus jedným z jej nedostatkov. No najvä ím nedostatkom zbernice LIN je spôsob

riadenia prístupu na prenosové médium. Komunikáciu v dy iniciuje riadiaca jednotka

vyslaním rámca Master, ktorý obsahuje adresné pole s adresou jedného s pripojených

podriadených zariadení. Adresované podriadené zariadenie odpovedá riadiacej jednotke

vyslaním rámca Slave. Po as tejto komunikácie ostatné uzly pripojené na zbernicu

nevysielajú. A práve tento spôsob komunikácie nie je pre nami rie enú aplikáciu

bezpe ný, preto e v prípade poplachového stavu ubovolného zo senzorov nemô e tento

senzor poplachový stav okam ite hlási riadiacej jednotke, ale musí aka kým ho

riadiaca jednotka „osloví“. Jednou s najvhodnej ích posudzovaných zberníc je

bezpochyby zbernica Byteflight. Zbernica Byteflight patrí medzi najmodernej ie a

najbezpe nej ie automobilové zbernice. Kombinuje v etky výhody synchrónneho

a asynchrónneho prenosu dát a s pou itím plastického optického vlákna ako prenosového

média sa stáva najspo ahlivej ou a najbezpe nej ou doteraz vyvinutou automobilovou

zbernicou. Podrobný popis zbernice Byteflight je uvedený v kapitole 2.3.7. Jediným jej

nedostatkom je dostupnos komponentov na jej realizáciu a ich cena.

Nielen z uvedených dôvodov, ale najmä pre jej spo ahlivos , vysokú prenosovú

rýchlos , jednoduchú roz íritelnos a dostupnos komponentov je vybranou zbernicou

pre pripojenie senzorov zbernica CAN-Bus. K jej konkurencie schopnosti napomáha aj

vynikajúci pomer cena/výkon. Obrovskou výhodou CAN je to, e umo uje komunikáciu

medzi rôznymi výrobkami od rôznych výrobcov.


________________________________________________________________________

25

3 Senzory

3.1 Definícia senzora

Senzor je funk ný prvok tvoriaci vstupný blok meracieho re azca, ktorý je

v priamom styku s meraným prostredím. Pojem senzor je ekvivalentný pojmu sníma

alebo detektor. Citlivá as senzoru sa ozna uje ako sníma . Senzor ako primárny zdroj

informácie sníma sledovanú fyzikálnu, chemickú alebo biologickú veli inu a pod a

ur itého definovaného princípu ju transformuje na meraciu veli inu – naj astej ie na

veli inu elektrickú. alej existujú senzory, ktoré transformujú meranú neelektrickú

veli inu priamo na íslicový signál.

Senzory ako zdroje primárnych informácií o reálnom svete sú k ovým

elementom prakticky v etkých regula ných a meracích systémov. Výber senzorov

zásadne predur uje koncepciu celého systému a významne podmie uje úspech rie enia

úlohy. Variabilita po iadaviek praxe vy aduje vývoj a kon trukciu nových typov

senzorov a odsúva do pozadia star ie genera né rady. 1

3.2 Základné rozdelenie senzorov

Rozdelenie pod a meranej veli iny:

Senzory tlaku, teploty, prietoku, radia ných veli ín vo vidite nom, infra ervenom

a inom spektre, mechanických veli ín (posunutie, polohy, rýchlosti, zrýchlenia, sily,

mechanického napätia a iné), senzory pre analýzu látok, kvapalín a plynov, senzory

elektrických a magnetických veli ín a pod.

Rozdelenie pod a fyzikálneho princípu:

Senzory odporové, induk nostné, induk né, kapacitné, magnetické,

piezoelektrické, pyroelektrické, optoelektronické, optické vláknové, chemické, biologické

a iné.

1 o S., Kreidl M.: Senzory a m ící obvody, 1996


________________________________________________________________________

26

Rozdelenie pod a styku senzora s meraným prostredím:

Bezdotykové, dotykové

Rozdelenie pod a transformácie signálu:

Aktívne, pasívne

Rozdelenie pod a výrobnej technológie:

Elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické,

elektrochemické, polovodi ové, mikroelektronické, optoelektronické a iné.

alej mo no senzory rozdeli pod a spôsobu pou itia, ú elu, ur enia a pod.

Uvedené rozdelenie senzorov je v eobecné a slú i k lep ej orientácií v oblasti senzorovej

techniky a pomáha rie ite om vybra o najvhodnej í sníma pre danú úlohu.

3.3 Merací re azec

Obr. 3.1 Bloková schéma meracieho re azca so senzorom

Základná bloková schéma meracieho re azca je na obrázku 3.1.

Transformovaný elektrický signál je obvykle nutné zosilni . Pri zosil ovaní signálu je

nevyhnutné zaisti dostato ný odstup signálu od umu senzoru a zosil ova a a od

parazitných signálov (ru enie elektrickým, magnetickým a elektromagnetickým po om,

pôsobením zemných slu iek a pod.) pôsobiacich na senzor i na zosil ova . Uvedené

po iadavky sa realizujú peciálnymi zapojeniami zosil ova ov, frekven ným

obmedzením signálu, moduláciou elektrickej alebo priamo neelektrickej veli iny

s následnou synchrónnou demoduláciou, alebo íslicovým spracovaním signálu. al ie

spracovanie signálu je rie ené bu analógovými obvodmi, alebo po analógovo-

íslicovom prevode íslicovou technikou vybavenou procesorom alebo radi om.


________________________________________________________________________

27

Analógový výstup meracieho re azca je v najjednoduch om prípade realizovaný

priamo ukazujúcim prístrojom, alebo pre prenos dát blokom unifikácie signálu,

modulátorom, prípadne optoelektronickým lenom pre prenos modulovaného signálu

svetlovodom a pod. Pri íslicovom spracovaní signálu je výstup tvorený bu íslicovým

meracím prístrojom vybaveným rozhraním pre dia kové spracovávanie dát, alebo priamo

rozhraním (tj. spolo nou hranicou s definovanými charakteristikami fyzického,

signálového, funk ného a procedurálneho prepojenia). V senzorovej technike sa

naj astej ie pou íva sérové rozhranie (tj. sérový prenos dát) a to najmä rozhranie RS-232-

C a RS485. Sú as ou ka dého rozhrania je komunika ný protokol definujúci prenos

nameraných dát, adries, riadiacich a stavových signálov. peciálne zbernice ( napr.

ProfiBUS, CAN-Bus, ABUS a iné) sú pou ívané najmä automobilovom priemysle.

3.4 Inteligencia senzorov

Inteligenciu senzorov budeme rozumie schopnos senzora, poskytnú nielen

informáciu o meranej veli ine ale aj o stave vlastnej funk nosti a presnosti hodnoty

meranej veli iny nadriadenému zariadeniu a tie schopnos prijíma pokyny od

nadriadeného zariadenia komunika nou zbernicou.

3.4.1 Inteligentný senzor

Inteligentný senzor (Smart Sensor) je senzor, ktorý obsahuje obvody pre

spracovanie, analýzu a unifikáciu signálu v jedinom kompaktnom prevedení s citlivou

as ou senzoru. Typickým príkladom inteligentného senzora je polovodi ový

mikroelektronický senzor s integráciou meracieho re azca na jednom ipe znázornený na

obrázku 3.2.

Obr. 3.2 Inteligentný senzor


________________________________________________________________________

28

Inteligencia senzoru je definovaná ka dým výrobcom odli ne. Inteligentným

senzorom mô eme teda ozna ova aj taký senzor, ktorého citlivá as (sníma ) je

z technologických dôvodov oddelená od mikroelektronickej integrovanej asti, pokia je

vzdialenos sníma a od elektroniky minimálna a z h adiska výmeny senzoru bude senzor

tvori mechanicky, elektricky a funk ne jediný uzavretý celok. Sníma s as ou

elektronických obvodov mô e by s íslicovou as ou senzoru prepojené optickým

vláknom. Uvedená situácia nastane napr. vtedy ak je sníma senzoru vystavený

extrémnym podmienkam (teplota, tlak, agresivita), alebo nie je mo né sníma vyrobi

mikroelektronickou technológiou. Ak rozdelíme truktúru inteligentného senzoru na

vstupnú, vnútornú a výstupnú as , mô eme definova po iadavky na inteligenciu takto:

1. vstupná as : prevod meranej veli iny na elektrickú, zosilnenie a filtrácia

signálu, linearizácia statickej charakteristiky, normovanie signálu, prepínanie

viacero vstupných veli ín, ochrana proti ne iadúcemu pôsobeniu parazitných

veli ín a pod.

2. vnútorná as : analógovo- íslicový prevod, autokalibrácia elektrickej a pokia je

to mo né i neelektrickej asti meracieho re azca, íslicová linearizácia,

aritmetické operácie, autodiagnostika, tatistické vyhodnocovanie meraných dát

(stredná hodnota, smerodatná odchýlka a pod.), prostredníctvom rozhrania

dia kovo ovládané rozsahy (respektíve zosilnenie), registrácia medzivýsledkov a

po umelú inteligenciu, kedy senzor na základe modelu a u iacich sa princípov je

schopný napr. rozozna , i sú namerané dáta dôveryhodné a pod.

3. výstupná as : unifikácia analógových výstupných signálov, komunikácia

prostredníctvom integrovaného rozhrania so zbernicovým systémom, íslicovo

analógový prevod a pod.


________________________________________________________________________

29

3.4.2 Rozdelenie senzorov pod a inteligencie

Pod a inteligencie mô eme senzory rozdelil na:

1. Senzory bez vlastnej inteligencie ( v al om texte ozna ované ako senzory NIQ )

2. Senzory s nízkou inteligenciou (v al om texte ozna ované ako senzory LIQ )

3. Senzory s vysokou inteligenciou (v al om texte ozna ované ako senzory HIQ )

Obr. 3.3 Logická truktúra inteligencie senzora pod a integrovaných funk ných blokov

Zna ná as be ných senzorov bez inteligencie (NIQ) alebo s nízkou inteligenciou

(LIQ) sa pri automatizovanom spracovávaní dát pripojuje prostredníctvom tzv.

inteligentného senzorového modulu. Tieto moduly vytvárajú pri prepojení senzorov

NIQ a LIQ funk ný ekvivalent inteligentných senzorov HIQ na najvy ej úrovni.

Inteligentné senzorové moduly majú spravidla viacero prepínate ných vstupov,

programovate né zosilnenie a sú vybavené komunika ným rozhraním.


________________________________________________________________________

30

3.5 Automatizované spracovávanie dát v senzorovej technike

Architektúra meracích re azcov od najjednoduch ích senzorov po najdokonalej ie

musí sp po iadavku spo ahlivého prenosu dát pre hierarchické spracovanie dát.

Obr. 3.4 Centralizovaný systém pripojenia senzorov a meracích re azcov

Nevýhodou usporiadania znázorneného na obrázku 3.4 je jednosmerný tok

informácie, nemo nos signály vopred spracova , nastavova parametre senzorov

a podobne.

Medzinárodným trendom je digitalizova signál bu priamo v inteligentnom

senzore, alebo v inteligentnom module a prenos dát realizova prostredníctvom

tandardizovaných obojsmerných rozhraní (obrázok 3.5).

Obr. 3.5 Decentralizovaná truktúra s distribuovanou inteligenciou

(IS- inteligentný senzor, P- po íta )


________________________________________________________________________

31

Prepojenie inteligentných senzorov cez obojsmerné rozhranie umo uje

usporiadanie decentralizovaného systému s distribuovanou inteligenciou t.j. usporiadanie

so vzájomnou komunikáciou medzi v etkými lenmi pripojenými k zbernici.

3.6 Technické parametre senzorov

Technické parametre senzorov sú uverejnené v katalógu výrobcu, ktorý garantuje

tieto parametre. Typické parametre charakterizujúce základné statické a dynamické

vlastnosti senzorov mo no zhrnú do nasledujúceho preh adu:

statické parametre

a) citlivos

b) prah citlivosti

c) dynamický rozsah

d) reprodukovate nos

e) rozlí ite nos

f) aditívne a multiplikatívne chyby

g) linearita

h) parametre výstupu

dynamické parametre

a) parametre asovej odozvy

b) asová kon tanta

c) írka frekven ného pásma

d) frekven ný rozsah

e) rýchlos íslicového prenosu

f) parametre umu

Poznámka: Tieto základné statické a dynamické vlastnosti sú definované presnými

matematickými vz ahmi a predpismi na ich meranie. Táto problematika je podrobne

popísaná v [1].


________________________________________________________________________

32

3.7 Preh ad a rozdelenie senzorov vhodných na pou itie v cestných

vozidlách

Na úvod je treba si uvedomi , e elektronika pou ívaná v cestných vozidlách musí

sp najprísnej ie kritériá z h adiska bezpe nosti. Bezporuchová innos v etkých

elektronických zariadení bezpe nostnej výbavy automobilu musí by zaru ená v rozsahu

pracovných teplôt od – 40°C do + 125°C. alej musí by odolná vo i rôznym typom

mechanických otrasov, vlhkosti, pra nosti a vplyvu agresívnych látok pou ívaných

v automobiloch. Tieto zlo ité pracovné podmienky kladú vysoké nároky aj na senzory

a sníma e fyzikálnych veli ín pou ívané v automobiloch. Preto musíme pri výbere

vhodných senzorov bra do úvahy nielen statické a dynamické vlastnosti senzora ale

najmä schopnos spo ahlivo fungova v týchto podmienkach. alej je treba bra do

úvahy legislatívne po iadavky na prepravu rôznych druhov nákladu a pod a platných

predpisov zabezpe potrebné opatrenia a merania vlastností prepravovaného nákladu

(úniky jedovatých a výbu ných látok, kodlivé iarenia a pod.). Touto problematikou sa

zaoberá Európska dohoda o medzinárodnej cestnej preprave nebezpe ných vecí

(nazývaná ADR) platná od 1. januára 2005 a záväzná pre v etky lenské táty EÚ. Jej

plné znenie je mo né si stiahnu z internetovej stránky Ministerstva dopravy pô t

a telekomunikácií Slovenskej republiky [13].

Prudký rozvoj cestnej dopravy kladie vysoké nároky nielen na bezpe nostné prvky

vozidla ale aj na bezpe nos prepravovaného nákladu a posádky. al í stupe zvý enia

bezpe nosti cestnej dopravy je mo nos nepretr ite monitorova a lokalizova vozidlá

prepravujúce cenný alebo nebezpe ný náklad pomocou lokaliza ných slu ieb pozemných

alebo satelitných rádiokomunika ných systémov.

Na splnenie uvedených cie ov je nutné pou senzory, rozdelené do troch kategórií:

1. Senzory monitorujúce stav vozidla - Do tejto kategórie patria senzory, ktoré

monitorujú dôle ité funkcie vozidla a informujú o stave meranej sústavy centrálnu

po íta ovú jednotku.


________________________________________________________________________

33

2. Senzory monitorujúce náklad – Sem patria senzory, ktoré sledujú dôle ité

vlastnosti nákladu z h adiska bezpe nosti (nebezpe né výpary, úrove kodlivého

iarenia a pod.). Konkrétne typy budú závisie od prepravovaného nákladu

a po iadaviek ADR.

3. Senzory pre identifikáciu a kontrolu stavu posádky – Táto kategória senzorov je

odli ná od predchádzajúcich dvoch kategórií a to najmä v tom, e ide o senzory

ktoré snímajú a sledujú správanie ivého organizmu ( loveka) a rozhodujú

o oprávnenosti a spôsobilosti konkrétneho jedinca manipulova s vozidlom

a nákladom.

Poznámka: Jeden a ten istý senzor (napr. senzor teploty) mô e by zaradený do ka dej

z horeuvedených kategórií. Zále í na jeho konkrétnom pou ití.

