Texas Instruments за рулем: компоненты TI для автомобильных приложений

Содержание

Умные автомобили

Эксперты полагают, что в ближайшие годы до 90% автомобильных новинок, непосредственно влияющих на стоимость при смене модельного ряда, будет приходиться на электронные системы.

Сегодня можно с уверенностью говорить, что прогресс в автомобилестроении меняет направление. Если до сих пор он шел в основном по пути модернизации механических или гидравлических систем, то теперь следует ожидать стремительного совершенствования электронной «начинки» автомобиля.

И действительно, от каждой новой модели автомобиля, особенно если ее стоимость в чем-то превышает критическую, покупатель вправе ожидать чего-то особенного. Одни предпочитают роскошное оснащение, другие же делают упор на спортивный характер и мощную динамику. Однако и в том и в другом случае будущее автомобилестроения немыслимо без электронных схем управления и поддержания комфорта в салоне.

К тому же в настоящее время наблюдается некоторое замедление роста потребления на компьютерном рынке, поэтому целый ряд производителей традиционного аппаратного и программного обеспечения для компьютеров акцентировали свое внимание на автомобильных рынках, а это, в свою очередь, ускорит прогресс в автомобильной электронике.

Создание новых технологий, их развитие и воплощение в коммерческих продуктах — процесс непрерывный и закономерный. Без появления новых технологий остановился бы технический прогресс, а рыночную экономику ждал бы неминуемый коллапс. Однако каждая из новых разработок имеет свои особенности и определенный потенциал. Если одни в состоянии лишь незначительно улучшить существующие решения, то другие способны совершить настоящий переворот в той или иной отрасли.

Электронные автомобили (Drive-by-wire)

Современные автомобильные системы управления переходят от механических и гидравлических схем к электрическим и электронным. В настоящее время дорогостоящие схемы управления by-wire являются более надежными, занимают меньше места и характеризуются простотой в использовании.

Коммуникационный протокол FlexRay Communications System

FlexRay — это устойчивый к сбоям коммуникационный протокол, который может лечь в основу будущих электронных автомобильных систем (или, как их называют на Западе, Drive-by-wire). В электронных автомобилях ближайшего будущего механическая связь между водителем, двигателем, колесами и даже колодками тормозов будет заменена на электронную. Поэтому автопроизводители разрабатывают концепцию безопасного обмена данными для систем электронного автомобиля, а также такую его архитектуру, которая могла бы надежно связывать критические компоненты с драйверами программного обеспечения, а те, в свою очередь, — с интерфейсом пользователя (в данном случае водителя автомобиля).

Внедрение нового коммуникационного протокола FlexRay приведет к появлению целого спектра электронных систем by-wire, которые должны будут обладать более высокой надежностью по сравнению с существующими автомобильными системами. Будущие системы управления могут полагаться на надежные каналы связи со скоростью передачи данных до 10 Мбит/с для каждого канала и предсказуемыми длительностями задержек, что является ключевыми требованиями в автомобильной промышленности. Новое поколение автомобильных систем управления с компонентами FlexRay получило название X-by-wire.

Система V2V компании General Motors
предупреждает водителя задолго до опасности

Консорциум FlexRay (http://www.flexray.com/) был образован в 2000 году компаниями Freescale, Philips, BMW и DaimlerChrysler. Позже туда вошли Bosch, General Motors и Volkswagen. О поддержке стандарта объявили и японские производители — Honda, Nissan и Toyota, а недавно идею стандартизации бортовой электроники на базе FlexRay поддержали такие гиганты, как Ford Motor, Texas Instruments и другие компании.

Компании Fujitsu Microelectronics Europe (FME) и Freescale Semiconductor (http://www.freescale.com/) сегодня поставляют поддерживающие протокол FlexRay 2.1 автомобильные контроллеры, которые не только обеспечивают быструю передачу информации, но и имеют широкие возможности обнаружения дефектов, что необходимо для сложных систем управления, включающих множество датчиков, приводов и электронных управляющих блоков.

Таким образом, по мнению специалистов, этот протокол быстро становится стандартом де-факто для высокоскоростных бортовых сетей и должен прийти на смену такому архаичному диагностическому интерфейсу автомобильной электроники, как OBD (On Board Diagnostic), и даже более прогрессивному, но в настоящее время тоже устаревающему интерфейсу сети контроллеров для управления подсистемами автомобилей CAN (Controller-Area Network). Сегодня большинство европейских автомобильных гигантов (например, Audi, BMW, Renault, Saab, Volvo, Volkswagen) используют интерфейс CAN в системах управления двигателем, безопасности и обеспечения комфорта (описание стандарта CAN можно найти на сайте http://www.can-cia.de/), но на контроллеры FlexRay возлагаются более широкие задачи контроля двигателя, трансмиссии, подвески, подсистем торможения, рулевого управления и другой бортовой электроники — областей, где актуально расширение функциональности и наличие развитых средств диагностики.

Отметим, что приборы FlexRay совместимы с основными стандартами современных бортовых сетей (сети контроллеров CAN, сети локальной внутренней связи LIN и сети MOST), так что переход к новым системам может осуществляться поэтапно. Однако FlexRay приблизительно в 10 раз быстрее шины CAN, поэтому постепенная замена сетей CAN на решения X-by-wire ожидается прежде всего в спортивных и дорогих автомобилях нового поколения, а затем, после окончательной доводки и отладки, на новую систему перейдут производители всех автомобилей и их поставщики.

Контроллеры FlexRay построены по двухканальной архитектуре, разработанной специально для электромеханического управления, такого как Steer-by-wire (электронное рулевое управление, или Active Steering) и Brake-by-wire (электронное управление тормозами). Внедрение электромеханических схем — это вопрос времени; не стоит даже сомневаться, что все управление в автомобилях ближайшего будущего будет полностью цифровым.

Технология FlexRay уже дебютировала на рынке в автомобилях 2007 модельного года. Например, FlexRay на специализированном чипе производства компании Freescale реализована уже на BMW X5 второго поколения. Комбинация активного подавления кренов и регулировки жесткости амортизаторов позволяет достичь абсолютно иного уровня характеристик. Технология получила название AdaptiveDrive и стала первой системой, которая для координации своих действий использует инновационную технологию передачи данных FlexRay. Очевидно, что желающим приобрести «умный» X5 придется заплатить несколько больше, чем за предыдущие модели.

Однако у консорциума FlexRay в настоящее время есть серьезный соперник — группа компаний, поддерживающих стандарт TTA (Time-Triggered Architecture): Audi, Volkswagen, PSA Peugeot, Renault, Delphi, NEC, Honeywell и Austriamicrosystems. Группой TTA используется протокол TTP (Time-Triggered Protocol), продвигаемый австрийской компанией TTTech Computertechnik AG (http://ttech.dietersnetwork.com). Его характерной особенностью является то, что электронные схемы всякий раз освобождают шину для экстренных сообщений. Такой метод лучше того, что используется в настоящее время в схеме CAN, где управляющие сообщения инициируются событиями (event-driven). В основе шины также лежит временное разделение сообщений, однако за счет применения архитектуры Byteflight можно совместить новые функции с преимуществами схемы event-driven, что обеспечивает большую гибкость для производителей, поэтому эксперты отдают предпочтение FlexRay.

К слову сказать, именно гибкость FlexRay и ее совместимость с существующими стандартами оказались решающими факторами при выборе коммуникационного стандарта американскими и японскими производителями. Представители двух конкурирующих групп пока не договорились о совместном принятии промышленного стандарта, и обе архитектуры — FlexRay и TTA — продолжают разрабатываться конкурирующими консорциумами, однако после вхождения в январе 2006 года концерна Volkswagen в ключевые члены консорциума FlexRay в доминирующей роли последнего уже никто не сомневается.

Электронные системы безопасности (Safe-by-wire)

Одним из наиболее ярких представителей нового поколения автомобильных систем управления семейства X-by-wire являются электронные системы безопасности Safe-by-wire Plus, в разработке которых активное участие принимают такие компании, как Analog Devices, Inc., Autoliv, Inc., Delphi Corp., Key Safety Systems, Philips, Special Devices, Inc., TRW Automotive, а также Bosch, Siemens VDO Automotive и Continental Temic (BST). Этими компаниями учреждено новое объединение Safe-by-wire Plus consortium, которое вырабатывает единые стандарты коммуникационного взаимодействия систем обеспечения безопасности автомобилистов на основе уже накопленного участниками консорциума опыта и знаний в этой области.

Речь идет прежде всего об объединении лучших черт двух конкурирующих стандартов, один из которых разработан организацией Safe-by-wire consortium, а другой — BST group. Объединение усилий и единый стандарт, несомненно, пойдут на пользу и производителям, и пользователям автомобилей, ведь стандартизация компонентов поможет снизить стоимость разработок и облегчит интеграцию лучших достижений в сфере систем автомобильной безопасности в единую систему.

