Техника - молодёжи 2006-06, страница 9

И Н Ф ОРМЛиЙОН НЫ£ jm & О Л О ЩИ www.tm-magazin .ru 7

АВТОМОБИЛЬ В СЕТЯХ

Юрий ХАИКЕВИЧ

Когда в конце позапрошлого века на улицах появились первые «самобеглые коляски», их хозяева свысока поглядывали на копошащийся вокруг гужевой транспорт, который казался им пережитком минувших времен. И действительно, очень скоро автомобиль стал неотъемлемой частью человеческой жизни. Но было одно качество, в котором четырехколесный друг по-прежнему уступал четвероногому, — это интеллект. Так продолжалось почти сто лет, пока у автомобиля наконец не появилась своя «голова». Ею стала цифровая сеть обмена и обработки данных.

Машины и раньше непрерывно совершенствовались, но различные системы внутри каждого автомобиля обычно существовали независимо друг от друга. Это положение вещей сохранялось до той поры, когда развитие таких областей науки, как микроэлектроника, микросхемотехника и информатика, позволило, наконец, сделать резкий скачок в улучшении потребительских качеств электронных устройств. Сразу же началась гонка новейших технологий, с энтузиазмом подхваченная автостроительными фирмами. Обычные автолюбители без возражений приняли это «навязывание дополнительных опций», призванных значительно улучшить надежность, безопасность и комфорт. Таким образом, за последние пятнадцать лет успели стать стандартными антиблокировочные системы тормозов (АБС), подушки безопасности, системы стабилизации и курсовой устойчивости, автомобильные сотовые телефоны. На очереди — голосовое управление различными функциями, автоматическое поддержание заданной дистанции, обеспечение безопасной парковки... Кроме того, необходимо постоянно управлять работой двигателя, трансмиссии, а потому тенденция возрастания числа систем, их сложности и «переплетения» между собой обещает сохраняться и дальше. Наступило такое время, когда стала нереальной автономная работа отдельных устройств и использование ими обычных (аналоговых) сигналов, иначе уже сегодня толщина пучка проводов, например, водительской двери седана бизнес-класса была бы немногим меньше диаметра человеческой руки, а их масса «съела» бы значительную часть грузоподъемности автомобиля.

В этой ситуации оказалось совершенно логичным многочисленные микрокомпьютеры, приводы и датчики подчинить общей организации для облегчения их взаимодействия, диагностики и в конечном счете упрощения структуры всей системы. Обмен информацией стал производиться цифровыми сигналами, которые легче об

рабатываются и более устойчивы к электромагнитным воздействиям извне. Устройства разных типов в цифровой сети хорошо сопрягаются между собой, а общая длина кабелей, их вес и стоимость становятся значительно меньше.

Любая сеть состоит из узлов (применительно к автомобилям так можно назвать управляющие модули или микрокомпьютеры) и линий связи. Каждый узел на основании управляющей программы, находящейся в его памяти, и сигналов, поступающих от различных датчиков и переключателей, генерирует специальное цифровое сообщение, представляющее собой структурированную последовательность битов. Обычно сообщение содержит идентификатор (по которому другие узлы определяют, откуда и куда идет информация), поле данных, где размещаются сведения о произошедшем событии (блокировке колес, пропуске зажигания), а также различные служебные поля (указатели моментов начала и завершения сообщения, его приоритета, контрольные биты для восстановления испорченного поче-му-либо поля данных). Некоторые из сигналов, необходимых для генерации сообщений узлом, поступают на него уже в готовой цифровой форме. Их источниками могут быть переключатели или датчик Холла. А датчики давления, частоты вращения, потенциометры или лямбда-зонд способны производить только аналоговые сигналы. Чтобы такую информацию смогли понять управляющие модули, ее надо привести к цифровому виду. Для этого исходный сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя трансформируется в последовательность мгновенных фиксированных значений своей амплитуды (так называемых отсчетов). Это называют дискретизацией. Следующим шагом является квантование, то есть условное деление отсчета с максимальной амплитудой на определенное количество уровней. Потом идет кодирование, при котором каждый отсчет заменяется уникальным кодовым словом, состоящим из «нулей» и «единиц» и соответствующим его амплитуде. Разрядность такого кода (сколько битов в нем содержится) определяется выбранным количеством уровней квантования. Согласно теореме Котельни-кова (на Западе ее отождествляют с именем Шеннона; вообще, на каждого нашего Попова у них всегда находится свой Маркони) любой обыкновенный аналоговый сигнал можно адекватно представить цифровым, если частота дискретизации будет как минимум вдвое превышать максимальную частоту, содержащуюся в спектре исходного сигнала. Конечно, форма его пе-

Преобразование аналогового сигнала в цифровой

редается правильнее с увеличением частоты следования отсчетов и числа уровней квантования (современные управляющие модули на быстродействующих микропроцессорах и линии связи позволяют делать объем цифрового сообщения достаточно большим). После обработки полученной информации и обмена цифровыми данными с другими узлами сети управляющий модуль восстанавливает цифро-аналоговым преобразователем и усиливает исходный аналоговый сигнал или дает нужную команду на исполнительное устройство (реле, электродвигатель).

Принципы построения цифровых сетей давно уже отработаны и, в об-щем-то, одинаковы как для применения в автомобилях, так и для передачи компьютерных данных (вспомним хотя бы Интернет), телефонных, телевизионных сигналов и другой полезной информации между неподвижными объектами. Наибольшее распространение получили сети трех топологий (схем), определяющих возможности и энергозатраты: кольцо, звезда и шина.

Последняя из них и стала самой востребованной в автомобилях (известнейшим представителем этого типа сетей является стандарт CAN (Controller Area Network) на электрических кабелях, разработанный фирмами Bosch и Intel). Неисправность центрального процессора (если он имеется; кстати, в звезде, не нашедшей широкого «автомобильного» применения, его присутствие обязательно) или какого-нибудь узла шины не приводит к общему отказу системы. Это существенный вклад в безопасность пассажиров (не говоря уже о сохран-