Technika: Elektronika v autech postupuje a nečeká

Zavádění elektroniky do automobilů se datuje na začátek sedmdesátých let. Tehdy se prvně objevily snahy výrobců automobilů zvýšit úroveň bezpečnosti a zároveň snížit množství škodlivin ve výfukových plynech.

To první byla reakce na knihu Unsafe at any speed (Nebezpečný v každé rychlosti), jež byla publikována v USA v polovině 60. let a jejím autorem byl americký právník Ralph Nader. Šlo v ní o veřejnou žalobu amerických výrobců automobilů v čele s General Motors. Nader se zaměřil zejména na tehdejší hit koncernu GM, vůz Chevrolet Corvair s motorem za zadní nápravou. Jeho jízdní vlastnosti byly i na tehdejší poměry opravdu špatné, výsledkem byla celá řada fatálních havárií.

Naderově kritice ale neušly ani jiné modely amerických výrobců. Byla to právě zmíněná kniha, která odstartovala honbu za bezpečnějšími automobily, jež trvá vlastně dodnes. Druhým důvodem zavádění elektroniky byla celosvětová ropná krize z podzimu 1973, kdy státy vyvážející ropu (OPEC) záměrně omezily její těžbu a zároveň uvalily dovozní embargo na země podporující Izrael ve válce proti Arabům (Jomkipurská válka).

V souvislosti s napsaným se do aut postupně dostával systém ABS, airbagy či elektronicky řízené vstřikování paliva, a následně také řízený katalyzátor. A zatímco bezpečnostní systémy měly cestu přece jenom trnitější, komponenty řízení motoru našly své uplatnění mnohem rychleji.

Od drátů k síti

Ve druhé polovině 80. let již vozy vyšší třídy disponovaly velice bohatou výbavou. Od elektricky stavitelných sedadel, přes dvouzónovou klimatizaci až po pokročilé řízení motoru a samočinné převodovky. Stačí se podívat, co všechno mohlo být „v útrobách“ prvního německého poválečného dvanáctiválce BMW 750i.

To ale znamenalo také množství kabelových svazků, jejichž délka už dosahovala desítek kilometrů! Navíc vzájemná komunikace mezi řídicími jednotkami různých systémů znamenala rozvést ve voze další kabely. Přitom třeba aby samočinná převodovka hladce řadila, je třeba při řazení snížit předstih zážehu na právě pálícím válci. To ale znamenalo propojit řídicí jednotku převodovky s motorovou. Ve zmíněném BMW byly řídicí jednotky motoru dokonce dvě, protože v té době neexistoval systém Motronic (u BMW tehdy nazývaný DME - Digital Motor Electronic), sdružující řízení vstřikování benzinu a zapalování pro dvanáct válců. Každá řada válců tak měla vlastní jednotku. K tomu tu byl systém ABS/ASC, posilovač řízení Servotronic, snižující účinek s rostoucí rychlostí či příplatkový airbag řidiče.

Když v roce 1989 uvedlo BMW prvního zástupce řady 8 (E31), šlo zároveň o první evropský vůz vybavený tehdy věcí nevídanou – datovou sběrnicí i-Bus a multiplexem. Multiplex (demultiplex) je systém elektronického zapojení, které zjednodušuje elektroinstalaci ve vozidle. Zjednodušeně řečeno se všechny snímače či akční členy stýkají v uzlu, z něhož pak vede do příslušné řídicí jednotky pouze jeden (dva vodiče). Trochu techničtěji, více analogových nebo digitálních toků je směřováno do jednoho signálu. Naopak převod signálu zpět je zmíněný demultiplex.

Je to právě datová sběrnice, která umožnila nebývalý rozvoj elektroniky v automobilech. Do té doby musela mít každá řídicí jednotka z příslušného (stejného) snímače vlastní vodič. Třeba snímač vnější teploty tak musel mít samostatný vodič do jednotky řízení motoru, palubního počítače a samočinné klimatizace. Snímač otáček motoru dával signál do řídicí jednotky motoru, převodovky (pokud byla samočinná) a jednotky přístrojového štítu takzvaného kombiinstrumentu.

Při použití datové sběrnice stačí signál z příslušného snímače přivést na okruh spojující všechny jednotky, které zmíněný signál potřebují. A každá s ním následně pracuje dle potřeby.