Версия 2.0 нового стандарта консорциума Safe-by-wire — Automotive Safety Restraints Bus specification (ASRB 2.0) — создается на основе существующей спецификации Safe-by-wire — ASRB 1.0, дополненной некоторыми положениями из спецификации группы BST group. В новом стандарте предусмотрена совместимость с требованиями к физическому уровню спецификации Safe-by-wire ASRB 1.0, что обеспечит сохранение инвестиций в уже разрабатываемые компоненты.

Driver Alert System компании Volvo в работе

В планы Safe-by-wire Plus consortium входит представление подготовленного стандарта на рассмотрение рабочей группе международной стандартизующей организации (ISO) для принятия его в качестве глобального стандарта систем автомобильной безопасности, которые должны будут прийти на смену существующим системам, в том числе и распространенным сегодня системам динамической стабилизации автомобиля ESP (Electronic Stability Programme). Ведь нынешние системы динамической стабилизации настолько разрозненны, что только для их наименования у разных автопроизводителей существует десяток различных аббревиатур: ESC, VDC, VSC, DSC, DSTC, ATTS и др.

Новое поколение ESP работает совместно с ABS (Anti-lock Braking System — антиблокировочная тормозная система), EBD (Electronic Brake-force Distribution — система электронного распределения тормозного усилия), EBA (Electronic Brake Assist — система усиления экстренного торможения) и системой управления двигателем. Данная система выравнивает траекторию движения автомобиля, но пытается делать это уже в соответствии с желаниями водителя. Особенно эффективна ESP в ситуации заноса или сноса и позволяет даже не слишком опытному водителю с легкостью выходить из любых дорожных затруднений.

Водитель! Пора отдыхать…

Основное предназначение ESP — зафиксировать сцепление колес с дорогой и не допустить его снижения (когда автомобиль начинает скользить). Как только начинается скольжение, через блок АБС осуществляется строго дозированное торможение одного или нескольких колес, а также, при необходимости, снижение оборотов двигателя. Контроль за ситуацией осуществляется, в частности, с помощью датчиков бокового ускорения (акселерометров), и если угол поворота руля не соответствует углу поворота автомобиля, то приводится в действие ESP. Новые системы оснащаются также функцией CBC (Cornering Brake Control), которая позволяет эффективно использовать тормозную систему в случае любого поворота.

Общее ПО для автомобилей (AUTOSAR)

Итак, сегодня в автомобильной промышленности большинство узлов и агрегатов приводятся в действие электронными системами. Для всех автомобилей будущего значение цифровых электронных органов управления будет еще более значимым, а требования к взаимодействию электронных и механических систем только возрастут. Это необходимо для обеспечения хороших ходовых характеристик и высокой надежности вкупе с возможностью интегрирования новейших технологий по мере их появления.

«Союз открытых автомобильных систем» (Automotive Open System Architecture, AUTOSAR) фокусируется на разработке аппаратно-независимого программного обеспечения, то есть обеспечения, не зависящего от особенностей исполнения конкретной модели машины (http://www.autosar.org).

Напомним, что разговоры о необходимости стандартизации электронных решений для автомобильной промышленности ведутся довольно давно. AUTOSAR был основан в июле 2003 года автопроизводителями BMW Group, DaimlerChrysler и Volkswagen вместе с поставщиками автомобильных систем Bosch, Continental и Siemens VDO. Чуть позже к AUTOSAR решила присоединиться и Ford Motor Company.

Цель создания союза — разработка единых стандартов электрических и электронных систем автомобилей. Задачи союза: стандартизация основных функций систем и интерфейсов автомобиля, интеграция и возможность передачи функций систем, улучшение программного обеспечения и возможность его замены на протяжении всего срока жизни автомобиля (например, на сменных носителях Removable Solid State Storage).

Купи себе своего гаишника!

С одной стороны, это необходимо для упрощения поставок электроники для интеграции в различные автомобили, с другой — это должно будет облегчить разработку программного обеспечения, что, в свою очередь, позволит открыть новый рынок для компьютерных специалистов. Первые спецификации программного обеспечения уже готовы, а в серийное производство стандартизованные решения, как ожидается, поступят в 2008 году.

Потенциальные преимущества такой стандартизации принесут выгоду всем — и владельцам автомобилей, которые получат более широкие возможности для диагностики автомобилей и стандартизованные интерфейсы, и самим автопроизводителям, и другим участникам автомобильной производственной цепочки.

С точки зрения производителей автомобилей, увеличение количества унифицированных программных модулей позволит высвободить ресурсы, необходимые для разработки новых функций электронных систем. За счет повторного использования программных модулей на всех выпускаемых автомобилях автопроизводители смогут снизить затраты на разработку и связанные с этим риски, а также минимизировать разрастание продуктов. Переход от оригинальных интерфейсов к унифицированным и последующая большая степень прозрачности электронных систем будут выгодны и для традиционных поставщиков программного обеспечения, и для новичков этого рынка. Стандарт AUTOSAR распространяется на электронику кузова, силового агрегата, шасси и системы безопасности, а также на мультимедийные системы, телематику и интерфейс взаимодействия водителя с автомобилем. Очевидно, что новое автомобильное ПО будет работать в единой локальной сети Local Interconnect Network, которая будет связывать автомобильные компоненты на высоком уровне.

Естественно, из коммуникационной цепочки пока невозможно исключить водителя. Поэтому автомобиль прежде всего должен научиться более адекватно общаться со своим хозяином. Сейчас в салоне предусматривается большое количество кнопок, которые проектировщики пытаются расположить максимально удобно по отношению к водительскому сиденью. Только кнопок и регулировок становится больше (и даже расположение кнопок на руле не спасает), а от предупреждающих и информирующих индикаторов у кого-то уже, наверное, рябит в глазах. До голосового общения с авто, судя по всему, дойдет еще не скоро, а вот единый сенсорный дисплей с возможностью настройки и регулировки, на котором будет отображаться вся необходимая информация, уже применяется в целом ряде современных автомобилей.

Сенсорные органы управления, продвинутые интерфейсы и другие средства общения между человеком и машиной уже сегодня есть во многих последних моделях автомобилей.

В некоторых современных машинах предусмотрена возможность беспроводной связи Bluetooth и Wi-Fi (802.11b/g), а также другие компьютерные интерфейсы: USB-порты и даже возможность подключения Apple iPod. А на базе беспроводной связи осуществляется выход в Интернет и доступ к другим глобальным коммуникациям. В конечном счете все это перестанет быть локальным развлечением и будет применяться для организации и удаленной диагностики неисправностей автомобиля (Remote Diagnostics), помощи в экстренных ситуациях и ориентирования в сложной дорожной ситуации.

Умные ткани (Fabric Sensors)

Многие чудо-волокна и ткани начинают свою жизнь в сферах, недоступных простому смертному, и только спустя пять-десять лет доходят до рядового покупателя. Такой, к примеру, была cудьба кевлара — сверхпрочного волокна из класса арамидов, который использовался поначалу только в космической индустрии, потом в автомобильных покрышках, затем настала очередь полицейских бронежилетов, и, наконец, в последние пять-семь лет кевлар полюбился мотоциклистам: слои этой ткани на бедрах, коленях и плечах предохраняют байкеров при падении. Из карбонового волокна и кевлара изготавливают также аэродинамичные и легкие кузова дорогих спортивных автомобилей.

Кевлар был разработан в лабораториях компании Dupont — крупнейшего в мире производителя синтетических материалов. Сегодняшние разработки этой компании со временем позволят одежде, сшитой из новых тканей, передавать сигналы о местонахождении и самочувствии водителя, а в случае перелома формировать на руке или ноге подобие гипсовой повязки.

Рекомендуется к прочтению  Управление техническими объектами автомобилей и тракторов: Системы электроники и автоматики: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. 150100 Автомобиле- и тракторостроение и напрвлению Назем. трансп. системы

У современного автомобиля все функции
управления выводятся на дисплей

Путь новых исследований определяют не только теоретические возможности новых веществ, но и требования жизни. Например, новые законы в американском автомобилестроении заставили ученых искать ткани, которые за счет изменений в давлении могли бы сообщать автомобильному компьютеру, кто сидит на сиденьи — ребенок или взрослый (это важно при срабатывании систем активной безопасности типа надувных подушек и шторок).

А следующим шагом станет измерение сиденьем биофизических параметров водителя. Это позволит отслеживать его самочувствие и не допустит, например, управления автомобилем при повышенном утомлении, сонливости или в нетрезвом состоянии.

В общем, нынешней синтетикой можно гордиться. На новых куртках рядом с ценниками — увесистые руководства, рассказывающие, из чего сделано их покрытие. Непромокаемое и одновременно «дышащее», легкое и прочное, тонкое, но сберегающее тепло. На квадратном сантиметре ткани GoreTex умещается полтора миллиарда пор — они позволяют телу дышать, но не пропускают куда более крупные капли дождя. А «умные» ткани Polartec в два раза теплее, чем шерсть, но в них никогда не потеешь. Специалисты называют такие материалы «тканями переменной фазы». Так что любимые многими салоны из натуральной кожи, возможно, скоро отойдут в прошлое.

