PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 92 Transport 2013 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu EKSPLOATACYJNE WACIWOCI MAGISTRALI CAN W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rkopis dostarczono, padziernik 2012 Streszczenie: W artykule przedstawiono koncepcj stanowiska diagnostycznego do bada bloków funkcjonalnych i zespoów elektryczno-elektronicznych wspópracujcych w ramach nowej generacji pocze w sieci CAN. Sformuowano ogólne cele i zasady dziaania systemu zawarte w protokóle CAN. Pokazano struktur sieci multipleksowej ilustrujc przykadow jej budow wraz z rozmieszczeniem poszczególnych elementów w samochodzie. Przedstawiono stosowane obecnie urzdzenia diagnostyczne z zaznaczeniem urzdze dedykowanych dla pojazdów wyposaonych w stosowny interfejs oraz oprogramowanie na przykadzie marki samochodów Renault Nissan, Dacia. Sowa kluczowe: diagnostyka, elektrotechnika, CAN 1. WPROWADZENIE Niezwykle szybki rozwój elektroniki i mikroelektroniki doprowadzi w ostatnich latach do znacznego zwikszenia liczby elementów elektronicznych w wyposaeniu elektrycznym pojazdów samochodowych. W powizaniu z mechanik, hydraulik i pneumatyk, elektronika tworzy kompatybilny ukad wzajemnie ze sob wspópracujcy. Pojedyncze elementy i ukady elektroniczne s coraz bardziej zintegrowane, tasze a zarazem coraz wydajniejsze. Zwiksza to moliwoci zastosowa elektroniki w pojazdach samochodowych, a wystpujce ukady mog by stale rozszerzane. Wspóczesne wyposaenie elektryczne i elektroniczne pojazdów samochodowych silnie koreluje z klasycznymi systemami mechanicznymi tworzc podzespoy i zespoy w samochodzie o duym stopniu komplikacji w zakresie poprawnej diagnozy. Wane w procesie diagnozowania jest równie to, e rozpoznanie stanu przedmiotowego obiektu odbywa si w zasadzie bez jego demontau (poza przypadkami szczególnymi). Technika cyfrowa znajduje szerokie zastosowanie w urzdzeniach pomiarowych, maszynach matematycznych, i innych profesjonalnych urzdzeniach elektronicznych. Wprowadzenie jej w miejsce techniki analogowej zwiksza pewno dziaania i dokadno (m.in. eliminuje bd odczytu), upraszcza konstrukcj, zmniejsza objto
156 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski i mas urzdze, upraszcza programowanie, umoliwia zapis informacji. Ukady wykonane w technice cyfrowej maj szereg zalet a mianowicie moliwoci wykonywania w postaci ukadów scalonych produkowanych wielkoseryjnie: wynika to m.in. z faktu, e wikszo podstawowych ukadów stosowanych w technice cyfrowej daje si atwo realizowa bez elementów indukcyjnych. Stao si, wic oczywiste, e dziki zainstalowaniu w pojedzie sterowników cyfrowych mona rozszerzy funkcje, podwyszajce bezpieczestwo czynne i walory uytkowe pojazdów. Dla realizacji tego zadania konieczne byo zorganizowanie wspópracy urzdze zaangaowanych w realizacj tych nowych funkcji gdzie warunkiem optymalnego wspódziaanie bya wzajemna cykliczna wymiana informacji i rozkazów. Pocztkowo wystarczay poczenia bezporednie, a rosnca liczba urzdze, które powinny wspópracowa ze sob, prowadzia do krzyowania si pocze, wzrostu dugoci przewodów i liczby zcz, a w konsekwencji do spadku niezawodnoci caego ukadu. Konieczne, zatem byo zastpienie bezporednich pocze prostszym i dajcym si zaadaptowa elastycznie do specyfiki pojazdu systemem przesyania danych za pomoc cyfrowej magistrali bitowo szeregowej tzw. szyny CAN. Magistrala (Controlled Area Network) zostaa stworzona przez firm Bosch dla zastosowa motoryzacyjnych jako metoda umoliwiajca niezawodn transmisj szeregow. Celem byo uczynienie samochodów: bardziej niezawodnymi, bezpieczniejszymi, zuywajcymi mniej paliwa przy jednoczesnym odchudzeniu okablowania. Po wprowadzeniu na rynek w przemyle samochodowym magistrala CAN znalaza równie popularno w automatyce przemysowej [5]. 2. SZYNA CAN System CAN mona podzieli na wolny (Low-speed do 125 kbit/s) i szybki (Highspeed powyej wartoci np. 250, 500 kbit/s a do 1 Mbit/s). Protokó CAN okrelaj nastpujce normy: ISO 11519-2 CAN low-speed 125 kbit/s, ISO 15765 CAN high-speed 250500 kbit/s, SAE J2284 CAN high-speed 500 kbit/s, ISO 11898 CAN high-speed 1 Mbit/s. Znormalizowany protokó zarzdzania przepywem informacji pozwoli na tworzenie sieci umoliwiajcych: unifikacj procedur startowych cznie z okreleniem szybkoci transmisji, rozsyanie adresów wród wzów sieci lub typów komunikatów, okrelenie struktury komunikatu, dostarczenia systemowych procedur obsugi bdów, synchronizowanie pracy wielu urzdze cyfrowych, kontaktujcych si ze sob zgodnie ze standardem CAN.