CAN-Bus – sběrnice určená pro auta

První datové sběrnice se tedy objevily na sklonku 80. let, přičemž síť speciálně určenou pro automobily vyvinula firma Bosch pod názvem CAN (Controller Area Network). Třeba v letadlech se používá podobný systém, ovšem přizpůsobený danému účelu. Příkladem může být ARINC (Boeing), CSDB (Rockwell International) či ASCB (Honeywell).

Vlastnosti CAN byly ale natolik dobré, že se tento typ sběrnice dočkal rozšíření i mimo oblast automobilů. Třeba do továren, kde pomáhá v automatizaci řízení výroby.

Aby vůbec mohla řídicí jednotka na CAN-Busu komunikovat, musí být vybavena procesorem a zároveň transceiverem. Pokud potřebuje jednotka vyslat nějaká data, procesor je pošle nejprve do transceiveru, který je zároveň upraví v souladu s CAN-Bus protokolem na napěťový signál a následně odešle po sběrnici.

Příjem dat probíhá v opačném sledu. Tedy transceiver přijme napěťový signál, který upraví do příslušné formy a následně předá procesoru.

CAN-bus jako takový neurčuje komu (jaké jednotce) jsou vysílaná data určena. Prostě je pošle po okruhu bus, a pokud je příslušná jednotka zapojená v okruhu bus potřebuje, sama si je vezme a následně zpracuje.

Informace posílaná po sběrnici (CAN-Bus) se nazývá datový rámec. Ten se skládá z datových polí, jež v sobě mají přesně definovaný počet bitů. Bit je nejmenší možná informace, s níž pracuje veškerá výpočetní technika. Může mít pouze dvě hodnoty: 0 nebo 1, jde tedy o binární soustavu. A jak možná víte, z osmi bitů se skládá jeden byte. Z toho je zřejmé, že síť CAN-Bus pracuje na digitální bázi.

Aby řídicí jednotka poznala, zda je informace určena pro ni, obsahuje každý datový rámec vlastní identifikátor.

Rychlost je důležitá

Moderní auta používají několik typů datových sběrnic. Některé vozidlové systémy kladou velký důraz na rychlost přenosu dat, jiné na množství. V zásadě se používají tři rychlostně rozdílné sběrnice: nízkorychlostní (LSCAN), středněrychlostní (MSCAN) a vysokorychlostní (HSCAN).

Takto to mají uspořádané většinou evropské značky, naopak třeba japonští výrobci aut si vystačí většinou jen se dvěma sběrnicemi, pomalou a rychlou.

Základní rozdíl mezi zmíněnými sběrnicemi tkví v počtu vodičů, jimiž se předávají data. V případě vysokorychlostní a středněrychlostní sběrnice jsou řídicí jednotky spojeny vždy dvěma vodiči.

Naproti tomu nízkorychlostní sběrnice si vystačí pouze s jedním zesíleným vodičem.

„Pomalý CAN“ se obyčejně používá k propojení jednotek kupříkladu multimediálního systému, tzn. audia, navigace, mobilního telefonu aj. Středně rychlá datová sběrnice spojuje jednotky komfortní výbavy, například klimatizace/topení, osvětlení, centrálního zamykání a elektrického ovládání všeho možného (sedadel, oken, vnějších zrcátek, střešního okna aj.).

Vysokorychlostní sběrnice se používá pro spojení komponentů důležitých pro jízdní dynamiku a bezpečnost. Komunikuje na ní řídicí jednotka motoru a převodovky (pokud je samočinná), dále ESP/ABS, posilovače řízení, airbagů a napínačů bezpečnostních pásů, či třeba adaptivního pérování, případně pohonu všech kol.

A co ti druzí?

Rozhraní CAN-Bus je jednoznačně nejrozšířenějším svého druhu v automobilech za posledních 25 let. Mimo něj ale existuje celá řada dalších sítí. Řídicí jednotky v rozhraní CAN jsou zapojeny paralelně do sběrnice (bus), přičemž všechny informace jsou dostupné všem zapojeným jednotkám ve stejnou dobu. Jde o takzvaný multi-master systém. Předností CAN je spolehlivost, neboť výpadek jedné jednotky neohrozí ostatní.

Jednou z alternativ CAN je rozhranní MOST (Media Oriented System Transport). Jak název napovídá, používá se k transformaci dat mezi jednotkami audia, videa, telematiky aj.

