VYSOKÉ UČENI TECHNICKE V BRNE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN VÝVOJ A MOŽNOSTI SOUČASTNÝCH OBD SYSTÉMŮ U OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ A MOTOCYKLŮ DEVELOPMENT AND POTENTIAL OF PRESENT CAR AND MOTORCYCLES OBD SYSTEM BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE ZDENĚK NEUWIRTH AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE DOC. ING. IVAN MAZŮREK, CSC. SUPERVISOR BRNO 2007 Anotace a klíčová slova Anotace: V úvodu je krátce vysvětlen pojem OBD, postupně jsou v kapitolách uvedeny základní informace k problematice vnitřní diagnostiky, rozdělení na OBD I a OBD II a popis těchto stupňů. Dále je zde základní seznámení s nejdůležitějšími částmi systému, největší důraz je kladen na problematiku sítí ve vozidle. Postupně jsou uvedeny důvody pro použití sběrnicových systému ve vozidle, dělení těchto systémů a jejich stručný popis. Pro sběrnicový systém CAN-Bus je vyhrazena největší část, protože je stále ještě nejvíce používán. V další části jsou používané komunikační systémy porovnány, pro názornost je zde uvedena tabulka s přehledem důležitých vlastností sběrnicových systémů. Příklady propojení několika sítí v jednom automobilu a návaznost sběrnicových systému na diagnostickou zásuvku je znázorněno graficky. V krátké části jsou představeny některé diagnostické přístroje. Další kapitola je věnována chronologickému uspořádání vývoje systémů vnitřní diagnostiky, možnostem a příkladům využití těchto systémů, stručně jsou popsány některé případy využití v současnosti a v budoucnosti. Annotation: In entrance is briefly explained concept OBD, by degrees there're adduced at chapters basic informations about problems on board diagnostic, division into OBD I and OBD II and description of these degrees. Again there are basic introduction with all important parts of the system, the biggest accent is on problems of nets in vehicle. By degrees are adduced reasons for use bus's systems at vehicle, dealing of these arrangements and their brief description. For bus system CAN- Bus's reserved the largest part, because it is used always any more mostly. In next parts are compared used communication systems, account on clearness there is adduced bar with abstract of important adjuncts bus systems. Examples of connection of several nets in some automobile and sequence of bus systems around diagnostic connector are typified graphically. In short part are introduced some diagnostic devices. The next chapter is address to a chronological order of advancement on board diagnostics systems, possibilities and examples taking advantage these systems, briefly are described some cases taking advantage now and in the future. Klíčová slova: Diagnostika, OBD, CAN, sběrnice, LIN, vývoj Keywords: Diagnostic, OBD, CAN, bus, LIN, advancement strana 5 Čestné prohlášení Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a používal jsem pouze zdroje uvedené v přiloženém seznamu použitých zdrojů. V Brně dne: 18.5.2007 Podpis: Zdeněk Neuwirth v.r. strana 7 Poděkování Poděkování Děkuji doc. Ing. Ivanu Mazůrkovi CSc. vedoucímu bakalářské práce za pomoc a vedení při vytváření této práce a za rady, náměty a připomínky. Děkuji také Ing. Petru Dvořáčkovi za cenné rady v počátcích tvorby této práce. Rád bych také poděkoval všem, kteří mě jakýmkoliv způsobem podpořili. strana 8 Obsah OBSAH OBSAH 7 Seznam obrázku 10 Seznam tabulek 10 ÚVOD 11 1 VNITŘNÍ DIAGNOSTIKA 12 1.1 Palubní diagnostika motorových vozidel 12 1.1.1 OBDI 12 1.1.2 0BDIIaEOBD 13 1.1.3 Diagno stické přístroje 14 1.2 Hlavní části vnitřní diagnostiky 15 1.2.1 Řídící jednotky 15 1.2.2 Akční členy, snímače a spínače 15 1.2.3 Síťové systémy 16 1.2.4 Sběrnicové systémy 16 2 AUTOMOBILOVÉ SBĚRNICE 18 2.1 CAN-Bus 18 2.1.1 Základní popis CAN-Bus 18 2.1.2 Komunikace a komunikační (datový) protokol 19 2.1.3 Některé druhy CAN-Bus 20 2.2 LIN 20 2.2.1 Přenos dat 21 2.3 FlexRay 21 2.3.1 Realizace FlexRay 21 2.3.2 Přenos dat 21 2.4 MOST 22 2.4.1 Fyzické zařízení 22 2.5 SAE J1850 22 2.6 Některé méně používané sběrnice 22 2.6.1 TTP 22 2.6.2 Byteight 22 2.6.3 TTCAN 22 2.6.4 J1939 22 2.7 Porovnaní sběrnicových systémů 23 2.7.1 CAN-spolehlivý 23 2.7.2 LIN - finančně nenáročný 23 2.7.3 FlexRay - rychlý a bezpečný 23 2.7.4 MOST - multimédia 23 2.8 Použití sběrnicových systémů 24 3 VÝVOJ A MOŽNOSTI 27 3.1 Vývoj On Board Diagnostických systémů 27 3.2 Možnosti a příklady využití systémů v budoucnosti 27 3.2.1 Bezpečnost provozu na pozemních komunikacích 28 4 ZÁVĚR 30 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 31 strana 9 Obsah Seznam obrázků Obr. 1-1 Diagnostický konektor a jeho zapojení 13 Obr. 1-2 Příklady diagnostických přístrojů 14 Obr. 1-3 Příklady novějších diagnostických přístrojů 