Блок управления двигателя: устройство, неисправности и диагностика

Одним из важнейших элементов практически всех современных двигателей является электронный блок управления. Это название довольно длинное, так что его сокращают до ЭБУ двигателя. Блок имеет сложное устройство, а его производством занимается ограниченное число фирм. По факту, они же владеют патентами и ограничивают деятельность других фирм, но это уже другой вопрос. Грамотному автолюбителю стоит разбираться в том, что представляет собой ЭБУ двигателя, какое место в структуре автомобильных систем он занимает, какие элементы ему подконтрольны и по каким причинам он может выйти из строя. Обо всем этом – в материале Avto.pro.

Важная ремарка

Сразу отметим, что под ЭБУ понимают вообще все встраиваемые системы, которые получают управляющие сигналы от одной или сразу нескольких систем и подсистем автомобиля. Звучит довольно сложно, так что попробуем разобраться. К примеру, в большинстве автотранспортных средств используются такие управляющие системы и подсистемы:

• Контроллер ЭСУД . Часто его называют просто контроллером системы управления ДВС;
• ECM . Тот самый модуль управления двигателем;
• ECU . Еще один электронный блок управления, однако этим сокращением принято обозначать основу всех электронных управляющих систем автомобиля.

И снова мы возвращаемся к термину ЭБУ и его, если можно так выразиться, универсальности. В действительно встроенных управляющих систем много: непосредственно электронных блок управления двигателем (является наиболее распространенным), центральный блок управления, главный электронный модуль, центральный модуль синхронизации, объединенный моторно-трансмиссионный блок управления, модуль управления подвеской, блок управления тормозной системой, контролер кузова. И это лишь часть возможных вариантов . Часто все системы объединяют под одним термином «компьютер автомобиля». Однако важно понимать, что:

• Электронная управляющая система состоит из множества блоков и модулей;
• Каждый блок и модуль является специализированным и не может взять на себя задачи другого блока и модуля.

Основным и наиболее часто встречающимся блоком управления является ЭБУ двигателя . Не совсем правильно будет называть его самым важным, но по факту он контролирует работу силового агрегата, а значит, от его работоспособности зависит очень многое. Например, он считывает и оптимизирует ряд важнейших параметров автомобиля: крутящий момент, состав выхлопных газов, мощность, расходник топлива. В тандеме с ЭБУ двигателя работает целая плеяда датчиков. Далее мы будем рассматривать именно ЭБУ двигателя, а обозначать его будем просто как ЭБУ. И еще раз напоминаем: электронных блоков много, однако в рамках данного материала для простоты мы будет обозначать управляющий элемент двигателя как ЭБУ.

Подробнее об устройстве ЭБУ

Электронный блок управления, иначе называемый контроллером, а в народе «мозгами» двигателя, устроен довольно сложно. Внешне это относительно небольшой блок с металлическим корпусом , но все самое интересное скрыто внутри. Блок управления включает в себя такие элементы:

• Процессорная часть, иначе называемая микроЭВМ;
• Элементы, формирующие сигналы, иначе входные и выходные формирователи;
• Источник питания;
• Многополюсный штекерный разъем.

Как читатель наверняка знает, ЭБУ работает в тандеме со множеством датчиков. Вот несколько примеров: датчик положения дроссельной заслонки, датчик массового расхода воздуха, датчик детонации. Практически всем этим датчикам посвящены отдельные материалы раздела « Полезные советы » на Avto.pro – советуем ознакомиться с ними. А мы продолжим разбор ЭБУ.

Как устроена процессорная часть

Основой процессорной части ЭБУ является однокристальная микроЭВМ (микро электронно-вычислительная машина). По сути, это есть тот самый «мозг» электронного блока управления двигателя. По современным меркам микроЭВМ устроен довольно просто. Дело в том, что ключевые его элементы входят в структуру, которая умещается на одном кристалле (чипе). Важным моментом в описании микроЭВМ является его разрядность . Разрядностью называют количество бит информации, оперировать с которыми будет микропроцессор. МикроЭВМ бывают 8- , 16- и 32-разрядными . Сами устройства включают в себя:

• Центральный процесс;
• Постоянное запоминающее устройство (сокр. ПЗУ);
• Аналогово-цифровой преобразователь (сокр. АЦП);
• Оперативное запоминающее устройство (сокр. ОЗУ);
• Порты ввода и вывода;
• Генератор тактовой частоты;
• Таймеры, иначе называемые счетчиками.

