автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка принципов декодирования протоколов обмена данными ЭСАУ ДВС

На правах рукописи

Рузавин Григорий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ДЕКОДИРОВАНИЯ ПРОТОКОЛОВ ОБМЕНА ДАННЫМИ ЭСАУ ДВС

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ)

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Ютт Владимир Евсеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марсов Вадим Израилевич кандидат технических наук, доцент Малеев Руслан Алексеевич

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ), г. Москва

Защита состоится 4 июля 2006 года в 10 часов, в ауд.42 на заседании диссертационного совета Д212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ) по адресу: г. Москва, 125829, Ленинградский пр-т, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МАДИ (ГТУ)

Автореферат разослан " '*/'" июня 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В.Михайлова

¿{7000

;¿-/¿о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из приоритетных направлений, недавно принятой Правительством Российской Федерации концепции развития автомобильной промышленности России, является- экологическая безопасность и меры по снижению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Принятию концепции предшествовало бурное развитие электроники и микропроцессорной техники, которое привело к широкому внедрению ее на автомобиле, в частности к созданию электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) двигателем внутреннего сгорания (ДВС), трансмиссией, ходовой частью и дополнительным оборудованием.

Применение ЭСАУ позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов, повысить мощность двигателя, активную безопасность автомобиля, улучшить условия труда водителя.

Посредством ЭСАУ реализуется возможность самодиагностики автомобиля В процессе работы идёт проверка систем автомобиля, где в случае неисправностей в память контроллера заносятся коды ошибок (Fault codes) Данные параметров, обрабатываемые в ЭСАУ, могут использоваться для выявления неисправностей, а тесты исполнительных механизмов - выявлять неисправные элементы системы.

Разработчики ЭСАУ создали механизмы обмена диагностическими данными между контроллером ЭСАУ и диагностическим прибором - тестером. Обмен диагностическими данными идет по линиям диагностики с использованием протоколов передачи данных.

Протокол передачи данных состоит из спецификации алгоритмов и его реализации в виде компьютерной программы.

Внедрению ЭСАУ на автомобиле способствовало также принятие во многих странах нормативов, ограничивающих токсичность отработавших газов и расход топлива, вызванных нефтяным и экологическим кризисом Соблюдение этих нормативов требует поддержания на большинстве режимов работы двигателя стехиометрического состава топливовоздушной смеси, частичного отключения подачи топлива на режиме принудительного холостого хода, точного и оптимального регулирования момента зажигания и впрыска топлива

Использование ЭСАУ обуславливается необходимостью проведения системного диагностирования, не только с целью проведения ремонта, но и с

иос. НАЦИОНАЛЬНА^ БИБЛИОТЕК\ С.-Пстер^ур. '

—9UL"¿цб QJr

целью контроля выброса вредных веществ и выявления дефектных компонентов системы уполномоченными государственными органами

Отечественная автомобильная промышленность с недавнего времени приступила к активному внедрению ЭСАУ Прототипом многих отечественных разработок явились зарубежные аналоги Так, например, на базе системы Bosch Motronic, появилась отечественная разработка Январь 5 1 В настоящее время на конвейер Волжского автозавода поставляются как отечественные, так и импортные комплектующие ЭСАУ

Применение ЭСАУ на автомобилях при всех своих преимуществах связано со значительными проблемами Одна из них - обеспечение необходимой надежности в процессе эксплуатации ЭСАУ, попадая в сложную по видам воздействия среду, должна сохранять работоспособность и обеспечить заданные режимы работы двигателя Проведение качественного и эффективного контроля ЭСАУ предполагает наличие соответствующих методов и средств технического диагностирования, включая соответствующее программное обеспечение. Особенно важным является знание особенностей иерархии различных протоколов обмена данными

Поскольку каждый автопроизводитель не разглашает протоколы передачи и обмена данными между ЭСАУ и диагностическим сканером с целью реализации собственных концепций сервисного обслуживания, разработка методов и средств технического диагностирования ЭСАУ является актуальной задачей, решение которой позволит легально дешифровать такие протоколы для создания универсальных сканирующих устройств.

