afiŞarea informaŢiei la bordul autovehiculelor sbi.pdf · la intrarea traductorului este...

CAPITOLUL 1

AFIŞAREA INFORMAŢIEI LA BORDUL AUTOVEHICULELOR

1.1 ROLUL ŞI STRUCTURA APARATELOR DE BORD

Instrumentaţia utilizată la bordul autovehiculelor şi aeronavelor constituie o categorie

aparte de aparate de măsurat cu o dinamică extrem de mare. Ele sunt reunite după criteriul

informaţional, astfel încât operatorul să cunoască starea sistemului în orice moment cât şi cea

spre care evoluează. Deoarece mărimile ce se măsoară sunt diverse, clasificarea acestor

instrumente se va face după categoria din care face parte mărimea afişată. Trebuie evidenţiat

rolul instrumentaţiei de bord în monitorizarea funcţionării autovehiculului sau aeronavei, în

stabilirea poziţiei relative sau absolute ca şi în declanşarea unor sisteme cu rol de protecţie.

Dacă navigaţia a fost la început doar pentru mijloacele de transport de tip “navă”, ea este din

ce în ce mai des utilizată şi de autovehicule, în primul rând de cele cu destinaţie specială şi

apoi de către cele pentru locuri necunoscute sau pentru trafic aglomerat.

Structura aparatelor de bord este una tipică aparatelor destinate măsurării mărimilor

neelectrice, fig. 1.1.

ζ

η+xES T CS PE DA α

)(sy

Figura 1.1 Structura aparatelor de bord: ES – element sensibil; T – traductor; CS – condiţionor de semnal; PE – prelucrare electronică; DA – dispozitiv de afişare; x – mărime de intrare utilă; η - mărime de intrare perturbatoare; y – mărime de ieşire; ζ - mărimi de influenţă

Aparatele de bord sunt destinate măsurării, conversiei, transmiterii la distanţă şi

afişării mărimilor fizice care caracterizează starea şi evoluţia vehiculului respectiv. Legătura

intrare-ieşire poate fi descrisă în cazul general de relaţia 1.1:

)()()()()( 1 ssYsxsYsy η⋅+⋅= (1.1)

Mărimea de intrare x(t), acţionează asupra unui element sensibil, ES, cu care este

cuplat un traductor T, care face posibilă conversia la domeniul electric al mărimii, urmată de o

condiţionare a semnalului electric realizată în condiţionorul de semnal, CS, şi de o prelucrare

INSTRUMENTAŢIE DE BORD

1-2

de regulă electronică, PE, adecvată naturii mărimii şi cerinţelor de afişare impuse de

dispozitivul de afişare DA. Pe lângă semnalul util (presiune, temperatură, nivel, debit, turaţie,

viteză, etc.), la intrarea aparatului mai apar şi mărimi parazite (perturbatoare) η(t). Acestea

modifică rezultatul în conformitate cu funcţia de transfer a aparatului corespunzătoare

perturbaţiei, Y1(s). Dacă se cunoaşte natura perturbaţiei, efectul ei în indicaţie se reduce prin

funcţia Y1(s). Funcţionarea aparatelor de bord mai este influenţată şi de parametrii de mediu,

ζ, şi de interacţiunea cu automobilul sau aeronava.

Elementele sensibile asigură conversia mărimilor mecanice într-o mărime fizică de

aceeaşi natură. Din această categorie fac parte elementele sensibile elastice (membranele,

capsulele, tuburile Bourdon, arcurile bimetalice, etc.).

Traductoarele asigură conversia unei mărimi de orice natură într-o mărime adaptată

scopului măsurării. La intrarea traductorului este aplicată mărimea de intrare (de măsurat sau

una intermediară), iar la ieşire se obţine mărimea de afişat sau cea de ieşire, de aceeaşi natură

cu cea măsurată sau electrică, cel mai frecvent în cazul transmiţătoarelor.

Condiţionoarele de semnal, CS, au rolul de a adapta ieşirea traductorului la partea de

prelucrare electronică. Dintre acestea trebuiesc amintite convertoarele curent-tensiune,

tensiune-curent, frecvenţă-tensiune, etc., redresoarele de precizie şi detectoarele, limitatoarele

şi formatoarele de impulsuri.

Blocul de prelucrarea electronică, PE, reprezintă partea principală a prelucrării asupra

informaţiei în forma electrică pentru a obţine la afişare valoarea mărimii măsurate în cel puţin

o reprezentare. De multe ori prelucrarea reprezintă comparaţia cu un prag de referinţă urmată

de semnalizare luminoasă şi/sau acustică.

Dispozitivele de afişare, DA, sunt specifice rolului pe care-l îndeplinesc aparatele de

bord: informarea rapidă a pilotului cu principalii parametri măsuraţi. Afişajul trebuie să reziste

condiţiilor dure de funcţionare, să fie uşor de citit şi să evite excesul de informaţie vizuală.

Prezentarea instrumentaţiei de bord se va face pornind de la partea de afişare, ca o

parte comună a măsurărilor, şi va continua cu măsurarea mărimilor principale – ceea ce

presupune studierea senzorilor şi a schemelor pe care le solicită fiecare mărime în corelaţie cu

senzorul dedicat. Datorită diferenţelor existente între aparatura de bord a automobilelor şi cea

a aeronavelor, diferenţe legate de natura mărimilor sau intervalul acestora ca şi de cerinţele de

afişare, cele două categorii se vor prezenta separat.

Capitolul 1: AFIŞAREA INFORMAŢIEI LA BORDUL AUTOVEHICULELOR

1-3

1.2 SISTEME DE INFORMARE DE BORD PENTRU AUTOVEHICULE

1.2.1 Generalităţi

Instrumentaţia de bord cuprinde, în primul rând, partea de măsurare cu rol de

informare a conducătorului auto despre principalii parametri specifici atât autovehiculului cât

şi deplasării. O reprezentare completă a localizării instrumentaţiei în cadrul unui automobil, ca

în fig. 1.2, evidenţiază atât aparatura de bord, partea destinată utilizatorului (conducătorul

auto), cât şi cea constituită din sensori şi elemente de execuţie destinate măsurării, controlului

automat şi protecţiei.

Figura 1.2 Plasarea instrumentaţiei în cadrul automobilului

Aparatura de bord clasică este constituită din indicatoare pentru principalele mărimi

care definesc funcţionarea motorului, starea automobilului şi caracterizează deplasarea.

Funcţie de intervalul de variaţie a mărimii afişate şi de cerinţele ergonomice, scara acestor

indicatoare este circulară sau în arc de cerc, liniară sau expandată în jurul valorii monitorizate,

sau doar pentru intervalul valorilor posibile în practică, fig. 1.3 şi 1.4.

a) b) c) d)

Figura 1.3 Instrumente indicatoare de bord pentru autovehicule: a) turometru; b) vitezometru in km/h; c) vitezometru in MPH şi km/h; d) rezerva de combustibil

Alte mărimi, ce prezintă interes pentru că sunt legate de condiţiile in care evoluează


1-4

autovehiculul şi momentul de timp, sunt afişate la bord cu indicatoare circulare sau chiar

numerice, fig. 1.5.

a) b) c)

d) e) f)

Figura 1.4 Instrumente indicatoare de bord pentru autovehicule: a) termometru: temperatura lichidului de răcire; b) termometru: temperatura lubrifiantului; c) manometru: presiunea lubrifiantului d) manometru: presiunea suplimentară turbo; e) voltmetru: tensiunea bateriei; f) ampermetru: curentul din baterie (“+” debitează, “-“ se încarcă).

a) b) c) d)

Figura 1.5 Instrumente indicatoare de bord pentru autovehicule: a) termometru analogic: temperatura mediului exterior; b) termometru numeric: temperatura mediului exterior/interior; c) ceas analogic; d) ceas numeric.

Posibilitatea de afişare numerică ţine cont de importanţa mărimii afişate şi de

frecvenţa cu care se face citirea acelui indicator.

Mărimile măsurate sunt:

• temperaturi: ale aerului, ale lichidului de răcire, ale uleiului, ale mediului, etc.;

• presiuni: ale lubrifiantului, ale pneurilor;

• debite: al benzinei în conducta de admisie, al aerului;

• viteza de rotaţie: a motorului, a roţilor;

• acceleraţia şi vibraţia (anumitor părţi ale automobilului);

• deplasări, dimensiuni, poziţii ale elementelor de comandă;

• concentraţia gazelor de ardere (oxigen în gazele de eşapament).


1-5

Numărul de mărimi măsurate şi afişate depinde de complexitatea autovehiculului. In

varianta echipamentului “pur electric”, doar o mică parte a acestor mărimi este sesizată cu

traductoare adecvate şi care pot produce o indicaţie pe un aparat analogic sau o semnalizare

luminoasă.

Informaţiile pe care le dau aparatele de bord sunt despre:

• absenţa sau prezenţa unor condiţii de avarie: temperatură prea ridicată a lichidului

de răcire, presiune scăzută a lubrifiantului, nivel prea scăzut al lichidului de frână,

nivel prea scăzut al combustibilului;

• funcţionarea corectă a circuitului electric;

• viteza instantanee;

• numărul de kilometri parcurşi în total şi parţial;

• nivelul carburantului în rezervor;

• funcţionarea sistemelor de semnalizare luminoasă şi faruri;

• turaţia motorului.

Introducerea electronicii în domeniul acestor măsurări a permis apariţia de noi aparate

şi funcţii:

a) Turometrul electronic cuplat uneori cu dwellmetrul electronic.

b) Contorul electronic de kilometri pur electronic sau cu motor pas cu pas comandat

electronic ce, împreună cu un ceas electronic, poate da în plus informaţii despre:

• distanţa parcursă de la punctul de START ales;

• numărul de km parcurşi de la începutul exploatării autovehiculului;

• viteza instantanee în km/h;

• timpul instantaneu;

• depăşirea vitezei maxim admisibile;

• distanţa rămasă de parcurs până la destinaţie;

• ora estimată de sosire la destinaţie.

c) Releele de timp electronice pentru sistemul de semnalizare a direcţiei de mers şi a

avariei, pentru acţionarea ştergătoarelor de parbriz, pentru acţionarea sistemului de

preîncălzire la motoarele Diesel, etc..

d) Debitmetrul electronic de carburant – care, pe baza traductoarelor de debit,

afişează:

• consumul instantaneu de benzină [l/100 km];


1-6

• consumul mediu realizat într-un anumit timp [l/100 km];

• consumul total din momentul pornirii.

e) Litrometrul electronic – bazat pe traductorul de nivel din rezervor – afişează:

• consumul total de la ultima pornire [ℓ];

• consumul prevăzut până la destinaţie[ ℓ ];

• nr. kilometrilor parcurşi de la ultimul plin [km];

• autonomia estimată [km].

Informaţiile prea multe ca număr conduc, paradoxal, la o neinformare optimă a

conducătorului auto. O cale de soluţionare a acestei probleme o constituie reducerea

numărului de mărimi afişate şi o semnalizare a neîncadrării în valorile normale ale anumitor

mărimi. O altă cale, mai modernă dar şi mai pretenţioasă şi mai scumpă, o reprezintă:

f) Calculatorul electronic de bord - care centralizează toate informaţiile provenite de

la traductoare şi poate afişa, la comandă, mărimile măsurate direct sau rezultate prin calcul.

De asemenea, poate monitoriza valorile curente ale acestor mărimi şi să le compare cu valorile

preînregistrate în memorie pentru a avertiza depăşirea unor limite.

O nouă cerinţă pentru aparatura de bord o reprezintă posibilitatea de testare a

performanţelor, care se face la producător şi, ulterior, în operaţiile de întreţinere/depanare.

Bineînţeles, în cazul autovehiculelor prevăzute cu calculator de bord, această facilitate este

realizată cu uşurinţă prin interfaţă.

1.2.2 Dispozitive de afişare a informaţiei la bordul autovehiculelor

Structura optimă a oricărui sistem de afişare a informaţiei este determinată de unele

principii generale, dintre care cele mai importante sunt:

a) adoptarea celor mai adecvate soluţii constructive şi tehnologice, în funcţie de scopul

urmărit şi condiţiile concrete de funcţionare;

b) selectarea cantitativă şi calitativă (funcţie de importanţă sau urgenţă) a informaţiilor

afişate (prin alegerea culorii, intensităţii şi a modului de afişare continuu/intermitent);

c) evitarea excesului de informaţie vizuală;

d) amplasarea spaţială a informaţiei (în mai multe puncte simultan, sau în acelaşi punct

succesiv).

Indiferent de tipul afişajului utilizat, în aprecierea lor se iau în consideraţie

următoarele criterii:


1-7

• contrastul;

• unghiul de vizibilitate;

• rezoluţia;

• viteza de răspuns;

• puterea disipată/puterea consumată (de la sursă);

• posibilităţile de multiplexare;

• comportarea la încercările mecano-climatice;

• fiabilitatea în exploatare;

• dimensiunile de gabarit/preţul de cost.

Astfel, pentru autovehicule se impune ca echipamentul de bord să aibă o fiabilitate de

10 000 ore (echivalent cu 12 ani de exploatare şi 400 mii km rulaţi), la o gamă de temperaturi

cuprinsă între – 250C şi + 800C şi vibraţii de (3-4)⋅g la 20 Hz.

Clasificarea dispozitivelor de afişare pentru instrumentaţia de bord se poate face după

mai multe criterii, astfel:

• după rolul dispozitivului sunt pentru semnalizare/avertizare şi pentru măsurare

(indicare);

• după formatul în care se obţine indicaţia: analogice, pseudoanalogice şi numerice

(digitale);

• după principiul fizic de obţinere a informaţiei: afişaje electromecanice, dispozitive

de afişare optoelectronice, afişaj pe ecran, afişaj holografic;

• după numărul de mărimi afişate sunt: pentru o singură mărime sau pentru mai

multe, prin multiplexare sau ca rezultat al rulării unui program (prin soft).

Multe dintre dispozitivele de afişare sunt considerate deja cunoscute şi vor fi abordate

succint. Prezentarea lor se va face după principiul fizic de obţinere a informaţiei, detaliindu-se

cele mai răspândite şi cele mai moderne.

A. Dispozitivele de afişare electromecanice

Instrumentele electromecanice întâlnite în mod frecvent în aparatura electrică şi

electronică, de laborator sau industrială, nu s-au dovedit adecvate pentru aparatura de bord a

autovehiculelor. Condiţiile impuse pentru aceste instrumente nu sunt precizia bună şi rezoluţia

mare, ci robusteţea. Instrumentele electromecanice larg utilizate sunt: instrumentul de

inducţie, instrumentul cu bimetal, instrumentul magnetoelectric cu magnet interior şi


1-8

instrumentul feromagnetic cu armătură mobilă.

a) Instrumentul de inducţie, care este de fapt un tahogenerator cu curenţi turbionari,

fig. 1.6, este un ansamblu traductor-dispozitiv de afişare. Mărimea de intrare este una

mecanică – o mişcare de rotaţie – iar cea de ieşire este tot una mecanică – o deplasare

unghiulară. Trecerea de la una la cealaltă se face printr-un fenomen electric – cel de inducţie

electromagnetică.

