KURZUS: Járművillamosság és elektronika 2.

MODUL: IV. modul: Gépjárművek kommunikációs rendszerei

9. lecke: Digitális adatátvitel, számrendszerek

| A lecke tanulásának a célja: Digitális adatátvitel módjainak és működésének megértése. A buszrendszerek működésének megértéséhez digitálistechnikai alapfogalmak is ismertetésre kerülnek.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatóknak ismerniük kell a digitális adatátvitel alapvető működését és módjait. Tisztában kell lennie a számrendszerekkel, a számrendszerek közötti átváltásokkal és digitálistechnikai alapfogalmakkal a szükséges szinten a következő lecke megértéséhez.
Dr. Fodor Dénes, Dr. Szalay Zsolt: Autóipari kommunikációs rendszerek Dr. Bokor József, Dr. Gáspár Péter: Járműfedélzeti kommunikáció Dr. Kováts Miklós, Dr. Szalay Zsolt: Gépjárművek buszhálózatai (Maróti kiadó)
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Bevezetés
Az utóbbi években az ipari kommunikációs és vezérlő hálózatok terén paradigmaváltás figyelhető meg. Napjainkra a mikrokontrollerek egyre hatékonyabbá és egyre olcsóbbá váltak, amely lehetővé tette, hogy a gyártók távoli I/O eszközökbe, nyomógombokba, szenzorokba és egyéb komponensekbe ágyazzák őket, olyan "intelligens eszközöket" létrehozva, amelyek önállóan is képesek a szabályozási feladatuk ellátására. Így a '70-es '80-as években domináló központosított szabályozó rendszerek (centralized control systems) helyett egyre inkább elterjedhettek az úgynevezett elosztott rendszerek (distributed control systems).
A mai járművek többsége nagyszámú elektronikus vezérlő rendszert tartalmaz és az eszközök száma folyamatosan növekszik. Ez egyrészt a felhasználó biztonsági és kényelmi igényeinek, másrészt a környezetvédelmi megfontolásoknak köszönhető.
A rendszerek funkcióinak bonyolultsága elkerülhetetlenné teszi a rendszerek elemei közötti adatcserét. A hagyományos rendszerekben az adatcsere dedikált adatvonalakon keresztül történik, de ezt a vezérlési funkciók bonyolultabbá válásával egyre nehezebb és drágább megvalósítani. A bonyolult vezérlőrendszerekben az összeköttetések száma egy idő után tovább már nem volt növelhető. Egyre több olyan rendszert is kifejlesztettek a gépjárművek számára, amelyek több vezérlőeszköz együttműködését igényelték. (Motor vezérlése, menetstabilizátor, automata sebességváltó, műszerfal-gombok.)
Centralizált szabályozási rendszer
1. ábra
A rendszert alkotó egységek egy központi vezérlőegységhez csatlakoznak, amelynek feladata az egész rendszer koordinálása. A központi vezérlő (master) ciklikusan lekérdezi a többi eszköz (slavek) üzeneteit. Így bár determinisztikus, hogy egy eszköznek maximum mennyit kell várnia a buszra, az ilyen modell több jelentős hátránnyal is bír. A különböző egységek más-más típusú csatlakozókkal rendelkeznek, így nagyszámú vezeték szükséges a központhoz kapcsolásukhoz, illetve a rendszer komplexitásának növekedésével a huzalok száma és a csatlakozók mérete is növekszik. Az ilyen master-slave rendszerben keletkező hibák felderítése bonyolult és a központi egység leállásával a teljes rendszer működésképtelenné válik.
Elosztott szabályozási rendszer
2. ábra
Az ilyen rendszerek alapelve, hogy egy közös kommunikációs vonalra (buszra) kötik az összes egységet. Az ily módon egy hálózatba kapcsolt egységek immár önállóan kommunikálnak egymással. A hálózat használata új szabályozási koncepciót eredményezett, az úgynevezett elosztott szabályozást.
Elosztott rendszereknél mindössze egy vezeték kötegre van szükség, amely gyakran már az energia ellátását is biztosítja a részegységeknek, ezzel is csökkentve a fizikai csatlakozók számát. A kevesebb vezeték nemcsak megbízhatóbbá teszi a rendszert, de egyszerűbbé és főként olcsóbbá is.
Ezzel a megoldással lehetővé válik a rendszer folyamatos bővítése, mivel csupán egyfajta, szabványosított csatlakozóra van szükség, így lehetséges akár különböző gyártók eszközeinek közös rendszerbe integrálása is.