3.7.1 Senzory monitorujúce stav vozidla

Táto kategória v sebe zah a aj senzory, ktoré sa do vozidla montujú u pri jeho

výrobe, a sú sú as ou pôvodného senzorového systému ka dého moderného vozidla

(osobného aj nákladného). Ich pou itie je nevyhnutné pre správne fungovanie vozidla

a sú primárnymi zdrojmi informácií pre palubní po íta . Ich po et závisí najmä od triedy

vozidla a roku výroby.

Obr. 3.6 Základné funkcie realizované pou itím senzorov pôvodnej senzorovej siete

V sú asnosti vyrábané vozidlá v etkých tried pou ívajú senzory, pomocou ktorých

doká u realizova minimálne funkcie nazna ené na obrázku 3.6. Komunikácia s riadiacou

jednotkou je realizovaná preva ne zbernicou CAN.


________________________________________________________________________

34

Mô eme teda kon tatova , e monitorovanie stavu vozidla je do zna nej miery vo

etkých vozidlách u realizované výrobcom. Nami navrhovaným senzorovým systémom

mô eme jestvujúce senzory monitorujúce stav vozidla iba doplni alebo roz íri . Nie je

mo né pou existujúcu zbernicu CAN na pripájanie iných zariadení, ne aké montuje

výrobca, preto e by mohlo dôjs k zlyhaniu dôle itých funkcií systému. Je v ak mo né

prepoji existujúcu zbernicu CAN s nami navrhovanou zbernicou pomocou CAN mosta

(CAN bridge), a tak získa dáta zo senzorov pôvodného senzorového systému bez

naru enia pôvodného zapojenia. Takéto rie enie nám u etrí nielen mnoho senzorov ale

zbaví nás aj problémov s ich montá ou.

Typickým príkladom ako roz íri senzory monitorujúce stav

vozidla je pou itie senzorového modulu monitorujúceho tlak

a teplotu pneumatík. Takýto senzor s integrovanou

elektronikou je umiestnený priamo do pneumatiky a napájaný

vlastnou batériou, ktorej ivotnos je dlh ia ako ivotnos

pneumatiky (obrázok 3.7 v avo). Komunikácia je realizovaná

rádiovo, pri om prijíma je umiestnený v blízkosti pneumaiky

(kvôli krátkemu dosahu vysiela a) a pripojený priamo na

zbernicu CAN. Takýto modul je komer ne dostupný a vyrába ho napríklad firma Robert

Bosch pod ozna ením SMD 400.

3.7.2 Senzory monitorujúce náklad

Do tejto skupiny senzorov je mo né zaradi úplne v etky sníma e elektrických aj

neelektrických fyzikálnych veli ín, ktoré sú schopné spolahlivo pracova v podmienkach

popísaných v úvode tejto kapitoly. Nie je mo né uvies v etky senzory, ktoré sa

pou ívajú na ú el sledovania stavu prepravovaného nákladu, preto e ich pou itie závisí

od konkrétneho typu nákladu a aj od legislatívnych po iadaviek. Av ak je mo né popísa

postup pri pecifikovaní konkrétneho typu senzoru.

Najkôr je treba zisti aká veli ina má by meraná, jej mo ný rozsah merania

a po adovaná presnos . alej treba ur najvhodnej iu metódu merania danej veli iny

a nakoniec spôsob prepojenia s inteligentným senzorovým modulom. Pri výbere senzora

nesmieme zabudnú na hodnotu jeho napájacieho napätia a prúdový odber.


________________________________________________________________________

35

Hodnota napájacieho napätia by nemala presiahnu +12V a prúdový odber 100

mA (preto e na napájanie uzlov zbernice bude pou itý napájací zdroj s maximálnym

napätím +12V popísaný v kapitole 5.6). Preh ad senzorov vhodných na monitorovanie

nákladu je uvedený v prílohe íslo 2.

3.7.3 Senzory pre identifikáciu a kontrolu stavu posádky

Senzory na identifikáciu posádky vyu ívajú metódy na identifikáciu osôb.

Existujú rôzne metódy identifikácie osôb, ktoré je vo v eobecnosti mo né rozdeli do

dvoch skupín:

1. Nebiometrické metódy identifikácie – Tieto metódy identifikácie vyu ívajú

ulo ené informácie, ktorými sa daný u ívate preukazuje. Do tejto kategórie

zara ujeme identifikáciu:

- zadaním hesla alebo íselného kódu

- karty s magnetickým pruhom

- ipové kontaktné a bezkontaktné karty

2. Biometrické metódy identifikácie – Tieto metódy vyu ívajú jedine né fyzikálne

vlastnosti udských bytostí ako prostriedok na identifikáciu. Táto kategória zah a

pä základných typov biometrických technológií :

- snímanie otla ku dlane alebo prstu

- optické snímanie sietnice alebo dúhovky oka

- snímanie tváre

- rozpoznávanie hlasového profilu

- overovanie podpisu


________________________________________________________________________

36

Kontrola stavu posádky po as jazdy mô e by realizovaná rôznymi spôsobmi,

ktoré sa od seba lí ia najmä v tom, i posádku tvorí jeden lovek alebo viac udí. Medzi

najbe nej ie metódy kontroly stavu posádky patria:

- tla idlo bdelosti

- snímanie dotyku rúk vodi a s volantom

- volania z doh adového centra

- monitorovanie srdcového pulzu vodi a

Po preskúmaní v etkých dostupných technológií pre identifikáciu osôb sa ako

najvhodnej ia metóda identifikácie posádky javí metóda snímania otla ku prstu. Táto

biometrická metóda je vysoko spo ahlivá a v sú asnosti aj cenovo výhodná. Ke e vodi

vozidla bude musie by vybavený USB Flash diskom, ve mi vhodným rie ením je

pou USB Flash disk so vstavaným sníma om otla ku prstu. Takéto disky vyrába

napríklad spolo nos PRETEC pod ozna ením i-Disk Touch.

PRETEC i-Disk Touch je univerzálny biometrický bezpe nostný USB disk

vyvinutý pre ukladanie zdie anie a prenos dát. Systém snímania otla ku prstu umo uje

kódovanie/dekódovanie súborov, bezpe ný a rýchly prístup k palubnému po íta u a

mnoho al ích bezpe nostných aplikácií. Zabezpe enie otla kom prstu umo uje prístup

k dátam iba autorizovaným u ívate om (maximálne 10-tim).

Obr. 3.8 PRETEC i-Disk Touch


________________________________________________________________________

37

Vlastnosti USB Flash disku PRETEC i-Disk Touch:

– USB 2.0 rozhranie

– Kapacita disku: 265MB a 4GB

– Senzor otla ku prstu: otla ok sa naskenuje ahaním prstu cez senzor

– Skenovací priestor: 9,6 x 0,8 mm

– Pravdepodobnos akceptovania nesprávneho otla ku < 0,001%

– Pravdepodobnos odmietnutia autorizovaného otla ku < 1,0% (v prípade

odmietnutia otla ku, je mo né pou zadané heslo)

– Nie je nutné externé napájanie

– Rozmery: 76,4 x 19,4 x 10,2 mm

– Hmotnos : 10g

al ím dostupným rie ením snímania otla ku prstu je pou itie samostatného

sníma a pripojeného ku USB portu centrálnej po íta ovej jednotky vozidla káblom.

Takýto senzor ponúka napríklad spolo nos American Power Conversion pod ozna ením

APC Biometric Password Manager (obrázok 3.9).

Obr. 3.9 APC Biometric Password Manager

Rie enie vychádza zo pi kovej patentovanej technológie na snímanie otla kov

prstov TruePrint. Táto technológia sníma otla ok prstu pod povrchom ko e na „ ivej

vrstve“ teda na skuto nom otla ku prstu. Na TruePrint preto nemá vplyv be ný stav

povrchu ko e, vrátane suchej, odretej, stvrdnutej, pinavej alebo mastnej ko e, ktorý u

iných senzorov mô e ovplyvni schopnos získa presný otla ok prstu pre identifikáciu

ívate a. TruePrint je zatia jediná technológia pre snímanie otla kov prstov, ktorá

doká e zosníma otla ok kohoko vek prakticky za akýchko vek podmienok.


________________________________________________________________________

38

Pre kontrolu posádky po as jazdy musí by vybratá metóda s oh adom na

bezpe nos a pohodlie posádky, teda taká metóda pomocou ktorej je mo né monitorova

stav posádky automaticky bez zbyto ného rozpty ovania pozornosti vodi a (tla idlo

bdelosti nie je vhodné). Pre tento ú el je bezpochyby najvhodnej ia metóda

monitorovania stavu posádky bezdrôtovým snímaním srdcového tepu. Sníma srdcového

tepu umiestnený na zápästí (náramok) alebo hrudi vodi a musí by schopný komunikova

s centrálnym palubným po íta om bezdrôtovou technológiou napríklad BlueTooth, RFID

alebo DWT. Je mo né pou prístroje ur ené pre portovcov pre kontrolu tepu po as

tréningu.

Príkladom takéhoto prístroja je Garmin Forerunner 301 (obrázok 3.10). Prístroj je

ur ený na pripnutie na ruku a má tvar vä ích náramkových hodín. Jeho sú as ou je

hrudný pás, ur ený na snímanie srdcového tepu. Ten je vybavený vlastnou batériou a so

základným prístrojom komunikuje kódovaným prenosom DWT. Výhodou je ve ký a

preh adný displej, ktorý sa ahko íta a slú i aj ako hodinky.

Obr. 3.10 Prístroj na meranie srdcového tepu Garmin Forerunner 301

Prístroj je napájaný vstavaným akumulátorom s výdr ou 10 a 14 hodín. Nabíja sa

bu sie ovým adaptérom, alebo cez port USB. Okrem toho prístroj slú i aj ako prijíma

GPS na presnú navigáciu. Pomocou pribaleného softvéru mo no analyzova záznamy,

vzorkovanie srdcového tepu je zhruba raz za 10 sekúnd. Výhodná je mo nos exportu

nameraných dát do formátu XML.


________________________________________________________________________

39

Obr. 3.11 Prenos údajov medzi Forerunner 301 a PC

Aj ke je prístroj Garmin Forerunner 301 ur ený na úplne inú funkciu

(monitoring tréningu portovca), je mo né ho pou aj do aplikácie sledovania stavu

posádky, preto e disponuje USB rozhraním a doká e bezdrôtovo sníma srde ný tep.

Naviac mô e posádke slú aj ako hodinky a dokonca GPS navigácia.

4 Definovanie rozhrania medzi senzorom a zbernicou

4.1 Inteligentný senzorový modul

Ako u bolo uvedené v kapitole 3.4, inteligentný senzorový modul je elektronický

blok, ktorý slú i na pripojenie senzorov bez inteligencie (NIQ) alebo s nízkou

inteligenciou (LIQ) na komunika nú zbernicu, ím vytvára funk ný ekvivalent

inteligentných senzorov HIQ na najvy ej úrovni. Inteligentné senzorové moduly majú

spravidla viacero prepínate ných vstupov, programovate né zosilnenie a sú vybavené

komunika ným rozhraním.

4.2 Návrh inteligentného senzorového modulu pre zbernicu CAN Bus

Úlohou takéhoto modulu je pripojenie ubovolného senzora, sníma a prípadne

spína a ku komunika nej zbernici CAN Bus. Jeho bloková truktúra je na obrázku 4.1.


________________________________________________________________________

40

Obr.4.1 Inteligentný senzorový modul zbernice CAN Bus

CAN Transceiver – (Niekedy ozna ovaní tie ako CAN driver) Hlavnou úlohou tohto

bloku je konvertova digitálny signál vysielaný CAN Controllerom na signál

vhodný pre prenos cez fyzickú vrstvu zbernice CAN (krútený medený pár). Taktie

zabezpe uje spätnú konverziu signálov prijímaných zo zbernice na digitálny signál

vhodný pre CAN Controller. Jeho charakteristickou vlastnos ou je odolnos obvodu

vo i skratu na zbernici, nebezpe nému prepätiu a tie odolnos vo i ru eniu. Jeho

vstupný odpor ur uje maximálny po et uzlov zbernice. V praxi sa realizuje ako

samostatný integrovaný obvod.

CAN Controller – Tento blok plní funkciu CAN radi a, to znamená, e implementuje

CAN pecifikáciu 2.0A a/alebo 2.0 B a pod a tejto pecifikácie vysiela správy na

CAN zbernicu alebo ich z CAN zbernice prijíma. alej obsahuje vyrovnávacie

vysielacie a prijímacie pamäte (buffers) a masky filtrovania nechcených správ, ím

zna ne zni uje za enie mikroprocesora. Pre komunikáciu s mikroprocesorom

býva spravidla vybavený sériovým rozhraním ( RS 232, RS 485...).


________________________________________________________________________

41

V praxi sa realizuje bu ako samostatný integrovaný obvod (ozna ovaný ako

stand-alone CAN Controller), alebo je sú as ou mikroprocesora.

Mikroprocessor – Mikroprocesor je riadiacou jednotkou celého inteligentného

senzorového modulu a vykonáva v etky operácie ( merania, komunikácia, kalibrácia

a pod. ). S CAN Controllerom je spojený pomocou sériového rozhrania alebo má

CAN Controller integrovaný priamo na ipe.

Na popisovaný CAN Bus inteligentný senzorový modul mô eme priamo pripoji

senzory s nízkou inteligenciou (LIQ), to znamená také senzory, ktorých informácia

o meranej veli ine je u digitalizovaná a unifikovaná na logické úrovne vhodné pre

spracovanie na vstupnom porte mikroprocesora.

Senzory bez inteligencie (NIQ) je mo né pripoji na inteligentný senzorový modul

prostredníctvom analógovo- íslicového prevodníka, doplneného filtrom a vstupným

zosil ova om ako je to zrejmé z obrázku 4.2.

Obr. 4.2 Bloková schéma senzorovej jednotky

Ve mi vhodným rie ením je pou itie mikroprocesora s integrovaným A/D prevodníkom,

ím je realizácia analógovej vstupnej asti podstatne zjednonu ená.


________________________________________________________________________

42

5 Výber predspracujúceho procesora, CAN transceivera

a detailný návrh obvodov senzora

5.1 Kritériá výberu

V sú asnej dobe, ke je výpo tová technika roz írená do v etkých odvetví ivota

je sortiment vyrábaných procesorov ve mi iroký. Pre výber vhodného procesora do

konkrétnej aplikácie je nevyhnutná nielen detailná znalos danej aplikácie, ale aj znalos

íslicovej a procesorovej techniky. Kritériá výberu najvhodnej ieho procesora pre danú

aplikáciu sa primárne stanovujú z po iadaviek aplikácie na procesor. To znamená, e

vybraný procesor musí by schopný splni v etky po adované funkcie a tie disponova

takými parametrami (rýchlos , po et portov...), ktoré dovo ujú ladenie vyvíjanej

aplikácie, prípadne jej budúce roz írenie o nové funkcie. Za sekundárne kritériá výberu

procesora mô eme pova ova jeho schopnos pracova v ur itých prevádzkových

podmienkach, dostupnos na trhu a to nie len samotného procesora, ale aj vývojového

prostredia (vývojové dosky, simulátory, emulátory, kompilátory...) doporu ovaného

výrobcom procesora. al ím kritériom ovplyv ujúcim výber je bezpochyby cena

procesora a cena vývojového prostredia. Puzdro procesora mô e výber tie ovplyvni .

5.2 Výber procesora pre inteligentný senzorový modul

Primárne po iadavky na procesor inteligentného senzorového modulu:

- Integrovaný CAN radi

- Schopnos komunikova s ubovolným CAN transceiverom

- Spracováva dáta získané cez CAN transceiver zo zbernice CAN

- Vysiela dáta na zbernicu CAN pod a pecifikácie 2.0 A a/alebo B

- o najmen ia spotreba el. energie

Uvedené primárne po iadavky sú typické pre automobilové aplikácie a nie sú vôbec

ni ím neobvyklé. Pre tento ú el ponúka vä ina svetových výrobcov procesory vyvinuté

práve pre automobilový priemysel. Ich stru ný preh ad je uvedený v prílohe íslo 3.