Автомобильные автопилоты (Autonomous Vehicle)

Машины с той или иной системой автоматического управления разрабатываются сразу несколькими ведущими автопроизводителями. К слову, дальним предком автопилота является круиз-контроль, который давно уже считается стандартным оборудованием автомобиля. Сегодня очередь за адаптивными системами круиз-контроля (Adaptive Cruise Control), которые будут постепенно превращать наши автомобили в полностью автономные средства передвижения.

Интеллектуальные регуляторы скорости позволяют оценить расстояние до впереди идущей машины и притормозить, если это требуется для соблюдения дистанции. Причем современные системы достаточно «умны», чтобы корректно реагировать на перестроения и виражи. При наличии автоматической коробки передач система адаптивного круиз-контроля становится практически незаменимой в пробках: она сама притормаживает и даже останавливается, предотвращая столкновение (Collision-Avoidance Systems), сама трогается, как только появляется такая возможность, и даже может следить за соблюдением разметки (Lane Departure Warning). Подобные системы есть у многих автопроизводителей, но широкого распространения они пока не получили. Потенциальных покупателей настораживают случаи появления так называемых бешеных машин, что обусловлено установкой слишком «умных» регуляторов скорости, особенно на Renault и Toyota.

Интересны также автоматические системы парковки. Одну из таких систем (Intelligent Parking Assist) реализовали, например, на серийном автомобиле Toyota Prius 2006 модельного года (эта опция стоит 2200 долл.). А впервые эта мечта всех автомобилистов была воплощена в концепте Volvo YCC.

Системы ночного видения были бы полезны
в России

Название «автопарковка» звучит весьма привлекательно, однако на практике все оказывается не так радужно: во-первых, у подобной системы повышенные требования к месту парковки и в узкие дырки она парковаться отказывается. Во-вторых, паркуется такой автомобиль чрезвычайно медленно, что в условиях городского трафика не очень удобно, так как вы рискуете собрать за собой огромную пробку. Ну и самое печальное, что такой системе не всегда удается запарковаться с первого раза. Более надежны полуавтоматические парковки, когда система с помощью датчиков парковки, видеокамер и монитора подсказывает правильную траекторию движения.

А недавно компания General Motors объявила, что в 2008 году появится автомобиль Opel Vectra с усовершенствованным автопилотом. В машине будет использована система Traffic Assist, которая сможет управлять автомобилем на скорости до 60 км/ч, чего ранее не позволяли системы круиз-контроля. Для навигации в этом автомобиле применяются лазеры и видеокамеры, которые контролируются мощным компьютером. Система сможет распознавать не только повороты и препятствия, но и дорожные знаки. Впрочем, такая система будет отнюдь не дешевой (по предварительным оценкам, примерно 50% от стоимости самой машины), а также пока непонятно, будет ли разрешено применение подобного автопилота различными официальными инстанциями.

Вообще, компания GM подошла несколько ближе, чем другие компании, к автопилотируемым средствам передвижения и воплотила идею беспилотного будущего в серии своих концептов. Ее новейшая система «от автомобиля к автомобилю» (Vehicle-to-Vehicle, V2V) определяет положение машины относительно других и полностью контролирует движение. Принцип работы системы V2V довольно простой. Она использует для связи между автомобилями беспроводную сеть, по которой передаются данные об их местонахождении и скорости. Кроме того, система непрерывно анализирует получаемые данные и может помочь избежать дорожно-транспортного происшествия, заранее предупредив водителя о потенциально опасной ситуации, созданной другими автомобилями.

Полуавтоматические системы парковки, по крайней мере,
не сбесятся!

Работая над V2V, специалисты GM использовали уже известные, испытанные и проверенные компоненты, которые делают систему доступной для покупателей. Прежде всего это GPS-приемник и беспроводной модуль передачи данных по высокоскоростной сети WLAN (аналог известного пользователям компьютеров протокола Wi-Fi). Таким образом обеспечивается стабильная связь между автомобилями на расстоянии примерно до 400 метров. Причем система V2V может не только предупреждать водителя о потенциальной опасности, но даже серьезно вмешиваться в дорожную ситуацию.

Специально отметим, что система V2V, «общаясь» с другими автомобилями, сообщает об опасной ситуации впереди еще задолго до того, как водитель увидит опасность, скажем, из-за «слепого» поворота, перекрестка, «мертвой зоны», дорожных работ или сложного рельефа местности (в этом случае на дисплей выводится специальный визуальный символ, подается звуковой сигнал и/или начинает вибрировать сиденье). Кроме того, система сама может принять решение об экстренном торможении, если водитель не начал совершать маневр.

И наконец, с помощью системы V2V водитель получит информацию о местонахождении и направлении движения автомобилей аварийных служб, милиции, пожарных и скорой помощи и сможет своевременно уступить им дорогу.

Компания Volvo тоже методично двигается к цели создания автономного транспортного средства. В автомобилях компании уже применяются адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control), работающий в диапазоне от 30 до 200 км/ч, система оповещения о сокращении дистанции до впереди идущего транспортного средства (Distance Alert), система оповещения о потере внимания (Driver Alert Control, DAC), система предупреждения о выходе за пределы полосы движения LDW (в комплекте с системой Driver Alert Control она называется Driver Alert System), которые помогают водителю поддерживать безопасный режим движения.

А новые модели Volvo S80, V70 и XC70, выпущенные в конце этого года, получат более эффективную систему предупреждения об опасности столкновения, снабженную функцией автоматического торможения CWAB.

Ранее на некоторых моделях Volvo, выпускавшихся уже с 2006 года, применялась система предупреждения об опасности столкновения, имевшая функцию поддержки торможения, но ее возможности были ограниченными (предыдущая система, устанавливаемая на Volvo S80, включала лишь радар, а новая система использует не только радар, но и цифровую камеру для определения положения впереди идущего или стоящего автомобиля). Новая система сначала предупреждает водителя и подготавливает тормозную систему для экстренного торможения (в гидравлике тормозов увеличивается давление для поддержания высокого тормозного усилия даже в том случае, если водитель будет нажимать на педаль тормоза недостаточно интенсивно), а если водитель не реагирует на ситуацию и наезд на впереди идущий или стоящий автомобиль становится неизбежным, то тормозная система приводится в действие автоматически.

Радар имеет радиус действия до 150 метров, а камера контролирует пространство впереди автомобиля на расстоянии до 55 метров. Поступающие с радара и камеры данные анализируются системой распознавания Data Fusion. Кстати, одно из основных преимуществ от применения цифровой камеры заключается в возможности опознавать стоящие автомобили (а по статистике в 50% случаев наезда столкновение происходит именно со стоящими машинами). При этом новая система характеризуется низким уровнем ложного срабатывания и значительно более эффективна, чем предыдущая.

Кстати, возможности описанных систем довольно сильно зависят от количества и качества видимой дорожной разметки. Например, камера должна отчетливо различать разделительную линию между полосами движения. Слабое освещение, туман, снег или неблагоприятные погодные условия, не говоря уже о качестве наших дорог, могут воспрепятствовать функционированию этих продвинутых систем.

Средства навигации (GPS/Telematics)

Навигационные системы уже заняли достойное место в автомобильной промышленности, и то, что машины без вмешательства человека определяют собственное местонахождение по сигналам навигационных спутников, нас не удивляет.

Надо ли говорить, что средства спутниковой навигации (GPS) не только применяются в таких продвинутых системах будущего, как вышеописанная V2V компании General Motors, но и являются сегодня базовым инструментом, причем как в моделях высоких классов, так и в автомобилях среднего уровня. Аналитики предсказывают, что в ближайшие восемь лет системы GPS/Telematics из высокотехнологичных продуктов превратятся в банальный ширпотреб, и компаниям — производителям таких средств даже предлагается подумать над расширением функциональности своих изделий, чтобы избежать их обезличивания на рынке.

Новая BMW X6 тоже будет гибридной!

В России, конечно, со средствами автомобильной спутниковой навигации не все обстоит так гладко, как в развитых странах (у нас штатная навигация поддерживается только на отдельных марках машин, да и то не в полном объеме), а между тем различные вспомогательные системы на базе навигации сегодня развиваются особенно бурно. Например, системы отслеживания перемещений в группе (Fleet Tracking Systems) предлагается использовать многоцелевым образом: с их помощью можно будет заранее узнать о наличии мест на парковке и о количестве автомобилей в пробке, а также просто пообщаться с соседом по полосе. Volkswagen уже предложил систему автообщения посредством GPS в серии своих концептов, и автомобили скоро сами смогут разобраться, кто прав, а кто виноват в спорной ситуации. Компания Honda также давно смотрит в этом направлении, и концепт ASV-3, появившийся в результате участия в проекте Advanced Safety Vehicle, построенный на базе Honda Accord и оснащенный бортовыми камерами, радаром и системой автоматической коммуникации между автомобилями, позволит в будущем поддерживать движение практически без участия водителя.

На базе подобных систем можно будет создавать и эффективные противоугонные средства.