15 Obr. 1-4 Procentuální podíl poruch 16 Obr. 1-5 Rozdělení sběrnicových systémů 17 Obr. 2-6 Schématické znázornění uspořádání 18 Obr. 2-7 Datová zpráva specifikace 2.0A 19 Obr. 2-8 Použití LIN ve vozidle 20 Obr. 2-9 Celkový formát zprávy LIN 21 Obr. 2-10 Komunikační cyklus FlexRay 21 Obr. 2-11 Struktura sběrnice MOST 22 Obr. 2-12 Vývoj podílu jednotlivých sběrnic 23 Obr. 2-13 Propojení tří sběrnic 24 Obr. 2-14 Kompletní zasíťování vozidla 25 Obr. 2-15 Návaznost na diagnostickou zásuvku 26 Seznam tabulek Tab. 2-1 Popis datové zprávy 19 Tab. 2-2 Přehled sběrnicových systémů 24 Tab. 2-3 Legenda k obr. 14 25 strana 10 Úvod ÚVOD On Board Diagnostické systémy, označovány zkratkou OBD, jsou v České republice známy jako systémy palubní diagnostiky, nebo lépe vnitřní diagnostiky. Pod názvem OBD se v dnešní době stále častěji skrývá veškerá problematika elektronických systémů ve vozidle. Označení vzniklo pro systémy, které dokázaly za jízdy uvnitř vozidla kontrolovat a měnit parametry ovlivňující správnou funkci motoru, především spalování. Jak se zvětšovaly nároky na emisní limity a přibývaly zákonem stanovené oblasti (např. bezpečnost), tak bylo nutné do systémů vnitřní diagnostiky zahrnovat stále další systémy a podsystémy. Cílem této práce je rešeršní zpracování problematiky On Board Diagnostických systémů. První část se zabývá základním seznámením s vnitřní diagnostikou, jejími jednotlivými stupni a s hlavními částmi, krátce představuje příklady přístrojů používaných k diagnostice. Stěžejní část práce je zaměřená na stručný popis nejčastěji používaných sběrnicových systémů a jejich vzájemné porovnání. Dále se tato část zabývá propojení různých sběrnicových systémů v jednom vozidle. Součástí třetí části této práce je chronologické uspořádání událostí ovlivňující vývoj OBD, představení některých možností dalšího využití a vývoje systémů palubní diagnostiky. Důvodem pro volbu tohoto tématu je to, že jsem se elektrice a elektronice v osobních automobilech věnoval již několik let. Na odborném učilišti, kde jsem se vyučil autoelektrikářem a poté dva roky při nástavbovém studiu autoelektronika. strana 11 Vnitřní diagnostika 1 VNITŘNÍ DIAGNOSTIKA Vlády některých zemí reagovaly na stále se zvětšující počet motorových vozidel stanovením podmínek pro nově vyráběná vozidla (homologace). První podmínky se týkaly obsahu škodlivin ve výfukových plynech, dále se limity zpřísňovaly a také vznikaly normy pro další oblasti, např. aktivní a pasivní bezpečnost, hlučnost, zabezpečení vozidla, atd.. Pro značnou setrvačnost klasicky používaného (mechanického) ovládání byly jednotlivé systémy postupně nahrazovány systémy s elektronickými metodami regulace. Velkou výhodou je možnost provádět regulaci v závislosti na více parametrech z různých snímačů, výsledná hodnota (elektrický signál) je stanovena numerickým zpracováním jednotlivých elektrických signálů. Diagnostika systému elektronické regulace je prováděná jako ohmické (statické) proměření jednotlivých komponentů soustavy (snímačů, výkonných prvků, kabeláže atd.), dále jako dynamická kontrola, měření změny elektrických signálů. Množství prvků ve vozidle ovlivňuje složitost elektronické soustavy, tím vzniká nutnost zlepšení diagnostických metod a přístrojů. 1.1 Palubní diagnostika motorových vozidel Palubní nebo vnitřní diagnostika označovaná také jako OBD (On Board Diagostic) provádí za provozu vozidla samokontrolu (vnitřní kontrolu), kontrolu předdefinované funkce. Tato diagnostika, nazývající se také palubní, je od roku 2000 povinou součástí řízení motoru, systému pro přenos kroutícího momentu, aktivní a pasivní bezpečnosti. Diagnostika je vybavena kontrolkou umístěnou na palubní desce. Závada je v numerickém nebo alfanumerickém kódu uložena do paměti závad, která je součástí řídící jednotky. Vznikne-li na některém prvku trvalá závada, je jeho signál nahrazen nouzovým, přeprogramovaným signálem. Vyčítání paměti závad se provádí po diagnostickém vedení různými způsoby, v závislosti na použitém stupni vnitřní diagnostiky. Stupně se označují OBD I a OBD II nebo EOBD. EOBD je vnitřní diagnostika upravená pro evropské normy. 1.1.1 OBD I Vyčítání paměti závad je aktivováno připojením „kostry", nejčastěji na vedení L (u některých vozidel na vedení K) a zapnutím zapalování. Vyčtení pak probíhá pomocí blikacúio kódu, buď tento kód zobrazí blikání kontrolky na palubní desce, anebo je přiveden na diagnostickou zásuvku vedením K. Kód je dán sledem impulzů v čase, kód určuje druh a místo závady. Pro diagnostiku se nejčastěji používá diagnostický přístroj („tester"), který se připojuje k diagnostické zásuvce (není jednotná). Závada je zobrazena na displeji (nebo externí obrazovce) přístroje v číselném kódu nebo je slovně vypsaná. Diagnostika byla dále rozšířena o test akčních členů při nenastartovaném motoru a v některých případech o test signálů ze snímačů při chodu motoru. Záznam závad Je-li v systému zaznamenána trvalá závada, rozsvítí se kontrolka a zůstane rozsvícená. Dále se může vyskytnout sporadická závada (vyskytuje se pouze za určitých podmínek), kontrolka svítí pouze v okamžiku, kdy je závada vyhodnocena. strana 12 Vnitřní diagnostika Oba druhy závad jsou ukládány do paměti a mohou být vyčteny. Norma dále neurčuje jaký kód má být přiřazen jaké závadě. 