________________________________________________________________________

43

Sekundárne po iadavky na procesor inteligentného senzorového modulu:

- Dostupnos procesora na tuzemskom trhu

- Dostupnos vývojového prostredia

- Cena procesora a cena vývojového prostredia

- Schopnos pracova v podmienkach cestných vozidiel

Po stanovení sekundárnych po iadaviek na procesor sa po et výrobcov zú il na pä

(Atmel, Freescale, Intel, Microchip, Philips). Z týchto výrobcov najlep ie obstála

spolo nos Microchip, ktorá ponúka procesory s integrovaným CAN radi om za dostupné

ceny a naviac ako jedna z mála poskytuje vývojové programové vybavenie k procesorom

zdarma. Z uvedených dôvodov bol ako najvhodnej í procesor pre inteligentný senzorový

modul vybratý procesor PIC18F2580 od spolo nosti Microchip, ktorý sp a v etky

uvedené po iadavky s rezervou. Tento procesor patrí do skupiny procesorov vyrábaných

nanoWatt technológiou, tak e jeho spotreba elektrickej energie je extrémne malá. al ou

výhodou tohto procesora je vstavaný bootloader, pomocou ktorého je mo né

technológiou In-circuid debug (ICD) cez dva piny procesor programova priamo

v zapojení. Tak e nie je nutné z dôvodu ladenia programu alebo preprogramovania

procesor zo zapojenia vy ahova a vklada do programátora.

Tabu ka 5.1 Charakteristické parametre procesora PIC18F2580

Po et pinov 28

Kapacita pamäte Flash 32 KBajtov

Kapacita pamäte SRAM 1536 Bajtov

Kapacita pamäte EEPROM 256 Bajtov

A/D prevodník 8 kanálový, 10 bitový

asova 8/16 -bitov 1/3

tandardná PWM 1

UART 1

SPI 1

I2C 1

ECAN 1

Púzdro 28SPDIP alebo 28SO alebo 28QFN


________________________________________________________________________

44

5.3 Výber CAN transceivera

Funkcia CAN transceivera bola podrobne vysvetlené v kapitole 4.2. Hlavnou

úlohou CAN transceivera je konvertova digitálny signál vysielaný CAN Controllerom na

signál vhodný pre prenos cez fyzickú vrstvu zbernice CAN. Taktie zabezpe uje spätnú

konverziu signálov prijímaných zo zbernice na digitálny signál vhodný pre CAN

Controller. Jeho vstupná impedancia ur uje maximálny po et uzlov zbernice. V praxi sa

realizuje ako samostatný integrovaný obvod.

Norma ISO 11898-2 pecifikuje po iadavky, ktoré musí ka dý CAN transceiver

sp . Tieto po iadavky sú zavedené na dosiahnutie odolnosti vo i ru eniu a ochrane

CAN uzlov proti ne iadúcim vplyvom. CAN transceiver musí by odolný vo i skratu na

zbernici a odolný vo i prepätiu na zbernici od -150V do +100V. alej norma ISO 11898

pecifikuje, e CAN transceiver musí by schopný pracova s bitovou rýchlos ou 1 Mb/s

pri d ke zbernice 40m. Pre dlh iu zbernicu musí by schopný fungova s ni ími

rýchlos ami stanovenými normou. Tieto rýchlosti sú odvodené z doby írenia signálu po

zbernici (Propagation delay).

Pri výbere vhodného CAN transceivera pre inteligentný senzorový modul, je

mo né postupova obdobne ako pri výbere procesora.

Primárne po iadavky na CAN transceiver inteligentného senzorového modulu:

- Implementácia fyzickej vrstvy pod a normy ISO11898-2

- Schopnos pracova vo vozidlách s 12V aj 24V palubnou sie ou

- Schopnos komunikova s vybraným procesorom

Dá sa poveda , e sekundárne po iadavky pre oba komponenty (procesor aj

transceiver) sú rovnaké.

etci výrobcovia uvedený prílohe 3, vyrábajú aj CAN transceivery, ktoré sa

navzájom lí ia len v detailoch. Ve mi vhodným rie ením výberu je pou itie CAN

transceivera od rovnakého výrobcu ako je vybraný procesor. Tým zaru íme dostupnos

oboch komponentov od jedného dodávate a. S toho dôvodu je ako transceiver

inteligentného senzorového modulu vybraný CAN transceiver MCP2551 vyrábaný

spolo nos ou Microchip.


________________________________________________________________________

45

Tabu ka 5.2 Porovnanie po iadaviek normy ISO 11898 s parametrami MCP2551

ISO11898-4 MCP2551Parameter

min max min max Jedn

otka

komentár

Jednosmerné napätie naCAN_H a CAN_L -3 +32 -40 +40 V lep ie ne ISO

11898Krátkodobé napätie na CAN_H

a CAN_L -150 +100 -250 +250 V lep ie ne ISO11898

Be né napätie na zbernici -2.0 +7.0 -12 +12 V lep ie ne ISO11898

Výstupné napätie stavurecessive +2.0 +3.0 +2.0 +3.0 V vyhovuje norme

ISO 11898Diferenciálne výstupné napätie

stavu recessive -500 +50 -500 +50 mV vyhovuje normeISO 11898

Diferenciálny vnútorný odpor 10 100 20 100 k vyhovuje normeISO 11898

Menovitý vstupný odpor 5.0 50 5.0 50 k vyhovuje normeISO 11898

Diferenciálne výstupné napätiestavu dominant +1.5 +3.0 +1.5 +3.0 V vyhovuje norme

ISO 11898Výstupné napätie stavu

dominant (CAN_H) +2.75 +4.50 +2.75 +4.50 V vyhovuje normeISO 11898

Výstupné napätie stavudominant (CAN_L) +0.50 +2.25 +0.50 +2.25 V vyhovuje norme

ISO 11898

Poznámka: Kompletná dokumentácia ako aj podrobný opis procesora PIC18F2580 a

CAN transceivera MCP2551 je vo ne prístupná na internetovej stránke [12].

5.4 Detailný návrh obvodov senzora

Pri návrhu obvodového zapojenia senzorovej jednotky je vhodné navrhnú takú

senzorovú jednotku (pozostávajúcu z inteligentného senzorového modulu a vstupnej

analógovej asti), ku ktorej by bolo mo né pripoji akýko vek senzor NIQ. Úlohou

vstupnej analógovej asti je previes závislos zmeny výstupnej veli iny senzora NIQ

(napr. zmenu induk nosti induk ného senzora) na analógový (prúdový alebo napä ový)

a unifikovaný (4mA a 20mA alebo 0V a 10V) signál. Takýto signál je po analógovo-

íslicovom prevode v A/D prevodníku privádzaný na vstup inteligentného senzorového

modulu (ISM) alebo priamo na analógový vstup procesora (ak ním daný procesor

disponuje).


________________________________________________________________________

46

Takéto rie enie nám umo ní pou rovnaký ISM pre v etky senzory a pod a typu

senzora (sníma a) bude modifikovaná len vstupná analógová as . Ve kou výhodou je

pou itie takých senzorov, ktoré u majú vstupnú analógovú as integrovanú a ich

výstupný signál je u unifikovaný, ím sa stávajú z poh adu inteligencie senzorami LIQ

(pozri rozdelenie senzorov pod a inteligencie kapitola 4.4) a je ich mo né pripája priamo

k analógovému vstupu procesora alebo A/D prevodníka.

Vychádzajúc z kapitoly 4, blokovej schémy obr. 4.2 a s pou itím procesora PIC

18F2580 je mo né senzorovú jednotku blokovo znázorni obrázkom 5.1:

Obr. 5.1 Bloková schéma senzorovej jednotky s procesorom PIC18F2580

Ke e procesor PIC18F2580 disponuje a ôsmymi vstavanými 10 bitovými (210 =

1024 kvantovacích hladín) A/D prevodníkmi, je zbyto né pou íva externé A/D

prevodníky (prípad a), b) obr. 5.1). Výhodnej ie, spo ahlivej ie a lacnej ie sú spôsoby

pripojenia c), d). obr. 5.1.

Pri meraní je dôle itá mo nos overenia správnosti a presnosti senzorom

prezentovanej hodnoty meranej veli iny. Pre tento ú el je najvhodnej ie pripoji

k jednému inteligentnému senzorovému modulu minimálne dva senzory, ktoré merajú tú

istú veli inu. Ich merania sa v procesore porovnajú (komparujú) a pod a zvolenej

maximálnej diferencie týchto meraní, procesor sám vyhodnotí, i je hodnota meranej

veli iny správna, alebo je jeden prípadne oba senzory po kodené (Obr. 5.2). Takýto stav

je cez zbernicu CAN hlásený centrálnej po íta ovej jednotke.


________________________________________________________________________

47

Obr. 5.2 Spôsob automatickej detekcie po kodenia senzora

5.5 Popis rie enia senzorovej jednotky

V prílohe 4 je vypracované obvodové rie enie senzorovej jednotky. Senzorová

jednotka je zlo ená z inteligentného senzorového modulu a vstupnej analógovej asti.

Ka dá z uvedených vstupných analógových astí má napä ový výstup s rozsahom 0V a

5V s ochrannou Zenerovou diódou, ktorý je privádzaný na analógový vstup procesora.

Inteligentný senzorový modul je univerzálny pre v etky typy senzorov. Jeho jadro

je tvorené mikroprocesorom PIC18F2580, ktorý je prostredníctvom CAN transceivera

MCP2551 pripojený ku CAN konektoru M12. Nastavenie ID konkrétnej senzorovej

jednotky je rie ené softvérovo. Zdroj referen ného napätia pre A/D prevodník, ako aj

samotný A/D prevodník sú integrovaný v procesore. Analógový vstup „analog2“ sa

pou ije len ak bude pou itá metóda automatickej detekcie po kodenia senzorov

znázornená na por. 5.2.

Vstupná analógová as je realizovaná opera nými zosil ova mi a je navrhnutá

pre konkrétny typ pou itého senzora. Ako príklad rie enia pre konkrétny senzor je

uvedené obvodové zapojenie vstupnej analógovej asti senzora tlaku MPX2100AP. Jedná

sa o senzor, ktorý meria absolútny tlak (tzn. vzh adom na vákuum). V schéme je uvedená

aj závislos výstupného napätia senzora MPX2100AP od tlaku. Ke e je senzor napájaný

napätím +5V (a nie +10V), bude jeho výstupné napätie v rozsahu 0mV a 20mV.


________________________________________________________________________

48

Pomocou vhodnej vo by odporu paralelne zapojených rezistorov RP2 je mo né

nastavi referen ný tlak, tzn. taký pri ktorom bude výstupné napätie obvodu rovné

zvolenej hodnote (napr. 1V). Ak tlak poklesne pod hodnotu referen ného tlaku, bude

výstupné napätie obvodu men ie ako zvolená hodnota, ak tlak naopak stúpne, výstupné

napätie bude narasta .

V sú asnosti je na trhu ve ké mno stvo senzorov, ktorých analógový výstup je

unifikovaný pod a medzinárodného tandardu. Takýto výstup mô e by bu napä ový

v rozsahu 0V a 10V alebo prúdový v rozsahu 4mA a 20 mA. Pou itie takýchto

senzorov do zna nej miery u ah uje a unifikuje realizáciu vstupnej analógovej asti. Pre

oba typy senzorov s unifikovaným analógovým výstupom je vypracované obvodové

zapojenie vstupnej analógovej asti.

5.6 Návrh centrálneho napájacieho zdroja senzorových jednotiek

Centrálny napájací zdroj senzorových jednotiek slú i ako zdroj elektrickej energie

pre jednotlivé aktívne prvky senzorových jednotiek a aktívnych senzorov. Pri jeho

realizácií musíme uva ova :

o Vstupné napätie a maximálny príkon zdroja

o Výstupné napätia a výstupné prúdy

o Galvanické oddelenie vstupnej asti zdroja

o Odolnos vo i skratu na ktoromko vek výstupe

o Odolnos vo i pracovnému prostrediu

5.6.1 Rie enie centrálneho napájacieho zdroja:

Vstupné napätie:

Vstupná as napájacieho zdroja bude pripojená k palubnej sieti vozidla, ktorej

napätie je bu +24V alebo +12V vo i kostre vozidla. Toto napätie sa v ak v praxi mô e

pohybova od +8V do 15V pre 12V-tovú palubnú sie a od +18V do 32V pre 24V-ovú

palubnú sie . Napájací zdroj by mal by univerzálne pou ite ný pre obe palubné siete.

Teda musí by schopný pracova pri vstupnom napätí od 8V do 32V.


________________________________________________________________________

49

Ur enie maximálneho výkonu zdroja:

Maximálny po et senzorových jednotiek pripojených ku zbernici CAN je

limitovaný vstupnou impedanciou CAN transceivera a pri pou ití CAN transceivera

MCP2551 je ich maximálny po et 112 [12]. Aj ke navrhovaná senzorová sie musí

by rekonfigurovate ná pre konkrétny typ nákladu, po et senzorových jednotiek celého

vozidla neprekro í po et 20.

Ka dá senzorová jednotka bude obsahova CAN transceiver MCP2551 a procesor

PIC18F2580, ktoréhých maximálna spotreba je 0,375W a 1W. alej musíme uva ova

spotrebu vstupnej analógovej asti (opera ných zosil ova ov) pri pou ití senzorov NIQ

alebo spotrebu aktívnych senzorov LIQ (s integrovanou vstupnou analógovou as ou).

Táto spotreba sa mô e lí pod a typu senzora a empiricky ju mô eme stanovi na 0,1W.

Ke e ka dá senzorová jednotka mô e obsahova dva senzory spotreba vstupnej asti

bude 0,2W. Ur enie spotreby jednej senzorovej jednotky:

0,375W + 1W + 0,2W = 1,575W

Pri maximálnom po te senzorových jednotiek 20 je celková maximálna spotreba:

20 x 1,575W = 31,5W

Ak uva ujeme ur itú výkonovú rezervu, stanovíme výkon napájacieho zdroja na 50W.

Ur enie výstupných napätí zdroja:

Ak uva ujeme, e procesor ako aj CAN transceiver pracujú s nesymetrickým

napájacím napätím +5V je nutné navrhnú zdroj disponujúci týmto napätím. Nie je v ak

vhodné aby zdroj +5V bol spolo ný pre celú zbernicu, preto e by toto napätie bolo

vplyvom úbytkov na zbernici nepresné. Preto ka dá senzorová jednotka obsahuje

integrovaný stabilizátor +5V, ktorý je napájaný z centrálneho zdroja. alej musíme bra

do úvahy, e niektoré aktívne senzory ako aj niektoré opera né zosil ova e vy adujú

symetrické napájanie. Z uvedených dôvodov je najvhodnej ie, aby centrálny zdroj

poskytoval výstupné napätie ± 12V. Ke e stabilizátory +5V budú napájané z vetvy

+12V a ich maximálna spotreba je: 20 x (1W + 0,375W) = 27,5W.

K vetve +12V musíme tie pripo íta polovicu spotreby vstupnej analógovej asti

senzorovej jednotky: 20 x 0,1W = 2W.

Teda výkon centrálneho napájacieho zdroja (aj s rezervou) bude rozlo ený na

vetvu +12V 80% výkonu o zodpovedá 40W a na vetvu -12V 20% výkonu o zodpovedá

10W.


________________________________________________________________________

50

Centrálny napájací zdroj bude ma tieto elektrické parametre:

- Vstupné napätie 8V a 32V

- Výkon 50W

- Výstupné napätie +12V/3,3A, -12V/0,9A

Stanovené elektrické parametre centrálneho napájacieho zdroja a tie po iadavka

na galvanické oddelenie vstupnej asti, odolnos vo i skratom a prostrediu sa dajú

dosiahnu len pou itím spínaného zdroja s transformátorom.