Цель работы разработка методов и средства технического

диагностирования ЭСАУ ДВС

Для достижения цели были решены следующие задачи:

- проведены теоретические исследования ЭСАУ ДВС как объекта технического диагностирования;

- разработана экспериментальная установка дешифрации протоколов обмена данными ЭСАУ ДВС и система исследования протоколов диагностического обмена на основе которой создана спецификация обмена данными системы Bosch Motronic М1 5.4 ;

- создана программа для диагностического прибора-сканера и составлена спецификация на реализацию диагностического обмена данными протокола KWP 2000 для системного сканера Bosch KTS550 и информационной системы ESI[tronic] на примере системы Bosch Motronic M1 5 4

Научная новизна

Разработана и проанализирована функционально-логическая модель ЭСАУ ДВС для электронного блока системы зажигания как объекта технического диагностирования, позволившая теоретически обосновать необходимый и достаточный перечень диагностических параметров, режимы диагностирования, условия поиска и локализации неисправностей.

На основе анализа процессов функционирования ЭСАУ и алгоритмов работы электронного блока управления (ЭБУ) выведена аналитическая зависимость взаимосвязи между величинами отклонений структурных параметров ЭБУ.

Разработан принципиально новый метод дешифрации ЭБУ ДВС на основе оценки эмпирических данных протокола обмена данными.

Разработаны и оптимизированы алгоритмы диагностирования ЭСАУ ДВС. Построен универсальный алгоритм поиска неисправностей на примере сервисной информационной системы ESI[tronic] для Bosch Motronic M1 5.4.

Методы исследования

Методика исследований заключается в рассмотрении состояния вопроса по данным литературных источников, в теоретическом исследовании процессов функционирования и алгоритмов работы ЭСАУ ДВС, в анализе схемотехнических и конструктивных построений реальных объектов в экспериментальных исследованиях разработанных методов и средств технического диагностирования ЭСАУ ДВС Экспериментальные данные были получены методом активного эксперимента с использованием методики экспертных оценок Разработка прикладного программного обеспечения системы проводилась с использованием компиляционного метода программного моделирования логических схем.

Достоверность полученных результатов подтверждена сходимостью данных теоретических и экспериментальных исследований и обусловлена доверительным объемом экспериментов, применением современных методов статистической обработки опытных данных и математического моделирования.

Практическая ценность

Разработан программный продукт, позволяющий обеспечивать связь и диагностирование ЭСАУ ДВС современного автомобиля с системой впрыска Motronic 1.5.4.

Разработаны подробные инструкции по поиску неисправностей для сервисной информационной системы ESI[tronic]

Успешное тестирование разработанной методики отмечено внедрением в программный продукт ESI[tronic] Принципиальный подход к алгоритму решения поставленной задачи позволяет использовать разработанный метод как основу дальнейших проектов дешифрации блоков управления автомобилем

Устройство экспериментальной установки дешифрации позволяет применить созданный алгоритм поиска неисправностей для работы с другими ЭСАУДВС.

Реализация работы: Разработанные принципы построения и подход алгоритмического построения нашли отражение в программном продукте Bosch ESI[tronic], выпускаемым концерном Роберт Бош Результаты диссертационной работы легли в основу учебного пособия «Протоколы обмена данными и способы диагностирования ЭСАУДВС» и используются в учебном процессе

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, Инноватика 2004), а также научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ) в 20032006 гг Результаты диссертации одобрены на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ(ГТУ).

На защиту выносится:

критический анализ существующих методик дешифрации протоколов диагностического обмена;

обобщенный алгоритм исследования протоколов диагностического обмена,

электротехнический комплекс - опытная экспериментальная установка дешифрации протоколов обмена данными ЭСАУ ДВС;

спецификация настройки программного обеспечения Motronic 1.5 4; алгоритм функционального теста системы Motronic 15 4. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулирована цель работы, раскрыта научная новизна диссертации, ее теоретическая и практическая значимость

В первой главе диссертации охарактеризовано состояние вопроса технического диагностирования ЭСАУ ДВС, проанализированы постоянно совершенствующиеся системы впрыска ЭСАУ ДВС. Рассмотрена эволюция развития электронных систем, проведен их сравнительный анализ Особое внимание уделено преимуществам систем впрыска Применение ЭСАУ позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов, повысить мощность двигателя, активную безопасность автомобиля, улучшить условия труда водителя

Проанализированы и определены возможности использования рассмотренных методов и средств технического диагностирования изделий электронной техники применительно к электронным блокам ЭСАУ ДВС

Рассмотрена специфика диагностирования электронных блоков и всей ЭСАУ ДВС в условиях эксплуатации ее на автомобиле Проанализированы особенности схемотехнического и конструктивного построения Описаны средства технического диагностирования ЭСАУ ДВС применительно к условиям эксплуатации

На основе анализа существующих средств технического диагностирования ЭСАУ ДВС, результатов практической организации процесса диагностирования определены достоинства и недостатки диагностического оборудования, охарактеризовано состояние диагностического обеспечения ЭСАУ ДВС.