Figura 1.6 Tahogeneratorul cu curenţi turbionari

Magnetul permanent este cuplat printr-un racord elastic la sursa mişcării de rotaţie. In

întrefierul acestui magnet permanent se află indusul din aluminiu, sub formă de pahar. La

apariţia mişcării de rotaţie, apare un câmp magnetic învârtitor ce induce curenţi turbionari în

indus, curenţi al căror flux va interacţiona cu cel al magnetului – având ca rezultat crearea

unui cuplu activ, Ma, echilibrat de unul rezistent produs de un element elastic, Mr, rezultând

astfel indicaţia α proporţională cu viteza de rotaţie, n:

nKnkk

MMkMnkM rara ⋅=φ=α⇒=α=φ= 2

2

12

21 ;; (1.2)

Avantaje:

• relaţii perfect liniare cu mărimea de intrare;

• nu necesită surse de alimentare;

• robusteţe mare (nu este parcurs de curenţi, nu are elemente bobinate);

• unghi mare al scării gradate (≥2700);

• posibilitate de măsurare într-o gamă mare prin reglarea mecanică a raportului de

transmisie (3000 rot/min pentru aparatul de bază);

• posibilitatea măsurării indirecte a altor mărimi.

Dezavantaje:

• presupune transmiterea mecanică a rotaţiei;

• nu se poate calibra electric.

Aplicaţii:


1-9

• turometre, fig. 1.3.a);

• vitezometre, fig. 1.3.b) şi c).

Transmiterea mişcării de rotaţie pentru vitezometru este utilizată şi pentru contorizarea

distanţei parcurse (kilometraj), ceea ce face ca acestea să fie înglobate în acelaşi aparat.

b) Instrumentul termic cu bimetal, fig. 1.7, are la baza funcţionării efectul temperaturii

asupra a două metale cu coeficienţi diferiţi de dilatare termică, αM2 < αM3. Este un instrument

cu intrare în curent ce are ca mărime intermediară temperatura iar ca mărime de ieşire o

deviaţie unghiulară, α.

a) b)

Figura 1.7 Instrumentul termic: 1 – bobina încălzitoare (BI); 2, 3 – ansamblul bimetal; 4 – ac indicator; 5 – scara gradată.

Creşterea de temperatura, TBI, se obţine de la o rezistenţă parcursă de curentul de

măsurat, I, curent ce este modificat de către traductorul mărimii ce se măsoară. Datorită

fenomenului utilizat, ce conţine o integrare cu o constantă de timp mare, rezultă o amortizare

puternică a indicaţiei realizată de acest aparat. Relaţia ce descrie deviaţia dată de acest

instrument se obţine ţinând cont că temperatura este proporţională cu puterea aplicată

elementului încălzitor, dilatarea se consideră liniară cu temperatura iar echilibrarea este

datorată forţelor elastice. Rezultă astfel:

)(;;)(;;;;;

2432M3M22

3M2M3M32M22

1

IfkTkMMkMTkkMTTTTTIkT

BIrarBIa

BIBIambBIBIBI

⋅=∆⋅=α⇒=α=∆⋅α−α=δ=α<α∆⋅α=δ∆⋅α=δ−=∆⋅= (1.3)

Avantaje:

• amortizarea regimurilor tranzitorii datorate vibraţiilor şi şocurilor provenite din

deplasarea vehiculului şi de la motor;

• robusteţe şi fiabilitate mari;

• simplitate;

• posibilitate de etalonare electrică.

Dezavantaje:


1-10

• dependenţa indicaţiei de sursa de alimentare şi de temperatură;

• timp de răspuns mare.

Aplicaţii:

• măsurarea rezervei de carburant, fig. 1.3.d);

• măsurarea temperaturii, fig. 1.4.a), b);

• măsurarea presiunii lubrifiantului, fig. 1.4.c).

c) Instrumentul feromagnetic (electromagnetic), fig. 1.8, este un instrument de tip

logometru, echilibrarea realizându-se între două cupluri de aceeaşi natură. Instrumentul este

construit din doi electromagneţi, 1, 2, simetrici faţă de planul transversal ce trece prin axul de

rotaţie al indicatorului, 3. Bobinajul este neuniform, ceea ce face ca să se obţină un câmp

magnetic neuniform, dependent de curent şi de punct.

Figura 1.8 Instrumentul feromagnetic (electromagnetic)

Armătura mobilă, 4, se va poziţiona după raportul celor două câmpuri magnetice.

Indicaţia de echilibru este descrisă de relaţiile:

( )1221222111 ;),(;),( IIfMMIfMIfM aaaa =α⇒=α=α= (1.4)

Traductorul, prin curentul IT, face schimbarea raportului între cei doi curenţi, deci

indicaţia va fi dependentă de mărimea la care este sensibil traductorul. Pentru că are răspuns

rapid, este necesară o amortizare suplimentară pentru a nu reacţiona la mişcarea

autovehiculului.

Avantaje:

• robusteţe (curentul nu trece prin elemente elastice);

• independenţă de tensiunea de alimentare.


1-11

Dezavantaje:

• răspunsul prea rapid şi sensibil la vibraţii ce necesită, constructiv, o amortizare.

Aplicaţii:

• măsurarea rezervei de carburant, fig. 1.3.d).

d) Instrumentul magnetoelectric cu magnet interior

Este tot un instrument logometric şi funcţionează pe principiul busolei magnetice.

Acul indicator este prins de un mic magnet permanent, fig. 1.9.a). Acesta se mişcă în câmpul

magnetic creat de patru bobine dispuse într-un cadru dreptunghiular, A-C-B-C. Orientarea se

va face după rezultanta câmpului magnetic. La schimbarea raportului între cei doi curenţi,

I1/I2, datorită acţiunii traductorului, fig. 1.9.b), se schimbă şi direcţia rezultantei:

( )12)()( IIf

ACBtg =

φ−φ

=α (1.5)

Figura 1.9 Instrumentul magnetoelectric cu magnet interior


1-12

În fig. 1.9.c) şi d) sunt prezentate două situaţii de echilibrare diferite în cazul măsurării

temperaturii motorului cu un sensor adecvat. La modificarea tensiunii de alimentare, curenţii

se modifică la fel prin cele trei bobine iar rezultanta îşi păstrează direcţia, deci şi indicaţia se

păstrează. Indicaţia finală (înaintea întreruperii alimentării) poate fi memorată sau

instrumentul poate fi prevăzut cu un mic magnet permanent ce aduce acul la indicaţia zero.

O altă variantă a acestui instrument, mai simplă decât precedenta, utilizează doar două

bobine dispuse sub un unghi egal cu cel al scalei (de ex. 90°), având punctul comun cuplat la

traductor printr-o diodă Zener, fig. 1.10. Când traductorul absoarbe un curent redus, dioda

Zener va conduce şi curentul prin bobina B va fi mai mare decât prin bobina A, indicaţia

instrumentului fiind în prima parte a scalei. Când traductorul are valoarea R a parametrului

său, indicaţia va fi cea din mijlocul scalei, iar la scăderea sub această valoare, dioda Zener va

conduce ca o diodă normală, bobina A va fi parcursă de un curent mai mare decât bobina B,

iar indicaţia va fi în a doua parte (din dreapta) a scalei.

a) b) Figura 1.10 Instrumentul magnetoelectric cu magnet interior (variantă constructivă): 1, 2 –

bobine cadru; 3 – scara gradată; 4 – magnet permanent; 5 – ac indicator.

Avantaje: • robusteţe şi fiabilitate;

• independenţă de tensiunea de alimentare;

• posibilitate de memorare a ultimei valori măsurate;

• timp de răspuns mic.

Dezavantaje: • necesitatea unei amortizări suplimentare.

Aplicaţii: • măsurarea rezervei de carburant, fig. 1.3.d);

• măsurarea temperaturii, fig. 1.4.a) şi b).


1-13

B. Dispozitivele de afişare optoelectronice

O clasificare a lor pe baza principiilor de funcţionare le divide în:

• dispozitive optoelectronice active, bazate pe emisia de radiaţie electromagnetică în

domeniul vizibil, fig. 1.11.a;

• dispozitive optoelectronice pasive, bazate pe modularea radiaţiei incidente a unei surse de

lumină. Ele pot funcţiona prin transmisie, fig. 1.11.b, sau prin reflexie, fig. 1.11.c.

Figura 1.11 Dispozitivele de afişare optoelectronice: active (a), pasive prin transmisie (b),

pasive prin reflexie (c).

Din categoria celor active fac parte:

• dispozitivele de afişare cu incandescenţă;

• diodele şi panourile electroluminiscente (LED, Light Emitting Diode, eng.);

• afişajul fluorescent în vid (VFD, Vacuum Fluorescent Display, eng.);

• tuburile catodice;

• dispozitivele de afişare cu laser.

Din categoria celor pasive fac parte:

• dispozitivele cu cristale lichide (LCD, Liquid Crystal Display, eng.);

• dispozitivele electrocromice;

• dispozitive electroforetice;

• modulatoare electrooptice.


1-14

a) Afişajul cu diode electroluminescente

Dioda electroluminescentă este un dispozitiv semiconductor bazat pe Ga, cu joncţiune

n-p care emite radiaţii în domeniul vizibil la polarizare directă. Culorile luminii emise depind

de impurităţile de dopaj utilizate: roşie când se depune strat de GaAsP pe un substrat de

GaAs; galbenă şi roşie-portocalie prin depunerea de GaAsP pe substrat de GaP; verde prin

depunerea stratului de GaP pe substrat de GaAs. Cu o diodă se poate realiza un punct, un

segment sau un semn, fig. 1.12.

DP2DP1

eg

f

dc

ba

2

21

3

DP

ACa b

cde

f g

DP1 DP2 a) b) c) d)

Figura 1.12 Dioda electroluminescentă. a) Construcţia LED: 1 - joncţiune p-n, 2 - terminale, 3 - prismă de difuzie; b) Afişajul cu 7 segmente şi pct. Zecimal; c) Decada incompletă; d) Schema de conectare a diodelor afişajului de 7 sg. şi pct. zecimal.

Lumina emisă de către joncţiunea (1) este captată de către prisma de difuzie (3).

Conectarea în circuit se face prin terminalele (2). Din combinarea elementelor individuale,

asamblate într-o carcasă de plastic realizată prin turnare într-o formă geometrică adecvată, se

obţin segmentele afişajului LED, dintre care principalele tipuri sunt:

- dispozitivul cu şapte segmente şi punctul zecimal, fig. 1.12 b), cu ajutorul căruia se pot

afişa cifrele zecimale şi literele A, b, C, c, d, E, F, H, J, L, n, P, o, S şi U. Au comun anodul

(fig. 1.12 d) sau catodul;

- dispozitivul pentru decada incompletă şi semn, fig. 1.12 c);

- dispozitivul cu 14 segmente (nefigurat), care conţine în plus 4 diode montate în

diagonalele patrulaterului a b c d e f iar segmentele a, g şi d sunt divizate în două. Permite

afişarea oricărui simbol alfanumeric, chiar dacă rezoluţia nu conduce la un aspect pe deplin

satisfăcător.

- dispozitivul cu puncte în matrice de 7 linii şi 4-5 coloane (28-35 diode), în care anozii sunt

pe câte o coloană iar catozii pe câte o linie. Poate afişa orice caracter alfanumeric cu o

rezoluţie perfect satisfăcătoare.


1-15

Pentru translarea informaţie digitale la semnul de afişat corespunzător sunt necesare

circuite de decodificare specializate. Pentru a reduce numărul circuitelor se utilizează

multiplexarea, prin comanda secvenţială a celulelor de afişare simultan cu schimbarea

corespunzătoare a datelor de intrare, în format BCD, şi alimentarea unei singure celule

corespunzătoare rangului datelor ce se decodifică, fig. 1.13 a). Convertoarele de prelucrare

(ADC) au ca ieşiri datele (DCBA corespunzător celor 4 biţi în cod BCD) şi 3…6 linii de

selectare a digitului de afişare. Frecvenţa de explorare trebuie să fie superioară celei de

pâlpâire (20 Hz) pentru ca imaginea rezultatului să fie stabilă, fig. 1.13 b). Nivelul de

iluminare normal se obţine prin multiplicarea curentului mediu direct, IF, cu numărul digiţilor

multiplexaţi: FFm INI ×= cifre .

D C B A

D C B A

7 7

7 2 7

a-g

MSD

LSD DEC.

ADC Sign. -0.20

0.20.40.60.8

11.2

t

Unitati ZeciSute Mii

a) b)

Figura 1.13 Comanda multiplexată a celulelor de afişare LED cu 7 segmente: a) schema electrică; b) forme de undă

Diodele electroluminiscente au tensiuni de polarizare directă cuprinse între 1,6 şi

2,5V, tensiunea inversă maximă de 6 V, curenţi direcţi cuprinşi între 5 şi 25 mA, putere

disipată de 10-50 mW.

Avantajele acestui afişaj sunt legate de compatibilitatea cu circuitele TTL, durata de

viaţă mare (106 ore) şi faptul că permite afişarea în medii cu iluminare scăzută.

Dezavantajele majore sunt legate de consumul relativ mare (aprox. 500 mW pentru un

afişaj de 3 ½ cifre, dar în cazul aparaturii de bord nu reprezintă o problemă), unghi de

vizibilitate redus şi o scădere a contrastului la creşterea intensităţii luminii de fond.


1-16

b) Afişajul fluorescent în vid

Face parte tot din categoria dispozitivelor de afişare active. VFD lucrează similar

tubului catodic al televizoarelor şi este realizat pe baza unei triode în vid cu încălzire directă.

Această triodă este constituită dintr-un catod-filament (catod cu încălzire directă) emiţător de

electroni, un anod fluorescent sub formă de plasă şi o grilă interpusă între anod şi catod, fig.

