BMEVIFO4319 Önálló laboratórium Konfigurálható digitális műszerfal Bosch MonoMotronic befecskendezőrendszerhez Időközi beszámoló Molnár Bence ILUAUQ Konzulens: Kertész Zsolt
Bevezető A járműelektronika az utóbbi évtizedben kézzelfogható fejlődésen ment keresztül. A 90-es években piacra dobott fejlesztésekkel ellentétben (melyek inkább műszaki, menetbiztonsági és környezetvédelmi szempontból voltak jelentősek), mostanában az utasok kényelmét, és ezzel együtt a vezető minél részletesebb tájékoztatását segítő berendezések térnyerése a szembetűnő. Közismert tény, hogy a belsőégésű motorral szerelt járművek károsanyag-kibocsátása, fogyasztása a fizikai adottságokon kívül számtalan tényezőtől függ, ezek közül az egyik legfontosabb a vezető magatartása, stílusa vezetés közben. A megfelelő döntések meghozatalához információkra van szükség, egy modern gépjármű műszerfaláról számos ilyen információ leolvasható, a motor állapotára jellemző adatoktól hőmérsékleti információkon át a pillanatnyi- vagy éppen átlagfogyasztásig. A vázolt fejlesztés célja egy olyan eszköz megtervezése és megvalósítása, amely hasonló lehetőségeket tesz elérhetővé olyan nem is feltétlenül túlságosan elavult járművekben, amelyek koruk, vagy éppen gyári felszereltségük miatt ezeknek híján vannak. A járműpark folyamatos fiatalodása ellenére még bőséggel futnak és fognak futni a következő években is - az utakon az említett hiányosságokkal rendelkező gépkocsik, környezetvédelmi és gazdasági szempontból is könnyen belátható, milyen hasznos lehet ezen autók vezetői számára is lehetővé tenni azt, hogy részletesebb információk birtokában tudatosabban, alacsonyabb károsanyag-kibocsátással vezethessenek. Specifikáció A kifejlesztendő eszköz tulajdonképpen egy információszolgáltatásra, és kisebb beavatkozásokra képes fedélzeti számítógép. A felhasználói felület egy többrégiós digitális kijelző, ami a benne megvalósított funkciók (sebességmérő, fordulatszámmérő, megtett távolság mérése, hőmérsékleti- és üzemanyagviszonyok kijelzése, a szokásos visszajelzőlámpák emulációja) segítségével képes a gyári műszerfalat helyettesíteni, a kivitelezés azzal a feltételezéssel zajlik majd, hogy ez a csere valóban megvalósul, a kijelző méreteit tehát a befogadó műszerfal határozza majd meg. Ez a kijelző egy szűk keresztmetszetű adatcsatornán kapcsolódik majd a központi egységhez, amelyben az adatgyűjtést, tárolást és a számításokat végző mikrokontrolleres alrendszer kerül majd megvalósításra. A tervezés egy Bosch MonoMotronic központi befecskendezőrendszerrel felszerelt járműre történik, a rendszer motorvezérlő elektronikájához is ez a modul fog közvetlenül kapcsolódni. A motorvezérlő elektronika diagnosztikai kimenetéről adott időközönként lekérdezi a hibatároló tartalmát, meghibásodás esetén a kijelzőn keresztül figyelmezteti a vezetőt. Ugyanez történik olyan meghibásodás esetén, amelyekkel az utazás még folytatható, de a rendszer szükségfutásba áll át, korlátozva a teljesítményt stb. Az általánosabb adatok (fordulatszám, hőmérsékletek, fogyasztás) lekérdezhetősége a fejlesztés első szakaszában tisztázódik majd, ettől függően ágazhat majd két irányba a megvalósítás: vagy minden adatot a diagnosztikai kimenet szolgáltat majd, vagy be kell vetni hagyományosabb mérőeszközöket is, és azokat megfelelő A/D átalakítókkal kell a központi feldolgozóegységhez csatolni. A harmadik csoportba a kisebb beavatkozószervek tartoznak, ezek konkrét kifejleszthetősége a projekt előrehaladásával fog tisztázódni. Szerepel a tervek között egy hőmérsékletet szabályozó szervomotoros aktuátor, és egy esőérzékelős ablaktörlővezérlő. Az ezekhez tartozó szenzorok szintén a központi feldolgozóhoz kapcsolódnak, a beavatkozóegységek pedig innen kapják majd a megfelelő vezérlőjeleket. - 2 -