Obr. 5.3 Bloková schéma centrálneho napájacieho zdroja

5.7 Výber káblov, konektorov a ich zapojenie

Kabelá , ktorou bude realizovaná zbernica musí sp po iadavky na fyzické

médium uvedené v norme ISO 11898. Inými slovami, pou itý kábel musí obsahova

jeden krútený tienený STP prípadne netienený UTP pár vodi ov tvoriaci zbernicu CAN.

alej musí obsahova minimálne tri vodi e, po ktorých bude realizované napájanie

senzorových jednotiek. Tieto musia by dimenzované na maximálne napájacie prúdy teda

3,3A a 0,9A.


________________________________________________________________________

51

Obr. 5.4 Kabelá zbernice CAN

Ako je zrejmé z obrázku 5.4, jednotlivé senzorové jednotky budú ku zbernici

pripájané pomocou T - lenov alebo Y - lenov. Napájacie vodi e kábla prepájajúceho

senzorovú jednotku s T - lenom u mô u by dimenzované na prúdy jedinej senzorovej

jednotky (pribli ne 110 mA). Ka dý T - len a Y – len je vybavený tromi konektormi,

pomocou ktorých je zapojený do kabelá e a pripojený k jednej senzorovej jednotke. Pri

výbere konektorov je vhodné vybra rovnaký typ konektora pre v etky senzorové

jednotky a T - leny, ím zvý ime flexibilitu a rekonfigurovate nos zbernice. Centrálna

po íta ová jednotka má konektor na pripojenie ku zbernici CAN vstavaný a pod a neho

vyberieme protikus pripojený ku zbernici. Centrálny napájací zdroj mô e ma rovnaký

konektor ako senzorové jednotky, bude ma zapojené len napájacie kontakty konektora.

V tabu ke 5.4 sú uvedené komponenty na stavbu kabelá e zbernice CAN pou ívané

v priemyselných aplikáciách, ktoré sp ajú po iadavky na senzorovú zbernicu vozidla.

Uvedené sú komponenty s konektormi ozna ovanými ako „5-pin micro style connector“

alebo sa tie ozna ujú ako M12.

Pomocou komponentov uvedených v prílohe íslo 5 a vhodného kábla, mô e by

realizovaná kompletná kabelá zbernice CAN vrátane napájania senzorových jednotiek.

Ka dý s uvedených konektorov disponuje piatimi kontaktmi, o je dostato ný po et aj pre

napájanie. Zakon ovací rezistor bude zapojený na ka dom konci zbernice. Ka dá

senzorová jednotka bude pripájaná ku zbernici panelovou zástr kou umiestnenou na

svojom puzdre. Pasívny senzorový rozbo ova sa pou ije, ak sú v malej vzdialenosti od

seba umiestnené viaceré senzory.


________________________________________________________________________

52

6 Návrh truktúry komunika nej vety

Pre návrh komunika nej vety je nevyhnutné najskôr navrhnú komunika ný

protokol vy ích vrstiev (Higher Level Protocol). Ako bolo spomenuté v kapitole 3.1,

existuje nieko ko tandardizovaných HLP protokolov pre zbernicu CAN, ako je napr.

DeviceNet, OSEK, SDS, CANKingdom a CANopen. Ich nevýhodou je fakt, e sú príli

pecializované na ur itý typ aplikácií alebo naopak sú príli v eobecné. Preto si v drvivej

vä ine prípadov návrhári vytvoria vlastný HLP „ itý“ na mieru danej aplikácií. Pre návrh

HLP senzorovej siete zalo enej na zbernici CAN je dobrým rie ením vychádza

z niektorého zo tandardizovaných protokolov a z neho pou len tie funkcie a dátové

objekty, ktoré budú potrebné pre HLP senzorovej siete. Takéto rie enie zna ne u ah í

návrh HPL. Pri návrhu HLP senzorovej siete motorového vozidla je najvhodnej ie pou

komunika ný protokol vy ích vrstiev CANopen. Protokol CANopen umo uje

vývojárovi vyhnú sa rie eniu problémov pecifických pre zbernicu CAN, ako je

napríklad správne asovanie správ. Dosahuje sa to zavedením tandardných

komunika ných objektov.

6.1 CANopen

CANopen je vy í komunika ný protokol vytvorený na základe zbernice CAN.

Komunikácia prebieha na báze prená ania tzv. objektov. Objekt je základná komunika ná

jednotka prená ajúca dáta medzi zariadeniami komunikujúcimi protokolom CANopen.

Pod a svojho ur enia sa objekty delia do skupín. Z nich najdôle itej ie sú:

- Technologické objekty, tzv. PDO (Process Data Objects), ktoré prená ajú

informácie o technologických veli inách (merané veli iny). Ich d ka je 8

bajtov.

- Servisné objekty, tzv. SDO (Service Data Objects), ktoré prená ajú

servisné alebo konfigura né údaje (kon tanty, merací rozsah sníma a

a pod.). Ich d ka mô e by ubovo ne ve ká a v sieti majú nízku prioritu.


________________________________________________________________________

53

- Objekty pre správu siete, tzv. objekty NMT (Network Managment), ktoré

slú ia na konfigurovanie a riadenie prevádzky siete (hlásenie stavu

zariadenia, povel k novému spusteniu zariadenia a pod.). V sieti majú

najvy iu prioritu.

Organizácia CiA vydala pecifikáciu CiA DS 301, ktorá bola prijatá ako norma

EN 50325-4. Aplika ná vrstva CANopen a komunika ný profil pod a CiA DS 301

podporuje priamy prístup k parametrom zariadenia a prenos jeho asovo kritických

procesných dát. Sie ový mana ment CANopen výrazne zjednodu uje návrh riadiacich

systémov, poskytuje sie ové slu by NMT, asovú synchronizáciu procesov SYNC

a TIME STAMP, zabezpe enie prevádzky NODE/LIFE GUARDING, chybové hlásenie

EMERGENCY, prenos riadiacich dát PDO (Process Data Objects) a predov etkým

poskytuje mo nos rozsiahlych servisných nastavení prostredníctvom SDO (Servide Data

Objects). Komunikácia pri prenose SDO a objektov NMT prebieha v dy spôsobom

master-slave, tak e v sieti existuje iba jedno nadriadené zariadenie (master) a a 127

podriadených zariadení (slave). Na rozdiel od toho sa PDO prená ajú spôsobom zvaným

broadcast, tak e ka dé zariadenie zapojené v sieti má prístup ku v etkým hodnotám

technologických veli ín vysielaných na zbernicu.

6.1.1 Identifikátory protokolu CANopen

Ka dému komunika nému objektu (správe zbernice CAN) je priradený jeden

alebo viac identifikátorov, ktoré implicitne definujú jeho prioritu na zbernici. Priradenie

identifikátorov jednotlivým komunika ným objektom je jednou zo zásadných otázok pri

návrhu systému. K u ah eniu návrhu jednoduchých sietí definuje protokol CANopen

východiskové hodnoty identifikátorov pre v etky povinné objekty (tabu ka 6.1). Tieto

hodnoty sa inicializujú v predprevádzkovom stave (pre-operational) a ak je to nutné, je

ich mo né alej dynamicky modifikova .


________________________________________________________________________

54

Tabu ka 6.1 Zoznam povinných objektov s identifikátormi protokolu CANopenSúbor preddefinovaných broadcast objektov protokolu CANopen

ObjektPriorita objektu

(ID bity 10-7)

COB – ID

(Priorita + Node-ID)

Index v slovníku

objektov

NMT Module Control 0000 000h –

SYNC 0001 080h 1005h, 1006h, 1007h,

Time Stamp 0010 100h 1012h, 1013h

Súbor preddefinovaných peer-to-peer objektov protokolu CANopen

Objekt Priorita objektu

(ID bity 10-7)

COB – ID

(Priorita + Node-ID)

Index v slovníku

objektov

Núdzový (Emergency) 0001 081h – 0FFh 1024h, 1015h

PDO 1 (vysielanie) 0011 181h – 1FFh 1800h

PDO 1 (príjem) 0100 201h – 27Fh 1400h


PDO 2 (príjem) 0110 301h – 37Fh 1401h


PDO 3 (príjem) 1000 401h – 47Fh 1402h


PDO 4 (príjem) 1010 501h – 57Fh 1403h

SDO (vysielanie/server) 1011 581h – 5FFh 1200h

SDO (príjem/klient) 1100 601h – 5FFh 1200h

NMT riadenie chýb 1110 701h – 77Fh 1016h, 1017h

Protokol CANopen definuje v etky komunika né objekty spolu s nevyhnutnými

informáciami o vlastnostiach a funk ných schopnostiach jednotlivých zariadení.

Komunika né objekty sú zaradené v tzv. slovníku objektov (Object Dictionary) (tabu ka

6.2), ulo enom v zariadení, ktoré je sú as ou siete a slú i ako rozhranie medzi samotným

zariadením a aplika ným programom. V etky komunika né objekty príslu ného

zariadenia (údaje pecifické pre aplikáciu a konfigura né parametre) sú v slovníku

objektov popísané predpísaným spôsobom v pevne stanovenom formáte. truktúra

a obsah slovníka objektov príslu ného danému zariadeniu sú obvykle pecifikované v tzv.

súbore EDS (Electronic Data Sheet). Jedná sa o textový súbor podobný súboru Windows

INI.


________________________________________________________________________

55

Ka dý komunika ný objekt je dostupný prostredníctvom SDO (Service Data

Objects) pomocou 16 bitového indexu, v prípade objektov typu pole (array) a záznam

(record) doplneného 8 bitovým subindexom. V etky komunika né objekty prítomné vo

etkých zariadeniach v sieti, sú pod tým istým indexom ulo ené v slovníku objektov. To

isté platí aj pre v etky komunika né objekty tvoriace tzv. tandardný profil zariadenia.

Slovník objektov obsahuje tie rezervované indexy ur ené k umiestneniu pecifických

informácií poskytované výrobcom daného typu zariadenia.

Zariadenia pou ívajúce na komunikáciu protokol CANopen sa rozde ujú do rôznych

profilov. Profil je súbor objektov povinne podporovaných v slovníku objektov, vrátane

hodnôt indexov a subindexov, na ktorých sú ulo ené. Táto vlastnos zaru uje, e

zariadenia rovnakého profilu mô u bez problémov spolupracova v jednej sieti, preto e

sú v nich vopred definované zodpovedajúce objekty. Kompatibilné profily tie zaru ujú,

e nedochádza ku kolízií pou ívaných identifikátorov správ CAN.

Tabu ka 6.2 Slovník objektovCANopen slovník objektov

Index Objekt

0000 nepou ité

0001 – 001F Statické dátové typy (napr. Boolean, Integer...)

0020 – 005FKomplexné dátové typy (preddefinované truktúry zlo ené zo tandardných dátových

typov napr. PDOCommPar, SDOParameter)

0040 – 005F Výrobcom pecifikované komplexné dátové typy

0060 – 007F Statické dátové typy pecifikované profilom zariadenia

0080 – 009F Komplexné dátové typy pecifikované profilom zariadenia

00A0 – 0FFF rezervované

1000 – 1FFFPriestor komunika ného profilu (napr. Typ zariadenia, Error register, po et

podporovaných POD)

2000 – 5FFFPriestor peciálneho profilu zariadenia: roz írený súbor objektov zadaný výrobcom

zariadenia

6000 – 9FFFPriestor tandardného profilu zariadenia: definuje funkcie spolo né v etkým

zariadeniam komunikujúcim protokolom CANopen

A000 - FFFF rezervované


________________________________________________________________________

56

6.1.2 Identifikátor zariadenia

Zariadenia pracujúce pod a protokolu CANopen mô u pou íva len identifikátory

zodpovedajúce komunika ným objektom podporovaných protokolom. Implicitná schéma

priradenia identifikátorov má funk nú as (Function code), ur ujúcu prioritu objektu

a as ozna enú ako identifikátor zariadenia (Node-ID), ktorá umo uje rozli ova medzi

dvoma zariadeniami plniacimi rovnakú funkciu. Nastavenie identifikátora zariadenia sa

obvykle realizuje hardwarovým prepína om. Rozsah Node-ID je 1 a 127. V prípade

nulovej hodnoty Node-ID je správa adresovaná v etkým uzlom (All-Node-ID).

Identifikátor jednotlivých komunika ných objektov je ozna ovaný skratkou COB-ID

(Communication Object ID) a pre 11 bitový CAN identifikátor ( tandardný formát CAN

rámca) má tvar zobrazený na obrázku 6.1.

Obr. 6.1 Identifikátor komunika ných objektov protokolu CANopen

6.1.3 Objekty sie ových slu ieb (NMT Objects)

Objekty NMT poskytujú prostriedky pre riadenie stavu podriadených zariadení

v sieti CAN. Objekt NMT je prená aný jedným rámcom CAN. Správa má v aka

nulovému identifikátoru najvy iu prioritu. Správa sa skladá z dvoch bajtov, z nich prvý

ozna ený ako CS (Command Specifier) teda pecifikátor príkazu, obsahuje príkaz a druhý

bajt jednozna nú identifikáciu uzla pod a Node-ID. Objekt NMT vyslaný správcom siete

(NMT master) nastaví uzly v sieti do po adovaného stavu.

COB - ID bajt 0 bajt 1

0x000 CS identifikátor uzla

Obr. 6.2 Riadiaci objekt sie ových slu ieb

Stavový model zariadení komunikujúcich protokolom CANopen obsahuje tieto stavy:

- Inicializáciu (Initialization)

- Predprevádzkový stav (Pre-operational)

- Prevádzkový stav (Operational)

- Zastavené (Stopped)


________________________________________________________________________

57

Tabu ka 6.3 pecifikátor príkazu riadiacich slu ieb NMTpecifikátor

príkazuSlu ba NMT

1 tart vzdialeného uzla

1 Stop vzdialeného uzla

128 Spusti pred prevádzkový stav

129 Inicializácia uzla

130 Inicializácia komunikácie

Ka dé zariadenie je po zapnutí v stave inicializácie (signalizovanom správou

Boot-up), z ktorého automaticky prechádza do predprevádzkového stavu. V tomto stave

je u mo né prená SDO. Akonáhle riadiace zariadenie prepne vyslaním objektu NMT

dané zariadenie do prevádzkového stavu, mô e toto zariadenie za vysiela správy

PDO. V stave Stopped nie je mo ná iná komunikácia ne prenos správ typu NMT. Aby

bolo mo né inicializova uzol ako celok alebo iba jeho funkcie, má stav inicializácie tri

podstavy. Sú to: inicializácia aplikácie (Reset_Application), inicializácia komunikácie

(Reset_kommunication) a inicializácia zariadenia (Initialization Status). V podstave

Reset_Application sa nastavujú implicitné hodnoty parametrov ur ené výrobcom

a tandardné parametre pre zariadenie danej triedy. Pri Reset_Communication sa

nastavujú východiskové hodnoty parametrov komunikácie. Do tretieho podstavu

(Initialization Status) prechádza zariadenie automaticky po zapnutí alebo inicializácií

komunikácie alebo aplikácie. Pri zapnutí zariadenia sa v etky jeho parametre nastavujú na

naposledy ulo ené hodnoty. Po ukon ení inicializácie vy le zariadenie správu Boot-up

Object, ktorou riadiacemu zariadeniu oznamuje, e pre lo do predprevádzkového stavu.

Takto sa postupuje nielen po zapnutí zariadenia, ale aj pri náhodnom výpadku napájania

po as chodu. Správca siete sa tak dozvie, e zariadenie bolo prechodne mimo prevádzky

a mô e overi , i po as tejto doby nebola stratená iadna správa. Správa Boot-up Object

má rovnaký identifikátor ako správa Node/Life-guarding Object alebo Heardbeat Object,

na rozdiel od nich v ak neobsahuje iadne dáta.

Funkcie reprezentované objektmi Heardbeat Object a Node/Life-guarding Object

slú ia na odha ovanie chýb a na signalizáciu prítomnosti a stavu jednotlivých zariadení

v sieti.


