Ajoneuvoväylät. Ajoneuvojen sähköjärjestelmät toteutettu nykyään väyläperustaisesti - Useita erilaisia väyliä käytössä

Transkriptio

1 Ajoneuvoväylät Ajoneuvojen sähköjärjestelmät toteutettu nykyään väyläperustaisesti - Useita erilaisia väyliä käytössä - CAN väylät ( Controller Area Network) - Yleisväylä ajoneuvossa, Toimii väyläjärjestelmän pohjana. - Erilaisia versioita eri tarpeisiin - Most (Media Oriented Systems Transport) - Multimediajärjestelmät - LIN (Local Interconnect Network) - Yksinkertaiset anturi ja laitesignaalit - PSI5 (Peripheral Sensor Interface 5) - Yksinkertaiset anturi ja laitesignaalit - FlexRay - Ajodynamiikkatietojen välitykseen - Bluetooth - Langaton ajoneuvoväylä

2 Ajoneuvoväylät

3 Mitä hyötyä väylästä Johdinten määrä oleellisesti vähenee

4 Väylien tiedonsiirtonopeuksia ja käyttötarkoituksia

5 Väylien etuja Säästöt kustannuksissa, painossa ja asennuksien vaatimassa tilassa. Suurempi luotettavuus ja toimintavarmuus vähentyneiden liittimien ansiosta. Kokoonpanon yksinkertaistuminen auton valmistusvaiheessa. Mahdollisuus anturisignaalien monikäyttöön Järjestelmäkomponenttien helppo yhdistäminen väyliin Laitteiden helpompi käsittely ja ajoneuvokohtainen muunneltavuus Kaikki auton järjestelmät ovat saavutettavissa samasta yhteyspisteestä. Tämä yksinkertaistaa diagnostiikkaa ja ohjausyksiköiden hallintaa, kuten vikamuistien tyhjennystä. Henkilöautoissa OBD liitin ( OBD 2 yhteensopiva protokolla) Esim. raskaassa kalustossa voi olla erinopeuksinen väylä, vaikka liitin olisikin samanlainen Lasketut tulokset voidaan jakaa muiden ohjausyksiköiden käyttöön. Ohjausyksikön vikaantuessa tai tarvitessa hetkellisesti poikkeuksellisen suurta laskentatehoa, voidaan sen tehtäviä jakaa muille yksiköille. Analogiset anturisignaalit tulee digitalisoida ennen tiedon käyttöä. Muuntamisen voi tehdä suoraan anturissa, jonka jälkeen tieto jaetaan väylän kautta (Bosch 2007).

6 Verkkotopologiat Verkkotopologia on kuvaus väylän rakentumisesta ja solmujen liittymisestä toisiinsa. Erilaiset väyläjärjestelmä t ovat verkkotopologia ltaan erilaisia

7 CAN väylä Can väylää lähellä olevia järjestelmiä jo 80 luvulla esim. BMW 850 mallissa Prioriteettiohjattu viestinsiirto ei destruktiivisella kilpavarauksella. Eli väistyvät viestit säilyvät ja odottavat parempaa hetkeä Kierretystä kaksijohtimisesta kaapelista ja yksinkertaisesta vähän laskentatehoa vaativasta protokollasta johtuvat matalat kustannukset Kaksi nopeusluokkaa, joista hitaammassa matalammat laitekustannukset. Satunnaisten ja pysyvien virheiden tunnistamisesta, niistä tiedottamisesta ja yhtenäisestä verkonlaajuisesta viestien vastaanottokuittauksesta johtuva korkea tiedonsiirtovarmuus. Moni-isäntäperiaate Korkea käytettävyys viallisten asemien paikannuskyvyn ansiosta. Standardisointi ISO mukaisesti Can väylän toiminnasta lisää Word dokumentissa

8 Esimerkki eri väylien käytöstä ajoneuvossa Esimerkkinä vuoden 2003 S320 Mercedes- Benz Henkilöauto - kuvasta huomataan, että väyliä on autossa useampia ja niillä on kaikilla omat ominaispiirteensä

9 Toimilaitteiden kytkeytyminen väylään Väylän verkkosolmu on nykyisin sijoitettu suoraan toimilaitteeseen tai lähelle sitä. Se muuttaa analogiset anturi- / toimilaiteviestit digitaaliseksi väyläviestiksi eli toimii A/D muuntimena Se myös lukee väylässä liikkuvia viestejä ja lähettää sinne omiaan Verkkosolmu toimii hieman eritavalla riippuen väylästä