Можно провести параллель между современным компьютером и процессорной частью ЭБУ . По факту, в ЭБУ объединяется ряд компонентов, которые в системных блок персональных компьютеров и ноутбуков идут отдельно друг от друга, но объединяются материнской платой. Здесь есть интересные особенности, но их мы рассматривать не будем – автолюбителю важно понимать, что принципиальные схемы современных электронно-вычислительных машин очень похожи друг на друга.

Центральный процессор ЭБУ подбирает команды и данные из памяти и производит различные операции над этими данными. Кроме того, он управляет сигналами, проходящими через внутреннюю шину адреса и данных. Постоянное запоминающее устройство – это то место, где хранятся программы и данные. Информация имеет вид констант. Сама же программа записывается в виде машинных кодов микроЭВМ. Данные представляют собой калибровочные таблицы констант , участвующих в процессе расчетов. Данные из таблиц могут быть выбраны и в качестве управляющих параметров. Что интересно, данные в ПЗУ хранятся неограничено долго . Оперативное запоминающее устройство берет на себя задачу хранения данных, которые могут измениться. Например, промежуточных результатов вычислений или же значений, получаемых от датчиков. Хранить информацию ОЗУ может в течение ограниченного промежутка времени – она стирается после отключения питания.

Тандем центральный процессор – ПЗУ – ОЗУ является ключевым для ЭБУ. Если говорить по-простому, именно этот тандем выделяет данные и параметры, обсчитывает их, запоминает и отдает команды. К этому тандему также можно отнести так называемые энергонезависимые ОЗУ . Они питаются от аккумуляторной батареи напрямую. Такая память может записать данные и хранить их очень долго. Пока аккумулятор не потеряет накопленную энергию вследствие саморазряда, энергонезависимые ОЗУ продолжат хранить данные.

Важным элементом ЭБУ является аналогово-цифровой преобразователь. Дело в том, что однокристальные микроЭВМ могут работать только с цифровыми сигналам. В АЦП аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код . Порты ввода и вывода, как несложно догадаться из их названия, служат для получения и считывания входных сигналов и передачи выходных сигналов и информации. Таймером же называют устройство, которое служит как для измерения интервалов времени , так и подсчета числа событий . Генератор тактовой частоты призван синхронизировать работы всей системы за счет выработки тактовых импульсов. От точности работы генератора будет зависеть точность измерения интервалов времени.

Как работают формирователи входных и выходных сигналов

Как уже было указано, в ЭБУ нет смысла, если к нему не подключены датчики. Именно они измеряют физические параметры, преобразовывают результаты измерений в электрический сигнал и далее направляют его блок управления. Сигнал от датчика проходит формирователь, в котором от усиливается или ослабляется – это называется согласованием уровней . Входные формирователи также защищают ЭБУ он перенапряжения. Формирователи работают с такими сигналами:

Формирователи делятся на подтипы в зависимости от того, с какими сигналами они работают. Это связано с тем, что разные типы сигналов имеют различные параметры . Вот например:

• Аналоговые сигналы меняются во времени непрерывно. Примером является сигнал с датчика положения дроссельной заслонки. Непрерывно поступающие сигналы проходят через обработку в формирователи, а затем поступают к аналогово-цифровому преобразователю и к процессорной части ЭБУ;
• Дискретные сигналы меняются скачкообразно и являются прерывистыми. В качестве примера можно взять сигнал включения зажигания. Его изменения происходит резко, а сам сигнал поступает сначала в преобразователь, а затем напрямую в процессорную часть ЭБУ;
• Частотные сигналы наиболее интересны. Они не просто изменяют частоту – эти изменения сами по себе несут информацию о реальных изменениях величин, которые измеряет датчик. Соответственно, и обработка этих сигналов будет сложной. Сначала они ограничиваются по амплитуде, а затем поступают на вход таймера.

За формирование выходных сигналов ответственны специальные микросхемы, иначе называемые драйверами. Они усиливают сигналы по мощности, а также защищают выходы контроллера от замыканий и перегрузок . Драйверы часто называют «интеллектуальными», так как в случае работы в анормальном режиме они информирует центральный процессор о факте появления ошибки. Выходные формирователи делятся на подтипы по мощности сигнала, с которым они работают.