1.14.a). Deoarece rolul acestui tub electronic este afişarea şi nu amplificarea, el este construit

ca o triodă multiplă. Segmentele anodului apar luminoase atunci când electronii emişi de

catod sunt acceleraţi prin spaţiul catod-anod, dacă grila corespunzătoare anodului respectiv

este comandată astfel încât să permită aceasta, fig. 1.14.b). Radiaţia luminoasă depinde de

tensiunea de alimentare şi factorul de umplere al impulsurilor de comandă. Catodul VFD este

din sârmă de wolfram, ce emite electroni la aprox. 600 °C, iar filamentul este alimentat la

câţiva volţi în alternativ (2,8 V, 700 Hz, 0,45 W). Anozii sunt comandaţi de circuite

specializate (tensiuni între 5 şi 30 V), puterea consumată fiind de 0,6 W.

a) b) Figura 1.14 Afişajul fluorescent în vid: a) principiul; b) schema electrică

Comparativ cu celelalte dispozitive de afişare, VFD se dovedeşte superior LCD la

nivel scăzut de iluminare şi celui cu LED-uri în privinţa consumului. Faptul că emite lumină

multicoloră poate constitui un avantaj pentru o reprezentare cât mai sugestivă. A devenit

frecvent utilizat în aparatura de bord a autovehiculelor datorită acestor calităţi.

c) Afişajul cu cristale lichide

Face parte din categoria afişajelor pasive şi are la baza funcţionării proprietatea

cristalelor lichide de a-şi schimba caracteristicile de transmisie a luminii sub acţiunea unui


1-17

câmp electric. Acestea constau din legături organice ale cristalelor care trec în stare lichidă în

domeniul temperaturilor cuprinse între cea de topire (0 până la -25 °C) şi cea a punctului de

limpezire (70-80 °C). Sunt trei tipuri de cristale lichide, care se diferenţiază prin alinierea

moleculelor: smectice, nematice şi colesterice. Cristalele lichide smectice au moleculele

paralele unele cu altele, formând legături, dar nu există o structură anume în cadrul acestor

legături. Cristalele lichide nematice au moleculele orientate paralel, dar nu formează legături.

Cristalele lichide colesterice au moleculele paralele şi legăturile formează structuri în spirală

sau elice. Structura moleculară a cristalelor lichide poate fi uşor alterată de eforturile

mecanice, de câmpurile electrice şi magnetice, de presiune şi de temperatură. Spre deosebire

de celelalte dispozitive de afişare, cel cu cristale lichide necesită o sursă de lumină exterioară.

Se deosebesc între ele prin modul în care se formează imaginea sub acţiunea luminii: prin

transmisie, prin reflexie şi prin efect de câmp. La afişarea prin transmisie, sursa de lumină este

aşezată în spatele afişajului şi lumina va trece prin segmentele activate. In cazul celui prin

reflexie, sursa de lumină este de aceeaşi parte cu observatorul iar segmentele activate apar

distincte datorită schimbării proprietăţilor de reflexie faţă de celelalte zone neactivate.

Cristalul lichid se află între două plăci plan paralele, dintre care cea exterioară este

transparentă şi are metalizat pe faţa ei interioară forma segmentelor de afişat, fig. 1.15.

Distanţier

Plăcuţăanterioară

Plăcuţăposterioară

Figura 1.15 LCD: detalii constructive

Placa posterioară are depuse segmente metalice (transparente) de mărimea digitului


1-18

pentru a permite apariţia câmpului electric necesar comenzii unui segment activat. Cele două

plăci se află la o distanţă foarte mică, de 10 µm. Datorită complicaţiilor legate de ermetizare,

un afişaj este făcut pentru 4-10 cifre şi simbolurile alfanumerice necesare. Terminalele sunt

depuse tot prin metalizare, câte 8 pentru fiecare cifră (7 segmente şi segmentul posterior), şi

sunt accesibile circuitelor de comandă externe, datorită rastrului în care sunt realizate, prin

intermediul unor benzi conectoare elastice, bazate pe cauciuc grafitat şi izolator siliconic.

Moleculele de cristal lichid alungite nematice posedă propria anizotropie electrică şi

optică. In cazul afişajului bazat pe aceste cristale lichide şi lucrând prin efect de câmp,

fig. 1.16, plăcile de sticlă au o tratare specială care conduce la o orientare a moleculelor

paralelă cu plăcile şi o rotire continuă a axelor cu 90°. Pe feţele exterioare ale plăcilor sunt

aşezate folii de polarizor şi respectiv analizor rotite cu 90° între ele. Lumina incidentă este

polarizată şi planul ei de polarizare urmează între plăci axele moleculelor rotite. Pe partea din

spate lumina iese rotită cu 90°, astfel că analizorul este străbătut de aceasta. Dacă unui

segment i se aplică tensiune de comandă, apare un câmp electric ce duce la rotirea axei

moleculelor pe direcţia câmpului, deci perpendicular pe suprafaţa segmentului comandat.

Lumina nu va mai suferi rotirea de 90° şi deci nu va mai trece prin analizorul aşezat încrucişat

cu polarizorul. Segmentul respectiv va apare întunecat faţă de zonele necomandate.

Lumină

Lumină

Distanţier

SiO2SiO2Polarizor Analizor

Cristale lichide

Segment neactivat

Placă anterioară Placă posterioară

Segment activat

Figura 1.16 Funcţionarea LCD de tip nematic cu efect de câmp

Afişajul cu cristale lichide colesterice are proprietatea de a transmite doar lumina

polarizată, fig. 1.17.a), datorită structurii pe care o formează aceste cristale. Lumina transmisă


1-19

în acest mod ajunge la reflector şi se întoarce, prin reflexie, pe aceeaşi cale. Deoarece

cristalele lichide, activate cu o tensiune de 10 V şi 50 Hz, devin dezorganizate, lumina

polarizată va fi blocată de polarizorul rotit la 90°, iar segmentele respective vor apărea pentru

observator întunecate faţă de cele neactivate. Pentru afişajele destinate lucrului în medii cu

iluminare scăzută sau chiar fără iluminare, aşa cum este cazul aparaturii de bord, se utilizează

un fenomen de electroluminiscenţă de c.c.. Acesta se obţine cu mixtură bazată pe sulfatul de

zinc, plasată între electrozi în acelaşi mod ca şi cristalul lichid, dar care emite lumină când

între electrozi este aplicată o tensiune de c.c.. In fig. 1.17.b) este arătat rolul acestui fenomen

în funcţionarea LCD.

a) b)

Figura 1.17 Funcţionarea LCD de tip colesteric: a) prin reflexie; b) prin electroluminiscenţă

Comanda dinamică a acestor dispozitive de afişare se face atât pentru a evita apariţia

fenomenului de electroliză cât şi pentru a desface legăturile de organizare în cazul cristalelor

colesterice, tensiunile de comandă fiind compatibile TTL şi MOS. In fig. 1.18 este dat modul

de realizare al comenzii dinamice şi formele de undă pentru segmentul comandat/necomandat.

Seg. activat

Seg.

B.P.

US-BP

US-BPUcd.

UCk

Useg.

t

t

tt

Figura 1.18 Comanda dinamică a LCD


1-20

Se observă că tensiunea aplicată în cazul segmentului ce trebuie afişat (semnalul de

comandă 1 logic) este alternativă, de amplitudine egală cu cea a tensiunii de comandă şi nulă

ca valoare medie. In cazul segmentului neactivat (semnalul de comandă 0 logic), tensiunea

aplicată devine nulă deoarece este aceeaşi cu cea a plăcii din spate (Back Plane, eng.).

In afară de structura bazată pe celula de afişare cu 7 segmente, mai sunt afişaje

matriciale organizate pe linii şi coloane, care permit obţinerea unei rezoluţii mult sporite

precum şi reprezentarea formelor de undă. Decodorul acestor afişaje este un circuit complex,

ce permite translări din codurile de 8 biţi (ASCII). Puterea consumată de LCD este foarte

mică, ajungând, pentru tensiunea de alimentare de 5 V, la 20 µW/cm2 şi în jur de 300 µW

pentru un afişaj complet de 6 cifre. Durata de viaţă depăşeşte 104 ore, iar tensiunile de

alimentare acceptate sunt cuprinse între 5 şi 12 V.

d) Afişajul pseudoanalogic

Este utilizat de sine stătător sau împreună cu afişajul digital, pentru a da informaţiile

tipice afişajului analogic. Este realizat pe baza LED-urilor sau a cristalelor lichide. El se

caracterizează prin numărul de puncte care constituie afişajul şi modul în care apare imaginea:

punctiformă (poziţie variabilă) sau segment variabil. Aşezarea celulelor de afişaj se face liniar,

fiind văzute de către decodor ca o matrice cu o singură linie sau coloană (array, eng.).

Convertorul poate fi unul special, destinat rezoluţiei reduse care se cere, sau poate fi utilizat

unul şi acelaşi convertor, urmat de o decodare adecvată. In fig. 1.19 este dată varianta de afişaj

bargraph (bar-graph, eng.) bazată pe un convertor special de rezoluţie scăzută (1/8 în cazul

figurat). Imaginea afişajului va fi un segment luminos, ce va avea lungimea variabilă,

dependentă de raportul UIN/EREF. Pentru a avea stabilitate la variaţia mărimii de intrare,

comparatoarele convertorului sunt cu histerezis.

EREF

UIN

R R R R R R RR

D1D2D3D4D6 D5D8 D7

D1

D2

D3

D4

D6

D5

D8

D7

Figura 1.19 Afişaj bargraph segment-variabil şi convertorul A/D aferent


1-21

0 1 2 . . . 9

0 1 2 . . . 9

ADC D C B A

Decodor BCD-1/10

D e c o d o r BCD-1/10

Unităţi (LSD)

Zeci (MSD)

Ecc

D00 D01 D09

D99 D90

D99 D98 D97 D96 D95 D94 D93 D92 D91

.

. D03 D02 D01 D00

Figura 1.20 Afişaj bargraph punct-afişat şi matricea decodoare

In fig. 1.20 este dată varianta bazată pe acelaşi convertor A/D ca şi în cazul afişajului

digital. Pentru un convertor de 100 mV rezultă 100 de puncte, deci tot atâtea diode conectate

în nodurile matricei obţinute din decodificarea cifrei zecilor şi respectiv unităţilor (10×10).

Aranjarea în linie a diodelor va permite ca rezultatul să fie un punct luminos (un LED) al cărui

rang corespunde valorii de la ieşirea convertorului A/D.

Fie că sunt active sau pasive, aceste tipuri de afişaj redau informaţia într-un format

accesibil conducătorului auto. Celulele de afişare sunt aranjate fie sub formă matricială, pentru

a permite redarea diferitelor simboluri grafice, fie sub forma unor segmente drepte sau curbe

care, prin lungimea lor în stare activă sau prin culoarea emisă la un moment dat, afişează

valoarea unor mărimi măsurate, fig. 1.21 şi 1.22. Pe lângă dispozitivul de afişare, sistemul mai

trebuie să conţină un generator de caractere (ROM) şi o memorie. Este posibilă şi o

multiplexare în timp pentru a reduce partea electronică şi conexiunile. Memorarea se poate

face fie pentru un caracter, fie pentru toată informaţia. În cazul afişajului bazat pe cristale

lichide, multiplexarea nu este posibilă şi este necesară rezolvarea iluminării pe timpul nopţii.

Figura 1.21 Afişajul bargraph şi varianta adaptată mărimii afişate


1-22

Figura 1.22 Afişarea pseudoanalogică: a) circulară; b), c) liniară; d) arc de cerc; e) în S

e) Dispozitivele de afişare electrocromice

Electrocromismul reprezintă schimbarea culorii caracteristice a unui material asociată cu

schimbarea stării de oxidare-reducere. Dispozitivele de afişare electrocromice (ECD,

ElectroChromic Device, eng.) se bazează pe fenomenul de modificare a culorii anumitor

materiale (ex. sulfat de polistiren) sub acţiunea unei tensiuni continue aplicate acestora. Un

astfel de afişaj este constituit din cel puţin două conductoare, un material electrocromic şi un

electrolit combinat cu un substrat conductor, fig. 1.23.a). Electrolitul este fie lichid, fie solid.

a)

b)

Figura 1.23 Afişajul electrocromic: detalii constructive


1-23

Când se aplică o tensiune de aproximativ 2V cu polaritatea indicată în fig. 1.23.b) (- la

electrodul de comutare a culorii) dispozitivul comută în starea color şi rămâne aşa chiar şi

după dispariţia tensiunii de comandă. La aplicarea tensiunii cu polaritate inversă, acesta

comută la starea transparentă. Pentru suprafeţe afişate reduse, timpul de comutare este de

ordinul secundelor. In modul transparent dispozitivele electrocromice absorb aproximativ

20 % din lumină, iar în modul color absorb peste 70 % din lumina vizibilă. Dispozitivele

electrocromice pot fi făcute în diverse intensităţi coloristice, culorile de bază fiind albastrul,

verdele şi roşul.

In fig. 1.24 este arătată o structură mai complexă a unui ECD ce lucrează prin

modificarea transparenţei. Se observă prezenţa a şapte straturi într-o structură sandwich.

Straturile exterioare sunt realizate din sticlă transparentă şi ele încadrează alte două straturi

conductoare transparente. Sursa de comandă a schimbării stării afişajului se conectează între

cele două straturi conductoare.

Figura 1.24 Afişaj electrocromic funcţionând prin modificarea transparenţei

Celelalte trei straturi sunt considerate active deoarece în acestea au loc reacţiile chimice.

Când tensiunea de comandă este zero, lumina de la intrare trece prin dispozitiv deoarece toate

straturile sunt transparente. In acest caz lumina transmisă este maximă.

Când se aplică o tensiune negativă, ionii pozitivi de Li sunt forţaţi să pătrundă în stratul

oxidului de wolfram. Această pătrundere este urmată de o reacţie care îi schimbă valenţa

wolframului (W) de la 6 la 5 şi îl opacizează. Starea este denumită colorată.

La dispariţia tensiunii de comandă, stratul de oxid de wolfram îşi păstrează starea, ECD

fiind în starea de memorare. Durata memorării se consideră nedefinită deoarece schimbările

reversibile în oxidul de wolfram sunt sub 1%/zi.

Dacă se aplică aceeaşi tensiune dar cu polaritate inversată, apare reacţia inversă în


1-24

oxidul de wolfram, creând ioni pozitivi de Li, care trec prin stratul de Li dopat pozitiv în

stratul conductor de vanadiu (V). Stratul de W devine transparent iar cel de V îşi păstrează

transparenţa şi acţionează ca o locaţie de memorare a ionilor de Li. Dispozitivul devine

transparent iar starea respectivă este denumită de albire.

Când tensiunea de comandă aplicată creşte încet de la zero la valoarea necesară, este

obţinută o modificare graduală a transparenţei. Deci se poate realiza un control simplu al

contrastului prin modificarea tensiunii de comandă.

Limitările ECD sunt date de doi parametri: tensiunea de comandă maximă şi numărul de

comutări (nr. de cicluri color-albire). Tensiunea de comandă nu trebuie să depăşească 3 V iar

timpul de viaţă este de ordinul miilor de comutări.