1.1.2 OBD II a EOBD Norma určená pro osobní a lehká užitková vozidla se zážehovými a vznětovými motory. Definuje sledování bezchybné funkce prvků a dodržování emisních limitů, diagnostika se provádí testovacím přístrojem. Kontrolka na palubní desce může být ve stavech svítí, nesvítí a bliká. Kontrolka svítí, nastanou-li závady nebo závada ovlivňující emise o více jak 1,5 násobek limitní hodnoty. Kontrolka bliká, jestliže se vyskytuje závada, která může poškodit katalyzátor. Pokud je vše v pořádku, nebo vyskytne-li se sporadická závada, která se zapíše do paměti závad a dále se nevyskytuje, kontrolka po nastartování zhasne a nesvítí. Základ OBD II a EOBD Součásti, které správně nefungují, mohou být příčinou zvýšení škodlivin ve výfukových plynech (CO - oxid uhličitý, HC - uhlovodíky, NOx - oxidy dusíku). Úkolem je sledovat a kontrolovat všechny díly podílející se na složení výfukových plynů, používat předepsanou diagnostickou zásuvku (přístup od sedačky řidiče), varovat řidiče při výskytu závady (kontrolka), chránit katalyzátor, ukládat závady, komunikovat s diagnostickým přístrojem pouze standardními kódy, podporovat běžné diagnostické přístroje, na požádání poskytovat informace o podmínkách při kterých došlo k závadě a označovat součásti, systémy a závady podle standardu. Propojovací konektor je označován CARB (pro OBD II) a ISO 9141-2 (pro EOBD). Konektor OBD II Zapojení: 2 JISSOPWMBus + nebo I1SS0 VPWBus 4 kostra vozidla 5 komunikační kosira 6 CAN-Eus High (J22S4) 7komunůmčuílinka K-line (ISO 9141-2) UJUSOPWMBus- 14 CAN-Bus Low (122 S4) 15 ňiicialžačniĚnka I-line nebo 2. K-line (ISO 9141-2) 16 palubní n apětí +12V Obr. 1-1 Diagnostický konektor a jeho zapojení Je dán tvar a obsazení pinů (kolíků), příklad ukazuje obrázek 1, v závorkách jsou uvedeny normy pro jednotlivá zapojení. Sledované děje: Katalyzátor (funkčnost) - porovnáním signálu z lambda sond (před a za). Lambda-sondy - hodnotí se průběh signálu při provozu a rychlost začátku regulace. Spalování - bezchybnost hodnocena z četnosti výpadků Systém sekundárního vzduchu Zpětné vedení výfukových plynů (recirkulace spalin) Odvzdušňovaní palivové nádrže (funkčnost, těsnost) Systém rozdělování paliva strana 13 Vnitřní diagnostika Sběrnice Vlivy automatické převodovky na motor Elektrický pedál akcelerace Akční členy se dají hodnotit také při nenastartovaném motoru a to poslechovou a sledovací metodou. Diagnostický test Zcela automaticky při budování komunikace (tester - jednotka) se provádí určení typu přenosu, řídící jednotka vysílá záhlaví, které se skládá ze vzorku rychlosti přenosu sloužícího k synchronizaci a z klíčových slov, které testují správnou komunikaci. Samostatnou částí je vymazání závad, provede se po odstranění závady nebo po jejím vymizení - nevyskytne-li se závada po určitý počet cyklů. Při vymazání paměti se vymažou všechny data najednou. Prakticky se diagnostický test skládá z těchto částí: Čtení paměti závad s určením, zda jde o statickou či sporadickou a postupné zobrazení pokynů k odstranění závady. Test akčních členů, je možné zvolit kompletní test, nebo jen test některých členů. Ověření věrohodnosti signálů, srovnání naměřené a prahové hodnoty pro všechny nebo jen některý člen. Vymazání paměti závad. 1.1.3 Diagnostické přístroje Na českém trhu je velké množství diagnostických přístrojů. Jsou to přístroje určené pro malou skupinu značek vozidel, které na trh dodávají výrobci vozidel (např. koncern VW), přístroje určené pro vozidla vybavená určitou značkou komponentů, které dodávají výrobci těchto komponentů (např. BOSCH). I tito výrobci se snaží o univerzalitu svých produktů. Jako příklad jsou zde uvedeny některé přístroje používané v diagnostice, jedná se o přístroje, se kterými jsem si vyzkoušel diagnostiku na učilišti nebo v nástavbovém studiu - obrázek 2, nebo přístroje novější - obrázek 3. Obr. 1-2 Příklady diagnostických přístrojů Na obrázku 2 je zleva: FSA 560 - výrobce Bosch, univerzální měřící a diagnostický přístroj. KTS 650 - Bosch, univerzální diagnostický přístroj. V.A.G 1552 - výrobce VW, diagnostický tester. strana 14 Vnitřní diagnostika Obr. 1-3 Příklady novějších diagnostických přístrojů Na obrázku 3 zleva: VAS 5051(B) -VW, univerzální diagnostika. VAS 5053 - nástupce V.A.G 1551. CP9125 - výrobce Actron, diagnostický tester OBDII a EOBD, (cena 3510,50 Kč). FINEST 1006 - výrobce Blue Panther Instrumens, automobilový analyzátor. FSA 750 - Bosch, univerzální diagnostická stanice. V současnosti je hodně rozšířené diagnostikování pomocí PC (osobní počítač), na který je nainstalován některý diagnostický program (VAG COM, SuperVAG, AUTOCOM, PP2CAN, atd.) a je použito vhodné propojení s diagnostickou zásuvkou. Tyto formy komunikace s vozidlem umožňují nejen diagnostiku v rozsahu nainstalovaného programu, ale některé také např. i vyčtení PIN vozu a chipování. 