Eksploatacyjne waciwoci magistrali CAN w pojazdach samochodowych 157 Sie tworz wymienniki informacji (tzw. wzy) poczone z magistral co zilustrowano na rys. 1. Wzy mog by zarówno nadajnikami i odbiornikami informacji. Dla zapewnienia technicznych moliwoci wspópracy z magistral kady wymiennik musi posiada : sprzg mechaniczny zcze, ukad sprzgajcy elektryczny dopasowujcy poziom i struktur sygnaów elektrycznych do wymaga ogólnych obowizujcych w caej magistrali, ukad sterowania wymian danych generujcy sygnay potrzebne do wyprowadzenia sygnau do magistrali i do przyjcia komunikatu z magistrali, ukad sprzgajcy wewntrzny czy ukad sterowania wymian danych z obsugiwanym sterownikiem funkcjonalnym lub ródami sygnaów dochodzcych do wza. Rys. 1. Schemat blokowy wzów poczonych z magistral CAN [8] Najprostsz sie tworz urzdzenia posiadajce wasne mikrokontrolery CAN (najczciej s to rónego rodzaju sterowniki). Sie taka obywa si bez centralnego komputera zarzdzajcego, a urzdzenia komunikuj si bezporednio ze sob. Urzdzenia, które dziaaj na zasadzie analogowej, takie jak np.: przeczniki, czujniki, silniki elektryczne itp. mona take zintegrowa w sie i CAN. W tym celu tworzy si specjalne wzy multipleksowe, w których rozszerzony zakres dziaania mikrokontrolerów CAN zapewnia przyczonym do nich urzdzeniom kontakt z nadajnikami i odbiornikami informacji w sposób zgodny z wymaganiami protokou. Takie urzdzenia grupuje si na zasadzie lokalnej bliskoci albo w oparciu o podobiestwo spenianych przez nie funkcji.