Avantaje: tensiuni mici de comandă (compatibile TTL sau MOS), unghi de vizibilitate

mare, pot avea câteva culori de fond şi o gamă largă de temperaturi de funcţionare.

Dezavantaje: durata de viaţă scăzută, colorare reziduală ireversibilă, timp de răspuns

relativ mare, reproductibilitate scăzută în procesul de fabricaţie, imposibilitatea multiplexării,

degradarea performanţelor în timp.

f) Dispozitivele de afişare cu particule în suspensie

Dispozitivele de afişare cu particule în suspensie, SPD (Suspended-Particle Devices,

eng.), sunt condensatoare cu electrozi transparenţi având ca dielectric o suspensie coloidală

formată din particule foarte fine, din material electroizolant polarizat, dispersate într-un lichid

incolor. Amestecul sub formă de suspensie este încapsulat între două plăcuţe transparente de

sticlă sau material plastic, acoperite cu material conductor transparent. Fără a avea o tensiune

de comandă, particulele sunt orientate haotic şi blochează lumina, rezultând astfel starea

întunecată. La aplicarea unei tensiuni electrozilor, se produce o orientare a particulelor între

doi electrozi opuşi, funcţie de sarcina electrică şi de polaritatea tensiunii aplicate. Se permite

astfel trecerea luminii prin dispozitiv, obţinându-se starea transparentă. Explicarea comenzii

SPD rezultă din fig. 1.25. Prin aplicarea unei tensiuni pe plăcile conductoare apare fenomenul

de polarizare a atomilor aflaţi în suspensia coloidală. Dipolii pe care îi formează atomii prin

polarizare la aplicarea tensiunii de comandă, fig. 1.25.a), se orientează pe direcţia câmpului

datorită momentului creat de forţele de atracţie dintre protoni/electroni şi plăcuţele

conductoare negativă/pozitivă, fig. 1.25.b). O astfel de particulă acţionează ca şi cum ar fi un

simplu dipol cu câte o sarcină de semn contrar la cele două capete, fig. 1.25.c). Migrarea

particulelor poate fi prevenită în două moduri: aplicând o tensiune de comandă alternativă sau


1-25

încapsulând mici particulele într-o peliculă fină. La aplicarea unei tensiuni de comandă

alternative, atomii îşi schimbă polarizarea, dar particulele îşi păstrează orientarea până la

dispariţia câmpului aplicat.

Figura 1.25 Afişaj SPD: principiul de comandă

In fig. 1.26 sunt ilustrate atât structura SPD cât şi modul în care acesta lucrează. SPD

sunt realizate atât sub formă de indicatoare cât şi de afişaje matriciale cu 2k x 2k elemente.

Figura 1.26 Afişajul SPD: construcţie şi mod de funcţionare prin modificarea transparenţei

Avantaje: construcţie simplă, versatilă, ieftină, contrast şi luminozitate mari, consum

redus de putere, combinaţii coloristice nelimitate, gamă largă de temperaturi de funcţionare

(-30…+80 °C), unghi de vizibilitate larg (180°), tehnologii de fabricaţie economice, timp de

răspuns mic (< 1 s), număr mare de cicluri de comutare (>108).


1-26

g) Dispozitivele de afişare electroforetice

Conceptul de afişaj electroforetic este pornit de la cerneala electroforetică şi care constă

dintr-un pigment de culoare albă, încărcat electrostatic şi aflat în suspensie într-un lichid de

culoare închisă. Sub acţiunea unui câmp electric, pigmentul este deplasat spre suprafaţa

afişajului sau spre partea din spate, funcţie de sensul liniilor de câmp. In consecinţă, se obţine

o imagine strălucitoare sau una întunecată. Pentru a preveni aglomerarea particulelor şi

organizarea în formaţiuni mari, cerneala electroforetică trebuie să fie inclusă într-o structură

celulară, fig. 1.27.a). Această structură serveşte ca distanţier între cei doi electrozi ai

afişajului. Cerneala electrostatică, combinată cu placa posterioară din structurile polimerice

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), realizează afişajul electroforetic. Acesta este

constituit din mici condensatoare cu electrozii transparenţi, având ca dielectric suspensia

coloidală formată din particulele pigmentate, foarte fine, încărcate electric şi dispersate în

lichidul de culoare contrastantă cu a pigmentului. La aplicarea unei tensiuni electrozilor prin

intermediul liniilor de comandă şi de date, fig. 1.27.b), se produce o deplasare a particulelor

către unul din cei doi electrozi, funcţie de sarcina electrică şi de polaritate. Semnalul de

comandă pe linia de date este între 0 V pentru “low” şi +16 V pentru “high”, iar cel al liniei de

comandă este –5 V pentru “low” şi +20 V pentru “high”. Se modifică astfel culoarea celulei

văzută prin reflexie. Sunt realizate sub formă de indicatoare, cât şi ca afişaje matriciale având

2k × 2k elemente.

a) b)

Figura 1.27 Afişajul electroforetic: a) detalii constructive (vedere microscopică); b) schema electrică echivalentă pentru matricea de afişare electroforetică

Avantaje: construcţie simplă versatilă, ieftină, contrast mare, consum redus de putere,

combinaţii coloristice nelimitate, gamă largă de temperaturi de funcţionare, unghi de


1-27

vizibilitate larg, tehnologii de fabricaţie economice.

Dezavantaje: instabilitatea suspensiei în timp (5000 ore), timp de comutare mare,

tensiunea de comandă mare (aprox. 30 V).

h) Dispozitivele de afişare holografică

Utilizate la bordul avioanelor militare de vârf dar şi pentru automobilele de curse,

aceste afişaje fac posibilă urmărirea aparaturii de bord prin proiectarea imaginii acestora pe

parbriz şi/sau pe vizorul căştii pilotului. Principiul unui sistem de afişare holografică este

prezentat în fig. 1.28. Imaginea captată de la dispozitivul de afişare este preluată de două

sisteme holografice difractive, ce combină razele incidente cu alte raze generate electronic

(pentru amplificare) şi cu altele utilizate pentru colimare. Cele trei fascicule astfel obţinute

sunt combinate, realizându-se şi o compensare înainte de a fi recepţionate de către pilot sub

forma unei imagini tridimensionale coerente.

Figura 1.28 Afişajul holografic: principiul de formare a imaginii pe parbriz

O altă variantă de afişare holografică o constituie cea generată de calculator pe baza

datelor în format numeric. Semnalele de la calculator acţionează printr-un dispozitiv având

capacitatea de modulare a luminii, cum este modulatorul spaţial de lumină (SLM = Spatial

Light Modulator, eng.) sau un microafişaj, fig. 1.29, care poate difracta lumina coerentă

pentru a forma o imagine tridimensională. Interacţiunea cu operatorul poate fi rapid luată în

calcul şi imaginea este recalculată şi actualizată pentru noile cerinţe. Puterea de calcul cerută

este foarte mare (1012 operaţii în virgulă mobilă/s) deoarece numărul punctelor afişate poate fi

de ordinul a 1010, algoritmi de calcul speciali fiind dezvoltaţi pentru a se ajunge la frecvenţe

de până la 45 imagini pe secundă. Algoritmul se alege în concordanţă cu caracteristicile

imaginii de afişat, cu timpul de calcul impus, cu parametrii de calitate ai imaginii şi aplicaţia


1-28

concretă. Două tipuri de algoritmi sunt dezvoltaţi: algoritmi bazaţi pe interferenţă şi algoritmi

specifici difracţiei. Algoritmii bazaţi pe interferenţă simulează cât mai apropiat posibil

propagarea luminii într-o înregistrare holografică interferometrică. Sunt capabili să genereze

imagini de calitate prin luarea în considerare a efectelor iluminării şi a proprietăţilor de

reflexie a suprafeţelor. Poate fi redată şi senzaţia de profunzime, cu care vederea umană este

obişnuită. Un astfel de algoritm utilizează transformata Fourier geometrică şi modelul

corpului fără axe. Pentru a reduce puterea de calcul necesară au fost dezvoltaţi algoritmi care

îmbină un compromis viteză-calitate a imaginii: algoritmi specifici difracţiei. Aceşti algoritmi

permit ca din calcul să rezulte o rezoluţie adaptată vederii umane şi nu o super-rezoluţie dată

de celălalt algoritm.

Figura 1.29 Afişajul holografic: principiul de formare a imaginii pe baza calculatorului

Pe lângă numărul mare de puncte de afişare, modulatorul pentru afişajul electro-

holografic poate să aibă cerinţa de 1010 puncte într-un format dreptunghiular şi un inter-spaţiu

de numai 5 microni. Legat şi de frecvenţa de baleiere, se obţine o bandă de 1010 bit/s. In plus,

este de preferat ca sistemele de afişare monocrome să aibă posibilitatea de actualizare la color

şi ca număr mare de puncte. Totuşi, nu sunt realizate modulatoare electro-optice care să

întrunească toate cerinţele unui sistem holografic. Prin cercetare avansată s-a obţinut creşterea

performanţelor modulatoarelor electro-optice astfel încât să corespundă cerinţelor. Aceste

progrese se bazează pe frecvenţa mare a cadrelor de complexitate medie a modulatorilor

spaţiali de lumină adresabili electric (EASLMs, Electrically Addressed Spatial Light

Modulators, eng.) şi rezoluţia mare a modulatorilor spaţiali de lumină optici (OASLMs,

Optically Addressed Spatial Light Modulators, eng.). Acest procedeu permite ca să fie înscrise


1-29

un număr mare de puncte cu păstrarea frecvenţei de baleiere necesară. Numit “ondulator

activ”, acest sistem modulator, bazat pe EASLM, acţionează ca un “motor-imagine” care:

- poate să afişeze rapid elementele imaginii holografice generate de calculator;

- poate să reproducă optic în OASLM imaginile proiectate fără amplitudine în EASLM;

- poate să memoreze în OASLM şi să afişeze formele generate de computer;

- realizează afişarea optică pentru formarea imaginii holografice;

- conţine un bloc de control pentru sincronizarea completă a sistemului.

Acest sistem modulator este proiectat pentru a permite canalelor de date multiple să fie

asamblate pentru a produce un plan continuu de modulare. In plus, performanţele sistemului

pot fi reduse sau extinse pentru a îndeplini cerinţele diferitelor aplicaţii. OASLM utilizează

formele de modulare optică, în timp ce EASLM utilizează semnalele electrice prin

conductore.

i) Afişarea pe parbriz

Pentru a privi aparatura de bord numai pentru o mărime măsurată sau doar

monitorizată ca nivel, conducătorul auto trebuie să comute privirea de la principalul scop:

urmărirea şoselei şi a tot ce înconjoară autovehiculul aflat în mişcare. In schimb, dacă nu o

face cu o anumită regularitate, poate pierde informaţii nerepetitive importante cum ar fi

scăderea accidentală a presiunii lubrifiantului. Pentru aceste cazuri, o soluţie o reprezintă

avertizarea sonoră asociată fiecărei mărimi monitorizate ca nivel de alarmă, dar este destul de

dificil ca un conducător auto să înveţe semnificaţia acestor avertizări chiar dacă ar rula sincron

cu semnalizările optice ale acestor monitorizări la punerea în funcţiune a motorului. O soluţie

mai simplă decât cea prin holografie o reprezintă cea prin proiecţie pe parbriz a aparaturii de

bord, HUD (Head-up Display, eng.). In fig. 1.30 este dat principiul afişării pe parbriz.

Figura 1.30 Afişarea pe parbriz: principiul de formare a imaginii


1-30

Informaţia de la un dispozitiv de afişare adecvat, cum ar fi tubul catodic, este preluată

şi proiectată pe parbriz sub un unghi care îi permite o reflexie parţială. De aici rezultă cerinţa

ca imaginea afişată pe tubul catodic să fie în oglindă pentru a putea deveni una normală la

inversiunea dată de reflexie (similar cu marcarea numelui pe partea frontală a maşinilor

speciale, ce trebuiesc recunoscute în oglinda retrovizoare). Când există şi un computer de

bord, pe ecranul tubului catodic se pot afişa o multitudine de mărimi, simultan sau aranjate în

ferestre ce se pot selecta prin atingere sau prin voce. In condiţii normale, conducătorul auto

poate privi prin oglinda astfel realizată pe parbriz şi să regleze intensitatea imaginii obţinute

prin reflexie pentru un optim ce este subiectiv. Acest optim se poate menţine apoi în corelaţie

cu nivelul de iluminare din mediul ambiant.

O problemă care trebuie rezolvată este totuşi ce informaţie trebuie afişată la un

moment dat. Dacă apar situaţii de avarie ce trebuie semnalate imediat, acestea pot fi situate în

centrul câmpului vizual al conducătorului auto, afişate prin clipire. Pe lângă mărimile

monitorizate legate de motor, altele legate de situaţiile de pericol în deplasare, cum ar fi cele

semnalate de radarul anticoliziune, pot fi afişate tot de HUD. Sistemele HUD curente sunt

pentru vederea strict în faţă, dar afişajele cu cristale lichide, utilizate în oglinzile retrovizoare

pentru reglajul automat al intensităţii luminii ce provine de la farurile altor autovehicule

situate în urmă, pot fi folosite ca un ecran de afişare a unei apropieri iminente din spate,

atenuarea spotului orbitor funcţionând foarte bine ca un radar.

Firmele constructoare de autovehicule de renume au iniţiat un sistem de ghidare a

conducătorului auto printr-un afişaj HUD şi comenzi vocale. Vocea sintetizată electronic

îndrumă conducătorul auto în trafic (la stânga la prima intersecţie, de ex.) iar săgeţile afişate

de HUD punctează calea de urmat. Sunt posibile avertizările din timp date de sistemele de

ghidare în trafic (cinci sute de metri până la prima intersecţie, de ex.) precum şi alerte scurte

date de situaţii ocazionale speciale (drum în construcţie, de ex.). Este aproape la fel ca în cazul

celorlalte sisteme de ghidare, dar HUD permite o comunicare mai bună, mai sigură şi fără

deplasarea atenţiei conducătorului auto.

Un alt deziderat al acestui tip de afişaj este acela de a determina direcţia în care

priveşte conducătorul autovehiculului în orice moment pentru a deplasa imaginea proiectată

de HUD mereu în centrul câmpului său vizual. Realizări avansate utilizează pentru aceasta

reflexia pe corneea ochiului conducătorului auto, preluată de camere video care sunt cuplate la

sistemul de producere a fasciculului laser. Sistemul permite determinarea mişcării ochiului şi


1-31

poate, de asemenea, monitoriza starea de veghe a conducătorului auto, prevenindu-se astfel

posibilitatea adormirii la volan. HUD poate afişa mesaje de atenţionare a creşterii riscului

apariţiei acestui fenomen, iar întreg sistemul poate chiar lua decizii care să evite producerea

acestui eveniment sau care să reducă efectele în cazul în care totuşi s-a produs.