1.2 Hlavní části vnitřní diagnostiky 1.2.1 Řídící jednotky Řídící jednotka je vlastně mikropočítač s procesorem a paměťovými obvody. Přijímané hodnoty jednotka porovnává s teoretickými vypočítanými hodnotami, nebo s hodnotami přeprogramovanými, které jsou uloženy v paměti. Na základě tohoto porovnání vysílá jednotka řídící signály pro jednotlivé prvky. Paměti v řídící jednotce: Programová paměť - EPROM a FEPROM (Flash EPROM) - V paměti typu EPROM jsou uloženy kódy jednotlivých závad, referenční a výrobní hodnoty, atd. V FEPROM se nacházejí různá pole charakteristik. Datová paměť (RAM) - slouží k dočasnému uložení a opětovnému vyvolání proměnných hodnot, musí být na rozdíl od pamětí EPROM stále napájená. 1.2.2 Akční členy, snímače a spínače Ve vozidle je použito velké množství jednotlivých prvků, v rozličných aplikacích a systémech. Například snímače: počínaje jednoduchým kontaktním snímačem, až po komplikované snímače (Lambda sonda). Mezi akční členy počítáme všechny prvky, které zajišťují nějakou činnost (natáčení škrtící klapky, atd.) strana 15 15 Vnitřní diagnostika 1.2.3 Síťové systémy Současný automobil vyšší třídy může obsahovat až 60 řídících jednotek a několik stovek snímačů, spínačů, elektromotorů, atd. Celková délka kabeláže v tomto případě může být větší než 3000 metrů. Toto zapojení je velmi nákladné, nespolehlivé a značně zvyšuje hmotnost. Jak ukazuje obrázek 4 je více jak 50% příčin poruch v systému způsobeno závadami na elektroinstalaci. Obr. 1-4 Procentuální podíl poruch 1.2.4 Sběrnicové systémy Ze skutečností uvedených v předchozích odstavcích vyplývá snaha o vytvoření nových systémů pro výměnu dat a pro komunikaci. Vývoj komunikačních cest pro použití v automobilech se nechal inspirovat sběrnicemi používanými v počítačích. Obecně přinášejí sběrnicové systémy několik výhod: snížení počtu kabelů a vodičů - z toho plyne snížení hmotnosti, lepší odolnost vůči poruchám, jednodušší konstrukční uspořádání, menší náklady, částečná eliminace nepříznivých elektromagnetických vlivů, vznikají možnosti propojení - spolupráce různých systémů, využití jednoho snímače pro více systémů současně, změny nastavení použitím nových programů, vylepšení diagnostiky - vzájemná kontrola systémů, identifikace závad při zpracování a posílání dat, odlehčení výpočtových členů - data jsou po sběrnicích přenášena digitálně, zpravidla vysokofrekvenčními pulzy. Dělení sběrnicových systémů Sběrnicové systémy v automobilech můžeme dělit podle typu zapojení do série nebo do hvězdy. Ve většině aplikací ve vozidle se používá zapojení do série (např. CAN-Bus). Dalším dělením je dělení podle rychlosti přenášených informací (dat), počet bitů přenesených za sekundu (Bit - nejmenší jednotka informace). Klasifikace a uspořádání podle rychlostí přenosu dat ukazuje obrázek 5. strana 16 Vnitřní diagnostika 25M ■ 10M - 1M - 125K 20K LIN Master/Slave CAN High-Speed CAN Low-Speed FlexRay, TTP miilti media D2B, MOST Klasifikace podle: SAE ISO Třída D 1 až 10 MBit.'s Informace Třída C 100 až 1*00 h Bit's Kritické řízení u reálném case Tritia B clo 100 h Bit's Prístrojové vybavení Třída A (lolOhBits Karoserie High speed >■ 125 tBitls Low speed £ 125 kBit/s Obr. 1-5 Rozdělení sběrnicových systémů strana 17 Automobilové sběrnice 2 AUTOMOBILOVÉ SBĚRNICE 2.1 CAN-Bus Bus - Bussystém znamená v překladu sběrnice, nebo lépe datová sběrnice; CAN je spojením prvních písmen z anglických slov Controller Area Network, což volně přeloženo znamená Lokální síť řídících jednotek. CAN sběrnice byla vyvinuta už v 80. letech minulého století firmou Robert Bosch. Poprvé byla základní verze sběrnice CAN nasazena ve vozidle Mercedes Benz v roce 1991. V roce 1993 byl pro CAN-Bus vytvořen mezinárodní standart ISO 11898. V roce 1996 byla sběrnice použita poprvé ve vozidlech koncernu WV (WV Passat a Skoda Octavia). Dalším vývojem vznikly dvě modifikace, navzájem kompatibilní systémy 2.0A a 2.OB. 2.1.1 Základní popis CAN-Bus CAN-Bus vedení Prostředkem pro přenos signálu jsou dva vodiče označeny CAN H a CAN L a jsou vzájemně propojeny přes rezistory, na vedení jsou připojeny