________________________________________________________________________

58

6.1.4 Objekt zabezpe enia prevádzky (Node/Life Guarding Object)

Pomocou tohto komunika ného objektu nadriadené zariadenie (Master)

periodicky monitoruje prítomnos a stav podriadených zariadení (Slave) zasielaním

iadosti o dáta podriadeným zariadeniam s cie om zisti , i sú aktívne. Podriadené

zariadenie odpovedá správou, ktorá obsahuje informáciu o jeho stave a doplnkový bit

(toggle), meniaci svoju hodnotu pri ka dej iadosti. Doplnkový bit umo uje zisti , i

prijatá odpove je odpove ou na aktuálnu iados . Taktie podriadené zariadenie mô e

robi kontrolnú innos riadiaceho zariadenia (Life Guarding) s vyu itím pravidelnosti

iadosti o dáta Node Guarding Object. Ak podriadené zariadenie neobdr í túto iados

o dáta po uplynutí ur itej doby, oznámi túto okolnos nadriadenému aplika nému

programu, ktorý na u mô e zareagova .

Tabu ka 6.4 Stav zariadeniaStav Význam

0 Boot-up

3 alebo 127 Pred prevádzkový stav

4 Zastavený

5 Prevádzkový stav

COB - ID Bajt 0

0x700 + identifikátor uzla bit 7: toggle, bit 6-0: stav zariadenia

Obr. 6.3 Objekt zabezpe enia prevádzky

Správa Heardbeat Object je periodická správa, ktorú zariadenie o sebe poskytuje

jednému alebo viacerým uzlom v sieti, e je v innosti a správne funguje. V ka dom

zariadení musí by implementovaná funkcia Heardbeat alebo Node/Life-guarding.

6.1.5 Objekt synchronizácie (SYNC Object)

Táto správa slú i pre synchronizáciu merania a zasielanie vstupných veli ín uzlov.

Základné taktovanie siete zais uje SYNC Object, periodicky vysielaný jedným zo

zariadení pripojených na zbernicu. Perióda vysielania tejto správy je definovaná

v slovníku objektov (Communication Cycle Period Object). Pri vysielaní objektu SYNC

mô e dôjs k jeho oneskoreniu v dôsledku prítomnosti iných objektov s identifikátormi

s vy ou prioritou v sieti. Objekt SYNC sa skladá z jedného rámca s identifikátorom 128.


________________________________________________________________________

59

6.1.6 Objekt asová zna ka (Time Stamp Object)

asová zna ka je objekt poskytujúci zariadeniam informáciu o aktuálnom dátume

a ase. Správa má d ku 6 bajtov a obsahuje po et milisekúnd od polnoci a po et dní od

1. januára 1984. asové zna ky sú vysielané jedným zo zariadení a neodpovedá sa na ne.

asovú zna ku tvorí jeden rámec CAN s identifikátorom 256 a s po om dát dlhým 6

bajtov.COB – ID Bajt 0 – 5

0x100 unsigned28 [ms od polnoci] + unsigned16 [de od 1.1.1984]

Obr. 6.4 Formát asovej zna ky

6.1.7 Núdzový objekt (Emergency Object)

Správa je vysielaná v prípade vzniku záva nej chyby v zariadení. Ide o správu,

ktorá mô e by zariadením vysielaná iba raz za celú dobu výskytu chyby. Nie je

potvrdzovaná, tak e nie je rozhodujúce ko ko zariadení ju prijme. Protokol CANopen

definuje chybové kódy, ktoré mô u by vysielané v núdzových objektoch. Núdzový

objekt sa skladá v dy s jedného CAN rámca s ôsmymi bajtmi dát. V aka nízkej hodnote

COB-ID má správa vysokú prioritu. Informácia o chybách je ulo ená v chybovom registri

(0x1001). Správa obsahuje rezervovanú oblas pre roz írenú pecifikáciu chyby.

COB - ID Bajty 0 a 1 Bajt 2 Bajty 3 a 7

0x080 + Node ID Núdzový chybový kódChybový register

(objekt 0x1001)

Výrobcom pecifikované chybové

pole

Obr. 6.5 Formát objektu Emergency

Tabu ka 6.5 Bitová mapa chybového hlásenia z chybového registra (0x1001)Bit Typ chyby

0 v eobecná

1 prúd

2 napätie

3 teplota

4 komunikácia

5 pecifická profilom zariadenia

6 rezervované ( = 0 )

7 definovaná výrobcom


________________________________________________________________________

60

6.1.8 Objekty POD

Správy POD (Process Data Objects) prená ajú technologické dáta a sú prená ané

v jednom CAN rámci s vyu itím v etkých ôsmich bajtov v poli dát. Ka dý POD musí

ma unikátny identifikátor CAN a mô e by vysielaný iba jedným uzlom siete, pri om

prijatý mô e by ubovo ným po tom zariadení. Vysielanie správy s POD mô e by

inicializované vnútornou udalos ou, vnútorným asova om, po iadavkami

inicializovanými inými zariadeniami v sieti alebo prijatím synchroniza nej správy.

COB - ID Bajt 0 Bajt 1 Bajt 2

0x280 + Node ID 8 bitový digitálny vstupLSB bajt 16 bitového

analógového vstup

MSB bajt 16 bitového

analógového vstupu

Obr. 6.6 Formát objektov POD

6.1.9 Objekty SDO

Servisné objekty (Service Data Object – SDO) umo ujú íta a zapisova

jednotlivé polo ky slovníka objektov. Protokol pre prenos SDO dovo uje prená

objekty ubovo nej d ky. Ak je objekt dlh í ne 4 bajty, je rozdelený do nieko kých

CAN správ nazývaných segmenty alebo skupina CAN správ nazývaných bloky. Prvý bajt

prvého segmentu obsahuje bity nevyhnutné pre komunikáciu a o etrenie chýb rámca

SDO. Nasledujúce 3 bajty obsahujú index a subindex polo ky slovníka objektov, ktorá je

ítaná alebo zapisovaná. Ostávajúce 4 bajty sú k dispozícií pre prenos u ívate ských dát.

Bajt 0 Bajty 1 a 2 Bajt 3 Bajty 4 a 7

SDO pecifikátor

príkazuIndex objektu Subindex objektu ívate ské dáta

Obr. 6.7 Formát prvého segmentu objektu SDO

Druhý a al ie segmenty (správy CAN s rovnakým identifikátorom) obsahujú

jeden bajt riadiaci komunikáciu, nasledovaný 1 a 7 bajtami u ívate ských dát. Príjemca

segmentu alebo bloku segmentov musí jeho príjem signalizova odpove ou, tak e

komunikácia SDO je potvrdzovaná, typu peer-to-peer (rovný s rovným).Bajt 0 Bajty 1 a 7

SDO pecifikátor príkazu 1 a 7 bajtov dát ( segmentovaný prenos)

Obr. 6.8 Formát druhého a al ích segmentov objektu SDO


________________________________________________________________________

61

6.2 Návrh protokolu aplika nej vrstvy senzorovej siete

Okrem povinných objektov uvedených v tabu ke 6.1 budú pre komunikáciu medzi

senzorovými jednotkami a centrálnym palubným po íta om pou ité komunika né objekty

uvedené v tabu ke 6.6.

Ak palubný po íta po aduje informácie zo senzorovej jednotky, resp. ak

konfiguruje senzorovú jednotku, vy le na zbernicu komunika ný objekt typu SDO.

Ak senzorová jednotka vysiela údaje do palubného po íta a pou íva na tento ú el

objekty typu PDO.

Tabu ka 6.6 Objekty komunika ného protokolu senzorovej siete

Komunika nýobjekt Popis

SDO_CONFIG iados o vyslanie konfigura ných parametrov senzorovejjednotky

SDO_STATUS iados o vyslanie stavových parametrov senzorovej jednotky

SDO_DATA iados o vyslanie hodnoty veli iny meranej senzorovoujednotkou

PDO_CONFIG Vyslanie konfigura ných parametrov senzorovej jednotky naiados palubného po íta a

PDO_STATUS Vyslanie stavových parametrov senzorovej jednotky na iadospalubného po íta a

PDO_DATA Vyslanie hodnoty veli iny meranej senzorovou jednotkou naiados palubného po íta a

PDO_ALARMVyslanie poplachovej správy senzorovou jednotkou do palubnéhopo íta a pri dosiahnutí kritickej hodnoty meranej veli iny, alebopri poruche senzorovej jednotky

SDO_SET_CONFIG Prenos konfigura ných parametrov senzorovej jednotky prikonfigurácii zariadenia z palubného po íta a

PDO_ACK Vyslanie potvrdenia prijatia komunika ného objektuSDO_SET_CONFIG senzorovou jednotkou

Dátové truktúry jednotlivých komunika ných objektov sú definované v prílohe 6.


________________________________________________________________________

62

6.3 Programové vybavenie procesora senzorovej jednotky

6.3.1 V eobecná truktúra firmvéru

Ke e jadrom ka dej senzorovej jednotky je mikroprocesor (PIC18F2580), je

zrejmé, e je potrebné definova jeho programové vybavenie - firmvér, vykonávaním

ktorého sa riadi innos celej senzorovej jednotky. V eobecnú truktúru algoritmu

firmvéru ukazuje vývojový diagram na obrázku 1 v prílohe 7.

Beh programu za ína po zapnutí napájania, prípadne po vykonaní príkazu

„RESET“ inicializáciou mikroprocesora. Nasleduje automatický test funk nosti

senzorovej jednotky. Výsledky testu sú spolu s ostatnými údajmi odoslané do palubného

po íta a vozidla.

V prípade, e je senzorová jednotka v poriadku, mikroprocesor prejde do stavu

akania na príkaz z palubného po íta a. Po prijatí príkazu, dôjde k overeniu i je príkaz

platný a následne je vykonaná akcia, ktorú príkaz po aduje napr. meranie snímanej

veli iny a odoslanie výsledku merania. V prípade, e senzorová jednotka vykazuje

v niektorom z testov chybu, senzorová jednotka opä odo le stavové a identifika né údaje

do palubného po íta a a prejde do stavu akania na príkaz z palubného po íta a. Jediný

príkaz na ktorý je senzorová jednotka schopná reagova je príkaz „RESET“.

6.3.2 Inicializácia

Vývojový diagram na obrázku 2 v prílohe 7 popisuje postupnos krokov, ktoré je

potrebné vykona na to aby senzorová jednotka bola po pripojení napájacieho napätia

prípadne po vykonaní príkazu „RESET“ uvedená do plne funk ného stavu a pripravená

vykonáva definované príkazy vysielané z palubného po íta a.

V jednotlivých krokoch treba vykona nasledovné úlohy:

• Definova vstupy, výstupy a ich stav na jednotlivých portoch mikrokontroléra

• Inicializova A/D prevodník

• Inicializova radi rozhrania CAN

• Inicializova subsystém preru ení

• Na íta konfigura né a kalibra né údaje z pamäte kon tánt.


________________________________________________________________________

63

6.3.3 Automatický test funk nosti

Automatický test funk nosti senzorovej jednotky sa skladá z dvoch astí, a to z

testu funk nosti CPU a testu funk nosti senzorových elementov.

Algoritmus testu funk nosti predstavuje vývojový diagram na obrázku 3 v prílohe 7.

Výsledky testov sú uchované ako logické hodnoty nasledujúcich návestí:

ROM_OK - výsledok testu neporu enosti obsahu pamäte programu

EEP_OK - výsledok testu neporu enosti obsahu konfigura nej pamäte

CPU_OK - výsledok testu funk nosti CPU

SENS_OK - výsledok testu senzorových elementov

UNIT_OK - výsledok testu senzorovej jednotky

Test funk nosti CPU pozostáva z nasledovných krokov:

Výpo et kontrolnej sumy obsahu pamäte programu a jeho porovnanie

s definovanou hodnotou. Kontrolná suma je vypo ítaná ako sú et modulo 2 obsahu

etkých pamä ových lokácií a na poslednú, na ktorej sa nachádza hodnota kontrolnej

sumy vypo ítaná v priebehu kompilácie zdrojových textov firmvéru. Výsledok s ítania

modulo 2 sa následne porovná s hodnotou ulo enou na poslednej pamä ovej lokácií.

Výsledok testu sa pova uje za kladný ak sa obe hodnoty rovnajú, a za záporný ak sa obe

hodnoty nerovnajú. Logická hodnota návestia ROM_OK sa nastaví pod a výsledku

predchádzajúceho testu. Hodnota TRUE zodpovedá kladnému výsledku testu.

Výpo et kontrolnej sumy pamäte konfigura ných kon tánt typu EEPROM:

Kontrolná suma je opä vypo ítaná ako sú et modulo 2 obsahu v etkých pamä ových

lokácií a na poslednú, na ktorej sa nachádza hodnota kontrolnej sumy vypo ítaná

v priebehu kompilácie zdrojových textov firmvéru, prípadne vypo ítaná samotným

firmvérom pri ukladaní zmien konfigurácie. Výsledok testu sa pova uje za kladný, ak sa

obe hodnoty rovnajú a za záporný, ak sa obe hodnoty nerovnajú.

Logická hodnota návestia EEP_OK sa nastaví pod a výsledku predchádzajúceho

testu. Hodnota TRUE zodpovedá kladnému výsledku testu.

Logická hodnota návestia CPU_OK sa nastaví pod a logických hodnôt návestí

ROM_OK a EEP_OK.

Pre logickú hodnotu návesti CPU_OK platí: CPU_OK = ROM_OK & EEP_OK

Po vykonaní testu funk nosti CPU nasleduje test funk nosti senzorových elementov.


________________________________________________________________________

64

7 Záver

Cie om diplomovej práce bolo o najkomplexnej ie analyzova problematiku

v oblasti zbernicových systémov cestných vozidiel a navrhnú najvhodnej ie rie enie pre

realizáciu senzorovej siete, prostredníctvom ktorej budú komunikova senzorové

jednotky s centrálnym palubným po íta om a informova ho o stave meranej veli iny.

Takýto senzorový systém nájde uplatnenie v ade tam, kde je treba nepret ite

monitorova stav nákladu, vozidla ale aj posádky. Ide hlavne o prepravu nebezpe ných

nákladov, cenných predmetov a pe azí. Predpokladom efektívnej kontroly takýchto

vozidiel je pou itie palubného po íta a s implementovaným telekomunika ným

satelitným modulom alebo GSM modulom, pomocou ktorého bude mo ná nepretr itá

komunikácia z doh adového alebo logistického centra. Pou itím GPS modulu bude

naviac mo ná aj presná lokalizácia vozidla.

Ke e obdobné projekty sú v sú asnosti vyvíjané na celom svete, je nutné za

pracova na medzinárodnom tadnarde, ktorý bude definova komunika né vrstvy

senzorovej siete. Základom takéhoto tandardu by mohla by zbernica CAN-Bus a jej

protokol aplika nej vrstvy CANopen, ktorý je u medzinárodne tandardizovaný

organizáciou CiA.

Tie si treba uvedomi , e senzory musia by montované u pri výrobe vozidla,

z oho výplýva nutnos spolupráce s výrobcami automobilov.

Bez medzinárodnej koordinácie, za lenenia iných paralelne vyvíjaných projektov

a úzkej spolupráce s výrobcami automobilov nie je mo né vyvíjané projekty úspe ne

aplikova do vozidiel a zefektívni tak cestnú prepravu.


________________________________________________________________________

65

Zoznam pou itej literatúry

[1] o, S., Kreidl, M.: Senzory a m icí obvody, u ebný text, vydavate stvo VUT

Praha, 1996, ISBN 80-01-01500-9.

[2] Zehnula, K.: idla robot , SNTL – vydavate stvo technickej literatúry, Praha,

1990, ISBN 80-03-00563-9.

[3] ápová, K., áp, I.: Senzory v biomedicínskom in inierstve, u ebný text, EDIS

vydavate stvo ilinskej univerzity v iline, 1999, ISBN 80-7100-647-5.

[4] Siemens, Sensor technology, BERO-Sensorik für die Automatisierung, katalóg

senzorov pre automatizáciu, 2004.