10 Toinen kuva CAN väylän periaatteesta

11 Kilpavarausperiaate Pääsy väylään Eri solmujen viestit priorisoitu eri tavalla Tärkeimmät viestit pääsevät ensin väylään ( esim. turvalaiteviestit ) Kun väylä on vapaana myös ei niin tärkeät viestit menevät läpi ( esim. mukavuustoiminnot) Aikaohjatut väylät Toiminta perustuu säännöllisyyteen Solmuille määritetty tietty ajanjakso, jolloin niillä on pääsy väylään Vaatii solmujen välillä samassa ajassa olevat kellot Viestit ennakolta määrätyn mittaisia Esim. ohjaustehostimen yhteydessä käytössä Systeemiin voidaan suunnitellusti liittää alijärjestelmiä Isäntä- Orja- periaate Isäntäsolmu hallinnoi alaisiaan eli Orja solmuja. Isäntä päättää mitä keskustelua välitetään ylempään väylään. Isäntä- Orjaperiaate toimii siis usein aliväylän kohdalla. Orjasolmut vastaavat yleensä isännän pyyntöihin ja välittävät siten vain kysyttyä tietoa Moni- Isäntä verkko Periaatteessa sama kuin Kilpavaraus periaate eli monet solmut voivat lähettää viestejä väylään, mutta sekasorron eli liian väyläliikenteen estämiseksi viestit on priorisoitu Usein ajoneuvossa on monta eri väylää. Pääväylässä Isännät keskustelevat keskenään ja Isäntien hallinnoimissa aliväylissä mennään esim. Isäntä Orja periaatteella

12 Viestien osoittaminen Väyläviestien seassa on paljon yleistä keskustelua, jota käytetään viestien varmentamiseen ja esim. siihen että kerrotaan kenelle viesti kuuluu Ko. Tiedon perusteella solmut tietävät mitä tietoa heidän pitää lukea Käyttäjäperustaisessa osoittamisessa tieto siirretään solmuosoitteiden perusteella. Lähetetty viesti sisältää siirrettävän tiedon lisäksi kohdesolmun osoitteen, jota verkon kaikki solmut vertaavat omaansa ja vain yksi vastaanottaa viestin. Viestejä voidaan osoittaa yksittäisiin osoitteisiin, ryhmiin tai kaikkiin verkon solmuihin. Tavallisimmat käytettävät tiedonsiirtotavat, esimerkiksi lähiverkko, toimivat käyttäjäsuunnatun osoittamisen periaatteella Sisältöperustaisessa osoittamisessa itse viestit ovat osoitettuja solmujen sisään. Viestit tunnistetaan ennalta sovittujen tunnisteiden perusteella. Lähettäjä ei tarvitse mitään tietoa viestin määränpäästä, koska vasta solmut itse määrittävät viestin tarpeellisuuden itselleen. Samaa tietoa voi käyttää siis vaikka kaikki väylän solmut Siirtoperustainen osoittaminen. Viestin tunnistamiseen käytetään sen siirtoominaisuuksia. Esim. varmistusviesti lähetetään tietyn aikaa perusviestin jälkeen.

13 Can väyliä nopea ja hidas versio Nopea can - väylä Hidas can - väylä Väylät ja jännitteet määritetty standardissa

14 Can väylän viestimuoto Can väylässä voi olla neljää erilaista viestimuotoa eli viestikehystä Tietokehys Yleinen tieto esim. nopeustieto väylään Pyyntökehys Solmu pyytää jotain tietoa, mitä se tarvitsee Virhekehys Ilmoitus huomatusta virheestä Ylikuormakehys Muodostetaan viivettä viestien välille Eli väylässä hetkellisesti liikaa liikennettä Can väyläliikenne joko CAN2.0A tai CAN2.0B standardin mukaista Tunnistekentän pituus CAN2.0A:ssa 11 merkkiä ja CAN2.0B:ssä merkkiä Siirtokehyksen kokonaispituus 130 bittiä tai laajennetussa 150 bittiä Kehykset keskenään Yhteensopivia

15 Can väylän diagnisointi Can väylävikojen selvittäminen mahdollista esim oskilloskoopilla Jos toinen väyläjohdin oikosulussa maadoitukseen tai on poikki niin väylä toimii edelleen käyttäen maadoitusta toisena potentiaalina. Väylän nopeus kuitenkin tippuu 125 kbit/ s tilaan Väyläjohtimien keskinäinen oikosulku muuttaa johtimien jännitteet samoiksi, mutta edelleen väylä voi toimia ns. yksijohtimisena Ajoneuvotesterit yleensä osaavat kertoa myös väyläviat OBD testerit ISO standardi määrittää väylän avulla tapahtuvan testauksen

16 LIN- väylä Alun perin kehitetty Can Väylän alijärjestelmäksi- yksinkertaisempi ja halvempi ISO 9141 standardi määrittää Vapaasti käytettävissä oleva ei lisenssimaksuja LIN- Väylässä toimilaitteet hajautetaan yhteisen väyläjohtimen varrelle. Helposti laajennettavissa Yhden isännän ja usean orjan systeemi Orjien maksimimäärä 16 kappaletta ja väylä maksimissaan 40 m pitkä Tiedonsiirtonopeus enimmillään 19,2 Kbit/s Kaikki väyläliikenne tapahtuu Isännän aloitteesta, joka myös toimii välikätenä muihin väyliin Hallitseva tila 0 on 0 volttia ja looginen arvo 1 on akkujännite