Неисправности устройства

В силу того, что ЭБУ является ключевым управляющим элементом силового агрегата, его неисправности сразу сказываются на работе агрегата и автолюбитель не сможет не заметить проблемы. Другое дело – проведение диагностики устройства. Зачастую проблема кроется не в самом блоке управления, а в проводке и конкретных датчиках. Причин, по которым сам ЭБУ может выйти из строя, довольно много. Вот наиболее частые:

• Короткое замыкание одного или нескольких соленоидов;
• Сильные механические воздействия или вибрации, результатами которых является появления трещин в плате ЭБУ и на местах спайки контактов;
• Перегрев электронного блока вследствие резких перепадов температур – от низких до высоких (такое иногда наблюдается в автомобилях, эксплуатируемых в условиях сильного холода);
• Попадание влаги в устройство и коррозияю

Существует и по-своему интересные способы навредить электронному блоку управления двигателя. Например, снять клеммы аккумулятора, перед этим не заглушив двигатель. То же произойдет при попытке «прикурить» автомобиль, не заглушив мотор. С некоторой вероятностью ЭБУ может выйти из строя, если при подключении аккумулятора перепутать клеммы и запустить мотор. Признаков, указывающие на выход ЭБУ из строя, много. Чаще всего встречаются такие:

• Перестал гореть Check Engine;
• Зажигание начало работать с частыми пропусками;
• Вентилятор охлаждения двигателя начал включаться произвольно;
• Отсутствует связь с устройством (можно понять по ходу диагностики сканером);
• Двигатель начал троить, перестал заводиться, сильно изменился выхлоп;
• Автомобиль реагируют на манипуляции с педалью газа неадекватно;
• Предохранительные элементы начали часто перегорать без видимых причин;
• Сигналы с датчиком начали поступать нерегулярно, или перестали поступать вовсе.

И это лишь часть возможных симптомов. Автолюбителям важно понимать, что перед диагностикой ЭБУ имеет смысл проверить другие компоненты электронной бортовой системы автомобиля . К примеру, если наблюдаются проблему с одним из датчиков, стоит проверить в первую очередь его, затем его проводку, а уже затем ЭБУ.

Самостоятельная диагностика

Определить некоторые неисправности ЭБУ можно и самостоятельно. Или, по крайней мере, понять, подает ли он «признаки жизни». Это также возможно благодаря системе самодиагностики, которую имеют практически все блоки управления. Если автолюбитель хочет произвести самостоятельную диагностику, ему понадобится специальный тестер или же компьютер с предустановленной программой . Ее будет несложно найти в интернете. Кроме того, понадобится адаптер. Вот что нужно сделать:

• Подключить адаптер к USB-порту компьютера и к выходу электронного блока;
• Включить зажигание (сам двигатель запускать не обязательно);
• Запустить предварительно скачанную и установленную диагностическую проверку на компьютере;
• Наблюдать за тем, как на экране появится сообщение о начале диагностики. Если его нет, проверьте надежность подключения;
• Перейти в раздел DTC (может иметь другое название в зависимости от программы) – он содержит коды всех неисправностей. Коды зашифрованы, а расшифровать их можно в той же программе или с помощью данных из технической документации к вашему автомобилю.

К несчастью, бывают случаи, когда компьютер не удается подключить к блоку. В этом случае автолюбителю понадобится осциллограф, кабель и специализированное программное обеспечение. Нужный софт найти несложно, а вот с осциллографом могут возникнуть проблемы. Далее, диагностику нужно будет продолжить уже при помощи тестера или же мультиметра. Автолюбителю придется внимательно изучить электрическую схему контроллера и производить замеры сопротивлений. Лучше всего обратиться к специалистам, но если у автолюбитель хорошо подкован в вопросам электротехники и имеет много времени для диагностики, выявить проблему он сможет и самостоятельно.

Вывод

ЭБУ двигателя – это, пожалуй, самый ответственный элемент бортовой электросистемы автомобили. Благодаря нему силовой агрегат имеет оптимальную производительность, состав выхлопа и высокую стабильность работы. Неисправности в работе ЭБУ возникают часто, но в большинстве случаев они обусловлены проблемой с каким-либо электрическим и электромеханическом элементом автомобиля. Если проблема кроется именно в ЭБУ, то нередко единственным способом ее решения является… дорогостоящая замена блока. Советуем обращаться к проверенным специалистам для диагностики, а уже потом строить планы по покупке необходимых запчастей и дальнейшей их установке.