Проекционные устройства (Head-Up Displays)

Системы проецирования показаний на лобовое стекло выпускаются давно. У одних моделей они входят в базовое оснащение, у других устанавливаются отдельно как решения сторонних производителей (на французских машинах такие системы называются affichage te^te haute). Однако стоимость таких систем довольно высока, а серьезной пользы они не приносят, как и всякие «датчики дождя» и «автосвета». При этом не следует забывать, что, в отличие от систем проецирования, автоматическое включение фар или дворников практически ничего не стоит, а в рекламных буклетах выглядит внушительно. Пользу же от дорогой системы проецирования приборной панели на лобовое стекло смогут оценить немногие и уж, конечно, не на бумаге.

Система адаптивного круиз-контроля
нового поколения все сделает за вас

Так, на наших дорогах были бы полезны системы ночного видения (Night Vision Enhancement), когда в верхнюю часть лобового стекла встраиваются видеокамеры (CMOS Image Sensors), реагирующие на инфракрасную подсветку, а изображение с них проецируется на экран или на лобовое стекло. Возможно, в США или в европейских странах, где по ночам дороги освещены, такая система и не особо нужна, но на наших дорогах она могла бы существенно увеличить поле зрения и уберечь от наезда на не слишком адекватного пешехода или от вылета на опасную обочину.

Повышенное напряжение в бортовой сети (42-Volt Net)

Электронных систем в автомобилях становится все больше, и жгуты толстых проводов, питающих различные устройства, просто опутывают салон автомобиля и уже серьезно повышают его вес и снижают безопасность.

Автопроизводители задумались о переходе на более высокое напряжение питания, которое позволило бы сделать провода тоньше и легче. Слаботочные кабели упростили бы и схемы питания, и генераторы тока. Например, на старшие модели BMW уже ставят генераторы на 150 А с принудительным водяным охлаждением, а ведь генератор на 50 А при втрое большем напряжении был бы значительно меньше, дешевле, надежнее и практичнее.

В то же время повышение напряжения влечет за собой целый ряд проблем. Так, напряжение в 42 В находится уже за пределами требований по безопасности (во всяком случае, отечественных). Считается, что безопасным для человека является напряжение не выше 36 В в обычных условиях, а в автомобиле, где постоянно приходится работать в сырости и агрессивных средах, 24 или даже привычные 12 В уже вызывают опасения. Кроме того, при высоком напряжении гораздо сильнее проявляется электрохимическое окисление контактов, что также не способствует повышению надежности, особенно в нашем климате.

Гибридные автомобили (Hybrid Electric Vehicles)

И наконец, нельзя не сказать о всеобщей гибридизации. За японцами, которые одними из первых поверили в перспективность такого направления, потянулись и европейцы, которые увидели в этой затее не только еще один способ сделать авто более экологичными, но и возможность подготовиться к грядущей экспансии китайского автопрома. Ведь, по серьезным опасениям экспертов, через пару-тройку лет китайские промышленники запрудят Европу дешевыми машинами, как это уже произошло с ширпотребом. И пока идут жаркие споры о плагиате между германскими и китайскими автопроизводителями, уже около 200 немецких дилеров заявили, что готовы продавать китайские автомобили в Германии. То есть в Европе явно чувствуется дух начавшегося и все более нарастающего противостояния западных, с одной стороны, и китайских автопроизводителей — с другой.

Вонючий бензин скоро будет заменен
водородным топливом

И, конечно же, европейскую автопромышленность пока спасают экологи. В последнее время автопроизводители Европы чуть ли не каждую неделю выпускают пресс-релизы, в которых сообщают о новой, еще более экономичной и куда более «чистой» модели. Все это очень похоже на гонку вооружений наоборот. И ларчик тут открывается просто: если европейские автопроизводители могут конкурировать с японцами в выпуске экономичных и экологичных автомобилей, то большинство азиатских и даже американских пока не сумели показать модели и разработки, которые смогли бы стать конкурентами европейским машинам в этой области. И доказать это — одна из главных целей для таких грандов, как BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen и многих других. Например, международный автосалон во Франкфурте, проходивший в сентябре 2007 года, был целиком построен на экологической теме, которая, несомненно, играет на руку европейским автопроизводителям.

В странах Евросоюза, а в Германии особенно, «зеленая» тема уже набрала огромную популярность. Многолетняя пропаганда, сопровождаемая государственной политикой (повышение цен на топливо и налогов на мощные автомобили, а также поощрение владельцев экономичных и экологичных авто), сделала свое дело: большинство немецких автомобилистов так или иначе, но уже подумывают о покупке гибридного транспортного средства, которое приводится в движение электромотором, а двигатель внутреннего сгорания использует лишь для того, чтобы подзарядить аккумуляторы.

Системы GPS-навигации сегодня не редкость
и на машинах среднего класса

На прошедшем автосалоне Audi представила свою разработку на основе гибридной технологии Mild-Hybrid, BMW показала три модели под общим названием EfficientDynamics, которые экономят до 20% топлива и дают 15-процентную прибавку мощности, а Mercedes-Benz представила целых семь гибридных моделей, снабженных интеллектуальными технологиями управления. Кроме того, было показано шесть экономичных и экологически безопасных моделей Volkswagen Bluemotion, Opel Corsa ecoFlex, а также гибридный Cayenne от Porsche — именно эти модели заняли центральные места на германских стендах франкфуртского автосалона. Не отстают и другие автопроизводители: Renault, Fiat, Volvo, Saab, Chevrolet, Hyundai, Kia, которые тоже представили свои экологичные разработки. Впрочем, заметно дальше в производстве и продаже гибридных автомобилей продвинулись японцы, например Toyota и Honda успешно работают в этой области уже десять лет, а по миру ездят сотни тысяч гибридных Prius и Civic Hybrid. У американцев на рынке автомобилей с гибридной силовой установкой лидирует General Motors.

Для кого машина, а для кого
и мультимедийный центр…

Рекомендуется к прочтению  Как сделать зарядное устройство для аккумулятора автомобиля своими руками

Очевидно, что в скором времени все крупные автокомпании обзаведутся гибридными моделями — поговаривают даже, что в ближайшие 10 лет производство транспортных средств, которые используют только бензиновый или дизельный двигатель (без электрического), в ряде стран будет ограничено. Впрочем, гибридные автомобили не являются единственной экологичной альтернативой.

Этот тип транспортного средства в конечном счете будет вытеснен более эффективными моделями, использующими новые источники энергии: двигатели внутреннего сгорания на водородном топливе — Hydrogen Fuel (Internal Combustion Engines) или электродвигатели на топливных элементах — Hydrogen (Fuel Cell).

Кстати, в краткосрочной перспективе предлагается оснащать многие автомобили интегрированными устройствами стартер/генератор, которые были специально разработаны для гибридных систем, — Integrated Starter Alternator Damper. Они будут и заводить автомобиль, и вырабатывать электроэнергию в движении.

Интересно, что шведская автомобильная компания в качестве опции для новых моделей Volvo S80, V70 и XC70, которые сойдут с конвейера уже в начале 2008 года, будет предлагать систему Alcoguard, которая по сути является алкотестером и будет призывать водителя принять трезвое решение и отказаться от управления автомобилем в нетрезвом состоянии. Так вот, в конструкции Alcoguard применена технология топливных элементов, которая пока обходится дороже, но результат ее применения оказывается гораздо лучше традиционных химических или полупроводниковых тестеров. В отличие от полупроводниковых систем, технология топливных элементов способна реагировать исключительно на этиловый спирт, а не на какие-либо другие вещества. В этом устройстве молекулы этилового спирта проходят через чувствительную мембрану, в результате вырабатывается ток, который и измеряется системой. Чем больше будет этот ток, тем выше содержание алкоголя в дыхании водителя.

Не надо ничего трогать, я сама все сделаю!

Таким образом, прежде чем запустить двигатель автомобиля, водитель должен будет подуть в беспроводной переносной блок, который представляет собой устройство размером с пульт дистанционного управления и находится в специальной нише за центральной консолью, где постоянно подзаряжается. В этом устройстве проводится анализ дыхания водителя, после чего результат анализа по радиочастоте передается в электронную систему управления автомобилем. Если содержание алкоголя в крови превышает 0,2 г/л, то пуск двигателя будет заблокирован. Благодаря передовым датчикам обмануть такое устройство невозможно, даже если использовать насос.

Информационный дисплей автомобиля выводит сообщения, помогающие водителю использовать устройство. Например, водитель может узнать, каким оказался результат проверки — положительным или отрицательным, и какое значение получилось, а кроме того, система может потребовать от водителя дуть в переносное устройство дольше. Результаты хранятся в памяти в течение 30 минут после выключения двигателя, поэтому водителю не придется повторять проверку после каждой короткой остановки и не удастся обмануть систему перезагрузкой. Ограничение в пределах 0,2 г/л было установлено в соответствии с требованиями шведского законодательства. Если в других странах приняты иные нормы, то специалисты Volvo могут внести необходимые изменения в параметры системы. Калибровка и замена аккумуляторных батарей в переносном устройстве производятся в процессе планового обслуживания автомобиля. Если новый владелец автомобиля не пожелает использовать эту систему, она может быть отключена и снята с автомобиля дилером.