158 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski 3. PROTOKÓ CAN Sie CAN jest odmian lokalnej sieci komputerowej, która moe pracowa bez udziau jednostki centralnej, synchronizujcej prac wymienników informacji, co podnosi niezawodno transmisji informacji. Transmisja danych odbywa si w systemie szeregowym. Obowizuje zasada, e w jednej chwili moe by aktywnych wiele odbiorników, ale tylko jeden nadajnik. W sytuacjach konfliktowych, gdy wiele nadajników zgasza si jednoczenie do magistrali, dziaa mechanizm arbitrau. Celem arbitrau jest takie przydzielenie magistrali wymiennikom informacji, aby nie dopuci do zbyt dugiego oczekiwania wymienników na udostpnienie magistrali i zarazem zapobiec nakadaniu si na siebie rónych komunikatów. Kady z nadajników ma przyporzdkowany róny stopie wanoci. Jest to uzasadnione tym, e róne nadajniki toleruj róne opónienia czasowe w obsudze ich da (np. danie zwizane z zapewnieniem poprawnej pracy systemu ABS bdzie pilniejsze od dania wprowadzenia danych na wywietlacz informacyjny kierowcy). Nadajniki o wyszym priorytecie pierwsze rozpoczn transmitowanie swoich komunikatów, co przedstawiono na rys.2. Rys.2 Schemat transmisji komunikatów [7] W sieci CAN stosowany jest system arbitrau typu CSMA/CD czyli Wielodostp do Medium z Wykrywaniem Nonej i Detekcj Kolizji. Wszystkie wzy musz sprawdzi przed rozpoczciem transmisji, czy nic nie jest przesyane sieci. Jest to Wykrywanie Nonej (Carier Sense - CS) i jeli okae si, e nic nie jest przesyane sieci, to wszystkie maj prawo do transmisji jest to Wielodostp do Medium (Multiple Access - MA). Detekcja Kolizji (Collision Detection - CD) oznacza, e jeli dwa wzy zaczn nadawa jednoczenie to zostanie wykryta kolizja, co spowoduje zadziaanie niedestrukcyjnego arbitrau bitowego. Oznacza to, e arbitra odbywa si bez opónienia i bez niszczenia komunikatów o wyszym priorytecie.
Eksploatacyjne waciwoci magistrali CAN w pojazdach samochodowych 159 W protokole CAN istniej cztery rodzaje ramek: ramka danych zawiera wszystkie opisane powyej pola, w tym dane w polu danych oraz dominujcy bit RTR, ramka zdalna jest to ramka wysyana przez wze odbiorczy z daniem wysania przez wze nadawczy ramki danych z okrelonymi danymi. Charakteryzuje si brakiem danych w polu danych i recesywnym bitem RTR, ramka bdu jest to ramka wysyana przez wze, który wykry bd w ramce danych. Zawiera ona pole flagi bdu od 6 do 12 bitów oraz pole ogranicznika zawierajce 8 bitów recesywnych, ramka przeadowania jest to ramka wysyana przez wze, który ma za duo informacji do przetworzenia i jest wysyana w celu uzyskania dodatkowego opónienia pomidzy komunikatami. Jest podobna do ramki bdu i zawiera pole flagi przeadowania 6 bitów dominujcych oraz pole ogranicznika zawierajce 8 bitów recesywnych. 4. MAGISTRALA CAN Poniewa system CAN zosta opracowany z myl o zastosowaniach motoryzacyjnych, musia poprawnie wykrywa i obsugiwa bdy. Z wprowadzeniem wersji CAN 2.0B podniesiono maksymaln szybko transmisji omiokrotnie do 1Mbit/s w porównaniu do poprzedniej wersji. Przy takiej szybkoci transmisji, nawet komunikaty krytyczne ze wzgldu na czas przesyania s transmitowane bez opónie. W dodatku protokó CAN posiada zwiz list bdów, które wykrywa celem zapewnienia niezawodnej transmisji. Wzy maj zdolno wykrywania bdów i przechodzenia do innych trybów pracy zalenie od zagroenia, jakie dla systemu niesie wykryty bd. Równie s w stanie odróni krótkotrwae zakócenia od powanych usterek. Wzy CAN mog przechodzi ze stanu normalnej pracy do cakowitego odczenia od sieci (buss-off) zalenie od powagi bdu. Ta cecha nazywana jest ograniczeniem bdu (Fault Confinement). aden uszkodzony wze nie moe ograniczy wydolnoci caego systemu, gdy uszkodzenia s ograniczone tylko do niezdatnego wza, który samoczynnie si wyczy zanim uniemoliwi prac caej sieci. Gwarantuje to niezakócone przesyanie najwaniejszych komunikatów. Do przesyania informacji wykorzystuje si dwa przewody, które skrca si ze sob, aby zmniejszy podatno na wpyw zakóce od równolegle przebiegajcych przewodów oraz zewntrznych pól magnetycznych. Magistrala CAN pracuje z maksymaln prdkoci transmisji 1 Mbit/s na dystansie do 40 m. Wraz ze zwikszaniem dystansu spada maksymalna prdko transmisji. W dwóch przewodach sieci multipleksowej kr te same sygnay (rys.3), ale zgodnie ze zmianami przeciwnych potencjaów. Szyna (H) Wysoka (High Bus): potencja przechodzi od stanu niskiego do stanu wysokiego.
