Реализация мультиплексной системы комплексного автомобильного тренажера с использованием стандарта can 2. 0

Савельев А.М. РЕАЛИЗАЦИЯ МУЛЬТИПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ТРЕНАЖЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАНДАРТА CAN 2.0

Рассмотрена реализация мультиплексной системы комплексного автомобильного тренажера. Представлены результаты разработки мультиплексной системы на основе протокола CAN 2.0.

В настоящее время датчики и исполнительные устройства систем управления агрегатами отечественных автомобилей подключаются к электронному блоку управления (ЭБУ) с помощью жгутов проводов. Однако с увеличением числа электронных систем управления возрастает количество датчиков и исполнительных механизмов. Соответственно растет и число соединительных проводов, что помимо всего прочего ведет к уменьшению надежности, увеличению массы автомобиля, ухудшению диагностики. Эффективным средством сокращения числа жгутов и повышения надежности является мультиплексная связь.

Комплексный автомобильный тренажер (КАТ) по своей информационной емкости [1] приближается к современному автомобилю. Поэтому целесообразно использовать мультиплексную систему и в тренажере. Учитывая однотипность большинства узлов тренажера и автомобиля, будет целесообразно в качестве протокола регламентирующего работу мультиплексной системы КАТ выбрать один из протоколов используемых для организации мультиплексных систем в автомобилях.

Оптимальной архитектурой для передачи управляющих сигналов по мультиплексным сетям будет система, основанная на топологической схеме "шина", с децентрализованным доступом к сети. В некоторых случаях возможно функционирование узлов по заранее определенному расписанию, но этот метод накладывает свои ограничения на возможные скорости и расстояния (скорость должна быть выше, расстояния меньше, стоимость, следовательно, больше). Следует отметить, что в последнее время становятся популярны протоколы, основывающиеся на четком временном расписании взаимодействия узлов. Однако в случае, когда требуется мгновенная реакция системы на важное событие, высокая надежность и легкость модернизации системы, предпочтительнее использование системы, основанной на децентрализованном доступе к сети.

На основании требований, предъявляемых к мультиплексной системе тренажера, был выбран протокол передачи данных (CAN 2.0) и разработана структурная схема мультиплексной системы КАТ [2] (рисунок 1) .

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы, передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик, передаваемый по шине. Однако CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Исходя из соображений оптимизации вычислений и расположения на тренажере, в схеме предусмотрено использование отдельных микроконтроллеров на каждый функциональный блок элементов тренажера. На каждый линейный электродвигатель (ЛЭДв) подвески КАТ предусмотрен отдельный микроконтроллер (МК1, МК2, МК8, МК9), это объясняется не только дальностью расположения электродвигателей (по углам тренажера), но и сложностью расчетов. На микроконтроллеры подвески КАТ возложена функция расчета управляющих сигналов автономного инвертора (АИН), по сигналам, поступающим через шину с центрального процессора и сигналам обратной связи с датчиков положения (ДП), скорости (ДС), тока (ДТ). Схожие функции у микроконтроллеров в системе имитации момента сопротивления на руле (МК6) и поворотной платформе (МК7). Отдельный микроконтроллер (МК4) предусмотрен в панели приборов для управления спидометром, тахометром, указателем температуры охлаждающей жидкости, указателем уровня топлива и контрольными лампами. Нагрузка на микроконтроллер от одного переключателя незначительная, поэтому, учитывая также их близкую расположенность, объединим переключатели в один блок переключателей, с одним микроконтроллером МК5. МК3 снимает информацию о положении педалей, рычага КПП и стояночного тормоза.

ПЭВМ производит обработку сигналов с органов управления тренажера, расчет управляющих сигналов на исполнительные механизмы, расчет визуализации и звуковых эффектов. Интерфейс USB-CAN реализует функцию формирования фреймов, соответствующих протоколу CAN. В функции микроконтроллеров (МК1, МК2, МК4, МК6-9) входит прием CAN-фреймов и расчет управляющих сигналов на исполнительные механизмы (электродвигатели, указатели и лампы), микроконтроллеры МК3, МК5 выполняют кодировку сигналов с органов управления тренажера в формат CAN-фрейма. МК6 также передает информацию о положении рулевого колеса.