1.3 TEHNICI DE AFIŞARE

Din paragrafele precedente se poate trage concluzia că dispozitivele de afişare

particulare prezentate sunt diverse şi utilizarea lor în conexiune cu mărimile ce se măsoară cât

şi între ele este foarte importantă. Cea mai importantă cerinţă rămâne totuşi lizibilitatea. Cu

un număr atât de mare de dispozitive de afişare, apare tendinţa la proiectanţii de autovehicule

de a le folosi pe cele mai avansate, cu implicaţii asupra preţului de cost şi a calificării cerute

pentru a interpreta datele afişate. Cel mai bine este să se ţină seama de principiul "cel mai

adecvat afişaj pentru o anumită mărime măsurată". Figura 1.31 arată o combinaţie posibilă de

dispozitive de afişare şi mărimile cărora le sunt destinate.

Figura 1.31 Aranjament de aparate de bord

Desigur că multe din deciziile privitoare la aranjarea dispozitivele de afişare la bordul

autovehiculelor sunt pornite din preferinţele proiectantului, de multe ori şi din dorinţa de a

surprinde plăcut, din primul moment, viitorul utilizator. Totuşi, afişarea numerică a unor

mărimi puternic variabil şi importante în orice moment, cum sunt turaţia motorului şi viteza

de deplasare a autovehiculului, este complet inadecvată, deoarece nu ar putea fi urmărite nici

de copilot. Chiar şi afişajele pseudoanalogice bargraph nu sunt atât de simplu de “citit”

precum cel analogic cu ac indicator. Din cercetare rezultă modalităţile în care trebuiesc

aranjate aparatele de bord ale autovehiculelor. Un criteriu obiectiv de aranjare îl constituie

timpul necesar pentru a “arunca o privire” asupra aparaturii de bord în vederea reîmprospătării

informaţiilor privitoare la valorile mărimilor indicate. In figura 1.32 este prezentat un

aranjament practic de aparate de bord deosebit de compact, simetric faţă de axa de privire.

Acest aranjament facilitează informarea completă, rapidă şi cât mai facilă, fără a fi necesară o


1-32

explorare succesivă a aparatelor de bord.

Figura 1.32 Aranjament concret al aparatelor de bord (pentru automobile)

Aspectul comercial, care cuprinde pe lângă îndeplinirea acestor cerinţe de aranjare şi

multe altele, cum ar fi forma dispozitivelor de afişare, culoarea de fond, aspectul la iluminarea

pe timp de noapte, etc., nu trebuie neglijat. Facilităţile oferite de afişarea holografică şi HUD

sunt totuşi pentru autovehicule speciale, cum sunt cele destinate curselor sau celor sport şi nu

se justifică la autovehiculele obişnuite din mai multe considerente: preţ de cost, utilitate,

simplitate în exploatare, etc.

Din cerinţe de fiabilitate şi siguranţă în funcţionare, numărul firelor şi al conexiunilor

trebuie să fie cât mai redus. Soluţia este una similară celei prezentate în cazul afişajelor de tip

LED, multiplexarea şi diviziunea în timp. Structura spaţială a sistemului de măsurare pe care

îl constituie aparatura de bord este una distribuită: multiplexată la intrare şi demultiplexată la

ieşire, figura 1.33. O astfel de structură devine simplu de realizat dacă se utilizează sensori cu

ieşire unificată. Prin tehnici de eşantionare cu o rată adecvată, valorile fiecărui canal de

măsură sunt prelucrate şi transmise dispozitivului de afişare corespunzător. Unitatea

electronică de calcul, prelucrare şi comandă, ECU, face posibilă funcţionarea unei astfel de

configuraţii de măsurare prin sincronizarea multiplexorului, MUX, cu demultiplexorul,

DeMUX, eşantionare, conversii A/D şi D/A şi memorare în formă analogică şi digitală.

Figura 1.33 Schema bloc a structurii spaţiale pentru aparatura de bord

CAPITOLUL 2

INTERFAŢAREA SISTEMELOR DE BORD INFORMATIZATE

Mărimile de interes sunt legate de funcţionarea motorului şi autovehiculului şi

caracteristice deplasării. Din prima categorie, principalele mărimi sunt: turaţia, temperaturile,

presiunile, volumul, debitul şi mărimile electrice, iar din a doua categorie fac parte: viteza,

acceleraţia, poziţia relativă şi direcţia de mişcare.

2.1 STANDARDE DE INTERFAŢARE

Transmiterea informaţiei în formă digitală este realizată serial sau paralel pe linii

simetrice sau asimetrice. Multitudinea posibilităţilor în care se realizează fiind redusă de către

normativele internaţionale denumite standarde de interfaţare.

Cerinţele generale pentru o interfaţă sunt prezentate în fig. 2.1:

• Viteza de transmisie

• Nivelul semnalelor

• Robusteţea

• Nivelul de integrare

• Puterea consumată

• Preţul de cost

• Imunitatea la zgomot.

Figura 2.1 Cerinţe generale pentru o interfaţă.

Prin standardele de interfaţare se dau următoarele categorii de specificaţii:

INTERFAŢAREA SISTEMELOR DE BORD

2-2

a) Mecanice care definesc conectorii, cablurile de legătură şi topologia reţelei;

b) Electrice care definesc nivelurile de tensiune şi de curent, impedanţele de sarcină şi

de ieşire;

c) Funcţionale care definesc precis scopul si utilizarea fiecărei linii fizice din

magistrală, protocolul şi restricţiile de temporizare în transmiterea mesajelor;

d) Operaţionale care definesc modul în care aparatele utilizează interfaţa prin

intermediul programelor, rutina de diagnostic, codurile de programare specifice.

O proprietate importantă a interfeţei este transparenţa care presupune:

• separarea datelor prin memorare şi retransmisie;

• schimbarea modului de transmisie, a vitezei şi conversii de cod prin

multiplexare şi convertire dintr-o formă în altă formă, formatarea într-un

cod cerut de reţeaua de transmisie;

• ordonare, înlănţuire după criterii bine precizate.

Moduri de interconectare:

• Serial;

• Paralel.

Comunicaţia între două unităţi poate fi:

• Simplex între un emiţător de date şi un receptor;

• Semiduplex (Half-Duplex) când două unităţi cuplate sunt pe rând unul

emiţător şi unul receptor de date;

• Duplex (Full-Duplex) când cele două unităţi cuplate sunt în acelaşi timp

emiţător şi receptor de date.

2.1.1 Protocolul comunicaţiei

• Asincron (fig. 2.2 a, b, c) – comunicaţia începe cu un bit de strat, se

termină cu unul sau mai mulţi biţi de stop, iar în seria de biţi corespunzători

datelor transmise sunt inseraţi biţi de control ai imparităţii. Pentru a fi

posibil acest protocol receptorul trebuie să cunoască caracteristicile

transmisiei (lungimea mesajului, lungimea biţilor de start/stop, controlul

parităţii, viteza de transmisie;

• Sincron (fig. 2.2 d) – pe lângă semnalul de date se transmite un semnal de

tact care permite identificarea biţilor transmişi (o transmisie de viteză).


2-3

Figura 2.2 Forme de undă pentru diverse protocoale de comunicaţie.

2.1.2 Configuraţia spaţială a unui sistem multiprocesor

Deoarece părţile funcţionale componente din automobile sunt controlate de

microprocesoare, interconectarea a devenit o cerinţă deosebit de importantă. Această

interconectare conduce la ideea de reţea (network). În unele cazuri este vorba de simpla

multiplexare, dar în cazul general există similitudine cu interconectarea calculatoarelor. Există

două configuraţii spaţiale în linie şi în stea.

• Configuraţia în linie – este aplicabilă în cazul mai multor calculatoare cuplate la

aceeaşi interfaţă. Principalul avantaj al acestui sistem este numărul redus de

legături necesare. Pot apărea probleme atunci când este aplicat în acelaşi timp pe

magistrală (pe linie) mai mult de un mesaj. Această problemă este depăşită prin

introducerea unui sistem de reguli simple prin care datele sunt transmise între

unităţi, acest set de reguli se numesc protocoale (fig. 2.3 a);

• Configuraţia în stea – un avantaj îl constituie că o întrerupere între o unitate şi

portul central “hub” nu produce defectarea întregii reţele. Unitatea centrală poate fi

un comutator electronic care recepţionează mesaje de la toate unităţile şi determină

care unitate a trimis mesajul şi unităţile destinatare (fig. 2.3 b).


2-4

Figura 2.3 Configuraţii ale reţelei cu unităţi multiple de calculator.

2.1.3 Protocoalele

Cu scopul de a face reţeaua funcţională, transferul de date trebuie să fie guvernat de un

set de reguli denumit protocoal. Un protocol utilizat în mod obişnuit pentru unităţi

multiprocesor în reţea este aşa numitul protocol CSMA-CD (Carrier-Sense Multiple Access

with Collision Detection).

O unitate interconectată trebuie să aştepte ca magistrala să fie liberă înainte de a

transmite un cadru (frame), când acest set de date este transmis toate unităţile din reţea

verifică adresa destinatarului şi când verificarea s-a terminat unitatea de destinaţie acceptă

întregul set de date, apoi aceasta transmite un semnal de eroare dacă au existat erori. Fiecare

unitate trebuie apoi să aştepte o perioadă de timp înainte de a relua transmisia.

Fiecare unitate conectată în reţea trebuie să fie echipată cu o interfaţă adecvată, care

permite realizarea următoarelor etape şi operaţii:

• Aranjarea datelor în pachete;

• Adăugarea biţilor de detecţie a erorilor;

• Aranjarea fiecărui pachet de date într-un cadru;

• Transmiterea cadrelor către reţea;

• Detecţia coliziunilor cu posibilitatea de oprire a transmisiei şi generare a semnalului

de transmisie oprită;

• Reluarea transmisiei după un timp variabil.


2-5

2.1.4 Tipuri de reţele în vehicule

Scopul acestor reţele este de a reduce numărul de fire de conexiuni utilizate, se

estimează că aproximativ 15kg de conductoare pot fi eliminate într-un singur vehicul prin

interfaţare. Un alt avantaj îl reprezintă utilizarea senzorilor, de exemplu:

• Sisteme precum cel de control al tracţiunii şi control al motorului, care utilizează

senzori de viteză de rotaţie a motorului, acestea pot utiliza un singur senzor în locul

unor senzori separaţi pentru fiecare sistem;

• Alte sisteme, cum ar fi sistemul de lumini şi sistemul instrumentaţiei de bord pot lucra

la viteze de transfer foarte mici, de exemplu 1kB/s, în timp ce alte sisteme lucrează la

viteze mai mari 1MB/s.

Există conform reglementărilor SAE trei clase de reţele în automobile:

• Clasa A - de viteză redusă (până la 10kB/s) utilizate la conectarea componentelor de

pe caroserie (exemplu lămpi). Comanda lor se face printr-un fir subţire, radio, optic;

• Clasa B - viteză medie (până la 125kB/s) utilizate pentru controlul vitezei,

instrumentaţiei, controlul combustiei;

• Clasa C - viteza mare (timp real până la 1÷2MB/s) utilizate pentru controlul frânelor,

al tracţiunii şi al stabilităţii.

2.1.5 Protocoalele seriale de transmitere a datelor

Protocoalele seriale de transmitere a datelor ar trebui să rezolve câteva cerinţe foarte

importante, cum ar fi:

• Viteza de transmisie;

• Interferenţele electrice;

• Păstrarea integrităţii mesajelor.

Se utilizează în mod obişnuit două metode pentru transmiterea serială:

a) NRZ (Non-Return to Zero) semnalul logic se păstrează ca nivel pe durata de tact

corespunzătoare numărului de biţi de aceeaşi valoare (fig. 2.4).


2-6

Figura 2.4 Secvenţă de transmisie NRZ

b) CAN (Controller Area Network) - există două linii CAN L şi CAN H având

intervale separate pentru nivelelurile de tensiune şi au o variaţie în opoziţie ca

în fig. 2.5.

Figura 2.5 Secvenţă de transmisie CAN.

2.1.6 Concepte de organizare hardware

Ierarhic pe mai multe niveluri fig. 2.6.a. Această structură trebuie considerat separat

faţă de structura fizică în care este realizat sistemul, scopul fiind să dea libertate individuală,

independentă şi posibilitatea de autotestare a unităţilor periferice. Apariţia sistemelor ierarhice

şi a elementelor de execuţie inteligente a făcut posibilă realizarea unor structuri

descentralizate în care în care unităţile electronice care sunt periferice sistemului, să fie

conectate una la cealaltă şi toate la unitatea centrală de control cu viteze diferite de transmisie.

Adecvat pentru acest concept este sistemul de interfaţare CAN.

Controlerul principal din fig. 2.6.b funcţionează ca un bloc ce asigură conectarea

diverselor sisteme de magistrale. În caz de defectare este responsabil pentru organizarea

modului de lucru de avarie, totuşi nu sunt implicate cunoştinţe despre procesele fizice care

sunt observate şi controlate. Această convenţie este mutată complet spre partea electronică şi

echipamentele periferice.


2-7

Figura 2.6 a) Concept ierarhic pe mai multe niveluri

b) Modalităţi de organizare hardware.

2.1.7 Reţele de comunicaţie în automobile

Sistemele moderne de comunicaţie ca TTP, FlexRay, Bluetooth, FireWire sunt gata să

fie implementate pe scară largă alături de protocoalele de comunicaţie clasice cum ar fi CAN,

LIN, D2B, Byteflight şi MOST.

Realizarea de reţele de comunicaţie în automobile, permite obţinerea unui automobil

mult mai sigur, mult mai uşor de controlat, cu un preţ de producţie mai mic. În tabelul 2.1 sunt

prezentate câteva protocoale de comunicaţie cu principalele caracteristici legate de rata de

transfer şi cost.


2-8

Tabelul 2.1 Rata de transfer şi costul specific protocoalelor.

PROTOCOL RATA DE TRANSFER COST

(Scăzut,Mediu,Ridicat) FireWire Până la 400Mbps R

D2B 20Mbps R MOST 25Mbps R

FlexRay 10Mbps M Byteflight 10Mbps M

TTP 5-25Mbps R Bluetooth 3Mbps R

SAE J1850 10.4Kbps sau 41.6Kbps S LIN 20Kbps S CAN 1Mbps S/M

Figura 2.7 Rata de transfer versus cost.