17 LIN- väylä Väylän jännitetasoilla tietty toleranssi toiminnan takaamiseksi akkujännitteen vaihdellessa Viestikehyksessä - Otsikko-osa - Vastausosa Tietynlainen viestirakenne - Väylän herätys nollatilalla 0,25-5 ms ( isäntä kysyy) - Solmu tunnistaa herätyksen 100ms kuluessa - Isäntä lähettää 150ms aikana kyselyyn vastauksen - Jos solmulta ei kysytä mitään, menee se 4s jälkeen aina lepotilaan

18 Most- Väylä Nykyaikaiset multimedialaitteet tarvitsevat nopeita tiedonsiirtonopeuksia Tämän vuoksi tiedonsiirto kuitua pitkin Järjestelmä mahdollistaa jopa 64:n laitteen liittämiseen samaan verkkoon Yleisin käytössä oleva versio MOST 25 ( nopeus 24,8Mbit/s). Muut versiot MOST 50 ( parikaapeli) ja MOST 150 MOST järjestelmässä kolme eri kanavaa Ohjauskanava Multimediatiedolle sopiva määrä tahdistettuja kanavia Tahdistamaton kanava satunnaisiin tarpeisiin Järjestelmä standardoitu. Standardi määrittää laitemallin kuvaukset ja siihen vaaditut elementit Mahdollinen eri valmistajien laitteiden yhteensopivuus Kustannusten laskeminen

19 Most- Väylä MOST- väylän tiedonsiirto Kehysosista muodostuvilla paketeilla Yksi paketti sisältää 16 kehystä joista jokainen on kooltaan 512 bittiä Isäntäohjain tuottaa tiedonsiirtopaketit ja syöttää ne tietyllä taajuudella( riippuen väylän nopeudesta) Most renkaaseen ( rengastopologia) Viestin sisältö ( frame) - Synkronisella alueella lähetetään reaaliaikaista tietoa, kuten ääntä tai kuvaa - Asynkronisella eli tahdistamattomalla alueella lähetetään esim. navigaation karttoja yms. Väliaikaisesti siirrettävää - Control Channel on ohjaustieto ja määrittää mitä tietoa kuuluu millekin solmulle - Myös muita aina mukana olevia bittejä

20 Flexray Tätä käytetään x by wire järjestelmissä Aktiiviset turvajärjestelmät Esim. brake by wire Erityisen tärkeää väylän ehdoton luotettavuus Kaksikanavatopologia Aikasidottu viestiliikenne Kukin solmu saa välittää viestejään ennalta määrätyssä aikaikkunassa Lisämahdollisuutena myös olla toimintoja ilman aikasidonnaisuutena Passiiviset turvajärjestelmät Esim. airbagit Nopeus 10Mbit/ s tai jossain tilanteissa 20Mbit/s ( kaksikanavaisuus mahdollistaa tämän)

21 Flexray Osa solmuista voi liittyä kahteen kanavaan ja osa vain toiseen. Kahden kanavan käytöllä saadaan lisää nopeutta ja tarvittaessa lisää tiedonvälitysvarmuutta Aikasidottu liikenne. Kuva yllä esittää tiedonsiirron jaksotuksen mallia Flexray väylässä. Slot 2 kohdassa sama viesti molempiin kanaviin ( luotettavuus) Slot 1 Eri viesti molempiin kanaviin ( nopeutta lisää) Slot 3 vain viesti toiseen kanavaan ( yksinkertainen, ei niin tärkeä tieto)

22 Flexray Viestikehyksen muoto

23 Langaton tiedonsiirtoväylä Bluetooth Kantavuus normilaitteilla noin 10m Käytössä myös muualla kuin ajoneuvoissa Kykenee siirtämään myös multimediatietoa Toimii samalla taajuudella kaikkialla maailmassa Mikroaaltouunit ja autotallien ovenavaajat voivat toimi samalla taajuudella Häiriöistä päästään eroon jakamalla käytettävissä oleva taajuuskaista 79 kanavaan, joiden taajuus eroaa 1MHz:n verran per kanava Bluetooth vaihtaa kanavaa 1600 kertaa sekunnissa, jolloin pienet, tietyllä taajuudella olevat häiriöt eivät haittaa

24 Havainnollistus taajuushyppelystä ja viestin rakenteesta Bluetooth Ajoneuvossa Bluetooth voi yhdistää esim. mittariston, puhelimen, multimedialaitteet ja monitoimiohjauspyörän

25 Verkottunut ajoneuvo Esimerkki 1. Volvo XC90:n väyläarkkitehtuuri Can väyliä 2 kappaletta - Punainen ja vihreä - Punainen yhdistää voimansiirron ja alustan ohjainlaitteita - Nopeus 500KBit/s - Vihreä korielektroniikan hallintaan - Nopeus 125KBit/s - LIN Väylät katkoviivalla - Korielektroniikan aliväylä - MOST- Väylä sinisellä - Multimedialaitteet

26 Väylät Väylien pääpiirteet koottuna Oikealla suhteellinen kustannus verrattuna nopeuteen Perttu Niskanen, University of Oulu