Если Вам понравилась публикация, поделитесь новостью в социальных сетях и подписывайтесь на канал .

Электронные системы управления автомобилем

1. Электронный блок управления

В конструкциях автомобилей все более широкое применение находят электронные системы управления. По прогнозам специалистов в ближайшее десятилетие только 15…18 % изменений конструкции автомобилей будет отдано механике, основные изменения будут касаться электронных систем управления автомобилем.

При упрощенном рассмотрении электронной системы управления автомобилем можно выделить четыре основных блока (рис. 1): входные сигналы — датчики, системы передач данных, электронный (электронные) блок (блоки) управления (ЭБУ), исполнительные механизмы (ИМ).

Рис. 1. Схема электронной системы управления автомобилем

Электронный блок управления является самым сложным прибором систем управления двигателем или отдельных систем автомобиля и координирует их работу. Основу блока составляет центральный процессор или микрокомпьютер.

ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков или генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их, затем проводит вычисление пусковых сигналов для исполнительных устройств (приводов).

Входные сигналы могут быть цифровыми, аналоговыми и импульсными (рис. 2).

Рис. 2. Схема электронного блока управления:

Цифровые входные сигналы — это входные сигналы, которые имеют только два состояния: «высокий уровень» и «низкий уровень». Примеры цифровых входных сигналов: сигналы включения/ выключения, сигналы цифровых датчиков (например, импульсы от датчика Холла). Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.

Аналоговые входные сигналы в пределах заданного диапазона принимают значения напряжения. Физические величины, которые Н — высокий уровень сигнала; L — низкий уровень сигнала; FEPROM — программируемая память (постоянное запоминающие устройство, ПЗУ); EEPROM — постоянная память (ПМ); RAM — оперативная память (ОП); A/D — аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); CAN — электронная цифровая шина данных рассматриваются как аналоги измеренных значений напряжения: массовый расход воздуха на впуске, напряжение аккумуляторной батареи, давление во впускном коллекторе и давление наддува, температура охлаждающей жидкости и воздуха на впуске. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем микропроцессор проводит расчеты.

Разновидностью аналоговых сигналов являются быстро изменяющиеся сигналы напряжения, называемые импульсными входными сигналами. Импульсные входные сигналы от индуктивных датчиков, содержащие информацию о частоте вращения и положении вала (по метке), обрабатываются в их собственном контуре в ЭБУ. Здесь ложные импульсы подавляются, импульсные сигналы преобразуются в цифровые прямоугольные сигналы.

Для работы микропроцессору требуется программа, которая хранится в программируемой (перезаписываемой) памяти (постоянное запоминающие устройство — ПЗУ, или FEPROM). Эта память предназначена только для считывания информации. Она также содержит специальные фиксированные данные (индивидуальные данные, характеристические и программируемые матрицы, значения поправочных коэффициентов и данные, необходимые процессору для расчетов длительности управляющих импульсов форсунок, угла опережения зажигания и т.п.), которые не могут быть изменены во время управления автомобилем. Перезаписывающая память является энергонезависимой, т.е. вся занесенная в нее информация сохраняется при отключении энергопитания сколь угодно долго.

Оперативная память (RAM) служит для хранения таких изменяющихся данных, как численные значения сигналов. Для правильной работы ОП требуется постоянное электрическое питание. При отключении зажигания или выключателя пуска ЭБУ выключается и, следовательно, теряется вся память (так называемая испаряющаяся память). Адаптирующие значения величин, т.е. те, которые «обучаются» системой во время работы и касаются работы двигателя рабочих режимов, должны быть восстановлены при включении ЭБУ в работу.

Данные, которые нельзя терять (например, коды иммобилайзера и данные кодов неисправности), должны храниться в устройстве EEPROM (ПМ) — данные в ПМ не теряются даже в случае отсоединения аккумуляторной батареи.

Блок текущего контроля ЭБУ оснащается следящим контуром, который встроен в специализированную интегральную схему, которая оснащается повышенной оперативной памятью (extra RAM), усовершенствованными входными и выходными блоками и может генерировать и передавать сигналы широтно-импульсной модуляции. Микропроцессор и блок текущего контроля следят друг за другом и, как только обнаруживается неисправность, любой из них может выключить подачу топлива независимо от другого.