Различные производители автомобилей ограничивают монопольную зависимость от одного поставщика комплектующих и придерживаются концепции нескольких поставщиков Этим обусловлено наличие на рынке широкого спектра различных систем впрыска.

Проанализированы физический и канальный уровни протокола передачи данных для современных систем впрыска Так, в стандарте OBD II физический уровень протокола передачи данных определяется диагностическим разъёмом Приведенные ниже стандарты передачи сигналов по линиям диагностики между собой несовместимы'

- ISO 9141-2;

- SAE J1850 PWM (Pulse Width Modulation);

- SAE J1850 VWP (Variable Pulse Width Modulation);

- CAN ISO 15765-4.

В стандарте ISO 9141 используется передача данных по двум линиям К и L, диагностический обмен данными происходит по линии К, а линия L необходима для инициализации обмена тестером Оборудование ISO 9141 - 2 базируется на UART -универсальном асинхронном приемопередатчике, поддерживаемая скорость передачи данных 10,4 Кбит/с Возможная конфигурация ЭСАУ ДВС при диагностировании представлена на рис 1

Рис 1 Возможная конфигурация ЭСУ ДВС при диагностировании

Показано, что использование протокола J1850 делится на две альтернативные части. Первая - высокоскоростная шина J1850 PWM со скоростью передачи данных 41,6 Кбит/с с широтно-импульсной модуляцией использующая два провода для передачи данных по дифференциальной схеме. Вторая - шина J 1850 VPW со скоростью передачи данных 10,4 Кбит/с , кодированная импульсами переменной длительности и реализованная по однопроводной схеме.

NS

S О р Зетяхжх Замше CRC е 8 Опп данные FR Доп CRC Е ?

IFS Гг.п.г 'r-fiiipinm ffS

Рис 2 Формат кадра J1850

12» и».

Пассивная тогмка символ Г

Актмо-tая логика ошеол Г

Пассивная топжа СИ««*! "С* Рис 3 Символы J1850

126 MC

Arms-iaa логика символ 'О*

На рис 2 приведен формат кадра протокола J1850, а на рис 3 единичные символы того же стандарта

Стандарт OBD II определяет прикладной уровень для проведения комплекса диагностических работ согласно стандарту ISO 15031 (часть 5). Европейским аналогом стандарта OBD II является Е - OBD. Для этого стандарта требуется поддержка протокола Keyword protocol 2000 (KWP2000), описание которого также содержится в общем стандарте диагностирования. Данные стандарты описывают прикладной уровень на основе предоставляемых протоколом для диагностического оборудования так называемых «сервисов». Производителям автомобилей стандартом предоставляется широкая возможность для использования собственной кодировки данных, передаваемых на прикладном уровне, и значения физических параметров которые они описывают.

Рассмотрены теоретические предпосылки обмена данными электронных систем управления Отражены общие вопросы и основные положения по диагностированию ЭСАУ ДВС, к которым, прежде всего, относятся протоколы обмена данными.

Проанализирован стандарт OBD II Показано, что этот стандарт - целая система или комплекс мероприятий, направленных на уменьшение загрязнения окружающей среды современными автомобилями (в первую очередь, конечно, имеется в виду уменьшение выбросов токсичных компонентов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей) Из этих мероприятий можно выделить самые существенные контроль состояния и правильности функционирования двигателя и его системы управления в процессе эксплуатации Кроме того, возможность быстрого обнаружения и устранения неисправностей, так или иначе увеличивающих токсичность отработавших газов (ОГ) автомобиля Это становится возможным только при наличии мощных функций самодиагностики, заложенных в блок управления двигателем (точнее, всем силовым агрегатом, включая коробку переключения передач).

Анализ протоколов обмена определил соответствие производителей автомобилей к различным стандартам. В табл. 1 приведен список использования протоколов на различных автомобилях при диагностировании через разъем OBD II.