160 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski Rys. 3. Przebieg sygnau CAN w linii H i L [8] Szyna (L) Niska (Low Bus): potencja przechodzi od stanu wysokiego do stanu niskiego. Jest to wic komunikacja dwukierunkowa (informacje przepywaj w 2 kierunkach). Moduy elektroniczne wykorzystuj rónic potencjau midzy dwoma busami. Ta rónica generuje sygna, wahajcy si midzy 0 i 2V: - 0V rónicy potencjau w przypadku, gdy obie szyny maj napicie 2,5 V, - 2V rónicy potencjau jeli szyna H ma napicie 3,5 V, a szyna L 1,5 V. Wykres na rys. 4. pokazuje przykadowy oscylogram przebiegu w magistrali CAN o szybkoci 500 kbit/s. Rys.4. Oscylogram dla magistrali CAN [8]
Eksploatacyjne waciwoci magistrali CAN w pojazdach samochodowych 161 5. ELEMENTY I STRUKTURA SIECI CAN Poczenie moduów elektronicznych pozwala udostpni wszystkim moduom informacje zbierane przez kady z nich (np. prdko pojazdu, temperatura pynu itp.) jak równie poszczególne wartoci zadane oraz nadawane stany (jak np. polecenie zmniejszenia momentu, odpalenie poduszek powietrznych itp.). Komunikacja przebiega wielokierunkowo. Wszystkie moduy elektroniczne s nadajnikami i odbiornikami. Rozmieszczenie elementów sieci CAN w samochodzie przedstawiono na rys.5. Rys.5. Przykadowa budowa i rozmieszczenie elementów sieci CAN w samochodzie [7] Komunikaty zwane cigami kodowymi s emitowane okresowo (cig kodowy wtrysku), lub po wystpieniu zdarzenia (cig kodowy Crash). Cig kodowy przekazuje wiele informacji takich jak temperatura pynu lub prdko obrotowa silnika do moduu elektronicznego klimatyzacji lub tablicy wskaników. Cig kodowy Crash jest emitowany przez modu elektroniczny airbagu na skutek gwatownego uderzenia. Ta informacja ma pierwszestwo i jest wysyana do komputera wtrysku, moduu zespolonego w kabinie i do blokady kolumny kierownicy.
162 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski Rys. 6. Ogólna struktura sieci multipleksowej [7] Niektóre moduy elektroniczne s podczone do sieci multipleksowej pojazdu za porednictwem moduu elektronicznego zwanego przepustowym. Ten modu pozwala na uproszczenie wizki przewodów. Cigi kodów przepywaj przez modu elektroniczny przepustowy bez adnej modyfikacji. Jednak, jeli modu jest odczony, brak jest fizycznego poczenia midzy dwoma moduami elektronicznymi i sieci. Ogóln struktur sieci multipleksowej przedstawiono na rys.6. Pojazd moe mie wiele sieci multipleksowych: - sie gówn «sie multipleksowa pojazdu», do której podczona jest wikszo moduów elektronicznych pojazdu, - sieci zwane «wycznymi», obejmujce tylko niektóre moduy elektroniczne (np. kontrola toru jazdy, multimedia itp.). Ze wzgldu na szybko transmisji oraz rodzaj urzdze, magistrala CAN w samochodzie dzieli si na grupy: CAN multimedia, zwizana ze sprztem audio-video oraz nawigacj GPS, przesy duej iloci danych (1Mbps), CAN trakcja, odpowiadajca za komunikacj z systemami bezpieczestwa (poduszki powietrzne, ABS, EPS, ASR, wspomaganie kierownicy), sterowaniem silnika i skrzyni biegów, przesy danych w czasie rzeczywistym (250kbps - 1Mbps), CAN komfort, odpowiadajca za komfort jazdy (centralny zamek, klimatyzacja, wiata, kierunkowskazy, elektryczne szyby, elektryczne lusterka, siowniki siedze, wskaniki, regulator pooenia reflektorów, czujniki deszczu, czujniki cofania), maa prdko transmisji (10kbps - 40kbps), CAN diagnostyka, bdca pewnego rodzaju bram (Gateway), pozwalajca na odczyt parametrów pojazdu, przegldania listy bdów. Protokó i przepyw informacji musz by identyczne dla wszystkich moduów elektronicznych podczonych do tej samej sieci. Jednak dany modu elektroniczny moe