Ё-моё! А что я буду делать, если всё это
здесь сломается?

Кроме того, переносное устройство подключено по беспроводной связи, поэтому водитель может вынуть его из автомобиля, но, несмотря на то, что устройство всегда может произвести точное измерение содержания алкоголя в крови, результаты измерения можно получить только в том случае, если устройство находится на расстоянии не более десяти метров от автомобиля. При комнатной температуре устройство нагревается в течение 5 секунд, поэтому в целях сокращения времени ожидания для проверки система включает функцию подогрева сразу после разблокировки дверных замков автомобиля. А чтобы обеспечить работу Alcoguard в очень холодном или жарком климате, необходимо предусмотреть кабель питания. Впрочем, как говорится в пресс-релизе компании, «для экстренных ситуаций или в случае потери переносного устройства предусмотрена функция обхода системы Alcoguard».

Компания ожидает, что приобретать новое устройство Alcoguard будут в основном корпоративные парки, операторы такси, государственные учреждения и муниципалитеты, однако удобство применения этого аппарата не исключает, что оно будет востребовано и частными владельцами автомобилей.

Другие автомобильные гаджеты

Прогресс идет вперед семимильными шагами. Еще не так давно даже банальные кондиционер и ABS предлагались только на люкс-моделях, а сейчас такое оборудование считается стандартным даже для компактного A-класса.

Скоро автомобили будут активно осваиваться и производителями компьютерной техники, так что не за горами замена обычных систем зажигания и иммобилайзеров системами биометрического контроля (Biometric Ignition), компакт-диски сменятся флэш-картами и твердотельными дисками (Rigid Disk Drives), автомобили будут оснащаться не аналоговым, а цифровым радио (Digital Radio), цифровым телевидением и другими компьютеризованными медиасистемами (Media Oriented Systems Transport).

Так что если вы и не собираетесь покупать шикарный Lexus GS 450h или BMW X5 новой модели, то все равно уже пора начинать приглядываться к новшествам, которые они предлагают: ведь совсем скоро придется всерьез решать — нужен ли подобный гаджет на вашей машине, да еще и в России?

Texas Instruments за рулем: компоненты TI для автомобильных приложений

В линейку компонентов, выпускаемых Texas Insruments для применения в автомобильной электронике, входят импульсные DC/DC-преобразователи, LDO-регуляторы, драйверы светодиодов, микросхемы силовой логики, операционные усилители, компараторы, токовые датчики и датчики температуры, приемопередатчики различных интерфейсов и другие популярные изделия, отвечающие повышенным требованиям, предъявляемым в автомобильной отрасли.

Требования к компонентам, применяемым в автомобильных приложениях, выше, чем в других областях электроники. Это связано с более жестким температурным режимом эксплуатации и высоким уровнем помех. Компания Texas Instruments (TI) предлагает широкий выбор элементов для автомобильной электроники: от DC/DC-преобразователей до высокопроизводительных процессоров.

Разработка и производство электронных компонентов для автомобильных приложений – одно из важнейших направлений развития Texas Instruments. Компания предлагает самые современные технологии, которые могут быть использованы в различных системах (рисунок 1).

Рис. 1. Автомобильные системы и приложения

TI выделяет шесть основных областей автомобильной электроники.

  • Системы индикации и информирования водителя: системы распознавание голоса и жестов, аудиосистемы, панели приборов и др.
  • Системы управления агрегатами и приборами автомобиля: блоки управления светом, стеклоподъемниками, замками и др.
  • Системы пассивной и активной безопасности: антипробуксовочная и антиблокировочная системы, система курсовой устойчивости, система управления подушками безопасности и др.
  • Системы помощи водителю: системы помощи при парковке, системы панорамного видения и др.
  • Беспроводные системы коммуникации: системы навигации, аварийных вызовов, интеллектуального взаимодействия с дорогами.
  • Системы питания гибридных и электрических автомобилей: системы зарядки батарей, системы управления работой электродвигателей.

Для всех перечисленных приложений компания TI предлагает несколько тысяч наименований компонентов, прошедших сертификацию по стандартам AEC:

  • операционные усилители, компараторы;
  • линейные регуляторы;
  • DC/DC-контроллеры и преобразователи;
  • многоканальные микросхемы питания (PMIC);
  • драйверы светодиодов;
  • USB-коммутаторы;
  • источники опорного напряжения;
  • супервизоры;
  • микросхемы силовой логики;
  • интерфейсы (LVDS, FPD-Link II SERDES, Ethernet, CAN,LIN, цифровые изоляторы);
  • микросхемы защиты от статики;
  • датчики тока, температуры;
  • ЦАП, АЦП;
  • цифровые усилители и кодеки;
  • микросхемы драйверов двигателей;
  • микроконтроллеры и процессоры;
  • микросхемы беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth).

Как и любая другая область электроники, разработка автомобильных приложений начинается не с выбора конкретных компонентов, а с ознакомления с существующими отраслевыми стандартами. При проектировании разработчик учитывает два типа автомобильных стандартов (таблица 1). Первая группа документов определяет требования непосредственно к электронным компонентам (например, AECQ100). Вторая группа стандартов применяется к конечному изделию (например, ГОСТ Р52230-2004).

Таблица 1. Требования основных стандартов к характеристикам электронных компонентов

СтандартХарактеристика
AECQ100Требования непосредственно к электронным компонентам: диапазон рабочих температур; диапазон температур хранения; уровень защищенности от электростатических разрядов; способность к пайке и др.
ГОСТ Р52230-2004Требования к законченному устройству: рабочий диапазон напряжения питания; диапазон рабочих температур; диапазон температур хранения; прочность изоляции; сопротивление изоляции
ГОСТ 28751-90Требования к законченному устройству: допустимый уровень собственных кондуктивных помех, распространяемых питанием; уровень защищенности от кондуктивных помех, распространяемых по цепям питания
ГОСТ 29157-91Уровень защищенности законченного устройства от кондуктивных помех, распространяемых по контрольным и сигнальным цепям
ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93)Уровень защищенности законченного устройства от электростатических разрядов

Краткий обзор AECQ100

Наиболее распространенной группой стандартов, применяемых к компонентам автомобильной электроники, является AEC-Q100. Эта группа разработана Automotive Electronic Committee (AEC). Аттестация по AEC-Q100 является добровольной.

Выделяют две группы элементов – Grade 0 и Grade1 – которые отличаются друг от друга суровостью и длительностью испытаний. Grade 0 квалифицируют для максимальной рабочей температуры 150°C. Для Grade1 максимальная рабочая температура составляет 125°C. Длительность и количество термоциклов при испытании Grade 0 больше. Предельная температурный цикл для Grade 0 составляет -65…175°С. Для Grade1 предельный цикл ограничен -65…150°С.

Кроме того, AECQ100 уделяет внимание таким параметрам как защита микросхем от статических разрядов, способность к пайке, способность памяти к сохранению информации, надежность и другие.

Стоит отметить, что применение компонентов, аттестованных по AECQ100, не является обязательным. Разработчик может использовать любые компоненты. Главное, чтобы итоговое устройство отвечало требованиям технического задания, ТУ или ГОСТ. Впрочем, соответствие AECQ100 говорит о высокой надежности.

В итоге более важным в российских реалиях будет знание различных автомобильных ГОСТов. Рассмотрим четыре основных стандарта, позволяющих сформировать требования к электронным компонентам.

ГОСТ Р52230-2004: общие положения автотракторного электрооборудования

Основным стандартом при создании автомобильной электроники является ГОСТ Р52230-2004 «Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия». Он содержит основные определения, методы и типы испытаний автотракторного электрооборудования и ссылки на другие стандарты.

Так как этот ГОСТ определяет требования в целом к прибору, то не все его положения важны при выборе электронной элементной базы. В нашем случае стоит обратить внимание на некоторые из них.

Номинальное напряжение системы электрооборудования – это наиболее важный параметр для микросхем питания и других компонентов, питающихся непосредственно от бортовой сети автомобиля.

Согласно ГОСТ, номинальное напряжение для потребителей тока выбирается из ряда 6 В; 12 В; 24 В. Кроме того, потребители электроэнергии, используемые при работающем двигателе, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжения от 90% до 125% номинального напряжения системы.

В итоге несложно посчитать, что диапазоны номинальных напряжений питания для микросхем, подключенных к бортовой сети, составляют по рядам: 5.4…7.5 В; 10.8…15 В; 21.6…30 В. Однако и это еще не все. Электронные датчики и блоки управления, согласно ГОСТ, должны выдерживать перенапряжения в бортовой сети в соответствии с ГОСТ 28751 (рассмотрен ниже), в том числе – подключение аккумуляторной батареи обратной полярности.

Температурный режим работы определяется в зависимости от климатического варианта исполнения и места установки оборудования. При самых низких температурах до -60°С должны работать изделия, устанавливаемые снаружи, в кабине или закрытом кузове, а также изделия, которые должны работать до предпускового подогрева двигателя. При максимальных температурах до 120°С работают изделия, устанавливаемые на двигателе и в моторном отделении.