[5] CAN in Automation, CAN specification 2.0, Part B, Am Weichselgarten 26, D-

91058 Erlangen

[6] Safe-by-Wire Plus, Automotive Safety Restraints Bus Specification Version 2.0,

2004

[7] CAN in Autonation (CiA), Cabling and connector pin assignment, Version 1.3,

Draft Recommendation 303-1, 2004

[8] Berwanger, J., Peller, M., Griessbach, R.: Byteflight - A New High-Performance

Data Bus System for Safety-Related Applications, Development Safety Systems

Electronics, BMW AG, Munich, Germany

[9] Lacko, .: Inteligentné systémy moderného automobilu, lánok asopisu PC

SPACE, íslo 2/2004.

[10] Lacko, .: Po íta ový systém moderného automobilu - Zbernica CAN a jej

vyu itie, lánok asopisu PC REVUE, íslo 7/2005.

[11] ISO-11898, Road Vehicles - Interchange of Digital Information, InternationalOrganization for Standardization.


________________________________________________________________________

66

Internet

[12] http://www.microchip.com

[13] http://www.telecom.gov.sk/index/go.php?id=1210

[14] http://www.turck.cz

[15] http://www.can-cia.org/

[16] http://www.canbus.us/

[17] http://www.kvaser.se

[18] http://www.semiconductors.philips.com/products/automotive/#CAN

[19] http://www.interfacebus.com/Design_Connector_Automotive.html

[20] http://www.byteflight.com/homepage.htm

[21] http://www.mjschofield.com/canworks.htm

[22] http://www.elektrorevue.cz/clanky/04012/

[23] http://www.elektrorevue.cz/clanky/03021/

[24] http://www.ceda.cz

[25] http://www.pp2can.wz.cz

[26] http://www.elbas.cz

[27] http://www.atmel.com/

[28] http://www.ti.com

[29] http://www.automotivedesignline.com/

[30] http://fieldbus.feld.cvut.cz/can/

[31] http://www.intrepidcs.com/vspy3/index.htm

[32] http://www.gemssensors.com/

[33] http://content.honeywell.com/sensing/solutions/markets/aobmrkt/index.stm

[34] http://alcor.sro.cz/c01fram.html

[35] http://www.smartec.nl/

[36] http://www.semiconductors.bosch.de/en/20/sensors/sensormodules.asp

[37] http://www.sensorsweb.com/car_sensors

http://www.microchip.com

http://www.telecom.gov.sk/index/go.php?id=1210

http://www.turck.cz

http://www.can-cia.org/

http://www.canbus.us/

http://www.kvaser.se

http://www.semiconductors.philips.com/products/automotive/#CAN

http://www.interfacebus.com/Design_Connector_Automotive.html

http://www.byteflight.com/homepage.htm

http://www.mjschofield.com/canworks.htm

http://www.elektrorevue.cz/clanky/04012/

http://www.elektrorevue.cz/clanky/03021/

http://www.ceda.cz

http://www.pp2can.wz.cz

http://www.elbas.cz

http://www.atmel.com/

http://www.ti.com

http://www.automotivedesignline.com/

http://fieldbus.feld.cvut.cz/can/

http://www.intrepidcs.com/vspy3/index.htm

http://www.gemssensors.com/

http://content.honeywell.com/sensing/solutions/markets/aobmrkt/index.stm

http://alcor.sro.cz/c01fram.html

http://www.smartec.nl/

http://www.semiconductors.bosch.de/en/20/sensors/sensormodules.asp

http://www.sensorsweb.com/car_sensors


________________________________________________________________________

67

ESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, e som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Martinom Vaculíkom, PhD.

a pou íval som len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapo aním diplomovej práce.

V iline d a ..................................

podpis diplomanta


________________________________________________________________________

68

PO AKOVANIE

Touto cestou by som sa chcel po akova v etkým, ktorí mi pri tvorbe diplomovej

práce pomohli. Pánovi doc. Ing. Martinovi Vaculíkovi, PhD. akujem za cenné rady,

poskytnutie túdijného materiálu a jeho ochotu pomôc pri vypracovvaní tejto práce.

Takisto moja ve ká v aka smeruje k pánovi Ing. Martinovi Vestenickému za jeho cenné

rady. Moja v aka patrí aj rodi om a ich podpore môjho túdia.

ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINEElektrotechnická fakultaKatedra telekomunikácií

INFORMA NÁ SIE VOZIDLA(Prílohová as )

Andrej KA OVSKÝ

2006

Zoznam príloh

PRÍLOHA 1 ...............................................................................Protokol zbernice CAN

PRÍLOHA 2 ...............................................Preh ad senzorov na monitorovanie nákladu

PRÍLOHA 3 ...................................Preh ad výrobcov mikroprocesorov s CAN radi om

PRÍLOHA 4 .................................................. Obvodové rie enie senzorových jednotiek

PRÍLOHA 5 ..........................................Komponenty na stavbu kabelá e zbernice CAN

PRÍLOHA 6 .......... truktúra protokolových objektov aplika nej vrstvy senzorovej siete

PRÍLOHA 7 .................................. Vývojové diagramy firmvéru senzorových jednotiek

ilinská univerzita v iline Diplomová prácaKatedra telekomunikácií Prílohová as––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 1 z 18

PRÍLOHA 1: Protokol zbernice CAN

V sú asnosti platná verzia pecifikácia protokolu CAN (CAN Bus Specification

Version 2.0) vydaná firmou Robert BOSCH sa delí na dve asti:

• as A (Part A) : popisuje formát správy protokolu CAN ako bol definovaný

v CAN pecifikácií 1.2

• as B (Part B) : Zavádza pojem tandardný a roz írený formát správy, ktoré sa

navzájom lí ia v d ke identifikátora správy (11 bitov– tandardný, 29 bitov -

roz írený

pecifikácia protokolu CAN verzia 2.0 je medzinárodne normalizovaná normou

ISO 11898. [11]

Norma ISO 11898 pozostáva zo tyroch astí:

• ISO/DIS 11898 as 1. : Definuje CAN protokol, vrstvu dátového spoja a fyzickú

vrstvu

• ISO/DIS 11898 as 2. : pecifikuje vysoko rýchlostnú fyzickú vrstvu (bez

chybovej tolerancie) zbernice CAN - BUS

• ISO/CD 11898 as 3. : Popisuje nízko rýchlostnú fyzickú vrstvu (s chybovou

toleranciou) zbernice CAN - BUS

• ISO/CD 11898 as 4. : pecifikuje asovo spú aný komunika ný protokol pre

zbernicu CAN – BUS (Time-Triggered CAN protocol).

Okrem uvedenej pecifikácie sú v sú asnosti tandardizované aj niektoré protokoly

vy ích vrstiev (Higher Layer Protocol- alej len HLP) zbernice CAN:

• ISO 17356: HLP OSEK pre automobilové aplikácie.

• EN 50325-4: HLP CANopen aplika ná vrstva a komunika né profily

• EN 50325-2: HLP DeviceNet ur ený pre priemyselnú automatizáciu

• EN 50325-3: HLP SDS (Smart Distributed Systems)


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 2 z 18

Pod a vzoru referen ného modelu pre prepojovanie otvorených systémov ISO/OSI

je HLP implementovaný nad vrstvu dátového spoja, ktorá je v súlade so pecifikáciou

CAN 2.0A a/alebo 2.0B) a fyzickou vrstvou (ktorá je pecifikovaná v norme ISO 11898).

Protokol CAN je rozdelený do troch vrstiev pod a referen ného modelu ISO/OSI:

• Vrstva dátového spoja (Data Link Layer)

- Podvrstva riadenia logického spojenia (Logical Link Control sublayer)

- Podvrstva riadenia prístupu na médium (Medium Access Control sublayer)

• Fyzická vrstva

Obr. 1 Referen ný model OSI a vrstvy zbernice CAN-BUS

Poznámka: Vo verzii CAN pecifikácie 2.0 as A (CAN specification 2.0 part A) boli

slu by a funkcie podvrstiev LLC a MAC popísané vo vrstvách ozna ených ako vrstva

objektov a transportná vrstva. Pre zaistenie transparentnosti návrhu a flexibility

implementácie je v CAN pecifikácií as B (CAN specification part B) pou ité rozdelenie

CAN protokolu do troch rozdielnych vrstiev pod a referen ného modelu ISO/OSI.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 3 z 18

CAN protokol má nasledovné vlastnosti:

• prioritizáciu správ

• garantovanie oneskorenia

• konfigurácia flexibility

• vysielanie a príjem s asovou synchronizáciou

• systém irokej dátovej neporu enosti

• mo nos multi-master

• detekciu chýb a chybovú signalizáciu

• automatické znovuvyslanie po kodenej správy hne ako je zbernica opä vo ná

• rozdiel medzi do asnými chybami a permanentnými zlyhaniami uzlov

a samostatné vypínanie po kodených uzlov.

CAN fyzická vrstva

Úlohou fyzickej vrstvy je vlastný prenos jednotlivých bitov medzi jednotlivými

uzlami s re pektovaním v etkých elektrických vlastností. Vo vnútri jednej siete má

fyzická vrstva rovnaké parametre pre v etky uzly, av ak je mo né zvoli si jej parametre

tak, aby o najlep ie vyhovovali danej aplikácií.

Bitové kódovanie

Pre zbernicu CAN bolo zvolené bitové kódovanie kódom bez návratu k nule

(Non-Return-to-Zero), pre ktorý je charakteristické, e úrove signálu zostáva kon tantná

po as trvania jedného bitu a tak je nutný iba jeden asový slot na reprezentáciu bitu.

Pou itie kódovania NRZ zaru uje celistvos dát s minimálnymi odrazmi a vysokú

odolnos vo i vonkaj iemu ru eniu. V prípade, e za sebou nasleduje viac bitov rovnakej

logickej úrovne (napr. 1 1 1 ) zostáva úrove signálu kon tantná celý as trvania týchto

bitov. Preto je nutné zavies mechanizmus sledovania maximálneho prípustného intervalu

trvania jednej logickej úrovne. Toto je dôle ité aj pre synchronizáciu. Pre tento ú el bol

zavedení mechanizmus dop ania bitov (Bit Stuffing), ktorý dop a komplementárny bit

(bit opa nej logickej úrovne), v dy po piatich po sebe idúcich bitoch rovnakej logickej

úrovne. Na strane prijíma a sa vlo ený bit opä „vytiahne“ a tak sa získa pôvodný signál.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 4 z 18

Obr. 2 Porovnanie kódu NRZ s Manchester kódom

Obr. 3 Bitové dop anie (Bit Stuffing)

asovanie bitov a synchronizácia

Protokol CAN pou íva asynchrónny spôsob prenosu správ, riadených tart a stop

bitmi na za iatku a konci ka dého rámca. Dáta sú odovzdávané z vysiela a do prijíma a

v dátových rámcoch.

Na úrovni bitov (fyzická vrstva) pou íva protokol CAN synchronizovaný prenos

bitov. Tým sa zvý i prenosová kapacita a ako bude uvedené alej, dokonalá metóda

synchronizácie bitov je nutná.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 5 z 18

Zatia o bitová synchronizácia pri asynchrónnom prenose je vykonávaná prijatím

tartovacieho bitu, ktorý je dostupný s ka dým znakom, synchrónny prenosový protokol

má k dispozícií iba jeden tartovací bit dostupný na za iatku rámca.

Pre udr anie synchronizácie medzi uzlami po as prenosu správy sa pou ívajú

zmeny úrovne signálu na zbernici. Doba trvania jedného bitu sa delí na tyri asové

segmenty. Ka dý segment sa delí na asové kvantá. Po as trvania segmentu SYNC_SEG

sa o akáva hrana signálu. PROP_SEG slú i na kompenzáciu doby írenia signálu po

zbernici. PHASE_SEG1 a PHASE_SEG2, medzi ktorými sa nachádza vzorkovací bod

(Sample point) stavu zbernice, sa vyu íva na kompenzáciu fázových chýb na zbernici. Ak

je o akávaná hrana signálu mimo SYNC_SEG, mení sa ich d ka o programovate ný

po et asových kvánt. CAN protokol riadi prístup na zbernicu posudzovaním

jednotlivých bitov (Bit-wise arbitration).

as trvania jedného bitu je zlo ený zo tyroch astí:

• SYNC_SEG (Synchroniza ný segment) – táto as asu trvania bitu je pou itá na

synchronizáciu rôznych uzlov na zbernici.

• PROP_SEG (Segment doby írenia) – Tento segment slú i na kompenzáciu asu

írenia signálu po zbernici (od za iatku zbernice po jej koniec a spä ), taktie asu

potrebného pre vysielanie a príjem signálu zariadením.

• PHASE_SEG1 (Segment korekcie fázových chýb 1)

• PHASE_SEG2 (Segment korekcie fázových chýb 2)

Obr. 4 asové segmenty jedného bitu zbernice CAN


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 6 z 18

Nominálny as bitu: Za ideálnych podmienok ho mô eme ur ako 1/prenosová rýchlos

Vzorkovací bod (Sample point): je to asový okamih, kedy je uzlom ítaná úrove na

zbernici a interpretovaná ako logická úrove prená aného bitu.

asové kvantum (Time quantum): Je pevná asová jednotka získaná delením periódy

oscilátora. Delenie je realizované programovým deli om ako celo íselný podiel v rozsahu

1 a 32.

asové segmenty bitu mô u nadobúda tieto asové d ky:

• Synchroniza ný segment – je dlhý 1 asové kvantum

• Segment doby írenia – je programovo nastavite ný na d ku 1 a 8 asových

kvánt

• Segment korekcie fázových chýb 1 – je programovo nastavite ný na d ku 1 a 8

asových kvánt

• Segment korekcie fázových chýb 2 – je maximálne dlhý ako segment stavového

zásobníka 1

Celkový po et asových kvánt po as trvania jedného bitu mô e by programovo

stanovený v rozsahu celých ísel od 8 do 25.

Na zbernici CAN rozoznávame dva odli né typy synchronizácie:

• Tvrdá synchronizácia (Hard synchronization) na za iatku ka dého rámca

• Resynchronizácia (Resynchronization) po as trvania rámca

Po tvrdej synchronizácií je as bitu re tartovaný na koniec synchroniza ného

segmentu, preto e hrana, ktorá spôsobila tvrdú synchronizáciu, le í v synchroniza nom

segmente re tartovaného bitu.

Resynchronizácia skracuje alebo predl uje as trvania bitu a to tak, e vzorkovací bod je

posúvaný pod a detekovanej hrany.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 7 z 18

Vzájomná závislos prenosovej rýchlosti a d ky zbernice

Pre zbernicu CAN sú definované prenosové rýchlosti od 10 kb/s a po 1 Mb/s o

je zárove maximálna prenosová rýchlos zbernice CAN. V etky moduly musia

podporova prenosovú rýchlos 20 kb/s. D ka kábla závisí na pou ívanej prenosovej

rýchlosti. Maximálna d ka kábla je 1 km, 40 m s prenosovou rýchlos ou 1 Mb/s.

Spravidla v etky zariadenia v systéme pracujú so stálou a nemennou prenosovou

rýchlos ou.

Závislos maximálnej d ky zbernice pri danej prenosovej rýchlosti (alebo naopak

závislos maximálnej prenosovej rýchlosti na ur enej d ke zbernice) sa dá ur zo

segmentu doby írenia signálu.

Doba írenia signálu po zbernici sa ur uje dvoma uzlami zbernice, ktoré sú od

seba na zbernici najvzdialenej ie. Je to doba zlo ená s asu potrebného na prenos signálu

z jedného uzla do druhého, asu potrebného na vysielanie a príjem, synchronizáciu

a z asu potrebného na prenos signálu opä spä do vysielacieho uzla. Iba tak mô e prvý

uzol rozhodnú i je na zbernici úrove jeho vlastného signálu, alebo i zmenu úrovne na

zbernici spôsobil iný uzol.