Fig. 2.7 prezintă raportul, în funcţie de cost şi de rata de transfer, dintre diferitele

protocoale utilizate în industria automobilelor. Fiecare protocol are caracteristici diferite, ceea

ce face să fie adecvat pentru aplicaţii diferite. În ziua de astăzi arhitectura electronică a unui

automobil include patru tipuri de reţele interconectate. De exemplu Volvo XC90 are aproape

40 de unităţi ECU interconectate de o reţea LIN, o reţea MOST, o reţea CAN cu rată mică de

transfer şi o reţea CAN cu rată mare de transfer.


2-9

A. Protocolul FireWire

Acest protocol a fost creat în 1995 de APPLE Inc. şi are o rată mare de transfer, până

la 400Mb/s. Lucrează în timp real. FireWire a fost adoptat ca interfaţă standard de

comunicaţie HANA pentru componentele audio/video de comunicare şi control. Acest tip de

protocol de comunicaţie este disponibil în versiunile wireless, fibră optică şi coaxial.

B. D2B (Domestic Digital Bus)

Este o reţea optică cu rata de transfer de 20Mb/s, dezvoltată din anul 1992 de

Matsushita şi Philips. Este utilizată la unele modele Mercedes Benz din clasa S. D2B a fost

proiectată pentru comunicaţii audio/video şi aplicaţii media la automobile.

Figura 2.8 Transferul semnalului la D2B.

În figură se prezintă cum se realizează transferul semnalului. D2B utilizează fibra

optică pentru a transmite datele şi a controla semnalul. Componenta care transmite converteşte

semnalul electric într-un semnal luminos care este trimis componentei receptoare utilizând un

FOT (Fiber Optic Transceive). Fiecare componentă are două FOT-uri: FOT-in şi FOT-out.

C. MOST (Media-Oriented Systems Transport)

Protocolul MOST a fost realizat în 1996 de consorţiul Oasis Silicon Systems în

colaborare cu firmele BMW, Becker Radio şi DaimlerChrysler,pentru aplicaţii multimedia în

mediul automobilelor. A fost proiectat să funcţioneze pe sistemul fibrei optice, astfel încât

rata de transfer să fie ridicată, ajungându-se la viteze de transfer de 25Mb/s.

Este utilizat ca soluţie optimă pentru periferice ca radioul maşinii, CD şi DVD playere,

şi sisteme de navigare GPS.

MOST are toate cele şapte niveluri ale sistemului ISO/OSI.


2-10

Figura 2.9 Sistemul MOST şi reprezentarea ISO/OSI.

D. Protocolul FlexRay

FlexRay este un protocol cu performanţe ridicate, cu rata de transfer a datelor de

10Mb/s, utilizat pentru aplicaţii avansate cum ar fi controlul motorului. În anul 1998 BMW şi

Daimler-Chrysler au analizat soluţiile disponibile de la acea vreme şi au constat că nici una

dintre ele nu le putea satisface cerinţele pentru viitoarele sisteme de control a automobilelor.

Arhitectura “dual chanel” a protocolului FlexRay oferă redundanţă sistemului, ceea ce

îndeplineşte cerinţele de fiabilitate a sistemului. De asemenea acest protocol poate fi

implementat ca şi componentă principală în cadrul sistemului electronic al automobilului,

lucrând într-o foarte bună colaborare cu sistemele deja existente, cum ar fi CAN şi LIN.

Avantajele obţinute prin utilizarea protocolului FlexRay sunt următoarele:

• arhitectură simplă a reţelei automobilului;

• control ridicat;

• reducerea numărului de fire;

• reducerea greutăţii automobilului;

• sistemele electromecanice înlocuiesc componentele hidraulice.

Toate aceste avantaje au influenţat în bine industria automobilelor, obţinându-se astfel

automobile mult mai sigure, mai inteligente, mai fiabile, mai puţin poluante şi mult mai uşor

de condus.


2-11

E. Protocolul Byteflight

A fost introdus în 1996 de BMW, şi a dezvoltat ulterior de consorţiul BMW, ELMOS,

Infineon, Motorola şi Tyco EC. Domeniul principal de aplicare a acestui protocol este în

cadrul sistemelor critice de siguranţă. Aplicaţii tipice al acestui tip de protocol sunt sistemul

airbag şi sistemul de tensionare al centurilor de siguranţă, aplicaţii ce necesită timp de răspuns

rapid, instantaneu. Viteza de transfer ajunge până la 10Mb/s.

F. TTP (Time-Triggered Protocol)

TTP a fost introdus în anul 1994, fiind disponibil în 2 versiuni, TTP-A şi TTP-C. TTP-

A este un protocol master/slave, spre deosebire de TTP-C care este un protocol distribuit.

Prima dată, TTP a fost folosit în industria automobilelor în anul 1998. Utilizând TTP rata de

transfer a datelor poate fi de 5Mb/s până la 25Mb/s, în funcţie de domeniul de utilizare. Un

exemplu de implementare a TTP este H1 Hummer, la care cele trei unităţi TTP controlează

sistemul de frânare, sistemul de acceleraţie şi transmisia.

G. Protocolul Bluetooth

Este un protocol fără fir utilizat pentru transfer de informaţii pe distanţe scurte (1m, 10m,

100m), făcând legătura între dispozitivele fixe şi mobile.

Tabelul 2.2 Puterea maximă permisă şi rata de transfer pentru protocolul Bluetooth. Clasa Puterea maximă permisă Distanţa Versiunea Rata de transfer

1 100mW(20dBm) ~100m 1.2 1Mbps

2 2.5mW(20dBm) ~10m 2.0 3Mbps

3 1mW(20dBm) ~1m 3.0 Până la 480Mbps

Protocolul Bluetooth a fost conceput ca alternativa fără fir pentru cablul RS232. Poate

conecta mai multe dispozitive eliminând problemele de sincronizare. Aplicaţiile în domeniul

automobilelor a protocolului Bluetooth sunt în: sistemul hand-free, CD şi DVD playere

portabile, sistemul de diagnoză şi comunicare cu calculatorul personal.

H. SAE J1850

Este folosit pentru diagnoză şi transfer de date. Se prezintă sub două forme: una de

41,6kb/s (pe două fire) şi una de 10kb/s (un singur fir). Varianta pe un singur fir poate avea o

lungime de până la 40m, realizând conectarea a 32 de noduri. J1850 este un protocol de clasă


2-12

B care a fost adoptat se SAE (Society of Automotive Engineers) în anul 1994. În multe cazuri

J1850 este găsit în aplicaţii legate de motor, transmisie, sistemul ABS.

I. Protocolul LIN (Local Interconnect Network)

LIN este un protocol serial de comunicaţie conceput pentru a funcţiona în sisteme

electronice distribuite. Este utilizat ca o reţea low-cost, conectând componente simple, cum ar

fi: senzorii şi actuatorii. LIN a fost iniţiat în anul 1998 de un consorţiu de companii, fondat de

Audi, BMW, Daimler-Chrysler, Volcano, Volvo şi Volkswagen, în colaborare cu Motorola.

LIN este un protocol ieftin, cu viteze de transfer de până la 20kb/s (vitezele standard fiind

2,4kb/s, 9,6kb/s, 19,2kb/s). Toate aceste subsisteme care utilizează LIN sunt interconectate

prin intermediul protocolului CAN. Comparaţia dintre principalele caracteristici ale

protocoalelor LIN şi CAN este prezentată în tabelul 2.3.

Tabelul 2.3 Caracteristici generale LIN şi CAN. Caracteristica LIN CAN

Tipul configuraţiei Single

Master

Multi

Masters

Rata de transfer 2.4, 9.6 şi 19.2Kbps 6.25…1000Kbps

Identificarea mesajelor 6 biţi 11/29 biţi

Numărul de noduri 2…16 noduri

4…20 noduri

Maxim 70

(pentru automobilele

moderne)

Numărul de byte pe cadru 0…8 2…8

Timpul de transmisie 6 ms la 19.2KBps 0.8 ms la 125KBps

Detecţia erorilor 8-biţi de verificare 15 biţi de control al

redundanţei ciclice

Nivelul fizic (conectare) Un singur fir, 40V Două fire torsadate şi

ecranate, 5V

Rezonator de Quartz/Ceramic Doar nodul master Toate nodurile

Aplicaţii tipice ale protocolului LIN sunt prezentate în fig. 2.10:


2-13

Figura 2.10 Aplicaţii tipice protocolului LIN.

Aplicaţiile caracteristice protocolului LIN cuprind unităţi cum ar fi: uşile, scaunele,

senzorii şi motoarele din cadrul sistemului de climatizare, sistemul de iluminat, senzorii de

ploaie, sistemul de acţionare a ştergătoarelor. Se pot conecta uşor la reţelele maşinii şi pot

deveni accesibile tuturor tipurilor de diagnoză.

Principalele avantaje ale protocolului LIN sunt:

• preţ scăzut;

• implementare pe un singur fir;

• viteză de transfer a datelor până la 20kb/s;

• concept “Single Master/Multiple Slave”;

• autosincronizarea în nodurile slave fără rezonator de cristal sau ceramică.

2.2 INTERFAŢA CAN (CONTROLLER AREA NETWORK)

2.2.1 Caracteristici generale şi avantajul utilizării CAN

CAN este un protocol serial de comunicaţie între microcontrolere, care suportă

controlul distribuit în timp real cu un nivel înalt de securitate. În domeniul automobilelor

CAN este utilizat pentru schimbul de informaţii între dispozitivele ECU.


2-14

Figura 2.11 Componentele unui automobil conectate fără CAN.

Figura 2.12 Componentele unui automobil conectate după principiul CAN.

Avantajul folosirii protocolului CAN poate fi observat comparând fig. 2.11 cu

fig. 2.12; astfel utilizarea CAN elimină un număr mare de cablaje utilizate pentru conexiuni.

Protocolul CAN în industria automobilelor a fost dezvoltat de compania germană

Robert Bosch GmbH la începutul anului 1980 şi evaluat în standard SAE (Society of

Automotive Engineers). În anul 1993 îndeplineşte standardul ISO 11898 pentru aplicaţii de

mare viteză şi standardul ISO 11519 pentru aplicaţii de viteză mică. Principalul motiv care a

dus la dezvoltarea CAN a fost acela de a găsi o soluţie la problema creşterii constante a

cablajelor utilizate la conexiunile între dispozitivele ECU.

De obicei, CAN face legătura între noduri utilizând două fire torsadate.

• CAN- L: 1,5 - 2,5 V (0 – CAN-L în H şi CAN-H în L)

• CAN- H: 2,5 - 3,5 V (1 – CAN-L în L şi CAN-H în H).

CAN prezintă imunitate la zgomot şi scurtcircuit, respectiv posibilităţi de detecţie a

erorilor. Viteza de transmisie a datelor poate ajunge pana la 1Mb/s şi se poate utiliza pentru


2-15

controlul frânelor, al tracţiunii şi stabilităţii în timp real.

În fig. 2.13 este prezentat un exemplu de sistem, la care se foloseşte interfaţa CAN

pentru controlul transmisiei.

Figura 2.13 Exemplu de interfaţă CAN pentru controlul transmisiei.

Ce se poate observa simplitatea conexiunilor, a configuraţiilor. Unitatea de control ia

decizii pe care le transmite ca mesaje modului de control al motorului cât şi celui de control al

frânării şi tracţiunii ABS, TCS. Intrarea în funcţiune a unor sisteme e semnalizată la bord,

fiind posibilă şi cuplarea/decuplarea elementelor de execuţie inadecvate în anumite situaţii.

Suplimentar, pentru a respecta cerinţele stricte ale OSI, CAN se găseşte sub două

tipuri: CAN 2.0A sau CAN standard cu dimensiunea de 11 biţi, şi CAN 2.0B sau CAN extins

cu dimensiunea de 29 biţi.

Tabelul 2.4 Parametrii caracteristici unei reţele CAN

Rata de transfer Lungimea tipică a

magistralei

Timpul

corespunzător

bitului

1Mbit/s 30m 1μs

800kbit/s 50m 1,25μs

500kbit/s 100m 2μs

250kbit/s 250m 4μs

125kbit/s 500m 8μs

62,5kbit/s 1000m 20μs

20kbit/s 2500m 50μs

10kbit/s 5000m 100μs


2-16

Figura 2.14 Evoluţia ratei de transfer în funcţie de lungimea magistralei.

Din tabelul 2.4 colaborat cu fig. 2.14 se poate observa că rata de transfer este cu atât

mai mare cu cât lungimea magistralei este mai mică. Astfel se pot calcula, după cum se

observă în tabelul 2.4 şi timpii corespunzători bitului pentru fiecare caz în parte.

2.2.2 Modelul OSI pentru CAN

Modelul OSI defineşte şapte nivele independente ale unui protocol ”stiva”. În

concordanţă cu cerinţele standardului fiecare nivel este separat de celelalte prin interfeţe bine

definite. Sunt puţine reţele care sunt descrise individual de toate cele şapte nivele.

Specificaţiile CAN date prin standardul ISO1189 sunt doar la partea fizică şi la

conectarea datelor.

Nivelul Data Link – singurul care recunoaşte şi înţelege formatul mesajelor.

Realizează mesajele de trimis la nivelul fizic şi decodifică mesajele receptate de la nivelul

fizic. În dispozitivele de control CAN nivelul Data Link este implementat uzual în hardware.

Nivelul fizic – specifică parametrii fizici şi electrici ai magistralei şi ai hardware- ului

care convertesc caracterele mesajului în semnale electrice, şi semnalele electrice în mesaje.

Dacă alte niveluri pot fi realizate hardware sau software, nivelul fizic este întotdeauna

hardware. Partea fizică are o parte pentru semnale şi una pentru specificaţii.

Nivelul LLC (Logical Link Control) – controlează suprasarcina şi o semnalizează,


2-17

realizează filtrarea mesajelor şi reconstituirea funcţiilor de control.

Figura 2.15 Structura pe 7 niveluri pentru CAN conform ISO/OSI.

Nivelul MAC (Media Access Control) - realizează împachetarea şi refacerea datelor,

detecţia erorilor, semnalizarea acestora, serializarea şi deserializarea.

Adăugarea unui bit suplimentar de control şi scoaterea acestuia.

2.2.3 Formatul mesajului CAN

În fig. 2.16 este prezentată structura unui mesaj de date.

Figura 2.16 Structura unui mesaj de date.

Mesajul de date este compus din 7 câmpuri:

• câmpul de start (SOF);

• câmpul de arbitrare;

• câmpul de date;


2-18

• câmpul de control;

• câmpul CRC;

• câmpul de validare (ACK);

• câmpul de sfârşit (EOF).