Elektronikus vezérlőegységek
A digitális technika megjelenésével új lehetőségek nyíltak a járművek elektronikus rendszereinek vezérlésére és szabályozására. A vezérlőegység fogadja a szenzorok jeleit a bemenetein keresztül, feldolgozza és kiértékeli azokat, majd a belső programja alapján számításokkal meghatározza a beavatkozó elemek vezérléséhez szükséges vezérlőjeleket. A programja (szoftver) egy belső tárolón található, a végrehajtását pedig egy mikroszámítógép végzi.
Elektronikus vezérlőegység részei:
Analóg és digitális bemenetek Tápellátás Mikroprocesszor RAM Flash EPROM EEPROM Diagnosztikai modul Beavatkozók működtetéséhez kimenetek Kommunikációs és diagnosztikai interfészek (K-Line, LIN, CAN, Flexray stb.)
Bosch Motronic vezérlőegység felépítése (példa)
3. ábra
Digitális adatátvitel
Digitálisnak nevezünk egy mennyiséget, ha csak véges számú, diszkrét értéket vehet fel. Ezzel szemben az analóg mennyiségek bármilyen értéket felvehetnek.
Digitális adatátvitel esetén az adatokat jellemzően bináris formátumban továbbítjuk az adattárolási egységeknek megfelelő csomagokban. Ezek alapján beszélhetünk 4, 8, 12 vagy 16 bites, 1...254 byte-os, esetleg még nagyobb adatcsoportokról, melynek bitjeit időben egymás után küldve (soros adatátvitel) vagy időben egyszerre (párhuzamos adatátvitel) továbbíthatjuk a fogadó állomás irányába.
Számrendszerek
Bináris számrendszer
A digitális rendszerekben az információt a két bináris számjeggyel 0-val és 1-gyel ábrázolják. Ezeket, a kettes-számrendszerbeli számjegyeket, - a legkisebb információs alapegységeket - biteknek nevezzük.
Egy bit két információ ábrázolására alkalmas. Ha egy fizikai mennyiséget finomabb felbontásban akarunk leírni, több bitet kell alkalmaznunk. Kettő hatványai szerint növekszik a felbontás ebben az esetben. A nyolc bitből álló információegységet bájt-nak (byte) nevezik, amellyel 28 = 256 különböző információ képezhető le. A helyiértékek jobbról balra haladva növekszenek kettő hatványai szerint.
Tízes számrendszer
A tízes (decimális) számrendszer onnan kapta a nevét, hogy 10 karakterrel (0-9) írja le a számokat. A helyiértékek jobbról balra haladva növekszenek 10 hatványai szerint.
Hexadecimális számrendszer
A hexadecimális számrendszer onnan kapta a nevét, hogy 16 karakterrel (0-9; A-F) írja le a számokat. A tízes számrendszer karaktereit (0-9) kiegészítve A (10), B (11), C (12), D (13), E (14) és F (15) karakterekkel tudjuk megadni az egyes értékeket. A helyiértékek jobbról balra haladva növekszenek 16 hatványai szerint.
Bináris, hexadecimális és decimális számábrázolás
4. ábra
Az analóg-digitális és digitális-analóg átalakítók működésének megértéséhez, illetve a kommunikációs buszrendszerek üzenetkeret felépítésének megértéséhez szükség van a számrendszerek közötti átváltás megértésére. Erre következik két példa:
Bináris-decimális számrendszerek közötti átváltás
5. ábra
Hexadecimális-bináris-decimális számrendszerek közötti átváltás
6. ábra
Soros/párhuzamos átvitel
A konvencionális párhuzamos átviteli módnál az adatokat több bites csoportokban egyszerre, adategységenként visszük át (pl. egyszerre 8 bit). Minden bitnek külön vezeték van fenntartva, ezáltal az összeköttetések (párhuzamos vezetékek) száma nagy.
A párhuzamos információátvitel jellemzői:
Vezetékigényes megoldás. Működés szempontjából jól áttekinthető és vizsgálható. Nagy jelátviteli biztonság. Az informatikai rendszerek tipikus információátviteli hibái nem jelennek meg.
Ezzel szemben soros adatátvitel esetén az információt hordozó biteket egyenként, sorban egymás után visszük át. A soros átvitel előnye a kisszámú vezeték, egyszerű csatlakozó, ami a költségek és méretek csökkentésén túl a megbízhatóságra is jó hatással van.