Fyzické médium CAN zbernice

Protokol CAN definuje vlastné rozhranie k fyzickému prenosovému médiu

a v tomto smere sa odli uje od referen ného modelu ISO/OSI. Na druhej strane sú

vlastnosti fyzickej vrstvy ve kou prednos ou protokolu CAN. Základnou po iadavkou na

fyzické prenosové médium protokolu CAN je, aby realizovalo funkciu logického sú inu.

Za ú elom zvý enia rýchlosti a odolnosti proti ru eniu je ú elné, aby spoj bol symetrický.

Protokol CAN definuje dve navzájom komplementárne hodnoty bitov na zbernici:

Dominant a Recessive.

V podstate ide o akýsi zov eobecnený ekvivalent logických úrovní, ktorých

hodnoty nie sú ur ené a skuto ná reprezentácia zále í na konkrétnej realizácií fyzickej

vrstvy. Pravidlá pre stav na zbernici sú jednoduché a jednozna né. Ak vysielajú v etky

uzly zbernice recessive bit, tak je na zbernici úrove recessive. Ale ak vysiela aspo jeden

uzol dominant bit, je na zbernici úrove dominant.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 8 z 18

Príkladom mô e by zbernica budená hradlami s otvoreným kolektorom, kde

stavu dominant bude zodpoveda logická nula na zbernici a stavu recessive logická

jednotka. Ak je jeden tranzistor zopnutý, je na zbernici úrove logickej nuly (dominant)

a u nezále í na tom, i je alebo nie je zopnutý aj nejaký iný tranzistor. Pokia nie je

zopnutý iadny tranzistor, je na zbernici úrove logickej jednotky (recessive).

Obr. 5 Príklad realizácie fyzickej vrstvy protokolu CAN

Pre realizáciu fyzického prenosového média sa naj astej ie pou íva diferenciálna

zbernica definovaná pod a normy ISO 11898. Táto norma definuje elektrické vlastnosti

vysielacieho budi a a prijíma a, zárove princípy asovania, synchronizáciu a kódovanie

jednotlivých bitov. Zbernicu tvoria dva vodi e (ozna ované CAN_H a CAN_L), kde

dominant i recessive úrove na zbernici je definovaná rozdielom napätia medzi týmito

dvoma vodi mi.

Obr. 6 Logické úrovne na zbernici CAN

Pod a nominálnych úrovní uvedených v norme je pre úrove recessive ve kos

rozdielového napätia Vdiff = 0 V a pre úrove dominant Vdiff = 2 V.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 9 z 18

Obr. 7 Nominálne úrovne pod a normy ISO 11898

Pre elimináciu odrazov na vedení musí by zbernica na oboch koncoch zakon ená

zakon ovacími rezistormi s hodnotou odporu 120 . Jednotlivé zariadenia sú na zbernicu

pripojované pomocou konektorov (naj astej ie typu D-SUB).

Obr. 8 Pripojenie zariadení na zbernicu CAN


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 10 z 18

Ku zbernici mô e by teoreticky pripojený ubovolný po et uzlov, ale prakticky

s oh adom na za enie zbernice a zaistenie správnych statických a dynamických

parametrov je tento po et limitovaný a to najmä pou itým káblom a pou itým typom

transceiverov (vysiela ov/prijíma ov). Napríklad pri pou ití transceivera MCP 2551

(Microchip) je mo né na zbernicu CAN pripoji maximálne 112 uzlov s týmto

transceiverom. MCP 2551 má výstupnú impedanciu 20 k a je schopný pracova

s minimálnou zá ou 45 (medzi CAN_H a CAN_L). Tak e musí plati , e celková

vodivos v etkých uzlov plus vodivos zakon ovacích rezistorov musí by men ia ako

1/(45 ) . Ke e vodivos je prevrátená hodnota impedancie (Siemens = Ohm-1), mô eme

písa : (n/20 k ) + (2/120 ) (1/45 ). Po úprave dostaneme n 112 .

Pri návrhu fyzickej vrstvy zbernice CAN musíme bra do úvahy katalógové údaje

reálnych komponentov, ktoré budú v systéme pou ité a pou íva ich pri v etkých

výpo toch súvisiacich s fyzickou vrstvou .(D ka zbernice, maximálna kapacita zbernice,

minimálna impedancia, za enia a podobne).

Obr. 9 Model vstupnej asti CAN uzla

Linková vrstva protokolu CAN

Rovnako ako v referen nom modeli ISO/OSI aj v protokole CAN je linková

vrstva rozdelená na podvrstvu LLC a MAC.

Úlohou podvrstvy riadenia logického spojenia (LLC sublayer) je:

• Poskytova slu by pre prenos dát

• Rozhodova , ktoré prijaté správy od MAC podvrstvy majú by akceptované

• Poskytova podporu pre mana ment obnovy dát a hlásenia o pre ení siete


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 11 z 18

Podvrstva riadenia prístupu na médium (MAC sublayer) reprezentuje jadro CAN

protokolu. Jej úlohou je predov etkým prezentova správy prijaté od podvrstvy LLC

fyzickej vrstve a rozhodova o akceptácií správ prijatých od fyzickej vrstvy a ich

poskytnutie podvrstve LLC. MAC podvrstva je zodpovedná za riadenie rámcov,

posudzovanie potvrdenia prijímu, kontrolu chýb a signalizáciu chýb. Vo vnútri podvrstvy

MAC je rozhodnuté, i je zbernica vo ná pre nový prenos dát i naopak na ich príjem. Na

podvrstvu MAC dohliada entita mana mentu nazvaná chybové obmedzenie (Fault

Confinement), ktorá sama kontroluje zariadenie a rozli uje charakteristické krátke

poruchy od permanentných porúch. Z uvedeného vyplýva, e vzh adom k povahe

podvrstvy MAC tu nie je iadny priestor pre jej modifikáciu zo strany u ívate a.

Riadenie prístupu na prenosové médium a rie enie kolízií

Vzh adom na to, e sa jedná o sie typu multi-master, ka dý z ú astníkov mô e

zaháji vysielanie, akonáhle je pripravený a sie je v k udovom stave (Bus-Free). Platí tu

to isté pravidlo ako pri sie ach typu Ethernet, „kto za ne skôr ten vysiela“. Ostatný mô u

vysiela a potom, o je správa odvysielaná. Výnimku tvoria chybové rámce, ktoré sa

dajú vysiela okam ite po identifikovaní chyby ktorýmko vek ú astníkom.

Ak zaháji vysielanie sú asne nieko ko uzlov (ako je to nazna ené na obrázku 3.11),

prístup na zbernicu získa ten, ktorý priná a správu s vy ou prioritou (ni ím

identifikátorom). Identifikátor je uvedený na za iatku správy. Ka dý vysiela porovnáva

hodnotu práve vysielaného bitu s hodnotou na zbernici a ak zistí, e na zbernici je iná

hodnota ako vysiela (jedinou mo nos ou je, e vysiela vysiela recessive bit a na zbernici

je úrove dominant), okam ite preru í al ie vysielanie. Tým je zaistené, e správa

s vy ou prioritou bude odoslaná prednostne a e nedôjde k jej po kodeniu, o by malo za

následok opakovanie správy a zbyto né pred enie doby potrebnej k prenosu správy.

Uzol, ktorý nezískal pri kolízií prístup na zbernicu musí po ka pokia bude zbernica

opä v stave Bus-Free a potom správu vysla znovu.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 12 z 18

Obr. 10 Riadenie prístupu na zbernicu pod a priority

Zabezpe enie prená aných dát

Protokol CAN sa vyzna uje vysokou úrov ou zabezpe enia prená aných dát

preto, e implementuje pä nezávislých mechanizmov detekcie chýb:

Tri na úrovni správ:

1. Cyklický kontrolný sú et (Cyclic Redundancy Check),

2. Kontrola správy (Message Frame Check),

3. Kontrola potvrdenia príjmu (Acknowledgement Error Checks)

Dva na bitovej úrovni:

1. Sledovanie bitov (Bit monitoring)

2. Bitové dop anie (Bit stuffing)

Cyklický kontrolný sú et

CRC kód s d kou 15 bitov tvorí posledné pole vysielanej správy. Preto sa mô e

generova zo v etkých do tej doby odvysielaných bitov správy. Ako genera ný polynóm

je pou ití polynóm : x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1, ktorého koeficienty sú

generované MODULO 2. Ak je detekovaná chyba CRC ubovolným uzlom na zbernici,

je vygenerovaná správa o chybe CRC.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 13 z 18

Kontrola správy

Správa sa kontroluje pod a formátu uvedeného v pecifikácií a ak je na nejakej

pozícií bitu správy detekovaná nepovolená hodnota, je vygenerovaná správa o chybe

rámca (formátu správy).

Kontrola potvrdenia príjmu

Ak je správa v poriadku prijatá ubovolným uzlom, je to potvrdené zmenou

hodnoty jedného bitu správy (ACK bit). Vysiela v dy vysiela tento bit s úrov ou

recessive a ak detekuje úrove dominant, pri spätnom príjme, tak je v etko v poriadku.

Potvrdzovanie prijatia správy je realizované v etkými uzlami pripojenými k zbernici bez

oh adu na zapnuté i vypnuté filtrovanie správ (Acceptance Filtering).

Sledovanie bitov

Vysiela porovnáva vysielanú hodnotu bitu s úrov ou na zbernici. Ak sú obe

hodnoty rovnaké, vysiela pokra uje vo vysielaní. V prípade, e je na zbernici

detekovaná iná úrove ne zodpovedá vysielanému bitu a prebieha práve riadenie

prístupu na zbernicu (vysiela sa Arbitration Field), preru í sa vysielanie a prístup k médiu

získa uzol vysielajúci správu s vy ou prioritou. Pokia je rozdielnos vysielanej

a detekovanej úrovne zistená inde ne po as vysielania Arbitration Field a v potvrdení

prijatia správy (ACK Slot), je vygenerovaná správa o chybe bitu.

Bitové dop anie

Ak sa na zbernicu vysiela pä po sebe idúcich bitov rovnakej úrovne, je do správy

naviac vlo ený bit opa nej logickej úrovne. Toto rie enie slú i nie len na detekciu chýb,

ale tie na správne asové zosynchronizovanie prijíma ov jednotlivých uzlov. Ak je

detekovaná chyba vkladania bitov, je vygenerovaná správa o chybe vkladania bitov.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 14 z 18

Signalizácia chýb

Ka dý uzol má zabudované dve interné po ítadlá chýb udávajúce po et chýb pri

prijme a pri vysielaní. Pod a obsahu po ítadiel mô e uzol prechádza , o sa týka hlásenia

chýb a jeho aktivity na zbernici, medzi troma stavmi (aktívny, pasívny, odpojený). Ak

uzol generuje príli ve ké mno stvo chýb, je automaticky odpojený (prepnutý do stavu

Bus-Off). Z h adiska hlásenia chýb teda rozde ujeme uzly do nasledujúcich troch skupín:

• Aktívne (Error Active) – tieto uzly sa mô u aktívne zú ast ova komunikácie na

zbernici a v prípade, e detekujú ubovolnú chybu v práve prená anej správe

(chyba bitu, chyba CRC, chyba vkladania bitu, chyba rámca), vysielajú na

zbernicu aktívny príznak chyby (Active Error Flag). Aktívny príznak chyby je

tvorený iestimi po sebe idúcimi bitmi úrovne dominant, ím dôjde k po kodeniu

prená anej správy (poru í sa pravidlo vkladania bitov).

• Pasívne (Error Passive) – Tieto uzly sa tie zú ast ujú komunikácie na zbernici,

ale z h adiska hlásenia chýb, vysielajú iba pasívny príznak chyby (Passive Error

Flag). Ten je tvorený iestimi po sebe idúcimi bitmi úrovne recessive a tak

nedôjde k de trukcií práve vysielanej správy.

• Odpojené (Bus-Off) – Takéto uzly nemajú iadny vplyv na zbernicu, ich

výstupné budi e sú vypnuté.

Typy správ protokolu CAN

pecifikácia protokolu CAN definuje tyri typy správ. Prvé dve sa týkajú dátovej

komunikácie na zbernici. Je to konkrétne dátová správa, ktorá predstavuje základný prvok

komunikácie uzlov po zbernici a správa iadosti o dáta, ktorou uzol iada ostatných

astníkov na zbernici o zaslanie po adovaných dát. Dátová správa umo uje vysla na

zbernicu 0 a 8 dátových bajtov. Ak sa vysielajú jednoduché príkazy pre uzly (napríklad

príkazy typu zapni/vypni), nie je nutné prená iadne dátové bajty (význam príkazu je

daný identifikátorom správy). Tým sa skracuje doba potrebná na prenos správy a zárove

zvä uje priepustnos zbernice, obzvlá pri silnom za ení zbernice.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 15 z 18

Správa iadosti o dáta je vyslaná uzlom, ktorý po aduje zaslanie ur itých dát.

Odpove ou na túto po iadavku je odoslanie po adovaných dát uzlom, ktorý tieto dáta má

k dispozícií.

Posledné dva typy správ (chybová správa a správa o pre ení) slú ia k mana mentu

komunikácie po zbernici, konkrétne k signalizácií detekovaných chýb, eliminácií

chybových správ a vy iadanie pred enia v komunikácií.

Dátová správa (Data Frame)

Protokol CAN pou íva dva typy dátových správ. Prvý typ je definovaný CAN

pecifikáciou 2.0A a je ozna ovaný ako tandardný formát správy (Standard Data Frame),

zatia o CAN pecifikácia 2.0B definuje naviac roz írený formát správy (Extended Data

Frame). Jediný rozdiel medzi obidvoma formátmi je v d ke identifikátoru správy, ktorý

je 11 bitov pre tandardný formát a 29 bitov pre roz írený formát. Obidva typy správ

mô u by pou ívané na jednej zbernici, pokia je pou ívanými radi mi podporovaná

CAN pecifikácia 2.0B.

Vysielanie dátovej správy je mo né iba vtedy, ke je zbernica vo ná (Bus-Free).

Akonáhle uzol, ktorý má pripravenú správu na vysielanie, detekuje vo nú zbernicu,

za ína vysiela . i získa prístup na zbernicu alebo nie, zále í na mechanizme popísanom

vy ie.

Obr. 11 Dátová správa pod a CAN pecifikácie 2.0A

Význam jednotlivých astí dátovej správy pod a pecifikácie CAN 2.0A je nasledujúci:

• Za iatok správy (Start of Frame) – ozna uje za iatok dátového rámca

• Riadenie prístupu na zbernicu a identifikátor správy (Arbitration field) – stanovuje

prioritu dátového rámca a obsah správy


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 16 z 18

• RTR (Remote Request) – slú i na rozli ovanie i ide o dátovú správu (dominant)

alebo o správu iadosti o dáta (recessive)

• Riadiace pole (Control field) – obsahuje dva rezervované bity R0 a R1

a informácie o d ke dátovej správy

• Dátové pole (Data field) – v tomto poli sú prená ané informácie. Jeho d ka mô e

by 0 a 8 bajtov.

• po a kontrolného sú tu (CRC field) – slú i na zis ovanie chýb vzniknutých po as

prenosu pomocou cyklického redundantného kódu.

• Pole potvrdenie (ACK field) – Jeden bit signalizuje potvrdenie (ACK) a jeden bit

je oddelova (ACD). Prijíma pomocou tohto po a signalizuje vysiela u, e

správa bola úspe ne prijatá

• Koniec správy ( End of Frame) – Je definovaný ako 7 recessive bitov. Týmto

po om je dátový rámec ukon ený.

CAN pecifikácia 2.0B definuje dva formáty dátovej správy a to tandardný (Standard

Data Frame) a roz írený (Extended Data Frame)

tandardný formát správy: Je prevzatý z CAN pecifikácie 2.0A. Má d ku identifikátora

správy 11 bitov. Jediným rozdielom je vyu itie bitu R1 na indikáciu, i ide o rámec

tandardný alebo roz írený. Pod a CAN pecifikácie 2.0B sa tento bit ozna uje IDE

(Identifier Extended) a je dominant pre tandardný formát správy a recessive pre

roz írený formát správy. Z obrázku za iatku rámca je vidie , e riadenie prístupu na

zbernicu (priorita správy) je daná opä jedenástimi bitmi identifikátoru a hodnotou bitu

RTR (Remote Request).