tzv. komunikační uzly. Norma udává maximální délku vedení a maximální počet uzlů. Základní řešení obvodu CAN Každý prvek (řídící jednotky, čidla, atd.) napojen na sběrnici CAN je realizován pomocí následujících obvodů: Mikroprocesor - Řadič CAN (CAN controller) - Budič CAN (CAN transceiver) Příklad typického zapojení je uveden na obrázku 6. Fut krnp rnr. fisnr.'' Jednočipový rrí kro počítač U "3 Ra (CAN die CAN controller) & Vi 1Z_ Bude CAM (CAN transceiver) Tí i * Jednočipový mikropočítač s integrovarým radičem CAN 1 ■ä Budič CAN (CAN tidiiíbťtiuei) U -i Obr. 2-6 Schématické znázornění uspořádání strana 18 Automobilové sběrnice 2.1.2 Komunikace a komunikační (datový) protokol Režim multi-master: Jakýkoliv uzel může být master a řídit tak chování ostatních uzlů. Poruší-li se některý z uzlů, může síť komunikovat dál. Zprávy neobsahují žádná data informující o uzlu, pro který jsou určeny, ale jsou přijímány všemi uzly. Specifikace protokolu CAN 2.0 rozeznává čtyři druhy zpráv: Datová zpráva (Data Frame) Datová zpráva, nebo také datový blok, je v protokolu CAN používána ve dvou specifikacích. Typ 2.0A - délka identifikátoru 11 bitů a typ 2.OB - 29 bitů. Obrázek 7 ukazuje rozsah datové zprávy typu 2.0A. Voina Řízení přístupu Řídící Potvrzení sběrnice na sběrnici infbrmace_ Datová oblast _ Cf < }sta Sité =lex JN J185 ;an tn Vi Rí 0 i 'rob jy a ;i d i vo; alši i :i( T lei ľP) L 2000 2001 2002 2-jnl 2004 2005 2006 2007 2003 2009 Obr. 2-12 Vývoj podílu jednotlivých sbčrnic Množství sběrnicových systémů používaných v automobilech stále roste a výrobci se už nespoléhají pouze na jeden typ sběrnice. 2.7.1 2.7.1 CAN- spolehlivý — Výhodou je dobrá úroveň zabezpečení přenosu, vysoká provozní spolehlivost, řízení priority zpráv. Mezi značné nevýhody patří omezené množství dat v jedné zprávě (max. 8 bajtů), náročné první nastavení registrů. 2.7.2 2.7.2 LIN - finančně nenáročný Finanční hledisko je jeden ze základních důvodů stále častějšího používání sběrnice LIN. V roce 2005 bylo poprvé použito ve vozidle více sběrnic LIN než CAN. Výhodou je jednoduchý komunikační protokol, snadná diagnostika. 2.7.3 2.7.3 FlexRay - rychlý a bezpečný Pro datově objemnější informace s nárokem na bezpečnost a pro rychlejší přenos se používají sběrnice FlexRay. Tato sběrnice je sériově používaná jako ústřední sběrnice v nových vozech firmy BMW. 2.7.4 MOST - multimédia Sběrnice MOST používaná skoro výhradně pro multimédia, je vysokorychlostní sběrnice s jednoduchými konektory (připojení) a systémem samorozpoznání nově připojeného přístroje. strana 23 Automobilové sběrnice Názornější přehled technických vlastností sběrnicových systémů je uveden v tabulce 2, která je převzata (přeložena) z učebního textu TU Braunschweig. Tab. 2-2 Přehled sběrnicových systémů LEST 1 CAN-B 1 CAN-C byteflight TTP | Flexray 1 D2B 1 MOST Oblast použití Čidlo/výkonný prvek-přizpůsobení Vložené ovládání Komfo. pohon Bezpeč. systém systémy X-by-wire Multimédia Protokol řízení Čas Událost Čas Synchron. Asyn-chron. Fyzická vrstva Jeden vodič, měď Dva vodiče, měď Optický kabel Dva vodiče, kontrol., optický nebo měď Optický kabel Přenos, výkon [Bit/s] 20k 125k 500k 10M 23M přibližně Odolnost proti poruchám Kontrola součtem CRC CRC, kontrola nadbytečnosti Náklady na uzel [Euro] -0,50 -1,50 -2 -3 -5 -5 -10 -12 2.8 Použití sběrnicových systémů Jednotlivé sběrnice jsou užity tam, kde je jejich použití nejvhodnější a kde jsou nejlépe využity. Obrázek 13 ukazuje obecný příklad propojení tří sběrnic. - Bus 1 Rfdlci sériová sběrnice Motronic ABS/ASR/CSP Řízeni převodovky -Bus 2 Multimediální sběrnice Hlavní zobrazovací jednotka Autorádio Navigační systém - Bus 3 Sběrnice karoserie Parkovací systém Řídicí jednotky dveří Obr. 2-13 Propojení tří sběrnic Příkladem zapojení může být: Bus 1 - CAN-Bus, Bus 2 - MOST a Bus 3 - LIN. V novějších vozech je běžný ještě větší počet sběrnicových systémů a subsystémů, což ukazuje následující obrázek 14. strana 24 Automobilové sběrnice Prístrojová deska CAN Regulace odstupu vozidla LTD Ui=ii dlailid £^«m Tramal MOST m QTI] LIN —I a,i; j j f 2 I ■~"| i i? j |a.u.i] |i.ii.a|I i. 17.3] ja.n.4) j a.ii.sj Obr. 2-14 Kompletní zasíťování vozidla Tab. 2-3 Legenda k obr. 14 1.1 Elektronika motora 2.7 Rozpoznání přívěsu 2.17 Tlak v pneumatikách 1.1.1 Lambda sonda 2.8 Elektronika sloupku 2.17.1 Vysílač přední levá 1.2 ABS a další řízení 2.17.2 Vysílač přední pravá 1.2.1 Snímač otáček 2.8.1 Funkce volantu 2.17.3 Vysílač zadní levá 1.3 Airbag 2.9 Řízení energie 2.17.4 Vysílač zadní pravá 1.3.1 Rozpoznání obsazení sedadel 2.10 Pomocné topení 2.17.5 Anténa zadní 1.4 Automatická převodovka 2.11 Parkovací zařízení 1.5 Regulace sklonu světlometů 2.12 Elektrická síť vozidla 2 3 Regulace odstupu vozidla 