Используя выходные сигналы, микропроцессор запускает задающие каскады. Выходные сигналы обычно являются достаточно мощными, чтобы непосредственно управлять исполнительными устройствами или реле. Задающие каскады защищены от короткого замыкания на массу или аккумуляторную батарею и разрушения при электрической перегрузке. Такие нарушения в работе вместе с обрывами цепи или неисправностями датчиков определяются контроллером задающих каскадов, затем эта информация передается в микропроцессор. Выходные сигналы могут быть переключающими и сигналами широтно-импульсной модуляции.

Переключающие сигналы используются для включения и выключения исполнительных устройств (например, электровентилятора системы охлаждения двигателя). Сигналы широтно—импульсной модуляции (PWM signals) — это прямоугольные сигналы с постоянным периодом, но переменные по времени (рис. 3). Они могут быть использованы для пуска электромагнитных приводов (например, клапана системы рециркуляции ОГ — отработавших газов).

Встроенная диагностика. Одной из важных функций блока управления является непрерывная самодиагностика не только входных и выходных цепей компонентов, но и некоторых показателей внутреннего состояния системы. В современных ЭБУ осуществление самодиагностики занимает до 50 % ресурсов микрокомпьютера. В случае нахождения неисправностей в какой-либо цепи (например, отсутствие или несоответствие заданному уровню сигнала одного из датчиков) микропроцессор записывает соответствующий данной неисправности цифровой код в специальную область памяти, а для того чтобы получить информацию о характере неисправности, необходимо осуществить считывание кода из памяти компьютера.

Рис. 3. Сигналы широтно-импульсной модуляции при разной длительности сигнала: а — постоянный период; b — длительность сигнала

ЭБУ постоянно контролирует исправность всех его компонентов, но ошибка помимо своего информационного значения несет флаг статуса, т.е. ошибки могут быть статические (текущие) и случайные (спорадические, накопленные).

Каждый раз при включении зажигания ЭБУ начинает анализировать работу своих датчиков и исполнительных устройств. Такой анализ длится все время, пока работает двигатель. При обнаружении дефекта ЭБУ фиксирует неисправность, выставляет код ошибки и использует аварийную ветвь программы управления. В случае если какой-либо входной сигнал отсутствует или заведомо неправильный, блок управления рассчитывает и использует вместо него некоторое теоретическое значение, что позволяет ему продолжать дальнейшее управление двигателем. Например, при выходе из строя датчика давления во впускном коллекторе для определения времени впрыска используется значение, рассчитанное исходя из частоты вращения коленчатого вала и положения дроссельной заслонки.

После выключения зажигания блок управления сохраняет код в ОЗУ.

2. Системы передачи данных

Современное автомобилестроение интенсивно внедряет инновационные технологии в системах управления. Общая тенденция в области автоматизации автомобилей состоит в замене традиционной централизованной системы управления распределенной системой управления путем соединения блоков управления интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностирования автомобилей и снижением надежности. Увеличивающееся применение электронных систем управления автомобилей с обратной и без обратной связи требует, чтобы индивидуальные ЭБУ работали в сети друг с другом. Такие системы управления включают:

• управление коробкой передач;
• электронное управление двигателем или регулирование подачи топлива;
• антиблокировочную систему тормозов (ABS);
• противобуксовочную электронную систему (TCS);
• электронную систему курсовой устойчивости (ESP);
• систему управления тормозным моментом (MSR);
• электронный иммобилайзер (EWS);
• бортовой компьютер и т.д.

Обмен информацией между системами уменьшает общее количество необходимых датчиков и улучшает управление отдельными системами. Интерфейсы систем передачи информации, проектируемые для применения в автомобилях, могут быть подразделены на четыре категории:

1. обычная передача данных;
2. последовательная цифровая передача данных, т.е. сеть контроллеров (CAN);
3. широкополосные шины передачи данных с временным разделением каналов (шина FlexRay);
4. оптическая передача данных (шина типа МОSТ).

Обычная передача данных в автомобиле (рис. 4) характеризуется тем, что каждый сигнал имеет свой собственный канал связи (провод). При этом с каждой дополнительной информацией возрастает также число проводов и количество контактов на блоке управления, поэтому подобный тип передачи информации оправдывает себя только в случае ограниченного объема передаваемых данных.

Рис. 4. Схема обычной передачи данных

Увеличение обмена данными между электрическими компонентами автомобиля уже достигли таких объемов, что дальнейшие попытки управления через обычные интерфейсы уже не удовлетворяют современные системы управления, поэтому стали применяться шины передачи данных.