Rozhraní MOST bylo vyvinuto koncem 90. let automobilkami BMW a Mercedes-Benz (tehdy Daimler-Chrysler), přičemž hlavním důvodem jeho vzniku bylo zavedení tehdy neobvyklých a dodnes do jisté míry unikátních rozhraní iDrive (BMW) a Command (Mercedes-Benz). Později ještě Audi nabídlo obdobný systém MMI, nicméně nikdo jiný podobně propracovaného a intuitivního systému dodnes nenabídl.

Sběrnice MOST pracuje s optickými vlákny. To je ještě dnes, po více než 15 letech, skoro jako z říše sci-fi. Předností optických vláken je totální odolnost vůči elektrickému hluku (projevuje se jako šumění) či jiným nežádoucím jevům známým z elektřiny.

Rychlost přenosu MOST je 25 Mbit za sekundu, což je pro potřeby audio- a videopřenosu naprosto dostačující. Sběrnice MOST nepracuje na rozdíl třeba od CAN na principu multi-masteru. To znamená, že vyslaný signál není určený všem jednotkám na okruhu, nýbrž pouze jedné konkrétní jednotce.

Jiným typem datové sběrnice je LIN (Local Interconnect Network). Jejími autory jsou firmy Volkswagen/Audi, Mercedes-Benz a Volvo. Tato síť je jakousi levnější alternativou CAN. Používá se k propojení jednotek komfortní výbavy, třeba elektrického ovládání bočních oken, vnějších zrcátek či centrálního zamykání. V porovnání s CAN nepracuje v tak velkém rozsahu vlnových délek/frekvencí, což v tomto případě nevadí.

Mercedes-Benz 190 D BlueEfficiency: Baby-Benz s moderním turbodieselem

Zásadní rozdíl proti CAN ale spočívá v nutnosti použití inteligentní rozvodné jednotky - běžně se užívá označení Gateway (Audi, Volkswagen, BMW), BSI (koncern PSA) či Body Computer (koncern Fiat). Inteligentní rozvodná jednotka tvoří rozhraní mezi LIN a CAN, je tedy jakousi nadřazenou jednotkou ostatním, zapojených sériově v síti LIN. Data z CAN do LIN vedou nejprve do rozvodné jednotky a ta je následně předává dále konkrétním jednotkám.

BMW je zatím nejdále

Když opomeneme síť VAN (Vehicle Area Network), což je sběrnice používaná francouzskými automobilkami a jakási obdoba výše probíraného CAN, tak zatím nejnovějším počinem je rozhraní FlexRay. Jako první jej začalo používat BMW ve druhé generaci X5 v roce 2006 a to výhradně ke komunikaci mezi řídicími jednotkami jízdní dynamiky, zejména pohonu všech kol xDrive. Vedle BMW se na vývoji FlexRay podílely firmy Volkswagen, Mercedes-Benz, GM či Bosch.

Dnes FlexRay používají téměř výhradně luxusní němečtí výrobci. Třeba u Volkswagenu nic takového dodnes nenajdete a to ani v nejnovějším Passatu.

Předností FlexRay je výrazné zvýšení množství přenášených dat. Pro srovnání: klasický CAN má přenosovou rychlost zhruba 1 Mbit za sekundu. FlexRay v současnosti 10 Mbit za sekundu, avšak s potenciálem zvýšení na dvojnásobek! Zapojení sběrnice FlexRay je podobné CAN - FlexRay podle potřeby komunikuje buď na jednom, nebo na dvou kanálech. A to elektricky i opticky, jako MOST. FlexRay je podobně jako CAN imunní vůči chybám a poskytuje vysokou bezpečnost při komunikaci.

Závěr

Dnešní auta jsou doslova protkaná sběrnicemi a řídicími jednotkami, v závislosti na modelu a jeho výbavě jich může být klidně až třicet. S multiplexní sítí a datovými sběrnicemi souvisejí také některé problémy. Stačí, aby v signálu byla chyba (třeba je v určité fázi místo jedničky nula a naopak) a výsledkem je zmatená reakce řízených systémů. Například samočinné stírače se spustí, i když na čelní sklo respektive na jeho snímač na bázi fotorezistoru nedopadají žádné kapky vody apod. Bez diagnostiky nelze tyto problémy vyřešit, neboť klasické elektrikářské postupy zde nefungují.

Zmíněné se stávalo hlavně v počátcích zavádění datových sběrnic. V současnosti už je komunikace mezi jednotkami mnohem spolehlivější. Na druhou stranu díky sběrnicím umějí současná auta to, co umějí. A třeba nejmodernější prvky aktivní bezpečnosti pracující s mikrovlnnými radary by se bez datových sběrnic neobešly.