Câmpul de start (fig. 2.17) indică începutul mesajului de date şi constă într-un singur

bit dominant. Un nod poate începe transmisia doar când magistrala este liberă, toate nodurile

trebuie să se sincronizeze pe frontul crescător al acestui câmp.

Figura 2.17 Câmpul de start pentru un mesaj CAN.

Câmpul de arbitrare (fig. 2.18) conţine un identificator şi un bit RTR (Remote

Transmission Request) care este utilizat pentru a realiza distincţia între un cadru de date (Data

Frame) şi o cerere pentru date de la un nod controlat. Identificatorul are 11 biţi, biţi care se

transmit începând cu MSB- ID 10 şi terminând cu LSB- ID 0. Bitul RTR este bit recesiv în

mesajul de cerere şi bit dominant în mesajul de date.

Figura 2.18 Câmpul de arbitrare pentru un mesaj CAN.

Un câmp de control (fig. 2.19) conţine şase biţi din care doi biţi, r0 şi r1 sunt rezervaţi

(biţii rezervaţi trebuie să fie „dominanţi”) şi patru biţi pentru codul lungimii datelor (DLC –

Data Lenght Code) care indică numărul de biţi din câmpul de date care poate conţine de la 0 la

4 biţi.

Figura 2.19 Câmpul de control pentru un mesaj CAN.

Câmpul de date (fig. 2.20) este reprezentat de datele ce trebuie transmise de mesaj.


2-19

Poate conţine de la 0 la 8 bytes, fiecare al rândul său conţinând un număr de 8 biţi fiecare,

primul transmis fiind MSB (Most Significant Bit).

Figura 2.20 Câmpul de date pentru un mesaj CAN.

Câmpul de control al erorilor (CRC Field) (fig. 2.21) conţine 15 biţi pentru codul de

verificare redundant şi un bit delimitator recesiv.

Figura 2.21 Câmpul de control al erorilor pentru un mesaj CAN.

Câmpul CRC conţine o secvenţă CRC urmată de un delimitator. Secvenţa CRC este

derivată de la un cod cu redundanţă ciclică, ales special pentru secvenţe mai mici de 127 biţi.

Polinomul de împărţire este definit de coeficienţii daţi de câmpul de start, de arbitrare, de

control şi de date, iar pentru restul până la 15 coeficienţi cei mai puţini semnificativi au

valoarea 0. Acesta va fi un polinom de gradul 15 şi restul împărţirii este secvenţa CRC

transmisă. Pentru a implementa această funcţie se foloseşte un registru de deplasare de 15 biţi,

doar dacă implementarea se face hardware. Câmpul CRC este terminat cu un delimitator CRC

care este un bit recesiv.

Câmpul de validare (fig. 2.22) are 2 biţi: primul bit se numeşte ACK Slot, iar cel de al

doilea bit este delimitatorul câmpului. Un receptor care a recepţionat corect mesajul răspunde

prin trimiterea unui bit dominant pe durata bitului ACK Slot. Bitul delimitator este un bit

recesiv şi astfel bitul ACK Slot este situat între 2 biţi recesivi.

Figura 2.22 Câmpul de validare pentru un mesaj CAN.

Fiecare mesaj de date sau cerere se finalizează cu un câmp terminator de mesaj. Acesta

constă dintr-o secvenţă de 7 biţi recesivi.


2-20

2.2.4 Diagrama bit-timp

În standardul definit prin ISO11898, timpul nominal pentru fiecare bit din mesajul

CAN este realizat până la 4 segmente de timp.

Figura 2.23 Diagrama de timp pentru transmiterea biţilor şi sincronizare.

Fig. 2.23 prezintă diagrama de timp pentru transmiterea biţilor şi sincronizare:

• Sync-seg – este segmentul utilizat pentru realizarea sincronizării pasului, la acest

segment este aşteptat un front al semnalelor;

• Prop-seg – este segmentul destinat propagării, realizând compensarea pentru

întârzierile fizice apărute în reţea;

• Phase-seg 1 – este segmentul tampon ce poate fi mărit pe durata resincronizării;

• Phase-seg 2 – este segmentul 2 de fază care poate fi micşorat pe durata resincronizării.

Punctul de eşantionare este întotdeauna la sfârşitul lui Phase-seg 1, nivelul magistralei

fiind interpretat atât ca valoare cât şi ca bit curent. Fie pentru transmisie, fie pentru recepţie

nodurile unei magistrale CAN trebuie să utilizeze acelaşi timp de bit. Timpul de bit este

programabil la fiecare nod CAN şi este funcţie de semnalul local de tact al fiecărui nod prin

numărul de cuante de timp pe bit. Cuanta de timp sau perioada de tact a sistemului este

definită ca perioada oscilatorului local multiplicat prin BRP (Bound Rate Prescaler)- rată fixă.

Fiecare din cele 4 segmente este de lungimea una sau mai multe cuante de timp. Aşa cum a

fost definit iniţial de Bosch cele 4 segmente durează:

• Sync-seg – durează o cuantă;

• Prop-seg - durează între 1 - 8 cuante de timp sau chiar mai multe, programabil;

• Phase-seg 1 - durează între 1 - 8 cuante, programabil;

• Phase-seg 2 - maxim egal cu Phase-seg 1, depinde de timpul de procesare, acesta fiind

de maxim 2 cuante.

Când un nod oarecare recepţionează un cadru de date sau un cadru de control,

receptorul trebuie să se sincronizeze cu emiţătorul deoarece timpul de tact nu este explicit în

CAN. Sunt utilizate 2 metode de sincronizare:


2-21

• O sincronizare hard care se porneşte la semnalul SOF (Start Of Frame);

• Sincronizări suplimentare sunt necesare pentru compensarea abaterii dintre oscilatoare.

Dacă nu este întâlnit un front de bit în segmentul de sincronizare este apelată

resincronizarea în mod automat.

2.2.5 Detecţia erorilor în CAN

CAN a fost proiectat ca o interfaţă robustă şi fiabilă pentru comunicaţii cu mesaje

scurte. Mecanismul de detecţie este localizat la nivelul mesajului sau la nivelul bitului.

a. mecanisme la nivelul mesajului

• verificarea redundanţei ciclice(CRC- Cyclic Redundanty Check)- fiecare

mesaj transmis conţine un cod CRC pe 15 biţi calculat de

transmiţător(de emiţător) pe baza mesajului. Polinomul este unul de gradul 15:

X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1.

• verificarea cadrelor (frame- urilor).

• verificarea erorii de recunoaştere (ACK).

b. mecanisme la nivelul bitului constă în monitorizarea bitului şi adăugarea de bit.

Detecţia unei erori de către un nod de comunicaţie are ca rezultat apariţia unei semnalizări

(flag). Aceasta constă în 6 biţi consecutivi 000000 dacă nodul este in stare de eroare activă şi

111111 dacă nodul este în stare de eroare pasivă. Transmisia unei semnalizări de eroare

afectează în mod obişnuit alte noduri, detecţia de eroare constând sau conducând la transmisii

viitoare de steguleţe. Lungimea codului steguleţului de eroare este cuprins între 17 şi 31 de

biţi şi depinde modul de eroare în care se află acel nod (starea activ sau pasiv) (fig. 2.24).

Figura 2.24 Cadrele de eroare în modul activ şi pasiv.


2-22

2.2.6 Verificarea redundanţei ciclice

Figura 2.25 Câmpul CRC.

Câmpul CRC conţine secvenţa CRC şi delimitatorul CRC. Secvenţa cadrului de

verificare este derivată din codul CRC- ul cel mai bine situat pentru cadre de date cu biţi de

eroare contorizaţi mai mici de 127. Secvenţa CRC este obţinută astfel: fluxul de date obţinut

între SOF şi ultimii biţi (LSBS), formează polinomul de împărţit (fără biţi adăugaţi).

Polinomul împărţitor este calculat iar restul acestei împărţiri reprezintă secvenţa CRC

transmisă pe magistrală. Delimitatorul CRC conţine doar un bit recesiv.

Implementarea CRC se realizează cu un registru de deplasare de 15 biţi

CRC_RG (14:0). Fluxul de date între SOF şi sfârşitul Data Field, fără biţi adăugaţi este

verificat astfel:

CRC_ RG = 0; // iniţializare registru

REPEAT

CRC NXT = NXTBIT EXOR CRC_ RG (14);

CRC_ RG (14:1)= CRC_ RG(13:0);

IF CRCNXT THEN

CRC_ RG (14:0) = CRC_ RG (14:0) EXOR (4599hex);

END IF

UNTIL (CRC SEQUENCE STARTS OF there is an ERROR conection)

Câmpul ACK (Acknowledgment)- durează doi biţi şi conţine ACK SLOT şi

DELIMITATORUL ACK. În câmpul ACK, nodul transmiţător trimite doi biţi recesivi, iar

receptorul va răspunde astfel:

• bit dominant pe durata ACK SLOT dacă a recepţionat corect mesajul;

• ceilalţi receptori fac acelaşi lucru.


2-23

Delimitatorul ACK conţine 1 bit recesiv situat în ACK Field.

ACK SLOT este mărginit de doi biţi recesivi: delimitatorul CRC şi delimitatorul

ACK- consecinţă.

2.2.7 Adăugarea respectiv extragerea de biţi (stuffing/destuffing)

Deoarece o succesiune de şase biţi de aceeaşi polaritate ‘000000’ sau ‘111111’ este

utilizată pentru semnalizarea erorilor, este foarte important asigurarea transmiterii datelor fără

a perturba forma şi conţinutul acestora. Astfel în cazul protocolului CAN este necesar

inserarea unui bit de polaritate inversă după transmiterea unui număr de 5 biţi consecutivi de

aceeaşi polaritate (1 după cinci de 0, sau 0 după cinci de 1) (fig. 2.26).

Figura 2.26 Inserarea biţilor stuffing în cazul mesajului CAN

Cel mai rău caz pentru bit stuffing este prezentat în fig. 2.27.

Figura 2.27 Cel mai rău caz pentru bit stuffing.

După cum se poate observa adăugarea unui bit după primii cinci biţi de aceeaşi

polaritate (11111) determină apariţia altor 4 biţi stuffing. Numărul de biţi adăugaţi va duce la

creşterea timpului maxim de transmitere a mesajelor CAN. Luând în considerare toate acestea,

toţi biţii adăugaţi respectiv spaţiul inter-mesaje, timpul maxim de transmisie Cm, pentru un

mesaj m conţinând sm bytes, este dat de relaţia:

bitmsg

msgmC τ

−++++=

4

18138

unde, g are valoarea 34 pentru formatul standard (11 biţi identificatori) sau 54 pentru formatul

extins (29 biţi identificatori), ba / este notaţia pentru funcţia floor, care returnează cel mai

mare întreg mai mic sau egal cu ba / , şi τbit este timpul de transmisie pentru un singur bit.

Astfel formula din ecuaţia precedentă se poate scrie simplificat:


2-24

( ) bitmm sC τ1055 += (pentru 11 biţi identificatori),

( ) bitmm sC τ1080 += (pentru 29 biţi identificatori).

2.2.8 Reducerea erorilor în CAN

Clasificarea erorilor după cauze: defectări temporare şi defectări permanente. Erorile

temporare pot fi cauzate de condiţiile externe (perturbaţii sau impulsuri de tensiune); iar

erorile permanente pot fi cauzate de cabluri intrerupte, receptoare sau emiţătoare defecte,

perturbaţii de-a lungul căii.

Numărarea erorilor:

• Erorile la recepţie sunt contorizate într-un registru REC (Recive Error

Count) care se incrementează cu 1 la fiecare eroare.

• Erorile la transmitere sunt contorizate într-un alt registru TEC

(Transmit Error Count) care se incrementează cu 8 biţi la fiecare eroare.

• Un mesaj corect decrementează registrele.

Numărul de erori acumulate într-un nod determina starea de eroare a acestuia. Această stare

poate fi stare de eroare pasivă sau stare de eroare activă.

Modul eroare – pasivă:

• La depăşirea numărului 127 de erori de către orice registru, nodul trece

în starea eroare – pasivă.

• Nodurile respective transmit sau recepţionează în mod restrictiv

mesaje.

• La detectarea unei erori transmit PASSIVE ERROR FLAG.

Modul eroare - activ:

• Nodul este perfect funcţional.

• Transmit ACTIVE ERROR FLAG la detectarea unei erori.

• Contorizarea se situează sub 127 de erori.

Modul liniei deconectate (BUS OFF)

• TEC a depăşit 255, iar dispozitivul va trece singur în starea off,

magistrala mergând în bus off. Aceasta presupune că un dispozitiv

defectat nu va deranja comunicaţia dintre celelalte noduri şi va putea

fi reconectat numai la intervenţia operatorului.


2-25

Capacitatea de detecţie a erorilor în CAN:

• Erorile globale care se întâlnesc la toate nodurile sunt

detectate 100%.

• Erorile locale care pot apărea doar la unele noduri. În acest

caz doar verificarea CRC are următoarele performanţe: până

la 5 biţi singulari chiar distribuiţi aleatoriu în cod sunt

detectaţi 100%. Toţi biţii singulari de eroare sunt detectaţi

dacă numărul lor în cod este impar. Probabilitatea de eroare

reziduală pentru CRC este de 3*10-5, în timp ce împreună cu

celelalte sisteme poate ajunge la 10-11.

2.2.9 Arbitrarea bazată pe prioritatea

Prioritatea mesajelor CAN este determinată prin valoarea numerică a identificatorului.

Valoarea numerică a fiecărui identificator este desemnată în faza iniţială de proiectare.

Identificatorul cu cea mai mică valoare numerică are prioritatea maximă. Orice conflict pe

BUS este rezolvat prin arbitrare, printr-un mecanism prin care o stare dominantă (0 logic) sub-

înscrie o stare recesivă.

Rezultatul monitorizării va fi:

- se opreşte şi aşteaptă un nou moment când magistrala este liberă. Nodul care transmite

ultimul bit de identificare fără să fie detectat 0, transmite cel mai prioritar mesaj.

Bitul RTR este destinat unei cereri de transmisie cu valoare dominant în DATAFRAME.

Interspaţiul mesajelor:

Fiecare nod trebuie să se sincronizeze în frontul anterior al lui SOF transmis de fiecare dată de

câte un nod. Normal, nodurile CAN au permisiunea să pornească transmisia când magistrala

este liberă. Magistrala este liberă dacă spaţiul este de 3 biţi dintre mesaje. Acest interspaţiu

este diferit funcţie de starea de eroare a nodurilor. Când spaţiile nu sunt în stare de eroare

pasivă sau au fost noduri receptoare avem 2 secvenţe (fig. 2.28.a):

- Întrerupere, 3 biţi recesivi;

- Magistrală liberă.