1.5.1 Výkon levého světlometu 2.13 Zabezpečení vozidla 1.5.2 Výkon pravého světlometu 2.13.1 Vypínač pro zab. voz. 4.1 Zpráva a ovládací prvky 1.6 Elektronika park. a ruční brzda 2.13.2 Anténa zabezpečení 4.2 Telefon (vysílání,příjem) 1.7 Regulace světlé výšky 2.14 Elektrická síť vozidla 4.3 Jednotka telematiky 1.8 Snímač natočení kol (rejdu) 2.14.1 Motorek stěračů 4.3.1 Jednotka Bluetooth 2.14.2 Dešťový snímač 4.4 Navigace 2.1 Elektronika dveří řidiče 2.15 Centrální řízení komfortu 4.5 TV-tuner 2.2 El. dveří spolujezdce 2.15.1 Snímače vnitřního 4.6 Modul rádia 2.3 El. zadních dveří vlevo prostora 4.7 Repro soustava 2.4 El. zadních dveří vpravo 2.15.2 Alarm 4.8 CD-měnič 2.5 Nastavení sedačky s pamětí 2.16 Klimatizace 2.6 Nast. sed. s pamětí (spolujezdec) 2.16.1 2.16.2 Ventilátor čist. vzduchu Tlak chladiva a teplota Tabulka 3 vysvětluje číselné kódy uvedené v obr. 14. Jednotlivé sběrnice jsou spojeny přes Gateway (bránu), která převádí data protokolu používaného na jedné sběrnici na data protokolu na druhé sběrnici. Příklad vnitřního uspořádání a návaznost na diagnostickou zásuvku ukazuje obrázek 15. strana 25 Automobilové sběrnice GjIi «.iy IL 1,111,11 DlftpUEtkkä 7 tis..,-v-ti Bluk (jiisnůjíi hiJiiJ i - - I, - -11 ■ i ■ ■ 111 - -11- .■ i) J*4n4tfca iňnni moioiw Riiliu j -y-J 11 -jck .i jdJ^Úvlilliú fíZúlil ASM J(->)nMt» fcnirotilr} Hiiii.iii-.w-' JšJllt'lW l'lIÍIM lAJiůlúVJtli riMl.V^V riilir- LIN SULCUS lín sue-eus .....-■■ - .-i .in■ ..Mnoitct ■ - ! I . -.I—tm--.- . ■Kmi if 4lufizilH I-.In.irk.-, -.......=. ii.ilpw-.iy iniililmpilll 1 J«rlnclk»4chcnu*v un sue^eus lin sub-bus Ran Ray™ MOST ZirTlIt ivulla ."iv,i: i II 'v. i: 101 Obr. 2-15 Návaznost na diagnostickou zásuvku strana 26 Vývoj a možnosti 3 VÝVOJ A MOŽNOSTI 3 3.1 Vývoj On Board Diagnostických systémů Vývoj vnitřní diagnostiky a komunikačních sítí je výrazně ovlivňován emisními limity, požadavkem na bezpečnost pasažérů a na snižování spotřeby. Důležité mezníky ve vývoji OBD: 1970 - první snaha o snižování emisí a stanovení hraničních limitů 1980 - palubní počítače, jednoduché OBD 1983 - zrod sběrnice CAN 1986 - prezentace CAN-Bus 1988 - standard OBD I 1988 - doporučení SAE pro jednotný konektor a měřící signály 1991 - vznik verze CAN 2.0 1992 - sériové nasazení CAN-Bus v automobilech 1993 - CAN přenesen do mezinárodního standardu ISO 11898 1994 - standard OBD II 1996 - počátek platnosti OBD II v USA 1998 - přijetí směrnice pro EOBD 1998 - návrh sběrnice LIN 1998 - zrod sběrnice MOST 1999 - vznik verze MOST 1.1 2000 - začátek platnosti standardu OBD II (resp. EOBD) v Evropě 2000 - vznik verze LIN 1.0 2001 - sériové nasazení LIN Vývoj jednotlivých, nejen bezpečnostních systémů je spojen s využíváním sdílení dat z jednotlivých snímačů, popřípadě celých snímačů. Na neustále se zvětšující takovouto spolupráci musí být přizpůsobeny i síťové systémy, dalším vývojovým krokem by mělo být používání 32 bitových mikroprocesorů a to možná už v roce 2010. 3.2 Možnosti a příklady využití systémů v budoucnosti Příkladem možnosti využití systému vnitřní diagnostiky je probíhající vývoj a testování propojení systému jízdní stability (ABS, ESP, atd.) při detekci smyku se systémem obsahujícím informace o venkovní teplotě. Tato spolupráce se projeví rozdílem v ovládání akčních členů systémů jízdní stability při teplotě nad nulou a pod nulou. Dalším příkladem je využití dat ze sběrnicového systému k vyhodnocení zátěžného spektra převodovky automobilu, problematika je popsaná v práci: MazůrekJ-Pražák,F-Dvořáček,P - Využití sítě CAN-Bus pro stanovení zatížení převodů automobilu; Ustav Konstruování FSI VUT v Brně. Základní informací, která se z palubní sítě vyčítá vysokou frekvencí, je rychlost vozidla a otáčky motoru, ze kterých se stanoví zrychlení, hnací síla na kolo a dále hnací moment. Jako výstup je závislost otáček motoru na hnacím momentu, stanovení přehledů využití převodových stupňů a spektra pro porovnání únavového zatížení hnacího ústrojí automobilu. Výsledky jsou využitelné například při dimenzování nových převodovek. strana 27 Vývoj a možnosti 3.2.1 Bezpečnost provozu na pozemních komunikacích Vývoj celé problematiky vnitřní diagnostiky a tím i vývoj zákonných norem pro tuto problematiku by neměl být orientován pouze na bezpečnost pasažérů, ale podle mého názoru také na bezpečnost provozu na pozemních komunikacích. Záznamové zařízení dat při nehodě Velkým přínosem pro policii, vyšetřovatele dopravních nehod a pojišťovny by byl systém zaznamenávající provozní data vozidla před, při a následně po dopravní nehodě. Tento systém se standardně používá v letadle pod názvem Černá skříňka, a jestli se jednou přenese tento název i do vozidel je otázkou, stejně tak jako standardní využití v provozu