A soros digitális információátvitel jellemzői:
Egyetlen szenzorrendszer Egyszerű, olcsó, kis tömegű villamos hálózat Az irányítóegységek között a kommunikáció egységes (szabványosított) protokoll szerint történik Nagy adatátviteli sebesség alkalmazható (pl. 1 Mbit/s) A rendszer egyszerűen bővíthető, Különböző adatátviteli közegek használhatók (rézvezeték, optikai kábel) A soros diagnosztika módszerével jól vizsgálható
Soros/párhuzamos kommunikáció
7. ábra
Szinkron/aszinkron átvitel
Az adó és vevő egységeknek az adatok megfelelő értelmezéséhez szinkronban kell működniük. Ez lehetséges külön szinkronjelet továbbító vezetékkel vagy a vevő az egyes bitek jelátmenetekor is (pl. lefutó élnél) szinkronizálhat. Aszinkron kommunikációnál többszörös mintavételezés történik a jelből, esetleg programozható időpontokban.
Szinkron kommunikáció
8. ábra
A szinkron kommunikációhoz legalább két kommunikációs vonal szükséges, egy az órajelhez és egy az adathoz.
Aszinkron kommunikáció
9. ábra
Ha az adat 1-ről 0-ra, vagy 0-ról 1-re változik, akkor él keletkezik a kommunikációs sorban. Minden élnél a fogadó oldal órája újraállítódik.
Mivel szinkron kommunikáció esetén külön dedikált szinkron jel (órajel) áll rendelkezésre, az adó és vevő összeszinkronizálása nem igényel fejtörést. Aszinkron kommunikáció esetében viszont kizárólag az adatok átvitelére is szolgáló vezeték teremthet lehetőséget a szinkronizációra, mégpedig úgy, hogy az éleknél (amikor az adat 1-ről 0-ra, vagy 0-ról 1-re változik) történik meg a vevő órájának szinkronizációja.
Mivel az nem garantálható, hogy az adatfolyam milyen bitsorozatból épül fel, így azt sem lehet előre tudni, mikor következik be a soron következő jelváltás, előfordulhat tetszőlegesen hosszú, változatlan állapotú jelsorozat is. Ez esetben az adó és a vevő órájának eltérése által meghatározott idő múlva "kiesne a szinkronból" az adatátvitel, ami persze nem megengedhető. Ennek elkerülésére sokféle stratégia létezik, pl. Manchester-kódolás, EFM, start-stop rendszer, bitbeszúrás stb. melyek garantálják, hogy adott számú bitet követően mindenképpen legyen jelváltás. Ha a kódolás olyan, hogy az órajel az adatot is hordozó bitekből állítható vissza, akkor izokron önórajelező (self-clocking) jelről beszélünk (pl. ilyen a Manchester kódolás), míg ha a szinkronizációra szolgáló jel időben elkülönül az adatbitektől (start-stop rendszer), akkor anizokron önórajelező az átvitel.
Gyakoribb bitkódolási formák
10. ábra
Látható, hogy az NRZ kódoláson kívül mindhárom másiknál biztosított, hogy több egymást követő azonos értékű bit között is élek legyenek, amelyek segítik az értelmezést és a szinkronizációt.
Műszaki értelemben multiplex kommunikációról beszélünk, ha egy szabály szerint viszünk véghez sok párbeszédet. Ennek megvalósítása többféle módon is lehetséges, például:
Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés (FDMA) jellemző pl. a kábeltévé hálózatokon Időosztásos többszörös hozzáférés (TDMA, Time Division Multiple Access) Vivőérzékeléses többszörös hozzáférés, ütközés detektálással (CSMA/CD) rendszerben működnek a helyi adathálózatok (pl. Ethernet, CAN)
A multiplex kommunikáció lényege, hogy legyen egy egyértelmű szabályrendszer, ami definiálja, hogy ki mikor jut "szóhoz" a kommunikáció során, még akkor is, ha véletlenül többen egyszerre kezdenek el "beszélni".