Eksploatacyjne waciwoci magistrali CAN w pojazdach samochodowych 163 by podczony do dwóch sieci multipleksowych, posiadajcych róne parametry. W sieciach CAN high-speed o prdkoci od 250 kbit/s stosowane s rezystory kocowe o wartoci 120 kady dla eliminacji odbi, które mog wystpowa przy takich prdkociach przesyu. Postpowania w procesie diagnozy podczas uycia interfejsu BORNEO 3 moe by realizowane w nastpujcych proponowanych etapach: Identyfikacja pojazdu, Test sieci multipleksowej, Wybór trybu diagnostyki realizowanej jako wspomaganej lub samodzielnej, Tryb naprawczy i kontrola kocowa. Zasada dziaania diagnostyki samodzielnej umoliwia wywietlenie danych powizanych z wybranym moduem elektronicznym takich jak: - Róne linki (schematu, dokumentacji i Dialogys), - Sterowanie elementem wykonawczym, - Odczyt usterek, - Odczyt stanu i parametrów. Natomiast realizowana przez operacj umoliwia wywietlenie danych diagnostycznych wszystkich moduów elektronicznych, które wpywaj na wykonanie tej operacji takich jak: - Róne linki (schemat i dokumentacja diagnostyki) operacji, - Sterowanie elementami wykonawczymi, biorcymi udzia w operacji, - Odczyt usterek moduów elektronicznych biorcych udzia w operacji, - Stany i parametry dotyczce operacji kadego moduu elektronicznego, który bierze udzia w tej operacji. Informacje dotyczce elementów sieci multipleksowej z zaznaczonymi usterkami a take wybór trybu diagnostyki z podaniem parametryzacji dla poszczególnych defektów wywietlane s w postaci okien na ekranie komputera. Realizowana jest take rejestracja wybranych parametrów i stanów badanego moduu elektronicznego, których parametry techniczne mog by przedstawione w postaci graficznej. Wynik przeprowadzonego badania zapisany jest w postaci analitycznej Karty Diagnostyki 6. URZDZENIA DIAGNOSTYCZNE Do diagnozowania wspóczesnych urzdze elektrycznego wyposaenia pojazdów samochodowych, stosuje si testery oraz diagnoskopy, które mona zakwalifikowa jako urzdzenia ogólnego przeznaczenia (wielomarkowe) pozwalajce na obsug wielu marek pojazdów samochodowych w zalenoci od posiadanego interfejsu oraz oprogramowania
164 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski lub urzdzenia dedykowane dla danej marki pojazdów wyposaone w stosowny interfejs oraz oprogramowanie. Urzdzenia ogólnego przeznaczenia to: uniwersalny przenony Diagnoskop typu FSA 450 firny Bosch, uniwersalny Diagnoskop V- SCAN DS908, uniwersalny Diagnoskop MULTI DIAG, Diagnoskop Bosch FSA 740 Edition z KTS 540. Urzdzenie diagnostyczne dedykowane przedstawiono poniej- na fotografiach 1 i 2. Komputer osobisty Panasonic CF-19 jest baz dla urzdzenia diagnostycznego Clip (Renault) oraz Consult III (Nissan). Zalet tego urzdzenia jest: Odporno na upadki (90cm) Odporno na wibracje Odporno na zapylenie (norma IP54) Obudowa ze stopów metali lekkich Ekran mocowany przegubowo Ekran dotykowy Fot.1. Widok ogólny przenonego komputera urzdzenie diagnostycznego Konfiguracja tego typu zestawu, (fot. 2) zawiera: komputer PC Panasonic, sond Alliance CAN, wózek diagnostyczny, dodatkowy ekran LCD 19, klawiatur, mysz i zewntrzny czytnik. Fot. 2. Konfiguracja zestawu kompletnego (Clip Privilège)