na pozemních komunikacích. První impuls pro využití „černé skříňky" v automobilech dala americká firma General Motors, v současnosti probíhá i v České republice intenzivní studie a vývoj zabývající se touto problematikou. Záznamové zařízení pro řešení nehod u drážních vozidel je používáno a zákonem upraveno již od roku 1994. Avšak u osobních automobilů je nasazení mnohem obtížnější, a to nejen z důvodu nesjednocenosti komunikace a identifikátorů u jednotlivých značek a typů vozidel (nákladní automobily mají identifikátory sjednoceny), ale také proto, že automobilky nemají zájem zařízení montovat do svých vozidel. Důvodem může být strach o zájem zákazníků o nová vozidla takto vybavená, nebo také obava o zveřejnění některých dat, která by mohla výrobce automobilů poškodit. Na národní úrovni se na tuto problematiku zaměřuje projekt Ministerstva dopravy ČR nesoucí název V&V, na řešení projektu se podílí i VUT Brno FAST UPKO. Navržené záznamové zařízení je určeno pro vozidla využívající sběrnici CAN, je přizpůsobeno pro záznam dat (např.: rychlost, potkávací světla, směrová světla, sešlápnutí brzdového pedálu, ABS, atd.) do kruhového bufferu, který se neustále přepisuje. To znamená, že od okamžiku vyhodnocení nehodového stavu se zaznamenávají data ještě 30s a pak se zapisování vypne, a tak vznikne záznam o celkové délce 90s (60s před nehodou), který se posléze dá jednoduše vyčíst a určit se z něho chování vozidla a reakce řidiče během nehody. Více o této problematice lze nalézt v článku Blackbox - projekt V&V (8.12.2006) na adrese itsrevue.cdv.cz. Tísňový systém Pravděpodobně už od roku 2010 by nové automobily pohybující se po komunikacích Evropské unie měly být vybaveny jakousi modifikací černé skříňky, tedy tísňovým systémem eCall. Palubní jednotka bude propojena s komunikační sítí vozidla a také s navigačním systémem GPS. Vyhodnotí-li jednotka nehodu, např. z „vystřelení" airbagu, spojí se přes mobilní telefonní síť s linkou tísňového volání 112 ( v ČR) a odešle údaje o poloze vozidla. Automaticky otevře komunikační kanál (telefonní hovor), přes který bude moci obsluha linky 112 s posádkou havarovaného vozidla komunikovat. Celý proces se bude dát aktivovat i manuálně při příjezdu k nehodě vozidel tímto systémem nevybavených. Automatický tempomat Další oblastí, která by pravděpodobně mohla zlepšit bezpečnost na pozemních komunikacích, by mohl být systém omezující maximální rychlost vozidla, něco jako automatický tempomat. Tento systém by spolupracoval s GPS a dalšími systémy, které by mu podávali informace o rychlostních limitech v místě, kde se právě nachází. Například při přejezdu hranic z Německa do ČR by systém ohlásil, hlasově strana 28 Vývoj a možnosti nebo informací na informačním displeji ve vozidle, že maximální povolená rychlost je mimo obec a dálnici 90km/h a tuto hodnotu by nastavil jako výchozí na tempomatu. Protože GPS navigace je pomerne přesná, mohl by systém stejně upozorňovat a nastavovat i limity při vjezdu do obce. Přenosné značky omezující rychlost (např. při práci na pozemní komunikaci) pak mohou být vybaveny vysílačem vysílajícím signál o maximální rychlosti, vozidlo vybavené tímto systémem by mělo navíc přijímač určený pro tyto „lokální" informace. Řidič by si mohl sám zvolit, jestli chce pouze informovat a přednastavit hodnotu do jednotky tempomatu, nebo jestli má být tempomat tímto signálem aktivován a vozidlo má zpomalit na rychlostní limit. Zpomalování by muselo jít v případě nutnosti okamžitě vyřadit. Tímto stylem by šlo řešit policejní zastavování vozidel (motorek) při neuposlechnutí výzvy k zastavení, signál vyslaný policisty na vozidlo by nastavil výchozí rychlost na nulu, nebo by úplně odstavil motor, tento zásah by řidič vozidla nemohl zrušit. Podmínky pro zastavení vozidla by musel přesně specifikovat zákon, aby se předešlo nepřiměřenému zásahu do jízdy, například při předjíždění. strana 29 Závěr 4 ZÁVĚR Snahou bylo v této bakalářské práci vytvořit celistvý a co možná nejnázornější přehled vývoje systémů vnitřní diagnostiky, sběrnicových systémů a možností dalšího využití On Board Diagnostických systémů. Pro vytvoření názoru o této problematice jsou čtenáři postupně nabídnuty základní informace o vnitřní diagnostice a jejím dělení, o důležitých součástech, především pak o sběrnicových systémech. Jako základ pro tvorbu práce byly využity kusé informace sesbírané z internetových stránek, z odborných časopisů a z odborné literatury. Pro poměrně malou dostupnost informací na českých internetových stránkách bylo čerpáno také z cizojazyčných stránek (německých, anglických). On Board Diagnostické systémy procházejí stejně jako počítače a počítačové systémy velmi rychlým vývojem, to co bylo před léty novinkou je dnes již