В связи с возросшими требованиями передачи информации в автомобильных системах управления, вместо обычной электропроводки в современных автомобилях используется последовательная цифровая передача данных. Все более широкое распространение находят электронные цифровые шины данных CAN (Controller Area Network). Цифровая передача данных значительно надежнее обычной аналоговой, так как шина лучше защищена от помех, контакты надежно изолированы от внешних воздействий.

Шина данных CAN является открытой системой, к которой могут быть подключены как медные провода, так и стекловолоконные проводники. CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя компонентов системы управления автомобилем. Универсальная проводка подходит и для разных комплектаций одного автомобиля — дополнительные устройства просто подключаются к нужным разъемам.

В зависимости от приоритетов и требований к скорости передачи данных шина CAN может быть одноили двухпроводной.

Если для работы систем достаточно низкой скорости передачи данных, то используются шины с одним проводом связи, если скорость передачи должна быть высокой — шины с двумя проводами связи. Второй провод используется для проверки правильности переданной модулем управления информации и для самоконтроля модуля. Данные передаются по обоим проводам одновременно. Сигнал на первом проводе представляет собой перевернутое повторение сигнала, передаваемого по второму проводу.

Все связанные через шину CAN блоки управления подключаются к ней параллельно. Один из проводов шины CAN называется верхним — CAN H (High), другой — нижним — CAN L (Low). Два невзаимозаменяемых скрученных провода (рис. 5) образуют пару (Twisted Pair).

Рис. 5. Шина CAN

Скручивание проводов производится для того, чтобы ослабить помехи электромагнитного характера, а также излучающие помехи. Скручивание позволяет также устранить излучение шины, способное создать помехи в работе других устройств.

По проводу CAN H информация передается в виде электрических сигналов напряжением от 2,5 до 3,5 В, а по проводу CAN L — от 1,5 до 2,5 В (рис. 6). Разность напряжений, равная нулю, дает уровень логического нуля, а разность напряжений 2,0 В — уровень логической единицы.

Рис. 6. Передача информации по шине CAN: а — напряжение; б — разность напряжений; А, С — логический уровень равен 0; B — логический уровень равен 1

CAN — мультимастерная шина, т.е. без центрального управляющего устройства. Все подключаемые к центральному или центральным блокам электронные блоки разных систем (или контроллеры) равноправны — любой имеет доступ к передаваемым данным и может сам их передавать.

CAN-шина относится к типу последовательных; передача данных в шине выполняется по протоколу в виде обмена сообщениями между блоками управления через очень короткие промежутки времени. Протокол состоит из последовательности бит* информации, передающихся друг за другом. Число бит в протоколе передачи данных зависит от размера поля данных.

* Бит — базовая единица измерения количества информации, равная количеству информации, содержащемуся в опыте, имеющем два равно вероятных исхода (да или нет).

Данные передаются бит за битом и в такой же последовательности принимаются. Биты составляют отдельные поля (рис. 7), из них складываются так называемые кадры — основные информационные единицы.

Начало кадра обозначает начало протокола передачи данных.

Арбитражное поле используется для обозначения приоритета протокола передачи данных. Например, если двум блокам управления требуется отправить сообщения одновременно, то первым отправляет сообщение в блок управления с более высоким приоритетом. Кроме того, арбитражное поле используется для определения содержания сообщения (например, частоты вращения коленчатого вала двигателя).

Рис. 7. Кадр передачи данных: 1 — начало кадра (1 бит); 2 — арбитражное поле (11 бит); 3 — неиспользуемое (запасное) поле (1 бит); 4 — поле управления (6 бит); 5 — поле данных (64 бита); 6 — поле обнаружения ошибок CRC (16 бит); 7 — поле сигнала приемника передатчику ACK (2 бита); 8 — конец кадра (7 бит)

В поле управления (контрольное поле) в виде кода записывается количество элементов информации в поле данных. Этим обеспечивается возможность для каждого приемника проверить, были ли получены все необходимые данные.

В поле данных передаются элементы данных, являющиеся важными для других блоков управления. Оно содержит больше всего информации: от 0 до 64 бит (от 0 до 8 байт).

Поле CRC используется для обнаружения ошибок в процессе передачи данных.