Obr. 12 Za iatok tandardnej dátovej správy pod a pecifikácie 2.0B


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 17 z 18

Roz írený formát správy: Pou íva celkom 29 bitový identifikátor správy. Ten je

rozdelený do dvoch astí s d kami 11 bitov (rovnaký identifikátor je pou itý

v tandardnom formáte správy) a 18 bitov. Bit RTR (Remote Request) je tu nahradený

bitom SRR (Supstitute Remote Request), ktorý má v roz írenom formáte v dy hodnotu

recessive. Tým sa zabezpe í, aby pri vzájomnej kolízií tandardného a roz íreného

formátu správy na jednej zbernici s rovnakým 11 bitovým identifikátorom, získal

prednos tandardný rámec. Bit IDE (Identifier Extended) má v dy hodnotu recessive. Bit

(RTR) ur ujúci, i ide o dátovú správu alebo o správu iadosti o dáta je presunutý za

koniec druhej asti identifikátoru. Pre riadenie prístupu na médium je pou itých prvých

11 bitov identifikátora, SRR bit, IDE bit, ostatných 18 bitov identifikátora a bit RTR.

V tomto poradí je ur ovaná priorita správy.

Obr. 13 Za iatok roz írenej dátovej správy pod a CAN pecifikácie 2.0B

iados o dáta (Remote Frame)

Formát správy iadosti o dáta je podobný ako formát dátovej správy. Jediný

rozdiel je, e RTR bit (v poli riadenia prístupu na zbernicu) je nastavený na úrove

recessive a chýba dátová oblas . Ak nejaký uzol iada o zaslanie dát, nastaví taký

identifikátor správy, ako má dátová správa, ktorej zaslanie po aduje. Tým je zaistené, e

pokia v rovnakom okamihu jeden uzol iada o dáta a iný uzol dáta s rovnakým

identifikátorom vysiela, prednos v prístupe na zbernicu získa uzol vysielajúci dátovú

správu, lebo úrove RTR bitu dátovej správy je dominant a tak má táto správa vy iu

prioritu.

Správa o chybe (Error Frame)

Chybová správa slú i ku signalizácií chýb na zbernici CAN. Akonáhle ubovolný

uzol na zbernici detekuje v prená anej správe chybu (chyba bitu, chyba CRC, chyba

vkladania bitov, chyba rámca), vygeneruje ihne na zbernicu chybový rámec.


________________________________________________________________________Príloha 1 Strana 18 z 18

Pod a toho, v akom stave pre hlásenie chýb sa uzol, ktorý zistil chybu práve

nachádza, generuje na zbernicu bu aktívny (6 bitov dominant) alebo pasívny (6 bitov

recessive) príznak chyby. Pri generovaní aktívneho príznaku chyby je prená aná správa

po kodená (vzh adom na pravidlo vkladania bitov) a teda aj ostatné uzly za nú vysiela

chybové správy. Hlásenie chýb je potom indikované superpozíciou v etkých chybových

príznakov, ktoré vysielajú jednotlivé uzly. D ka tohto úseku mô e by minimálne 6

a maximálne 12 bitov.

Obr. 14 Správa o chybe CAN protokolu

Po vyslaní chybového príznaku, vysiela ka dá stanica na zbernicu bity úrovne recessive.

Zárove detekuje stav zbernice a akonáhle nájde prvý bit na zbernici úrovne recessive,

vysiela sa al ích 7 bitov recessive, ktoré plnia funkciu odde ova a chýb (ukon enie

chybovej správy).

Správa o pre ení (Overload Frame)

Správa o pre ení slú i k oddialeniu vysielania al ej dátovej správy alebo

správy iadosti o dáta. Spravidla tento spôsob vyu ívajú zariadenia, ktoré nie sú schopné

kvôli svojmu vy eniu prijíma a spracováva al ie správy. truktúra správy

o pre ení je podobná správe o chybe, ale jej vysielanie mô e by zahájené po konci

správy (End of Frame), odde ova i chýb alebo predchádzajúceho odde ova a správ

o pre ení.

Obr. 15 Správa o pre ení CAN protokolu


________________________________________________________________________Príloha 2 Strana 1 z 1

PRÍLOHA 2: Preh ad senzorov na monitorovanie nákladu

Typ senzoraTypové

ozna enie

Meraná

veli inaVýstup Internetová stránka produktu

Infra ervený SMTIR9902 Teplota zmena odporu http://www.smartec.nl/infrared_sensor.htm

Senzor teploty SMT160-30 Teplota CMOShttp://www.smartec.nl/temperature_sensor.ht

m

Senzory tlakuMPX2100

serieTlak 0mV do 40mV

http://www.chipdocs.com/datasheets/datashe

et-pdf/Motorola/MPX2100.html

Spína e hladiny

tekutinyELS serie

Hladina

tekutinyTTL/CMOS

http://www.gemssensors.com/electrooptical.

htm

Sníma hladiny

tekutinyULS-10

Hladina

tekutiny 4 mA do 20 mA

http://www.gemssensors.com/SpecTemplate

Custom.asp?nProductGroupID=10

Tenko vrstvovéseries 3000,

4000, 4700Tlak/Podtlak

4 mA a 20mA

alebo 0V a 10V

http://www.gemssensors.com/TOCResults.as

p?nContentsID=80

Piezorezonan néExOsense

serie

Úrove

hladinyel.prúd do 40 mA


Custom.asp?nProductGroupID=312

Induk né

Pod a

konkrétnej

aplikácie

Snímanie

kovových

predmetov

4 mA a 20mA

alebo 0V a 10V http://www.turck.cz/689.htm

KapacitnéBC3-S12-

AN6X

Snímanie

polohy

predmetov

spínací kontakt

alebo NPNhttp://www.turck.cz/689.htm

Optické

Pod a

konkrétnej

aplikácie

etky optické

aplikácie

4 mA a 20mA

alebo 0V a 10V http://www.turck.cz/689.htm

UltrazvukovéQ45ULIU64

ACRQ6

zmena polohy

objektov

4 mA a 20mA

alebo 0V a 10Vhttp://www.turck.cz/689.htm

Sníma e tlaku Rad PT-1 snímanie tlaku 4 mA a 20mA

alebo 0V a 10Vhttp://www.turck.cz/689.htm

Sníma e teploty

TS103A-

G1/8-

H1141-L034

snímanie

teplotyzmena odporu http://www.turck.cz/689.htm

Poznámka: Výber sp a po iadavku na napájacie napätie senzorov do +12 V

a po iadavky na prevádzku v cestných vozidlách.

http://www.smartec.nl/infrared_sensor.htm

http://www.smartec.nl/temperature_sensor.ht

http://www.chipdocs.com/datasheets/datashe

http://www.gemssensors.com/electrooptical.


http://www.gemssensors.com/TOCResults.as


http://www.turck.cz/689.htm







________________________________________________________________________Príloha 3 Strana 1 z 1

PRÍLOHA 3: Preh ad mikroprocesorov s CAN radi om

VýrobcaTypová rada s CAN

radi om

Atmel AT90CAN32

Freescale Microcontrollers CAN

Fujitsu MB90xxx

Dallas Semiconductor DS80C390

Infineon XC886/888CLM

Inicore IniCAN

Intel 87C196CA/87C196CB

Maxim Integrated Product DS80C390

Microchip PIC18xxxxx

National Semiconductor CR16Mxxx

Philips Semiconductor P8xC592

Renesas Technology H8S/2615 Group

ST-Microelectronics ST72561xx


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 1 z 6

PRÍLOHA 4: Obvodové rie nie senzorových jednotiek


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 2 z 6


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 3 z 6


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 4 z 6


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 5 z 6

Zoznam sú iastok

Zoznam sú iastok pre inteligentný senzorový modul

Po et Referencia Popis Výrobca

1 C16 Keramický kondenzátor 1nF/50V ROHM

2 C17, C18 Keramický kondenzátor 22pF/50V ROHM

4 C19, C21, C22, C23 Keramický kondenzátor 100nF/50V ROHM

1 C20 Elektrolytický kondenzátor 100µF/16V PANASONIC

1 D3 Kremíková dióda 1N4148 GI

1 D4 Kremíková usmer ovacia dióda 1N4007 GI

1 J1 Konektor M12-male TURCK

1 J2 Konektor Canon, 9 pin, male SAMTEC

1 R14 Rezistor 0,125W, 47k, 1% ROHM


1 U6 CAN transceiver, MCP2551 Microchip

1 U7 Mikroprocesor PIC18F2580 Microchip

1 U8 Monolitický stabilizátor napätia LM7805 Philips

1 X1 Rezonan ný kry tál 16.00 MHz ECS

Zoznam sú iastok pre analógovú as senzorov s napä ovým výstupom


5C10, C11, C13,

C14, C15Keramický kondenzátor 100nF/50V ROHM

1 C12 Keramický kondenzátor 10nF/50V ROHM

1 D2 Zenerova dióda BZX84C5V1 GI

2 R12, R13 Rezistor 0,125W, 10k, 1% ROHM

1 U4 Opera ný zosil ova LM2904 ST

1 U5 Zdroj referen ného napätia REF198 Motorola


________________________________________________________________________Príloha 4 Strana 6 z 6

Zoznam sú iastok pre analógovú as senzorov s prúdovým výstupom


4 C1, C2, C3, C4 Keramický kondenzátor 10nF/50V ROHM

5 C5, C6, C7, C8, C9 Keramický kondenzátor 100nF/50V ROHM


1 RP12 paralelne zapojené rezistory MELF

MMB 0207 s výsledným odporom 253RVishay

1 R1 Rezistor 0,125W, 750R, 1% ROHM

5 R2, R5, R6, R7, R8 Rezistor 0,125W, 10k, 1% ROHM




1 R11 Rezistor 0,125W, 32.3k, 1% ROHM



Zoznam sú iastok pre analógovú as tlakového senzora MPX2100AD


3 C24, C25, C26 Keramický kondenzátor 10nF/50V ROHM

5C27, C28, C29,

C30, C31Keramický kondenzátor 100nF/50V ROHM


1 PSI1 Tlakový senzor MPX2100AD Motorola

1 RP22 paralelne zapojené rezistory MELF

MMB 0207 s odporom vi kap. 5.5Vishay

4 R23, R26, R29, R30 Rezistor 0,125W, 10k, 1% ROHM

2 R24, R25 Rezistor 0,125W, 30.1k, 1% ROHM







________________________________________________________________________Príloha 5 Strana 1 z 1

PRÍLOHA 5: Komponenty na stavbu kabelá e zbernice CAN

Konektor M12 priamy -

zástr kaKonektor M12 uhlový -

zásuvka

Konektor M12 uhlový -

zástr ka

Panelová zástr ka M12 Panelová zásuvka M12 Zakon ovací rezistor

Pasívny senzorovýrozbo ova

T- len Y- len

Poznámka: Kompletná ponuka komponentov na stavbu zbernice CAN je dostupná na

internetovej stránke [14].


________________________________________________________________________Príloha 6 Strana 1 z 3

PRÍLOHA 6:

truktúra protokolových objektov aplika nej vrstvy senzorovej siete

Tabu ka 1: truktúra objektu SDO_CONFIG

Polo ka ka[bitov] Význam

SDO_Specif 8 Bity nevyhnutné pre komunikáciu a etrenie chýb rámcaSDO

COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 581h + ID cie oého uzla

Check_Summ 16 Kontrolný sú et obsahu správy

Tabu ka 2: truktúra objektu SDO_STATUS



COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 591h + ID cie oého uzla


Tabu ka 3: truktúra objektu SDO_DATA



COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 5A1h + ID cie oého uzla



________________________________________________________________________Príloha 6 Strana 2 z 3

Tabu ka 4: truktúra objektu PDO_CONFIG


COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 181h + ID uzla

Timer 16 Interval automatického odosielania nameranej hodnoty

Low_Limit 8 Spodná bezpe ná hranica hodnoty meranej veli iny

High_Limit 8 Horná bezpe ná hranica hodnoty meranej veli iny


Tabu ka 5: truktúra objektu PDO_STATUS


COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 191h + ID uzla

Status_Info 8 Informácia o stave senzora


Tabu ka 6: truktúra objektu PDO_DATA


COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 1A1h + ID uzla

Status_Info 8 Informácia o stave senzora

Data_Length 8 D ka po a Value

Value 16 Hodnoty meraných veli ín



________________________________________________________________________Príloha 6 Strana 3 z 3

Tabu ka 7: truktúra objektu PDO_ALARM


COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 1B1h + ID uzla

Alarm_Info 8 Informácia o alarme

Data_Length 8 D ka po a VALUE

Value 16 Hodnoty meraných veli ín


Tabu ka 9: truktúra objektu SDO_SET_CONFIG



COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 5B1h + ID cie oého uzla

Timer 16 Interval automatického odosielania nameranej hodnoty

Low_Limit 8 Spodná bezpe ná hranica hodnoty meranej veli iny

High_Limit 8 Horná bezpe ná hranica hodnoty meranej veli iny


Tabu ka 10: truktúra objektu PDO_ACK


COB - ID 11 Hodnota COB - ID: 1C1h + ID uzla

Ack_Info 8 Potvrdenie korektného príjmu



________________________________________________________________________Príloha 7 Strana 1 z 3

PRÍLOHA 7: Vývojové diagramy firmvéru senzorových jednotiek

Obr. 7.8 Základný princíp programového vybavenia senzorovej jednotky

tart

Inicializáciamikroprocesora

Automatický testsenzorovej jednotky

Výsledotestu

funk nostipozitívny ?

Vyslanieidentifika ných

a stavových údajov

Príjem príkazuz palubného po íta a

Príkaz=

RESET ?

Príkaz=

RESET ?

Vyslanieidentifika ných

a stavových údajov

Príjem príkazuz palubného po íta a

Nie

NieÁno

Identifikáciaprijatého príkazu

Vykonaniepríkazu

Príkazrozpoznaný

?

Áno

Áno

Nie

Nie


________________________________________________________________________Príloha 7 Strana 2 z 3

Obr. 7.9 Inicializácia mikroprocesora

Definovanievstupných pinovmikroprocesora

Definovanieanalógových

vstupovmikroprocesora

Definovaniestavu výstupných

pinovmikroprocesora

Definovanievýstupných

pinovmikroprocesora

InicializáciaRAM pamäte

mikroprocesora

Inicializácia A/Dprevodníka

Inicializáciapreru ovacieho

subsystému

InicializáciaCAN radi a

Na ítaniekonfiguráciez EEPROM

pamäte

Koniecinicializácie

Inicializáciamikroprocesora


________________________________________________________________________Príloha 7 Strana 3 z 3

Obr. 7.10 Algoritmus automatického testu funk nosti senzorovej jednotky

Výpo et kontrolnéhosú tu FLASH pamäte

ROM_ERR=TRUE

CPU_OK=FALSE

ROM_ERR=FALSE

Výpo et kontrolnéhosú tu EEPROM

pamäte

EEP_ERR=TRUE

CPU_OK=FALSE

SENS_OK=FALSE

UNIT_OK=FALSE

EEP_ERR=FALSE

CPU_OK=TRUE

Test senzorovýchelementov

SENS_OK=TRUE

UNIT_OK=TRUE

Test funk nosti

Kontrolný sú etsprávy je správny

?

Kontrolný sú etsprávy je správny

?

Senzorovéelementy funk né

?

CPU_OK ?

Koniec testufunk nosti

Nie

Nie

Nie

Nie

Áno

Áno

Áno

Áno

Documents

DIPLOMOVÁ PRÁCA - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/664.pdf · Diplomová práca sa zaoberá rieãením informaþnej siete motorového vozidla a jej aplikácií pre komunikáciu inteligentných