Концепция физической реализации последовательного канала передачи данных рассмотрена на примере автомобилей семейства ВАЗ Организация коммутации по линии диагностики K-Line представлена на рис. 4

ISO 9141-2 SAE J1850VPM SAE J1850 PWM

Acura, Audi, BMW, Buick, Cadillac, Ford, Mazda, Mercury

Chevrolet Z28, Chrysler, Citroen, Dodge, Fiat, Ford Probe, Geo Metro, Chevrolet, Dodge, GMC, Isuzu, Jeep,

Honda, Oldsmobile, Pontiac,

Hyundai, Jaguar, Jeep, Kia, Saturn, Toyota

Land Rover, Mazda,

Mercedes Benz, Mini

Cooper, Mitsubishi,

Nissan, Opel, Peugeot,

Renault, Saab, Seat,

Skoda, Subaru, Toyota,

Volkswagen, Volvo

Лада (ВАЗ), Волга (ГАЗ)

Показано, что линия "К" диагностики ЭБУ используется для подключения иммобилайзера Иммобилайзер имеет встроенное реле, которое подключает или отключает колодку диагностики от ЭБУ Если к колодке диагностики не подключен диагностический прибор, то реле размыкает диагностическую цепь, и линия используется для связи ЭБУ и иммобилайзера.

Иммобилайзер

Колодка диагностики Диагностический тестер

Линия "К" диагностики

Электронный блок управления

Рис 4 Организация линии диагностики (K-Line) автомобилей ВАЗ

При подключении диагностического прибора к колодке диагностики, реле замыкает диагностическую цепь, что позволяет производить обмен

информацией между прибором и ЭБУ Однако иммобилайзер имеет приоритет перед диагностическим прибором при работе с ЭБУ, и в случае необходимости прерывает связь ЭБУ с диагностическим прибором (например, для обмена информацией при пуске двигателя).

Отдельное внимание уделено особенности нового поколения диагностических комплексов FSA 720/740 фирмы Бош и современным средствам диагностирования электронных систем управления двигателем Представлен широкий обзор по дилерским и универсальным сканерам

Подробно рассматривается семейство системных тестеров KTS 520/550/650 и программное обеспечение ESI[tronic] с функциями SIS/CAS и CAS[plus]

Анализ показал все многообразие подходов различных автопроизводителей к формированию протоколов обмена данными ЭСАУ ДВС Такое многообразие значительно усложняет создание, как универсального прибора-сканера, так и разработку соответствующего программного обеспечения Для решения поставленной задачи необходимо также исследовать ЭСАУ ДВС и определить количественную взаимосвязь между контролируемыми диагностическими параметрами системы и структурными параметрами функциональных блоков ЭСАУ Также необходимо определить величины отклонений структурных параметров электронного блока управления (ЭБУ), входных параметров сигналов датчиков.

Во второй главе приведены теоретические исследования ЭСАУ как объекта технического диагностирования

ЭСАУ представлена в виде двух функционально связанных подсистем микропроцессорной системы зажигания: подсистема генерации импульса зажигания и подсистема формирования сигнала управления моментом этой генерации. Подсистема генерации импульса зажигания состоит из электронного коммутатора, катушек зажигания со свечами и высоковольтными проводами. Подсистема формирования сигнала управления моментом генерации импульса зажигания состоит из микропроцессорного блока управления, датчиков начала отсчета, угловых импульсов, температуры охлаждающей жидкости, концевого выключателя дроссельной заслонки Эта подсистема дополнительно обеспечивает управление электромагнитным клапаном экономайзера принудительного холостого хода.

Рис 5 Функционально-логическая модель ЭСАУ

1 - датчик начала отсчета, 2 - датчик угловых импульсов, 3 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 4

- концевой выключатель дроссельной заслонки, 5 - датчик разрешения (давления) 6 - формирователь сигнала датчика начала отсчета 7 - формирователь сигнала датчика угловых импульсов, 8 -формирователь сигнала датчика температуры, 9 - формирователь сигнала датчика разрежения, 10 - блок измерения частоты вращения КВД 11 - блок измерения величины разрежения (давления), 12 - блок ПЗУ, 13

- блок управления ЭСАУ 14 - блок вычисления углового положения КВД 15 - блок формирования сигнала выбора каналов, 16 - электронный коммутатор зажигания (I канала) 17 - катушка зажигания (( и 4 цилиндров), 18 -провода и свечи (I и 4 цилиндров),19 - электронный коммутатор зажигания (II канал), 20 -катушка зажигания (2 и 3 цилиндров), 21 - провода и свечи (2 и 3 цилиндров) ЭБУ - электронный блок управления

Анализ процессов функционирования и алгоритмов работы каждой из подсистем позволил разработать диагностическую модель ЭСАУ для микропроцессорной системы зажигания Показано, что в силу аналого-дискретного характера построения ЭСАУ диагностическую модель данной системы зажигания наиболее целесообразно представлять в виде функционально-логической модели (рис.5).