Таким образом, если компонент аттестован по AECQ100 Grade 1, то он с большой вероятностью позволит создавать устройства, соответствующие требованиям ГОСТ для самых жестких условий.

Помимо перечисленных требований, ГОСТ имеет ссылки на другие стандарты, определяющие электромагнитную совместимость.

ГОСТ 28751-90: кондуктивные помехи в цепях питания

Часть требований к ЭМС содержит ГОСТ 28751-90 «Электрооборудование автомобилей. Электромагнитная совместимость. Кондуктивные помехи по цепям питания. Требования и методы испытания».

Согласно этому стандарту, электромагнитная совместимость изделия характеризуется его помехозащищенностью от кондуктивных помех бортовой сети автомобиля и уровнем собственных кондуктивных помех. Поэтому проведение испытаний на соответствие ГОСТ состоит из двух частей:

  • измерение собственных помех;
  • установление уровня защиты от возможных кондуктивных помех.

Требования ГОСТ 28751-90 важны для микросхем питания (DC/DC-преобразователей, линейных стабилизаторов и т.д.), операционных усилителей, компараторов, измерителей тока и других компонентов, которые могут питаться напрямую от бортовой сети.

Определение уровня собственных кондуктивных помех. Уровень собственных помех определяется двумя показателями: видом помех и степенью их эмиссии. Собственные помехи делятся на три вида, отличающихся полярностью и длительностью. Степень эмиссии определяется жесткостью.

Требования к виду и степени жесткости помех определяются дифференцированным способом. Это значит, что они устанавливаются индивидуально для каждого конкретного изделия в зависимости от выполняемых функций, условий эксплуатации и т.д.

Чтобы упростить себе задачу, производитель может указать наихудшую степень эмиссии помех для своего прибора (IV степень), т.е. проводить испытания в наименее жестких условиях:

  • отрицательные выбросы до -100 В для бортовых сетей 12 В, и до -140 В для сетей 24 В;
  • положительные выбросы до +50 В для бортовых сетей 12 В, и до +70 В для сетей 24 В.

Определение уровня помехоустойчивости. Помехоустойчивость характеризуется функциональным состоянием изделия во время и после воздействия испытательных импульсов. Различают девять типов испытательных импульсов (таблица 2) и пять функциональных классов (таблица 3).

Таблица 2. Характеристика испытательных импульсов ГОСТ 28751-90

Испытательный
импульс
Характеристика
1a, 1bМоделируют переходные процессы, которые возникают при отключении параллельных индуктивных нагрузок
2Моделирует переходные процессы, которые вызваны внезапным прерыванием тока, подаваемого индуктивным источником в бортовую сеть
3a, 3bМоделируют пиковые значения напряжений, которые возникают при коммутационных процессах
4Моделирует посадку напряжения питания, вызванного включением стартера двигателя внутреннего сгорания
5Моделирует переходный процесс при режиме сброса нагрузки, а также размыкания аккумуляторной батареи в то время, когда от генератора еще продолжается подача зарядного тока, а другая нагрузка остается в его цепи
6Моделирует переходной процесс, возникающий при прерывании тока катушки зажигания
7Моделирует режим, вызванный исчезновением электромагнитного поля генератора при отключении двигателя

Таблица 3. Функциональные классы ГОСТ 28751-90

КлассОписание
AВсе функции изделия выполняются во время и после воздействия испытательных импульсов
BВсе функции изделия выполняются во время воздействия испытательных импульсов. Однако значения одного или нескольких параметров могу выходить за пределы допусков. После воздействия значения всех параметров восстанавливаются
CОдна или несколько функций не выполняются во время воздействия испытательных импульсов, однако после воздействия работоспособность изделия восстанавливается
DОдна или несколько функций не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После воздействия работоспособность восстанавливается простой управляющей операцией
EОдна или несколько функций не выполняются во время воздействия испытательных импульсов. После воздействия работоспособность изделия не восстанавливается без проведения ремонта

Применяют индивидуальный подход при определении требований к помехозащищенности. Для этого выделяют четыре степени жесткости воздействия. Это абсолютно логично: выход из строя автомагнитолы не так опасен, как выход из строя блока электронного управления тормозами. Поэтому для более важных приложений есть возможность установить максимальную степень жесткости и наивысший функциональный класс, а для коммерческой электроники широкого потребления (видеорегистраторы, магнитолы, зарядные устройства и т.д.) можно ограничиться формальным классом «E» и минимальной степенью жесткости.

Наиболее высокая степень жесткости помех (IV) применяется для сертификации устройств, не подключенных напрямую к аккумулятору. Эти устройства должны выдерживать максимальные помехи:

  • отрицательные выбросы до -300 В для бортовых сетей 12 В, и до -1100 В для сетей 24 В;
  • положительные выбросы до +100 В для бортовых сетей 12 В, и до +200 В для сетей 24 В.

Минимальная степень жесткости (I) предъявляет существенно меньшие требования к защищенности:

  • отрицательные выбросы до -50 В для бортовых сетей 12 В, и до -275 В для сетей 24 В;
  • положительные выбросы до +25 В для бортовых сетей 12 В, и до +70 В для сетей 24 В.

Однако еще раз стоит отметить, что производитель может самостоятельно указать, что устройство не проверяется на помехозащищенность. В этом случае ответственность за использование берет на себя потребитель.

Кроме защиты от помех по линиям питания необходимо защищать и сигнальные цепи.

ГОСТ 29157-91: требования к защите электрооборудования автомобилей от помех в контрольных и сигнальных цепях

Уровень защиты сигнальных цепей определяется в соответствии с ГОСТ 29157-91 «Электрооборудование автомобилей. Помехи в контрольных и сигнальных бортовых цепях. Требования и методы испытания».

Рекомендуется к прочтению  Назначение и принцип работы шумоглушителя для вентиляционных систем

Этот ГОСТ определяет типы испытательных импульсов, схему и методы проведения испытаний. Функциональные классы необходимо брать из ГОСТ 28751-90 (таблица 3).

Параметры испытательных импульсов зависят от напряжения бортовой сети. Так, например минимальная степень жесткости (I) имеет следующие требования к защите:

  • отрицательные выбросы до -15 В для бортовых сетей 12 В, и до -83 В для сетей 24 В;
  • положительные выбросы до +10 В для бортовых сетей 12 В, и до +14 В для сетей 24 В.

ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93): требования к защите электрооборудования автомобилей от электростатических разрядов

Защита от электростатических разрядов определяется по ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93) «Электрооборудование автомобилей. Помехи от электростатических разрядов. Требования и методы испытаний».

Стандарт выделяет два типа электростатических разрядов: контактный и воздушный (таблица 4).

Таблица 4. Параметры испытательных импульсов по ГОСТ 30378-95

Вид
разряда
Испытательное напряжение, кВМинимальное число разрядов
Степень жесткости
IIIIIIIV
Контактный±4±4; ±6±4; ±6; ±7±4; ±6; ±7; ±81
Воздушный±4±4; ±6±4; ±8; ±14±4; ±8; ±14; ±151

Классификация изделий по функциональным классам проводится в соответствии с ГОСТ 28751-90 (таблица 3).

Обобщенная схема электронного устройства для автомобильного
приложения

Рис. 2. Обобщенная структура электронного блока

Рис. 2. Обобщенная структура электронного блока

Существует огромное количество различных автомобильных электронных устройств. Каждое из них может выполнять различные функции, но можно выделить наиболее распространенные (рисунок 2):

  • обработка сигналов с датчиков с помощью ОУ, компараторов, датчиков тока, АЦП и микроконтроллеров;
  • организация системы питания (DC/DC-преобразователи, LDO, DC/DC для питания светодиодов);
  • взаимодействие по основным интерфейсам (микросхемы приемопередатчиков CAN, RS-485, LIN и др.);
  • управление подсветкой;
  • управление внешними устройствами (аудио, датчики и др.).

Компания Texas Instruments предлагает огромный выбор различных компонентов для автомобильной электроники.

Импульсные DC/DC-преобразователи TI для автомобильных приложений

Задача построения источника питания для автомобильного электронного устройства – сложная и ответственная. Регуляторы напряжения должны работать в широком диапазоне номинальных напряжений, быть устойчивы к воздействию кондуктивных помех и статических разрядов, иметь широкий диапазон рабочих температур.

Количество аттестованных для автомобильной промышленности DC/DC-преобразователей производства компании TI превышает 120 наименований. Это повышающие и понижающие преобразователи с интегрированными ключами и различными уровнями напряжений и токов (таблица 5). Большая часть регуляторов имеет температурный диапазон -40…125°C.