Поле ACK содержит сигнал приемника передатчику о том, что протокол данных был успешно выполнен. В случае обнаружения ошибки информация об этом немедленно поступает в передатчик и отправка сообщения повторяется.

Конец кадра предназначен для проверки передатчиком протокола данных и отправки приемнику подтверждения о его безошибочном выполнении. В случае обнаружения ошибки передача данных немедленно прекращается, а затем выполняется повторно. После этого протокол передачи данных считается выполненным.

Один кадр может включать несколько параметров, например, кадр, выдаваемый ЭБУ системы впрыска топлива, может состоять из следующих параметров:

• частота вращения коленчатого вала двигателя;
• средний эффективный крутящий момент двигателя;
• заданная водителем скорость движения;
• состояние системы круиз-контроля (включена или не включена);
• разрешение на включение компрессора кондиционера;
• величина крутящего момента двигателя без учета воздействия автоматической коробки передач.

Рис. 8. Структура послания, передаваемого через шину CAN: 1 — идентификационный код послания (11 бит); 2 — содержание послания (до 8 × 8 бит); 3 — контрольная сумма (16 бит); 4 — подтверждение приема послания (2 бит)

Некоторые кадры выдаются периодически (например, кадр системы впрыска топлива — через каждые 10 с), другие — при наступлении какого-либо события (например, кадр, генерируемый ЭБУ подушек безопасности, выдается в случае удара, при этом выключается топливный насос, происходит разблокировка замков дверей и запрещается блокировка рулевой колонки).

Обмениваемая информация состоит из отдельных посланий, которые могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий (рис. 8), составленное согласно протоколу, содержит данные о каком-либо физическом параметре, например, о частоте вращения коленчатого вала.

Примером идентификационного кода послания может быть: двигатель, частота вращения коленчатого вала двигателя. В этом же послании могут содержаться и другие данные (например, указания о холостом ходе, передаче крутящего момента и других режимах работы двигателя). При этом величина частоты вращения представляется в двоичной форме, т.е. как последовательность нулей и единиц или бит (рис. 9). Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101.

Рис. 9. Передача электрических сигналов по времени

Пример упрощенной передачи данных на примере угла положения дроссельной заслонки, который показывает, как строится информация, дан в табл. 1. Положение дроссельной заслонки от 0° до 102° передается с шагом 0,4° 8 битами, таким образом возможно 256 вариантов комбинаций битов.

Таблица 1. Зависимость изменения данных в шине от положения (угла) дроссельной заслонки

Биты	Угол дроссельной заслонки
0000 0000	000,0°
0000 0001	000,4°
0000 0010	000,8°
……
0101 0101	034,0°
…….
1111 1111	102,0°

В современных автомобилях, как правило, применяются три вида шин, работающие с разными скоростями (рис. 10). Наиболее важные устройства и системы (антиблокировочная система тормозов, система курсовой устойчивости и др.) подключаются к скоростной магистрали с пропускной способностью 500…1000 Кб/с, практически обеспечивающей работу системы в реальном времени. Менее быстрые и важные приборы — система «Комфорт» или информационно-командная система (радио, монитор на центральной консоли, система навигации и кондиционирования) — завязаны на вторую шину со скоростью 95,2…100,0 Кб/с. Для остальных «медленных» устройств — система «Комфорт» (дверных замков, систем освещения, стеклоподъемников) — служит третья шина со скоростью 33,3…100,0 Кб/с.

Рис. 10. Система шин CAN (на примере автомобиля Polo модели 2002 г.): 1 — шина наиболее важных устройств; 2 — шина информационно-командной системы; 3 — шина системы комфорта; БУ — блок управления; ЗУ — запоминающее устройство

Вместо ключа зажигания в автомобилях, оборудованных CAN-шинами, используют электронный брелок, который взаимодействует с блоком управления двигателем через цифровую шину. Возросшие требования к скорости передачи и безопасности данных требуют применения широкополосных шин передачи данных с временным разделением (временным управлением) каналов (для сравнения: CAN представляет собой событийно-управляемую шину данных).

Шина FlexRay — это последовательная, детерминистическая и устойчивая к сбоям шина передачи данных для применения в автомобиле; скорость передачи данных составляет 10 Мб/с, что в 20 раз превышает скорость передачи по высокоскоростной шине CAN (500 Кб/с).