Az aktuális állapot ismertetése A specifikációban említett funkciók megvalósíthatósága a dokumentum megírásakor még jellemzően jóhiszemű feltételezésnek volt tekinthető. A félév a fizikai kivitelezés előkészítésén túl a specifikáció pontosítását célzó kutatásokkal telt. Tisztázódott az eszköz részegységeinek listája, ezek egymáshoz kapcsolásának módja, ahogy azt az alábbi blokkvázlat is szemlélteti: A fejlesztés három jól elkülöníthető bár egymástól nyilván nem független- területen folyik: - A bemenő adatok összegyűjtéséért felelős hardverek és szoftverelemek fejlesztése - Az adatfeldolgozást, raktározást megvalósító mikrokontroller szoftverének fejlesztése - A megjelenítő elemek fejlesztése hardver és szoftverszinten A bemenő adatokat szolgáltató elemek tovább oszthatóak az alábbiak szerint: - beavatkozást nem igénylő, transzparens módon megjeleníthető információk: Ebbe a körbe tartoznak azok a visszajelzőlámpák, amelyek a jármű felől adott körülmények között érkező feszültséggel meghajtva felvillannak. Ezen adatokat befolyásolni nem kell, megfigyelésük szintén nem szükséges, hiszen a kontroller által kijelzett információkat nem befolyásolják. A gyári izzós megoldást előtétellenállásos LED-ek váltják fel (a töltésvisszajelzőt kivéve, itt egy ellenállást is be kell kötni a LED-del párhuzamosan, mivel a kezdeti gerjesztőáram ezen keresztül jut el a generátorba). - Analóg bemenőjelek, amelyeket átalakítás nélkül lehet a kontroller A/D átalakítójának átadni: Egyetlen ilyen jelről van szó, ez pedig az üzemanyagszint úszós visszajelzőjének analóg kimenete. A digitális átalakítás után a jel szoftveres feldolgozáson esik át. A feldolgozás tulajdonképpen a menet közben fellépő hullámzások csillapítását jelenti, így a kijelző várhatóan mindig a valós értéket mutatja majd. A jelet a rendelkezésre álló üzemanyaggal megtehető út kiszámítására is felhasználja majd a szoftver. - 3 -
- Analóg jelek, amelyek digitalizálás után kerülnek a kontrollerhez: Ebből is egyetlen darab van, a kilométeróra meghajtó spiráljának a jele, az egyik legfontosabb, amivel foglalkozni kell. Mivel a motorvezérlőnek csak a fordulatszámról van tudomása, a bekapcsolt sebességfokozattól is függő sebességinformációt nem lehet onnan kiolvasni. A jelátalakítás számos formája felmerült, mint lehetséges megvalósítás (kerekekről Mágnesgyűrű közvetlenül vételezett jel Reed-relés szondával és mágnessel, a bekapcsolt sebességfokozatból és a fordulatszámból való kiszámítás stb.), a győztes a Keret gyári kilométeróra helyére beültethető mágneses szonda lett, melynek jelét digitalizálás után kapja a kontroller. A megtett utat az impulzusok száma, a sebességet az impulzusok sűrűsége fogja jól jellemezni, ezek az információk szoftveresen jól feldolgozhatóak. A mérőeszköz mechanikai része a gyári kilométerórából származik, amely nem más, mint egy keretben forgó, átmérőirányban mágnesezett vasgyűrű. Így megvalósul a gyári órával való maximális kompatibilitás, a jelet pedig egy a gyűrű mellé forrasztott Hall-szenzor szolgáltatja. - A motorvezérlővel folytatott kétirányú, digitális kommunikáció során begyűjtött információk: Ennek vizsgálatához szükség volt egy egyszerű csatolóáramkörre, amely optocsatolók segítségével elektronikusan elválasztja a két eszközt egymástól. A diagnosztikai kimeneten elérhető paraméterek listáját az említett csatoló, és a gyári VW diagnosztikai program segítségével sikerült feltérképezni. A mellékelt ábrán látható módon az alábbi paraméterek olvashatóak ki: - Fordulatszám - Vízhőmérséklet - Lambda-tényező (Oxigénfelesleg) - Befecskendezési idő (befecskendezett üzemanyag mennyiség) - Rendszerfeszültség - Beszívott levegő hőmérséklete - Terhelés - Előgyújtási szög - Befecskendezés szöge - 4 -