Таблица 5. Примеры DC/DC-преобразователей для автомобильных приложений

НаименованиеТипUпит, ВUвых, ВIвых, АРабочая
температура, °C
Корпус
LM5001-Q1Повышающий3.1…751.26…751-40…125SOIC
LM5576-Q1Понижающий6…751.23…703HTSSOP
LM5574-Q10.5TSSOP
LM5575-Q11.5HTSSOP
TPS54560-Q14.5…600.8…58.85SO PowerPAD
TPS54540-Q14.5…420.8…41.15SO PowerPAD
TPS54618-Q13…60.8…4.56WQFN
TPS54610-Q10.9…4.5HTSSOP
TPS54615-Q12.5HTSSOP
TPS54614-Q11.8HTSSOP
TPS54612-Q11.2HTSSOP
TPS54616-Q13.3HTSSOP
SN6501-Q1Изолированный3…5.50…110.255SOT-23

Семейство LM557x-Q1 способно работать при входных напряжениях до 70 В. Это позволяет выдерживать воздействие положительных импульсов II степени ГОСТ 28751-90 без внешних защитных элементов. Выходной ток для этих регуляторов составляет до 3 А.

Еще больший диапазон входных напряжений (до 75 В) имеет повышающий регулятор LM5001-Q1.

Интересными для разработчиков окажутся TPS54560-Q1 и TPS54540-Q1. Диапазон входных напряжений для них несколько ниже, чем у ранее рассмотренных семейств, зато выходной ток составляет до 5 А.

Рекордсменом по величине выходного тока являются TPS5461x-Q1, для них он может достигать 6 А.

Существует возможность создания изолированных источников питания на базе SN6501-Q1.

В ряде случаев необходимо реализовывать схемы питания с низким уровнем собственным шумов и небольшими уровнями токов. Для этих целей идеально подходят линейные регуляторы производства TI.

LDO-регуляторы напряжения TI для автомобильных приложений

Номенклатура линейных регуляторов производства TI насчитывает более 150 наименований, включающих в себя модели с различными уровнями входных и выходных напряжений, с высокой стойкостью к помехам и статике (таблица 6). Большая часть регуляторов имеет рабочий диапазон температур -40…125°C.

Таблица 6. Примеры линейных регуляторов для автомобильных приложений

НаименованиеЧисло выходовUпит, ВUвых, ВIвых, АРабочая
температура, °C
Корпус
TPS7A1601-Q113…60регулируемый 1.2…18.50.1-40…125MSOP-PowerPAD
TPS7A1633-Q113…603.30.1MSOP-PowerPAD
TPS7A1650-Q113…6050.1MSOP-PowerPAD
TPS75233-Q112.7…5.53.32HTSSOP
TPS75201-Q112.7…5.5регулируемый 1.5…5.52HTSSOP
TPS74801-Q110.8…5.5регулируемый 0.8…3.61.5SON, VQFN
TL1963A-Q112.1…20регулируемый 1.2…201.5DDPAK/TO-263

Линейные регуляторы TPS7A1601-Q1, TPS7A1633-Q1, TPS­7A1650-Q1 могут работать при напряжениях питания до 60 В. Такой запас по напряжению питания позволяет обеспечивать высочайшую помехозащищенность при непосредственном подключении к бортовой сети.

Если же требуется LDO для стабилизации напряжения с большим выходным током, то подойдут микросхемы TPS75233-Q1 и TPS75201-Q1 – они обеспечивают выходные токи до 2 А при входном напряжении 2.7…5.5 В.

Линейный регулятор TPS74801-Q1 отличается сверхмалыми значениями входных и выходных напряжений – от 0.8 В, при этом ток достигает 1,5 А.

Большой интерес представляет стабилизатор TL1963A-Q1, который сочетает в себе и высокое входное напряжение (до 20 В) и большой выходной ток (до 1.5 А).

Микросхемы питания светодиодов для автомобильных приложений

Все большее распространение в автомобильной технике получают светодиоды. Они используются в указателях поворотов, габаритных огнях, освещении салона, подсветке клавиш и панелей приборов.

Для питания светодиодов компания Texas Instruments предлагает широкий выбор микросхем импульсных преобразователей. Номенклатура таких регуляторов насчитывает более 20 наименований. Среди них есть как повышающие, так и понижающие регуляторы (таблица 7).

Таблица 7. Примеры микросхем питания светодиодов для автомобильных приложений

НаименованиеТипUпит, ВUвых, ВIвых, АРабоачя температура, °CКорпус
LM3421-Q1понижающий4.5…753…725-40…125HTSSOP
LM3423-Q1
LM3424-Q1
TPS61161-Q1повышающий2.7…182.7…380.02-40…125SON
TPS61165-Q13…183…380.1-40…105SOT-23
TPS61040-Q1повышающий1.8…61.8…280.4-40…125SOT-23
TPS61041-Q10.25

LM342x-Q1 – понижающие преобразователи, они могут работать напрямую от бортовой сети. Высокий уровень входных напряжений 4.5…72 В позволяет строить источники питания с высоким уровнем помехозащищенности. Данные изделия применяются для подсветки панелей приборов автомобилей, для питания светодиодов подсветки ЖК экранов бортовых компьютеров и мультимедийных систем. Использовать эти преобразователи можно и для бортовых сетей 24 В.

Если предполагается питание светодиодов от бортовых сетей легковых автомобилей напряжением 12 В, то идеально подойдут TPS61161-Q1 и TPS61165-Q1. Эти преобразователи допускают как параллельное, так и последовательное соединение светодиодов.

В случае, когда есть возможность питать светодиоды от вторичного источника питания, стоит рассмотреть компактные повышающие преобразователи TPS61040-Q1 и TPS61041-Q1. Они могут идеально подойти для параллельно и последовательно включенных светодиодов, например в подсветке ЖК-панелей и панелей приборов.

Для активной подсветки из маломощных светодиодов будет уместно использовать микросхемы силовой логики.

Микросхемы силовой логики

Силовая логика приходит на смену хорошо знакомым микросхемам ULQ2003-Q (таблица 8).

Таблица 8. Примеры силовой логики для автомобильных приложений

ПараметрНаименование
ULQ2003-QTLC6C598-QTLC59xx-Q
Выходное напряжение, В504017
Количество каналов888/16
Включение светодиодовпараллельное/последовательное
Ток на канал, мА5005045/120
Подстройка токанетестьнет
Точность установки токане нормируетсяне нормируется
Контроль аварийных ситуацийнетнетесть

Серия TLC6C598-Q представляет собой сдвиговый регистр SIPO с мощными выходами в виде открытого стока. Выходной ток каждого канала может достигать 50 мА, а максимальное напряжение – 40 В. Ток каналов регулируется внешним резистором. Все это позволяет использовать как последовательное, так и параллельное включение светодиодов.

Еще больше возможностей предоставляет микросхема TLC5916-Q, также построенная по схеме SIPO сдвигового регистра. Однако ток выходов микросхемы задается не только внешним резистором, но и может подстраиваться программно по последовательному интерфейсу. Существует возможность детектирования аварийных ситуаций.

Операционные усилители

Еще одной важной задачей для многих автомобильных приложений является нормирование сигналов датчиков и формирование различных управляющих сигналов. Для этих целей в большинстве случаев используют операционные усилители (ОУ), компараторы, датчики тока на ОУ.

Компания Texas Instruments хорошо известна как один из лидеров производства ОУ. Об этом говорит и тот факт, что в портфолио компании насчитывается более 120 наименований ОУ, аттестованных для использования в автомобильной электронике. Здесь есть и прецизионные усилители, и усилители с высоким напряжением питания, и высокочастотные ОУ. Для их описания потребовалась бы не одна статья. Дадим общую характеристику лишь некоторым представителям (таблица 9).

Таблица 9. ОУ для автомобильных приложений

НаименованиеЧисло каналовUпит, ВUсм макс при 25°C, мВЧастота, МГцРабочая температура, °C
TLE214x-Q11; 24…441.45.8-40…125
TLE202x-Q11; 2; 44…400.51.7
OPA171-Q112.7…361.83
LM732x-Q11; 22.5…32620
OPA356-Q112.4…5.59200
OPA2354A-Q122.4…5.58180

ОУ семейства TLE214x-Q1 имеют максимальный диапазон напряжений питания 4…44 В. В ряде случаев этого будет достаточно для питания непосредственно от бортовой сети автомобилей. При этом напряжение смещения для этих усилителей не превышает 1.4 мВ.

Меньшим диапазоном напряжений питания обладают усилители семейства TLE202x-Q1 и OPA171-Q1. Однако и они могут подключаться к бортовой сети легкового автомобиля напряжением 12 В. Напряжение смещения TLE202x-Q1 не превышает 0.5 мВ. Такое низкое значение идеально подходит для высокоточных измерений.

Номенклатура ОУ состоит из таких высокочастотных моделей как OPA356-Q1 и OPA2354A-Q1, которые имеют полосу усиления 200 МГц и 180 МГц соответственно. Эти усилители имеют диапазон напряжений питания 2.4…5.5 В и используются для работы либо с низковольтными сигналами, либо сигналами с делителей. Их высокая степень защиты от статического электричества помогает строить измерительные системы с высокой надежностью.

Компараторы

Портфолио TI насчитывает более 20 наименований компараторов различных видов: с выходом типа «открытый коллектор», с аналоговым выходом, с различными уровнями питающих напряжений (таблица 10).