Для обеспечения постановки достоверного диагноза о техническом состоянии ЭСАУ проведены исследования диагностической модели, целью которых являлось определение количественной взаимосвязи между контролируемыми диагностическими параметрами системы и структурными параметрами функциональных блоков ЭСАУ.

Основными выходными параметрами ЭСАУ, являются величина пробивного напряжения, энергия искры, угол опережения зажигания (<р) При

этом значение <р, как следует из функционально-логической модели, целиком формируется в подсистеме формирования сигнала управления моментом генерации импульса зажигания, затем транслируется через электронный коммутатор и катушку зажигания на выход ЭСАУ Пренебрегая изменениями ср за счет задержек, вводимых электронным коммутатором и катушкой зажигания, параметр <р рассматривается как наиболее весомый информационно-диагностический параметр подсистемы формирования сигнала управления генерацией импульса зажигания. Мерой оценки технического состояния указанной подсистемы является величина отклонения (Ар) угла опережения зажигания от своего допустимого значения для соответствующих режимов работы ЭСАУ.

Основным и самым сложным блоком ЭСАУ, формирующим значение <р в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (п), величины разрежения (Р) за дросселем, температуры (Т) охлаждающей жидкости, является ЭБУ

На основе анализа процессов функционирования ЭСАУ и алгоритмов работы ЭБУ выведена аналитическая зависимость взаимосвязи между величинами отклонений структурных параметров ЭБУ, входных параметров сигналов датчиков и значением отклонения Д <р. Данная зависимость представлена выражением (1)'

где /„,- частота сигналов датчика угловых импульсов /„„ - частота сигналов датчика начала отсчета, 1ш>/1>п0,Р0,Т0 - номинальные значения,

=/.-/:. 4/.=/»-/». = ЬР = Р~Р„, М = т-т0, <р„,у=Дп,Г,Т).

Выражение (1) связывает изменение Д<р с величинами отклонений Д/ш, Д/„„, Ап,АР,АТ характеризующих техническое состояние каналов сигнала датчиков угловых импульсов, начала отсчета, блока измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, измерения величины разрежения на пневмо-входе ЭБУ, измерения температуры охлаждающей жидкости и блока вычисления углового положения коленчатого вала двигателя.

С целью выявления воздействия неисправностей на величину и характер изменения д<р в подсистеме формирования сигнала управления генерацией импульса зажигания определены и проанализированы свойства

функциональной зависимости выражения (1) Для обеспечения локализации неисправных каналов и схем измерений, проявляющихся в виде недопустимых отклонений показана возможность регулирования степенью влияния

величин Л/ш, Д/„„, &п,АР,АТ назначение Ар путем задания соответствующих режимов диагностирования, т е. значений п,Р,Т.

Приведены расчеты возможных величин отклонений Д<р для наиболее вероятных неисправностей Для каналов сигнала датчика начала отсчета и угловых импульсов рассмотрены изменения Д<р, связанные с импульсной помехой, наведенной в оригинальной цепи датчика, с неисправностями в схемах формирования этих сигналов, неисправностями самих датчиков и поломкой зубцов на венце маховика двигателя

Показано, что при появлении импульсной помехи в канале сигнала датчика начала отсчета, наведенной в момент генерации высоковольтной искры, величина отклонения для первого и четвертого цилиндров принимает значение А<р = <рпг>, где сра1у - табличное значение угла опережения зажигания для текущих значений п,,Р,,Г,. В канале сигнала датчика угловых импульсов аналогичная ситуация приводит к изменению Д<р = К дискретов угла поворота коленчатого вала двигателя (один дискрет соответствует 180"П , где - Ъ количество зубцов на маховике двигателя). Число К соответствует числу импульсов в "пачке" сигнала помехи, наведенной высоковольтной искрой Изменение скважности сигналов угловых импульсов за счет неисправностей в схемах формирования ЭБУ приводит к изменению Д<р : Др = 180° • Д£?/К2 + Д0,

где Д{? - величина изменения скважности сигнала угловых импульсов

Для локализации неисправных блоков согласно функционально-логической модели ЭСАУ по величине отклонения А<р проанализированы стационарные и динамические режимы работы ЭСАУ. Определены способы и условия задания соответствующих режимов диагностирования.