běžně používané. Proto některé v této práci popsané skutečnosti mohou být za několik málo let jen minulostí a některé dnes vyvíjené a testované systémy či součásti systémů mohou být do automobilů montovat sériově. Mohou se například používat ke zvýšení bezpečnosti, k optimalizaci nákladů na výrobu některých součástí, nebo jen ke zlepšení pohodlí při jízdě. Jiné systémy mají před sebou ještě dlouhou cestu vývoje, testování a v mnoha případech i úprav legislativy. Téma vnitřní diagnostiky je pro mě velice zajímavé a to především ve spojení s oblastí využívání provozních dat, například v bezpečnosti provozu na pozemních komunikacích. Proto bych se i nadále chtěl těmto záležitostem věnovat a to i ve své budoucí diplomové práci, která by mohla být zaměřena na realizaci záznamového zařízení pro provozní data osobních automobilů. strana 30 Seznam použitých zdrojů SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [I] JAN, Z., KUBÁT, J., ŽĎÁNSKÝ, B. Elektrotechnika motorových vozidel 2. 2.vydání. Brno:Avid s.r.o., 2003. 155 s. [2] GSCHEIDLE, R. a kolektiv. Příručka pro automechaniky. 2. vydání. Praha: Sobofáles, 2002. 640 s. ISBN: 80-85920-83-2 [3] MOTEJL, V., HOREJŠ, K. Učebnice pro řidiče a opraváře automobilů. 1. vydání. Brno: Litera, 1998. 504 s. [4] ELB AS CHOCEŇ, Sběrnice CAN ve vozidle [on-line]. Poslední revize 24.04.2002, [cit. 02.04.2007], Dostupné z: . [5] ŠPANĚL, D. Diagnostický SW PP2CAN [on-line]. Verze dokumentu 0.90 CZ, [cit. 20.04.2007], Dostupné z: . [6] Xilinx Solutionsfor Automotive [on-line]. c2007 [cit. 08.02.2007], Dostupné z: . [7] LIN Bus: A Cost Effective Alternativě to CAN? [on-line]. c2004 [cit. 08.02.2007], Dostupné z: [8] Car Electronics Page [on-line], c 1994-2007, [cit. 18.02.2007], Dostupné z: . [9] Co je diagnostika [on-line]. c2005 [cit. 04.01.2007], Dostupné z: . [10] O diagnostice [on-line]. c2005 [cit. 05.01.2007], Dostupné z: . [II] OBD-IIBackground [on-line]. c2006 [cit. 08.04.2007], Dostupné z: . [12] Bosch - Katalog vybavení autoservisů 2006/2007.pdf [on-line]. c2006 [cit. 02.05.2007], Dostupné z: . [13] Co je to autodiagnoštika? [on-line]. c2005 [cit. 13.01.2007], Dostupné z: . [14] Univerzální diagnostika: šance, nutnost, nebo utopie? [on-line]. Poslední revize 26.06.2003, [cit. 24.04.2007], Dostupné z: . [15] EOBD [on-line]. c2007 [cit. 18.03.2007], Dostupné z: . [16] VOJÁČEK, A. LIN - Local Interconnect Network [on-line]. c2002 [cit. 17.04.2007], Dostupné z: . [17] ZÁVIDČÁK, M. CAN - popis struktury [on-line]. c2005, Poslední revize 04.06.2007, [cit. 05.02.2007], Dostupné z: . [18] TARABA, R. Aplikování sběrnice CAN [on-line]. c2005, Poslední revize 09.11.2004, [cit. 05.02.2007], Dostupné z: . strana 31 Seznam použitých zdrojů [19] VYSOKÝ, P. Současné trendy v řízení automobilových systémů [on-line]. c2004, Vydáno: duben 2006, [cit. 10.04.2007], Dostupné z: . [20] Controller Area Network (CAN), an overview [on-line]. c2006, Poslední revize 26.05.2004 [cit. 17.12.2006], Dostupné z: . [21] MazůrekJ., Pražák,F., Dvořáček,P. Využití sítě CAN-Bus pro stanovení zatížení převodů automobilu. Ustav Konstruování FSI VUT v Brně. [22] PUZMANOVA, R. Bezpečnost na silnicích a automobilová síť [on-line]. Poslední revize 29.06.2006, [cit. 20.04.2007], Dostupné z: . [23] Auswahlkriterien [on-line]. c2002 [cit. 05.01.2007], Dostupné z: . [24] Automotive Buses [on-line]. c2007, Poslední revize 22.03.2007, [cit. 19.04.2007], Dostupné z: . [25] OBDII Bus [on-line]. c2007, Poslední revize 29.03.2007, [cit. 19.04.2007], Dostupné z: . [26] Automotive Buses [on-line], [cit. 08.03.2007], Dostupné z: . [27] Diagnostic Solutions [on-line]. c2007 [cit. 12.01.2007], Dostupné z: . [28] CAN - Controller Area Network [on-line]. c2005 [cit. 12.01.2007], Dostupné z: . [29] CAN (Controller Area Network) [on-line]. c2002 [cit. 14.12.2007], Dostupné z: . [30] Bussysteme [on-line]. Poslední revize 27.04.2007, [cit. 05.01.2007], Dostupné: . [31] Automotive Controller Area Network (CAN) Applications [on-line]. c2007 [cit. 02.05.2007], Dostupné z: . [32] Diagnostika elektronického příslušenství [on-line]. c2005 [cit. 21.03.2007], Dostupné z: . [33] Blackbox - projekt V&V [on-line]. Poslední revize 08.12.2006, [cit. 03.05.2007], Dostupné z: . [34] Černé skříňky v automobilech? Možná již brzy [on-line]. Poslední revize 01.12.2006, [cit. 03.05.2007], Dostupné z: . [35] Od roku 2010 budou auta po nehodě sama volat záchranáře [on-line]. Poslední revize 05.04.2007 [cit. 03.05.2007], Dostupné z: . [36] AutoEXPERT - časopis profesionálů v oboru autoopravárenství. Autopress, s.r.o., 1995 - . Vychází měsíčně. [37] AUTOservis - odborný měsíčník Svazu prodejců a opravářů motorových vozidel v České republice. IBS expert, 1995 - . Vychází měsíčně. strana 32