Таблица 10. Компараторы для автомобильных приложений

НаименованиеТип выходаЧисло каналовUпит, ВIпотр макс при 25°C, мАРабочая температура, °CКорпус
TL331-Q1ОК12…360.7-40…125SOT-23
LM239A-Q1ОК42…360.5SOIC
TLC370x-Q1Push-Pull1; 2; 42.7…160.0008SOIC

Одноканальные компараторы TL331-Q1 способны работать с напряжениями питания бортовой сети. Они выпускаются в миниатюрном корпусе SOT23.

Аналогичный уровень питающих напряжений имеет хорошо известный LM239A-Q1, выпускающийся в счетверенном варианте.

Семейство компараторов TLC­370x-Q1 имеет встроенную подтяжку выхода и выпускается в одиночном, сдвоенном и счетверенном варианте. Напряжение питания семейства достигает 16 В.

Токовые датчики

Для измерения тока используются специализированные усилители. Они отличаются устойчивостью к большим синфазным напряжениям, превышающим уровень напряжения питания. Принцип их работы заключается в измерении падения напряжения на шунте и его дальнейшем усилении.

Среди микросхем измерителей тока производства TI более 20 аттестованы для применения в автомобильной технике. Они различаются по типу выхода, уровню синфазного напряжения, значению коэффициента усиления (таблица 11).

Таблица 11. Токовые датчики для автомобильных приложений

НаименованиеВыходСинфазное напряжение, ВUсм макс при 25°C, мкВЧастота, МГцУсиление, В/ВКорпус
INA19xA-Q1Напряжение–16…8020000.2…0.520…1005SOT-23
INA28x-Q1Напряжение–14…80700.002…0.010,1258SOIC
INA220B-Q1I2C0…26500.0111; 0.5; 0.2510VSSOP
INA168-Q1Ток2.7…6010000,81…100SOT-23, TSSOP
INA169-Q120000.44TSSOP

Семейства INA19xA-Q1 и INA­28x-Q1 имеют аналоговый выход с напряжением, пропорциональным измеряемому току. Допустимый уровень синфазного входного напряжения для них равен 80 В.

Измерители тока INA168-Q1 и INA169-Q1 имеют токовый выход и уровень допустимых синфазных напряжений, достигающий 60 В.

Существуют и микросхемы с цифровым интерфейсом. Так INA220B-Q1 предназначена для работы с цифровой шиной I2C.

Датчики температуры

Датчики температуры, выпускающиеся компанией TI, способны работать в самых жестких условиях, имеют широкий диапазон измеряемых температур и различные выходные интерфейсы (таблица 12).

Таблица 12. Датчики температуры для автомобильных приложений

НаименованиеТочность макс, ±°CДиапазон температурной точности, °CИнтерфейсРабочая температура, °CКорпус
TMP411-Q12.5-40…125SMBus-40…125VSSOP
LM95172-Q11-40…160SPI-40…200CFP
LM60-Q12-40…125Аналоговый-40…125SOT-23
TMP101-Q12-40…125I2C-40…125SOT-23
LM50-Q12-40…125Аналоговый-25…125SOT-23

Датчики температуры LM60-Q1 и LM50-Q1 выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23. Они способны измерять температуру в диапазоне -40…125°C с точностью 2°C. Выходным сигналом датчиков является напряжение.

Если требуется реализовать сеть датчиков, следует обратить внимания на LM95172-Q1 и TMP101-Q1, которые имеют цифровые выходные интерфейсы SMBus и I2C соответственно.

Для максимально жестких условий компания TI предлагает использовать LM95172-Q1 с максимальной рабочей температурой до 200°C. Этот датчик способен измерять температуру до 160°C с точностью до 1°C.

Приемопередатчики

Texas Instruments выпускает микросхемы приемопередатчиков для всех распространенных автомобильных интерфейсов, в том числе CAN, LIN, RS-485 (таблица 13).

Таблица 13. Микросхемы приемопередатчиков для автомобильных приложений

НаименованиеШинаUпит ном, ВUвых макс, ВESD, кВОсобенность
SN65HVDA540-5-Q1CAN5-27…40±12Режим пониженного потребления
SN65HVDA540-Q1Режим пониженного потребления; сдвиг уровней
SN65HVDA541-5-Q1Режим пониженного потребления; пробуждение по приему
SN65HVDA541-Q1Режим пониженного потребления; пробуждение по приему; сдвиг уровней
SN65HVDA542-5-Q1Режим «Silent»
SN65HVDA542-Q1Режим «Silent»; сдвиг уровней
HVDA551-Q1Улучшенная защита от статики; режим пониженного потребления; пробуждение по приему; сдвиг уровней
HVDA553-Q1Улучшенная защита от статики; режим пониженного потребления; пробуждение по приему; стабилизация общего вывода
SN65HVDA1040A-Q1Режим пониженного потребления; пробуждение по приему; стабилизация общего вывода
SN65HVDA1050A-Q1Режим «Silent»; стабилизация общего вывода
SN65HVDA100-Q1LIN5…27-27…45±12LIN 2.1; MOST ECL; K-Line ISO9141
SN65HVDA195-Q17…27LIN 2.1; MOST ECL; K-Line ISO9141
TPIC1021A-Q17…27LIN 2.0
SN65HVD1781-Q1RS-4853.3…5-7…12±16Полудуплекс; режим пониженного потребления; защита от обрыва и КЗ
SN65LBC176-Q15±12Полудуплекс; защита от КЗ
SN65LBC180-Q15±15Дуплекс; защита от КЗ

Стандартные варианты этих микросхем отлично знакомы разработчикам электроники. Главными особенностями вариантов для автомобильных приложений является расширенный температурный режим, улучшенные и сертифицированные показатели по защите от статики. Для большинства микросхем уровень защиты составляет ±12 кВ, а для приемопередатчиков RS-485 – ±16 кВ.

Заключение

Texas Instruments предлагает полный спектр широко применяемых электронных компонентов, аттестованных по AECQ100, которые нашли широкое применение а автомобильной промышленности:

  • микросхемы питания: DC/DC-контроллеры и преобразователи, линейные регуляторы, драйверы светодиодов и др., со входными напряжениями более 70 В;
  • операционные усилители, компараторы с напряжениями до 44 В;
  • токовые датчики с уровнями синфазного напряжения до 80 В;
  • датчики температуры с диапазоном измеряемых температур -40…125°C;
  • высоконадежные микросхемы основных автомобильных интерфейсов (CAN, LIN, RS-485 и др).

Кроме того, номенклатура автомобильных компонентов производства компании TI содержит многоканальные микросхемы питания (PMIC); USB-коммутаторы; источники опорного напряжения; супервизоры; микросхемы силовой логики; интерфейсы (LVDS, FPD-Link II SERDES, Ethernet, цифровые изоляторы); микросхемы защиты от статики; ЦАП и АЦП; цифровые усилители и кодеки; микросхемы драйверов двигателей; микроконтроллеры и процессоры; микросхемы беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth). Многие из предлагаемых микросхем и решений являются уникальными и не имеют аналогов. Предлагаемые компоненты позволяют создавать приборы, соответствующие самым строгим требованиям отечественных стандартов.

Электроника для Автомобилей

Iprog+ Full обновление скриптов 2020-21г. — подробней
Готовится тестер форсунок Пьезо Dizel, FSI,CDI,MPI,LPG- подробней
В продаже NEW эмулятор пробега VW Polo 2016 < - подробней
Iprog+ Full обновление скриптов 2018г. — подробней
В продаже NEW Адаптер эмулятор MEDevice — подробней

В разработке MTScan_ Pro+ — подробнее

Автоэлектроника

Адаптеры для автодиагностики

Диагностика

​ Устройства
для работы с одометрами

Недорогое решение работы с одометрами, низкая цена, большой перечень, оптимизированные возможности.

Спидометр

Адаптеры

для Форсунок

Быстро, недорого начинаем мыть форсунки и зарабатывать .

Форсунки

Приборы для авточиптюнинга

Низкие цены, простота и доступность

Чиптюнинг

Приборы

CAN-BUS

Не дорогие инженерные решения для анализа, работы с шиной CAN автомобиля + намотка.

Источник https://compress.ru/article.aspx?id=18305

Источник https://www.compel.ru/lib/61892

Источник https://www.automicroelectronica.com/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Похожие записи

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей Рассмотрим основные отказы изделий и приборов системы электроснабжения автомобилей, которая включает аккумуляторную батарею (или батареи), генераторную установку с регулятором напряжения, коммутационные устройства, разъемы и соединительные провода. В перечне основных отказов не рассматриваются механические повреждения приборов и устройств в результате неправильной и небрежной эксплуатации. Основные отказы генератора: ослабление, чрезмерное натяжение или […]

5 способов оснастить старый автомобиль новыми технологиями

5 способов оснастить старый автомобиль новыми технологиями Как сделать так чтобы в старом автомобиле появились новые технологии? Почему люди готовы, теряя деньги, продавать не слишком старые автомобили и приобретать более дорогие новые автомобили? Да, конечно частой причиной, почему многие из нас в буквальном смысле готовы влезать в долги ради приобретения новой машины, является новый дизайн […]