Показано, что неисправность блока измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя проявляется в величине отклонения Д<р при задании соответствующих режимов п1,Р0,Т„ в которых значения

В этом случае Д<р определяется выражением (2)

т АГ I т

/: (/„л2

где /°,Д/°- опорная частота в МБУ и величина ее отклонения, т -постоянный коэффициент, «(-текущее значение частоты вращения коленчатого вала, выбираемое по таблице ф = /(п,Р,Т) с таким условием, чтобы значение

дфну/ПрИ вариации находилось в диапазоне своей максимальной величины.

Проявление неисправностей блока измерения величины разрежения в А<р определяются аналогичными условиями В этом случае

Ау> =

ЭР

'Лх+Ш)+< Аи(р) + Аи/ ».АК I I О и* <и*)2 )

(3)

где значения п0,Р,,Т0 определяются по таблице зависимости = /(п,Р,Т) согласно условию

У дТ '».А.Т.

дР

= 0.

Для локализации неисправного блока вычисления углового положения коленчатого вала двигателя показана возможность использования специально организуемых динамических изменений тестовых сигналов угловых импульсов и начала отсчета. Для этого вычислены соответствующие величины отклонений и рассмотрены способы реализации динамических режимов. Указанные отклонения А<р определены выражением

/„, =-\2-\£„<1<р + п1

X

На,

(4)

/и, -среднее значение частоты сигналов угловых импульсов при изменении углового положения коленчатого вала на п радиан с положительным ускорением £„,

/и - значение частоты сигналов угловых импульсов в момент измерения значения.

Анализ выражения (4) показал, что при скачкообразном, в г раз (<?„ ->оо)

изменении частоты сигналов угловых импульсов с /ш до г'/ш в соответствующий момент поворота коленчатого вала обеспечивается локализация неисправного блока вычисления углового положения коленчатого вала, при этом мерой оценки его технического состояния служит величина = гДе ЬРт = «%.<"„> ро,то> (''-1) - расчетное значение

величины отклонения, А^ - измеренное значение.

Наличие отказов в ЭБУ, приводящих к отсутствию сигнала управления генерацией импульса зажигания на выходе ЭБУ, полностью исключает возможность получения диагностической информации о возникших неисправностях внутри ЭБУ. Данное обстоятельство является ограничением на применение выражения (1).

В силу этого для диагностирования ЭБУ предложен и обоснован метод с использованием в качестве диагностического сигнала переменной составляющей тока потребления ЭБУ

Экспериментально и теоретически показана возможность определения по осциллограммам моментов времени или углового положения коленчатого вала двигателя, в которые ЭБУ производит измерение частоты вращения, измерение величины разрежения, вычисление углового положения коленчатого вала, соответствующего <рП7у

Анализ осциллограмм определил целесообразность использования переменной составляющей тока потребления в качестве диагностического сигнала ЭБУ.

Третья глава посвящена разработке диагностического комплекса исследования протоколов передачи данных ЭСАУ ДВС и экспериментальном исследовании диагностических параметров. Определена иерархия наследования изменений стандартов и различные уровни взаимодействия диагностирования для протокола К\Л/Р2000 (рис 6). Для проверки адекватности теоретических положений и выводов, полученных при анализе диагностической модели ЭСАУ, реальным результатам проведены экспериментальные исследования диагностических сигналов и их параметров, а также проверка правильности построения разработанных алгоритмов диагностирования

ISO 14229 Road Vehicles-Diagnostic Systems (Международный стандарт)

1вО 14229 Сервисы диагностирования

Реализация

ISO 14230 Keyword Protocol 2000 (Международный стандарт)

»SO 14230-1 Keyword Protocol 2000 Физический уровень

ISO 14230 - 2 Keyword Protocol 2000 Канальный уровень

ISO 14230 -3 Keyword Protocol 2000 Прикладной уровень

100%

совместимость

Наследование и детализация

Keyword Protocol 2000 (Стандарт страны)

ISO 14230-1 Keyword Protocol 2000 Физический уровень

ISO 14230 - 2 Keyword Protocol 2000 Канальный уровень

ISO 14230-3 Keyword Protocol 2000 Прикладной уровень

100%

совместимость

Детализация/Наследование/Полная совместимость

Keyword Protocol 2000 (Стандарт производителя)

Физический уровень базирующийся на стандарте страны

Канальный уровень базирующийся на стандарте страны

Реализация сервисов базирующихся на стандарте страны

Проектно-слецифицированиое наследование

Keyword Protocol 2000 (Спецификация проекта)