Важной особенностью FlexRay является также гарантированное время реакции или латентный период реагирования, т.е. время, которое требуется на прохождение сообщения от отправителя до получателя. В связи с этим говорят также о детерминистической (предопределенной, регламентированной) передаче. Это означает, что данные поступают к адресату или адресатам в строго определенный или предварительно заданный момент времени (возможно применение в режиме реального времени).

Шина FlexRay двухпроводная: плюсовой провод обозначают красным цветом, минусовой — синим. Уровень напряжения на обоих проводах колеблется (рис. 11) от минимума (2,2 В) до максимума (2,8 В) (для сравнения в высокоскоростной шине CAN 1,5…3,0 В). Уровень разностного напряжения составляет не менее 600 мВ (в высокоскоростной шине CAN 2 В).

Рис. 11. Передача информации по шине FlexRay

FlexRay работает с тремя состояниями сигнала:

• холостой сигнал — уровень напряжения обоих проводов шины составляет 2,5 В (режим холостого хода). Рецессивный сигнал означает, что уровень напряжения может быть превышен (перезаписан) другим блоком управления;
• 1 — плюсовой провод имеет высокий, а минусовой — низкий доминирующий уровень напряжения;
• 0 — плюсовой провод имеет низкий, а минусовой — высокий доминирующий уровень напряжения.

Доминирующий сигнал означает, что этот уровень напряжения не может быть превышен (перезаписан) другими блоками управления.

При таких параметрах уровня напряжения время передачи 1 бит составляет 100 нс (наносекунд) (для сравнения в высокоскоростной шине 2000 нс).

Центральный блок информационно-командной системы может соединяться с процессором навигационной и других систем посредством оптического кабеля — шины типа МОSТ (Media Oriented Systems Transport). Это необходимо для защиты линии передачи данных от помех. Для передачи данных через оптический кабель следует преобразовать аналоговую информацию в серии световых импульсов, которые затем могут распространяться по стеклянным волокнам кабеля. Длина световых волн меньше длины радиоволны, поэтому они не создают электромагнитных помех и сами являются невосприимчивыми к таковым.

Вокруг любого проводника, по которому проходит электрический ток (рис. 12), возникают поля, поэтому проложенные параллельно или перекрещивающиеся проводники тока создают взаимные помехи. Помехи создаются также электромагнитными волнами, генерируемыми, например, мобильным телефоном. При использовании волоконно-оптической связи такие помехи отсутствуют.

Рис. 12. Передача тока по волоконно-оптическому (а) и металлическому (б) проводникам: 1 — цифровая информация; 2 — оптический кабель; 3 — аналоговая или цифровая информация; 4 — металлический проводник; 5 — электромагнитное поле проводника

Преимуществом современных волокно-оптических систем, кроме отсутствия помех, является также скорость передачи данных, достигающая 21,2 Мб/с, что позволяет передавать информацию в виде цифрового сигнала. Такая связь применяется при приеме аудио- и видеопередач, что требует скорости передачи данных порядка 6 Мб/с и больше, в то время как шина CAN при большом количестве жил в жгуте проводов может передавать данные со скоростью не более 1 Мб/с.

Светодиод — один из основных компонентов волокно-оптической системы (рис. 13) предназначен для преобразования сигнала по напряжению в световой сигнал. Длина волны выработанных световых сигналов около 650 нм и их видно как красный свет. Световод предназначен для отправки световых волн, вырабатываемых в передатчике одного блока управления, на приемник другого блока управления. Фотодиод предназначен для преобразования световых волн в сигналы по напряжению.

Рис. 13. Основные компоненты волокно-оптической системы: 1 — световод; 2 — фотодиод; 3 — светодиод; 4 — трансивер

Недостатком волокно-оптической системы является требование плавных изгибов; радиус изгиба световода не должен превышать 25 мм.

Шина типа MOST представляет шину последовательной передачи данных (аудио- и видеосигналов, голосовых сигналов) по оптическому кабелю (рис. 14). С точки зрения физического исполнения в случае шины MOST речь идет о кольцевой структуре (топологии) сети. Шина типа MOST может включать до 64 устройств.

Рис. 14. Шина типа MOST (на примере Touareg 2011 Volkswagen): 1 — ЭБУ в комбинации приборов; 2 — диагностический интерфейс шин данных; 3 — ЭБУ информационной электронной системы; 4 — ТВ-тюнер; 5 — DVD-чейнджер; 6 — головное устройство аудиосистемы; 7 — ЭБУ цифровой аудиосистемы