Рисунок 1 - Структурная схема мультиплексной системы КАТ

Возможности протокола CAN (продуманная система защиты данных и сигнализации об ошибках, контроль доступа к среде передачи, дифференциальный режим передачи сигналов) и запас по скорости передачи данных позволяют использовать гибкий алгоритм управления. Все микроконтроллеры узлов КАТ могут одновременно передавать информацию в шину, приоритетом обладают сообщения (фреймы) с наименьшим идентификатором. После того, как информация от определенного узла КАТ передана, то идентификатор фрейма данного узла увеличивается. Это позволяет гарантировать, что от каждого элемента КАТ информация пройдет в шину и будет получена ЭВМ.

Данные в разработанной системе передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений [3]:

- Data Frame

- Remote Frame

- Error Frame

- Overload Frame

Data Frame - это наиболее часто используемый тип сообщения (рисунок 2). Описание его полей представлено в таблице 1.

Рисунок 2 - Data frame стандарта CAN 2.0

Основное предназначение Remote frame - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. В разработанной мультиплексной системе Remote frame не используется.

Error Frame - это сообщение, которое явно нарушает формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом.

Таблица 1 - Описание полей Data frame

Поле Длина Описание

SOF (Start-of-frame) 1 бит Сигнализирует начало передачи кадра

Identifier 11 бит Уникальный идентификатор

RTR (Remote transmission request) 1 бит Запрос на передачу

IDE (Identifier extension bit) 1 бит Бит расширения идентификатора

r0 (Reserved bit) 1 бит Зарезервированный бит

DLC (Data length code) 4 бита Длина поля данных

Data field 0-B байт Передаваемые данные

CRC 15 бит Контрольная сумма всего кадра

CRC delimiter 1 бит Разграничитель контрольной суммы

ACK slot 1 бит Промежуток подтверждения

ACK delimiter 1 бит Разграничитель подтверждения

EOF (End-of-frame) 7 бит Конец кадра

Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных.

Исходя из требований к элементной базе (достаточное количество портов, наличие встроенного АЦП, высокое соотношение качество-цена) реализована мультиплексная система КАТ на базе микроконтроллеров Atmel T89C51CC02 совместно с CAN-приемо-передатчиком Atmel ATA6660. Исходя из удаленности расположения отдельных узлов тренажера и оптимального использования вычислительной мощности процессора, в системе применяется девять CAN-контроллеров. В таблице 2 показано какими элементами КАТ управляет каждый используемый CAN-контроллер и какие требования предъявляет данный узел КАТ к разрядности поля данных Data-кадра.

Существует несколько физических уровней протокола CAN: ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411. Физи-

ческий уровень протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. В разработанной системе выбран физический уровень CAN, определенный в стандарте ISO 118 98, который в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом) . Физический уровень CAN реализован в специальных чипах - CAN-приемо-передатчиках, которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Используемый CAN-приемо-передатчик Atmel ATA6660 - полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Таблица 2 - Разрядность данных в передаваемых CAN-контроллерами сообщениях

Номер контроллера Элементы КАТ Разрядность поля данных

9 8 2 1 Электропривод подвески КАТ 24 бита

3 Педальный узел и КПП 24 бита

4 Панель приборов 32 бита

5 Блок переключателей 8 бит

6 Система имитации момента сопротивления на руле 16 бит

7 Электропривод поворотной платформы 8 бит

Как видно из таблицы 2 максимальная длина поля данных CAN-сообщений с элементов КАТ составляет 4 байта, что укладывается в диапазон стандарта CAN. Более того, гибкость протокола CAN позволяет осуществлять обмен сообщениями, содержащими меньший объем данных, что дает возможность в нашем случае передавать сообщения быстрее, оставляя время для новых, возможно, высокоприоритетных сообщений.

Следует отметить, что применение мультиплексной системы в тренажерах, может послужить развитию современных мультиплексных систем и в отечественном автомобилестроении.

Литература

1. А.М. Савельев, К.А. Сухов. Комплексный автомобильный тренажер // Труды II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии", Ч. 2 - Тольятти, ТГУ, 2007, с. 108-112.

2. Савельев А.М. Проектирование мультиплексной системы комплексного автомобильного тренажера.

Надежность и качество. Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред. Н.К. Юркова. Пенза:

Инф.-изд. центр ПензГУ, 2008. 1 т., с.475-477.

3. CAN Specification. Version 2.0, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1991.