Физический уровень

спецификация

проекта

Канальный уровень

спецификация

проекта

Реализация сервисов в спецификации проекта

Рис 6 Наследование протоколов передачи данных

Исследование проводилось с использованием расчетных значений диагностических параметров, полученных по теоретическим зависимостям Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными Организация экспериментальных исследований включала разработку соответствующей методики и экспериментальной установки

Приведена обобщенная схема электронного блока управления двигателем автомобиля Показана схема подключения устройств в диагностическую линию интерфейса, (на примере подключения диагностической шины по стандарту ISO 9141-1) Отдельно описан интерфейс исследования протоколов передачи данных

Для решения задачи автоматизированного исследования диагностических протоколов передачи данных используется программно-аппаратный комплекс, состоящий из устройства (интерфейса) преобразования уровня и формата сигналов и программного модуля для протоколирования обмена и выдачи обратных сигналов (реакций) в диагностическую линию В совокупности этот комплекс позволяет анализировать обмен диагностическими данными по наиболее распространённым на сегодняшний день линиям диагностики:

- стандарт ISO 9141 (линии К и L);

- стандарт ISO 11898 (высокоскоростная шина CAN) и ISO 11519 (низкоскоростная шина CAN),

- стандарт J1850BUS+(VPW/PWM) и J1850BUS-(PWM);

- стандарт RS485 LIN (линии А и В)

Существует несколько аппаратных реализаций устройств интерфейса- HS+ Interface (поддерживает все описанные стандарты);

- HS Interface (предыдущая версия HS+, работа с ISO 9141);

- ISO/SAE Interface (работа с ISO 9141);

- CANcard (карта PCMCIA, работа как устройство шины CAN).

В описании методик исследования протоколов и в описании практической части работы использован прибор с наиболее широкими возможностями - «HS+ Interface» фирмы SAMTEC Схема подключения интерфейса «HS+ Interface» в диагностическую линию показана на рисунке 7

-s^COM

вПК

M

«h

m

CAN H |

m

| CAN L

ECU

вБУ

Рис 7 Схема подключения интерфейса "HS+ Interface"

Управление интерфейсом "HS+ Interface" происходит посредством программного пакета «SamOia». Это интегрированный пакет для сбора и

обработки информации получаемой при анализе данных, передаваемых по диагностическим шинам автомобиля, поддерживаемым аппаратным интерфейсом "HS+ Interface" Благодаря этому пакету возможно осуществление независимой легальной дешифрации сигналов блока управления. В его состав входят различные модули (программы):

- конфигуратор аппаратной части;

- анализатор потока данных (Analyzer);

- эмулятор блока управления (Simulator);

- эмулятор тестера диагностики (Stimulator);

- эмулятор устройства на шине CAN (Bus direct).

Электронный блок управления любой из систем автомобиля подключается к диагностическому прибору по диагностической шине данных Диагностический обмен между тестером и блоками управления осуществляется по принципу запрос-ответ, где опрашивающим устройством является диагностический прибор-сканер, а блок управления формирует ответ исходя из своего текущего состояния. В процессе работы интерфейс анализа протоколов может выступать как пассивное (прослушивающее), так и активное устройство

Определена последовательность мероприятий по исследованию диагностического обмена данными, которую можно разделить на несколько последовательных действий'

- электрическая коммутация линий диагностики ЭБУ автомобиля, эталонного прибора и интерфейса анализа протоколов;

- анализ потока данных между эталонным прибором и ЭБУ автомобиля;

- имитация реакции ЭБУ автомобиля в диагностическом обмене данными с эталонным прибором;

- имитация запросов диагностического прибора в диагностическом обмене данными с ЭБУ автомобиля;

- систематизирование полученной информации и описание диагностического протокола;

- программирование универсального диагностического прибора-сканера на основе полученных данных исследования

Показано, что для подключения к простым линиям диагностики нет необходимости в специальных аппаратных средствах Для удобства доступа к коммутационным соединениям и облегчения возможности перекоммутации проводов, следует подключать все провода в разъём интерфейса анализа протоколов Если в системе используется несколько блоков и исследование проводится в автомобиле или на специальном стенде, то подключение ЭБУ к

интерфейсу производят через диагностический разъём Для подключения в шину CAN необходимо включить функцию конечного сопротивления (CAN termination) в установках интерфейса "HS+ Interface"

На рис 8 показана схема коммутации различных устройств в диагностическую линию интерфейса