Pentru spaţiul în starea de eroare pasivă şi care au fost noduri emiţătoare avem 3

secvenţe (fig. 2.28.b):

- Întrerupere, 3 biţi recesivi;

- Transmisie suspendată;


2-26

- Magistrală inactivă.

Figura 2.28 Interspaţiul cadrelor

Pe durata întreruperii se poate semnala doar suprasarcina şi nici unui nod nu-i este permis să

pornească o transmisie. Dacă un nod CAN are un mesaj în aşteptare şi detectează un bit

dominant, al treilea bit din întrerupere îl va interpreta ca bit SOF şi va porni transmisia

mesajului cu propriul identificator fără a mai permite întâi SOF.

Magistrale idle

Poate fi de lungime variabilă. Starea poate fi recunoscută şi orice staţie care are ceva de

transmis poate accesa magistrala. Un mesaj care este adăugat pentru transmisie, pe durata altui

mesaj porneşte în primul bit ce urmează întreruperii.

Suspendarea transmisiei

După o stare de eroare pasivă a unei staţii care transmite un mesaj, aceasta va transmite 8 biţi

recesivi înainte de a transmite un nou mesaj sau recunoaşterea stării de magistrala libera. În

schimb dacă o altă staţie porneşte o transmisie aceasta va recepţiona mesajul.

Validarea mesajului presupune

Presupune stabilirea modului în care mesajul este considerat valid;

- În cazul emiţătorului mesajul este valid dacă nu s-au produs erori până la sfârşitul

câmpului EOF. Mesajele corupte retransmise imediat ce magistrala este liberă.

- În cazul receptorului mesajul este valid dacă nu au fost erori până la EOF.


2-27

2.3 IMPLEMENTĂRI ALE CAN

Modul de comunicare în CAN este identic pentru toate implementările CAN. Sunt

două implementări hardware principale: CAN baza (basic) si CAN complet (full).

CAN basic (de baza) – o configuraţie cu o legătură strânsă între controller-ul CAN şi

microcontroler-ul asociat. Acest microcontroler are şi alte funcţii care vor fi întrerupte pentru

rezolvarea fiecărui mesaj CAN.

CAN full – conţine hardware suplimentar care nu mai întrerupe microcontroler-ul

asociat. Dispozitivele în full CAN realizează o acceptare prin filtrare a mesajelor de intrare,

servesc cererile simultan şi reduc în general sarcina microcontroler-ului.

2.3.1 Mărimea reţelei: 32:64:110 noduri

Numărul de noduri care pot să fie într-o singură reţea este limitată teoretic de numărul

identificatorilor disponibili. Totuşi capacitatea de comandă a dispozitivelor disponibile

existente impun restricţii mai mari. Viteza de transfer depinde de lungimea totală a

magistralei şi întârzierile asociate. Rata de transfer a datelor depinde de lungimea totală a

magistralei şi de întârzierile asociate transceiverului. Pentru toate dispozitivele

corespunzătoare lui ISO 11898 lucrând la 1Mb, lungimea maximă posibilă a magistralei este

de 40m. Pentru lungimi mai mari este necesară reducerea ratei de bit (a transmisiei).

Astfel pentru: 1Mb/sec → lungimea magistralei este de 40m

0,5Mb/sec → lungimea magistralei este de 100m

250Kb/sec → lungimea magistralei este de 200m

125kb/sec → lungimea magistralei este de 500m

50kb/sec → lungimea magistralei este de 1km

10kb/sec → lungimea magistralei este de 5km

2.3.2 Specificaţii mecanice

Conectoarele utilizate pot fi cu 10 pini (5x2 multipol), de tip RJ10, RJ45, 5 pini mini

(conector formă circulară), 5 pini micro (conector formă circulară), Open Style de 7/8/9 pini

(conector formă rotundă).

Conexiunile în cazul unui conector de tip D cu 9 pini sunt prezentate in fig. 2.29, respectiv

semnificaţia fiecărui pin în fig. 2.30.


2-28

Figura 2.29 Conexiunile în cazul unui conector de tip D

PIN Nume Semnal

Descriere Semnal

1 Rezervat Upgrade code 2 CAN_L Dominant Low 3 CAN_GND Masă 4 Rezervat Upgrade code 5 CAN_SHLD Shield, Opţional 7 CAN_H Dominant High 8 Rezervat Upgrade code 9 CAN_V+ Alimentare,

Figura 2.30 Semnificaţia pinilor unui conector de tip D

2.3.3 Specificaţii I/O CAN conform ISO 11898

Tensiune ieşire +16V Curent ieşire 100mA Impedanţă 124Ω Tip circuit Diferenţial Format codare NRZ, Non-return-to-zero Frecvenţă 1Mb/s – 40m Temperatura Funcţie neliniară Topologia reţelei Point-to-Point

Figura 2.31 Specificaţii I/O

2.3.4 Configuraţia CAN

Structura conţine: controller, noduri, magistrală, terminaţii de 120Ω ce au rolul de a amortiza

reflexia pe bus.

Figura 2.32 Configuraţie CAN


2-29

• Pentru starea recesivă 1 logic sunt asigurate niveluri acoperitoare cerinţelor

ISO 11898, 0,5V la intrarea de recepţie şi sub 1,5V la emisia de recepţie;

• În starea dominată 0 logic tensiunea diferenţială este mai mare decât pragul

minim care asigură distincţia de recesiv, adică 1,5V la recepţie, respectiv 4,1V

la emisie (valori impuse de procesul de arbitrare).

2.3.5 Specificaţii electrice: (ISO11898/MCP2551)

Robusteţea este o caracteristică esenţială pentru a rezista condiţiilor severe de

comunicaţie dintre noduri. Transceiver-ul este proiectat să reziste la scurtcircuit -3V la 32V şi

tranziţie de la -15V la 100V.

Figura 2.33 Nivelurile nominale în ISO 11898 şi MCP 2551

2.3.6 Transceiver-ul CAN MCP2551:

• Implementează specificaţiile nivelului fizic impus prin ISO 11898;

• Alimentarea adecvată de la 12V-24V;

• Poate asigura viteza de până la 1MB pe sec;

• Are protecţie la scurtcircuit si regim tranzitoriu până la ±40V,

respectiv ±250V;

• Asigură reset-ul la cuplarea alimentării (power on) şi la căderi ale nivelului

acesteia (brownout);

• Asigură detecţia permanentă a dominantului continuu, pentru ca nodurile

nealimentate sau defecte să nu perturbe magistrala;


2-30

• Controlează frontul impulsurilor astfel încât emisiile perturbatoare de radio

frecvenţă (RF) să fie minime.

Fig. 2.34 prezintă schema bloc a circuitului transceiverului MCP 2551

Figura 2.34 Schema bloc a circuitului MCP 2551

Regimuri de lucru ale transceiverului MCP 2551:

• Regim de transmisie – protocolul CAN controlează fluxul de date serial prin

intrarea logică TXD. Starea corespunzătoare recesivă/dominantă este transmisă

pinilor CAN H/CAN L;

• Regim de recepţie – MCP 2551 recepţionează stările dominant/recesiv la

aceiaşi pini CAN L/CAN H dacă există transmisie. Aceste stări sunt transmise

ca nivele logice la pinul TXD pentru controlul protocolului CAN cu scopul de a

recepţiona frame-urile CAN;

• Stare recesivă (1 logic la ieşire) – valoarea 1 logic la TXD deschide legătura cu

circuitele de comandă CAN H şi CAN L, iar pinii devin conectaţi la tensiunea

nominală de 2,5V;

• Stare dominantă (0 logic la ieşire) – valoarea 0 logic la TXD leagă pinii CAN H

şi CAN L la circuitul de comandă (CAN H e comandat cu aproximativ 1V mai

mult şi se ajunge la valoarea de aproximativ 1,5V; iar CAN L e comandat cu

aproximativ 1V mai puţin şi se ajunge la valoarea de aproximativ 3,5V).

Modalităţi de lucru ale transceiverului:

Viteză mare (High Speed) – este selectată când pinul Rs este conectat la pinul Vss. În

acest mod driverele de ieşire au timpi de creştere şi de cădere mici, care suportă viteze de

transfer de până la 1Mb/sec şi/sau magistrale de lungime maximă prin obţinerea unor


2-31

întârzieri minime ale transceiverului.

Controlul frontului (Slope Control) - dacă există o interferenţă redusă, este necesară

trecerea circuitului MCP 2551 în modul Slope Control. Acest lucru se realizează prin

conectarea pinului RS printr-o rezistenţă REXT la masă. Curentul prin acest pin trebuie

controlat între 10μA şi 200μA pentru a obţine astfel un control al frontului, acesta fiind legat

de Slow Rate. Descreşterea Slow Rate-ului implică un CAN mai lent la o magistrala dată sau

o lungime a magistralei mai mică (redusă) pentru CAN cu o viteză data (impusă).

Standby (Sleep) se obţine prin conectarea pinului RS la VDD. Transceiverul este în

starea decuplată, iar receptorul lucrează într-un mod cu putere redusă. Cât pinul de recepţie

RXD este funcţional, el va funcţiona la o rată de transfer mai redusă. Modul Standby poate fi

utilizat dacă există o stare de funcţionare inadecvată, când controllerul CAN trimite date

eronate pe magistrală.

Detecţia stării permanent dominante a transmiţătorului

Circuitul MCP2551 va opri transmiţătorul în CANH şi CANL dacă este detectată o

stare dominantă extinsă la emiţător. Această abilitate previne ca un nod afectat (controller-ul

CAN sau MCP2551) să blocheze permanent magistrala CAN.

Circuitele de comandă (driver-ele) sunt decuplate dacă TXD este în stare Low pentru

mai mult de 1,25ms şi rămân decuplate până când TXD revine în starea High (fig. 2.35). Un

front crescător la TXD va reseta controlul de timp care permite decuplarea driever-lor.

Figura 2.35 Detectarea stării permanent dominante a TXD la circuitului MCP2551


2-32

Resetul la Power On şi detecţia căderilor de nivel

Circuitul MCP2551 încorporează ambele facilităţi (fig. 2.36):

- resetul la cuplarea puterii – POR=Power On Reset;

- detecţia căderilor – BOD=Brown Out Detection.

Figura 2.36 Resetul la Power-On şi detecţia căderilor de nivel

La cuplarea alimentării, pinii CANL si CANH rămân în stare de înaltă impedanţă,

până când VDD atinge nivelul VPOPH. În plus, dacă pinul de emisie TXD este în starea low la

alimentare, CANL şi CANH rămân în starea de înaltă impedanţă, până când TXD trece în

High, după care driver-ele funcţionează normal.

Detecţia căderilor (BOD) apare când VDD tinde sub nivelul minim VPORH-Power on

reset la nivel high. Din acest moment pinii CAN H şi CAN L intră în starea de înaltă

impedanţă şi rămân până când este atins nivelul VPOPH.

Conceptul de terminaţie în cazul circuitului MCP2551

Terminaţia magistralei se utilizează pentru minimizarea semnalelor reflectate pe

magistrală. Standardul ISO11898 cere ca magistrala CAN să aibă o impedanţă caracteristică

de 120Ω. Sunt câteva metode diferite de adaptare a magistralei utilizate pentru a creşte

performanţele EMC(compatibilitate electromagnetică) (fig. 2.37).


2-33

Figura 2.37 Conceptele de terminaţie la MCP2551

Terminaţia standard – utilizează un singur rezistor de 120Ω la fiecare capăt al unei

magistrale, metoda este acceptată pentru majoritatea sistemelor CAN.

Terminaţia divizată – utilizează două rezistoare de câte 60Ω, punctul comun conectat

la masă printr-un condensator; cele 2 rezistoare trebuie să fie cât mai bine echilibrate,

împerecheate. Aceasta este mai des utilizată deoarece reduce uşor emisiile perturbatoare.

Terminaţia divizată polarizată-această metoda este utilizată pentru a menţine

tensiunea de mod comun recesivă la o valoare constantă, crescând astfel performanţele EMC.

Terminaţia este similară cu precedenta adăugându-se la circuit un divizor de tensiune pentru a

obţine o tensiune de VDD/2 pe rezistoarele de 60Ω. Şi în acest caz rezistoarele de polarizare

trebuie să fie cât mai bine adaptate.

Retea CAN adecvată circuitului MCP2551

În cazul CAN, în contrast cu un sistem cum microcontroller, fiecare nod primeşte

acelaşi mesaj în acelaşi timp. CAN este definit ca fiind bazat pe mesaje şi nu pe adrese,

nodurile multiple sunt integrate în sistem utilizând o implementare a controlului distribuit

(fig. 2.38).


2-34

Figura 2.38 Reţea CAN distribuită

Un avantaj al acestei configuraţii este că nodurile pot fi cu uşurinţă adăugate sau

scoase cu implicaţii minime în partea de software. În consecinţă, aceste controllere sunt în

mod obişnuit simple, cu un număr mic de pini. Reţeaua CAN are de asemenea o fiabilitate

mare utilizând interfaţa distribuita şi legături puţine.

Exemple de reţea CAN cu MCP2551 (fig. 2.39).

Blocuri:

• modulul CAN

• controller-ul logic şi registrele pentru configurare;

• blocul de protocol SPI.

Figura 2.39 Reţea CAN cu un singur nod

Fiecare nod CAN poate realiza o funcţie unică, în această figură, CAN are un singur

nod, toate elementele de comunicaţie sunt realizate cu driverele din CAN, controllerul CAN şi

cu microprocesorul. Rezultatul măsurării presiunii este transmis de către microprocesorul

receptor controllerului CAN.


2-35

Limbajul comun al nodurilor este generat şi urmărit de către controllerul CAN, iar

nivelele de tensiune în reţea sunt realizate de driverul CAN.

• fiecare nod poate îndeplini o singură funcţie într-o reţea CAN;

• modul în care se poate realiza(implementa) nu este unic.

Exemplu de CAN într-un automobil:

• sunt conectate aproximativ 45 ECU(unitaţile electonice de corpuri de

comandă);

• are 3 Local Interconect Networks(LIN) pentru conectarea de viteză redusă

(20Kb/sec);

• datele curente diferite ECU sunt trecute printr-o poartă controlată de un ECU

performant;

• numărul de mesaje transmise pot fi foarte mare (de exemplu 2500 pentru

Volkswagen Phaeton).

Semnale de transmisie:

• viteza roţilor;

• temperatura uleiului şi a lubrefiantului;

• treapta de viteză;

• poziţia comutatoarelor de bord;

• poziţia comutatoarelor de geam;

• codurile de defecţiune;

• informaţiile de diagnosticare.

afiŞarea informaŢiei la bordul autovehiculelor sbi.pdf · la intrarea traductorului este...

Documents