Az adatok lekérdezése közben a program folyamatosan kommunikál a soros porttal, és azon keresztül a motorvezérlővel. Ez a kommunikáció a KW-1281 protokoll szerint zajlik, melyről egyelőre viszonylag kevés információ áll rendelkezésre. A protokoll felderítése folyamatban van, végső esetben lehetőség van a porton keresztülmenő adatok (karakterek) monitorozásával történő felderítésre is. A minták összegyűjtése után ezen adatok elemzése is folyamatban van. - 5 -
A második nagy egység a mikrokontroller programjának fejlesztése. Ez bár sok szempontból jól elkülöníthető a másik két nagy egységtől, egyértelműen függ például a protokoll specifikációjától, így ennek a részfeladatnak egyelőre az előkészítése zajlik, a fejlesztőszoftverek megismerése, kipróbálása és a fizikai környezet összeállítása megtörtént, a kontroller egyelőre egy próbapadon helyezkedik el, együtt a tápegységgel és az LCD kijelzővel. A kontroller a 32 kb Flash-memóriával rendelkező ATMega32 típusból került ki, a tokozás pedig a hibakeresés megkönnyítésére való tekintettel (továbbá figyelembe véve hogy prototípusról van szó, illetve hogy az áramkörön óriási hely áll rendelkezésre) a 40 lábú DIP. Ezen a ponton pedig már a megjelenítő rétegről beszélünk. A végleges forma a következőképpen alakul: a már említett visszajelző LED-eken túl négy paraméternek állandó, háromjegyű hétszegmenses kijelzője lesz: - a sebességnek - a fordulatszámnak - a vízhőmérsékletnek - az üzemanyagszintnek. A kijelzők közös katódos, számjegyenként külön kivezetésekkel rendelkező típusok (Kingbright BA56-12GWA, illetve a kisebb BA36-12LSRWA), számjegyenként külön állapottárolós meghajtóval. Ez bár sok IC-t jelent, elkerülhető a kijelzők fényerejének frissítési gyakoriságtól való függése, hiszen amíg új adat nem íródik a meghajtókba, az előző számjegyet fogják tartani. A meghajtók egy közös adatbuszhoz kapcsolódnak, az éppen frissítendő egységet a címzőlogika választja ki, ami egy címbuszra kapcsolt négybites dekóder. Minden további paraméter a központi LCD kijelzőre kerül, amelyet a kontroller az előbbiektől függetlenül, dedikált kivezetéseken keresztül vezérel. A kijelző a Nokia 3310-es mobiltelefonokból ismert PCD8544-es típus, amely 48x84 pixelt tartalmaz. Ezzel a kijelzővel jóval áttekinthetőbben jeleníthetőek meg a paraméterek mint az eredetileg tervezett hétszegmenses kijelzőkkel. A konkrét típus előnyei közé tartozik a kis beszerzési ár, a műszerfalba jól integrálható, négyzethez közeli forma, és a soros vezérelhetőség, amely lehetővé teszi azt, hogy a kijelző mindössze nyolc lábbal kapcsolódjon az áramkörhöz. Az alkatrész adatlapja alaposan körülírja a vezérlés lehetőségeit, ezek alapján ideális választás a mikrokontrolleres környezetbe való beágyazáshoz, a vezérlőszoftver fejlesztése folyamatban van, a korábban említett próbapadon lehetőség van a fejlesztésre a végleges nyomtatott áramkör elkészülése előtt is. Hogy az LCD-n éppen melyik paraméter jelenik meg, a léptető nyomógombokkal kerül kiválasztásra. Mivel a funkciók ebben a szakaszban már rögzítettek, a nyomtatott áramkör tervezése az előbb említettek mellett párhuzamosan folyik. A tervezés az EAGLE áramkörtervezővel folyik, az ezzel a szoftverrel készült terveket a nyomtatott áramkörök előállítását végző cégek elfogadják. Mivel a kijelzők fizikai elhelyezése, és az LCD hátulról történő megvilágítása nagyon kis mozgásteret hagy a többi alkatrésznek, két külön lapra történik a tervezés. Az alsón helyezkedik el a kontroller, a tápegység, az ECU felé irányuló soros kommunikációt megvalósító alkatrészek, a felsőn pedig a 7 szegmenses kijelzők és meghajtó IC-ik, a visszajelző LED-ek, az LCD kijelző és a nyomógombok. A két lap egy minimális lábszámú tüskesoron kapcsolódik egymáshoz. - 6 -