Eksploatacyjne waciwoci magistrali CAN w pojazdach samochodowych 165 Funkcje i zalety tego typu zestawów diagnostycznych s nastpujce: diagnostyka sieci CAN, diagnostyka poszczególnych moduów elektronicznych, kasowanie bdów, moliwo rozbudowy funkcji w moduach elektronicznych, odczyt parametrów i stanów, rejestracja graficzna parametrów i stanów dla poszczególnych moduów, konfiguracja moduów, programowanie moduów elektronicznych, dostp on-line do dokumentacji naprawczej, proste menu obsugi urzdzenia. 7. PODSUMOWANIE Dziki wdreniu systemu sieci CAN znakomicie poszerzyy si moliwoci diagnozowania stanu elementów wyposaenia elektrycznego pojazdów zarówno w aspekcie technicznym jak i funkcjonalnym. A oprócz tego istotnie wzrosa niezawodno wyposaenia samochodu - bo dziki dozorowaniu stanu i realizowanym na czas czynnociom terapeutycznym nie dochodzi do trwaych i gbokich zmian destrukcyjnych w strukturze pojazdu. Zalet CAN jest szybka transmisja z ograniczeniem bdów, co zapewnia pewn transmisj wanych komunikatów. Sie uatwia take wyszukiwanie miejsc wystpienia usterek, pozwalajc na dotarcie w prosty sposób do pamici kadego ze sterowników zainstalowanych w pojedzie. Protokó CAN zosta zoptymalizowany dla systemów, które przesyaj wzgldnie mae porcje danych skierowanych do jednego lub wszystkich wzów sieci. CSMA/CD daje wszystkim wzom jednakowe prawa dostpu do sieci oraz umoliwia bezkonfliktow obsug kolizji. Istnieje moliwo rozbudowy instalacji elektrycznej bez potrzeby komplikowania jej struktury lub ingerencji w istniejce wizki elektryczne. Wprowadzajc nowe urzdzenie do instalacji pojazdu czymy je z najbliszym wzem sieci, a nastpnie wprowadza si odpowiedni korekt w oprogramowaniu. Cigy rozwój i nowe rozwizania transmisji szeregowej CAN oraz wspópracujcych z ni elementów elektronicznych sprawia, e coraz bardziej niezbdne staja si posiadanie przy obsudze tych systemów specjalistycznej dokumentacji technicznej oraz testerów diagnostycznych z odpowiednim oprogramowaniem. Bibliografia 1. Stanisaw Niziski Diagnostyka samochodów osobowych i ciarowych D.W. Bellona Warszawa 1999r, 2. Charles White, Martynn Randall Kody usterki WKi Warszawa 2008r,
166 Mieczysaw Plich, Piotr Szypowski 3. Anton Herner, Hans-Jurgen Riehl Elektrotechnika I elektronika w pojazdach samochodowych WKi Warszawa 2004r, 4. Seweryn Orzeowski Eksperymentalne badania samochodów i ich zespoów WNT Warszawa 1995r, 5. Jerzy Merkisz, Stanisaw Mazurek Pokadowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych WKi Warszawa 2007r, 6. Poradniki Serwisowe, 7. Dokumentacja techniczno-naprawcza RENAULT, 8. Bosch R Gmbh., Sieci wymiany danych w pojazdach samochodowych, Informator Techniczny WKi., Warszawa 2009r, 9. Frykowski B., E. Grzejszczyk: Systemy transmisji danych, WKi Warszawa 2010r, 10. Zimmermann W., R. Schmidgall, Magistrale danych w pojazdach, protokoy i standardy, WKi, Warszawa 2008r. OPERATIONAL PROPERTIES OF CAN BUS IN MOTOR VEHICLES Summary: The paper presents the concept of diagnostic station for testing functional blocks and electrical and electronic sets cooperating within new generation connections of CAN network. General objectives have been formed as well as the rules of system operation within CAN protocol. The structure of multiplex network has been presented illustrating its sample construction together with the arrangement of particular elements in a motor vehicle. Currently used diagnostic devices have been presented indicating the devices dedicated for vehicles equipped with appropriate interface and software on the example of such car makes as Renault, Nissan, Dacia. Keywords: diagnosis, electronic engineering, CAN