Vezetékes adatátvitel jellemzői
Sávszélesség: A szükséges átviteli sebesség és átviteli távolság függvényében változik a vezetéktől megkövetelt minőség, aminek az elsődleges paramétere a csillapítás. Nagy frekvencián a szkin-hatás miatt és a dielektrikum-veszteség miatt növekszik a kábel adott hosszegységre vonatkozó csillapítása (dB/100m). A villamos szempontból ideális vezeték nagy felületű, a szigetelése pedig vákuum lenne Modulációs sebesség, adatátviteli sebesség: Sok helyen a bit/s és baud (=szimbólum/másodperc) mennyiségeket egymás alternatíváiként használják, de ez elvileg hibás. Bit: az információmennyiség alapegysége bináris (kétállapotú) rendszerben. Az adatátviteli sebesség (bit/s) és modulációs sebesség (baud) arányát (csatorna) kódolási hatékonyságnak nevezik. Értéke 1-nél nagyobb és kisebb egyaránt lehet, mivel 1 szimbólum bizonyos esetekben több bitnyi információt is hordozhat, viszont nem minden szimbólum hordoz tényleges információt (pl. stuff bit, keretközti szünet, acknowledge, szinkronizációs bitek, hibajavító és ellenőrző kód). Lezárás: Ha az átviteli út hosszúsága (l) összemérhető a jel bitidő (t bit) alatt megtett távolságával, akkor mindenképp le kell zárni a vezetéket a hullámimpedanciának megfelelő ellenállással, legalább az egyik végen, hogy elkerüljük a többszörös reflexiót. Zavarvédelem: A jelátvivő vezetékek ki vannak téve külső zavaró elektromos és mágneses tereknek, igen gyakran más vezetékekkel együtt futnak, vagy teljes hosszúságban, vagy csak rövid távolságon. A többi vezetékben folyó áram vagy a rajtuk mérhető feszültség változása induktív vagy kapacitív csatoláson keresztül megváltoztatja a hasznos jelet, zavarjelet ad hozzá. Ez a zavarjel lehet közös módusú, amikor a két vezetőben azonos irányú/polaritású a zavarjel, vagy differenciál módusú, amikor ellentétesek az irányok (ahogy a hasznos jel esetében is). A differenciál módusú zavarás ellen a kábel szimmetrikus kialakításával hatékonyan lehet küzdeni (csavart érpár). A zavarjel csökkentésének másik módja az árnyékolás. A külső, összefüggő vezető megakadályozza, hogy a belsejébe behatoljon a külső elektromos tér, valamint a behatoló mágneses tér változásait is lassítja. Ez a differenciál módú zavarjelek ellen nyújt védelmet, mivel azokat a két vezető ér közé behatoló elektromos vagy mágneses tér változása hozza létre. az elektromos tér erővonalait kis ellenállással levezeti, "rövidre zárja" a referenciapont felé, amihez csatlakoztatva van

| Önellenőrző kérdések
1. Mely okok generálták a gépjármű buszhálózatok létrejöttét? (több jó válasz is lehetséges)
| Nagyszámú elektronikus vezérlőegység alkalmazása a gépjárművekben.
| A buszhálózatokon keresztül egyszerűen lehet analóg jeleket továbbítani.
| Költségessé és bonyolulttá vált a kábelezés az elektronikus egységek terjedésével a gépjárművekben.
| A buszhálózatok egyszerűbbé tették az elektronikus rendszerek diagnosztikáját.
2. A következők közül melyek egy általános vezérlőegység részegységei? (több jó válasz is lehetséges)
| Analóg és digitális bemenetek
| Mikroprocesszor
| LCD kijelző
| EPROM
3. Mik a legfontosabb előnyei az elosztott szabályozási rendszernek a központi szabályzórendszerhez képest?
| Nincs szükség digitális adatátvitelre.
| A kommunikáció buszhálózatokon keresztül történik, amely egyszerűbbé teszi a kábelezést.
| Csak egyetlen központi vezérlőegységre van szükség, ami olcsóbbá teszi a rendszert.
| A rendszer későbbi bővítése könnyen megvalósítható.
4. Melyik állítás igaz a digitális adatátvitellel kapcsolatban? (több jó válasz is lehetséges)
| Könnyedén lehet analóg jeleket továbbítani.
| Csak soros adatátvitel lehetséges.
| Az információt a bitek hordozzák, amelyek 0 és 1 értékűek lehetnek.
| Az információk bináris számrendszerben vannak ábrázolva.
5. Melyik állítás igaz a soros adatátvitellel kapcsolatban? (több jó válasz is lehetséges)
| Az információ nagyszámú vezetéken zajlik, időben egyszerre.
| Minden bitnek külön vezeték van fenntartva.
| Vezetékigényes megoldás.
| Az információt tartalmazó biteket egyenként, egymás után visszük át.
6. A 11 decimális szám értéke bináris és hexadecimális számrendszerben:
| 1111; C
| 0101;D
| 1011;B
| 1001;A
7. A D hexadecimális szám értéke bináris és decimális számrendszerben:
| 1101; 13
| 0011; 12
| 1100; 15
| 1010; 11
8. Az 1110 bináris szám értéke decimális és hexadecimális számrendszerben:
| 8; A
| 10; B
| 13; C
| 14; E
9. Melyik állítás igaz az aszinkron adatátvitellel kapcsolatban? (több jó válasz is lehetséges)
| Az adatátvitel közben az élváltáskor történik meg a vevő órájának szinkronizációja.
| Legalább két kommunikációs vonal szükséges, egy az órajelhez és egy az adathoz.
| Nincs szükség külön szinkronizációs órajelre.
| Az NRZ kódolás önmagában alkalmas aszinkron adatátvitel megvalósítására.