Рис 8 Схема подключения устройств в диагностическую линию интерфейса, (на примере подключения диагностической шины по стандарту ISO 9141-1)

1 - персональный компьютер, 2 - «HS+lnterfase» 3 - ЭБУ, 4 - аккумуляторная батарея, 5 - эталонный тестер

В создаваемой схеме необходимо обеспечить коммутацию блоков управления, эталон-тестера и исследовательского интерфейса к линиям питания от 12В до 24В (аккумуляторная батарея) Интерфейс "HS+ Interface" коммутируется с персональным компьютером (ПК) через свободный последовательный порт или порт USB Также имеется возможность подключать интерфейс "HS+ Interface" к ПК через каналы беспроводной связи (Bluetooth), что позволит проводить диагностику автомобиля в движении В диагностическом обмене роль «клиента», принадлежит эталон-тестеру, а роль «сервера» электронному блоку управления.

Для анализа потока данных в диагностической шине исследовательского интерфейса используется программный модуль - Analyzer. Принцип его работы заключается в том, что аппаратная часть исследовательского интерфейса преобразует последовательность сигналов из формата шины (например, стандарт ISO 9141) в последовательность шестнадцатеричных символов, а программный модуль выводит их на экран в виде последовательности сообщений (в режиме фильтрации протокола) или в квантированной по времени последовательности В этом режиме существует возможность определения направления потока по разнице опорных напряжений сигналов и автоматического определения скорости передачи. Данный этап нужен для

исследования протоколов на канальном уровне модели взаимодеиствия открытых систем OSI (Open System Interconnexion) В этом режиме пользователю предлагается анализировать поток сообщений между ЭБУ и эталон-тестером В случае, когда протокол канального уровня неизвестен, формат сообщения определяется эмпирически Данные, полученные на этом этапе, могут быть использованы на следующих этапах как базис для определения протоколов более высокого уровня.

После описания общей картины диагностического обмена и определения основных функций эталон-тестера в диагностике автомобиля необходимо определить, какую информацию несёт в себе тело сообщения Показано, что исследование на этом этапе происходит уже на более высоком уровне модели OSI (на прикладном уровне). В программном модуле взаимодействие с эталон-тестером определяется по схеме «запрос-ответ», где в роли сервера выступает программный интерфейс исследования протоколов, как бы заменяя собой электронный блок управления автомобилем с точки зрения диагностики В программной реализации создаётся таблица вариантов, по которым определяется необходимая реакция на запрос эталон-тестера, которая затем и выдаётся в диагностическую линию. На рис 9 представлена схема выборки варианта ответа на запрос эталон-тестера на этапе эмуляции ЭБУ.

Запрос

Выборка варианта

Запрос 1 Ответ 1

Запрос 2 Ответ 2

Запрос 3 Ответ 3

Запрос N-1 Ответ N-1

ЗапросТ Ответ Т

Ответ

Рис 9 Схема выборки варианта ответа на запрос эталон-тестера на этапе эмуляции ЭБУ

На этом этапе определяется тип и содержание информации в полях данных диагностического протокола, например, скорость вращения двигателя или поле идентификационного номера блока управления. Таким образом, путём последовательного изменения содержания тела кадра мы можем определить по изменению состояния эталон тестера, какой параметр кодируется данным полем данных.

После исследования структуры кадра и информации в теле сообщения определяемыми протоколом диагностирования ЭСАУ ДВС создается схема работы будущего диагностического прибора с точки зрения коммуникации его с

блоком управления автомобиля На данном этапе диалог происходит между ЭСАУ ДВС и программным исследовательским интерфейсом, где блок управления опрашивается заранее заданной последовательностью диагностических сообщений (запросов) В результате определяется правильность формы сообщений и правильность последовательности поступления их в электронный блок управления

Также данный этап предусматривает проверку неизвестных функций диагностического протокола, если таковые не поддерживаются эталон-тестером, те можно запросить у блока управления необходимую информацию и исследовать её происхождение и связь с теми или иными параметрами работы автомобиля

Важным в работе является точное специфицирование исследованного протокола, а именно составление документации, описывающей основные параметры, структуры и константы диагностического протокола

Итогом работы по дешифрации протокола обмена данными между ЭСАУ ДВС и диагностическим прибором, является составление спецификации на соответствующую автомобильную систему В работе описывается обобщенная структура спецификации диагностического протокола

В разделе «Подключение к линии диагностирования» дается описание расположения диагностического разъема в автомобиле и назначение его выводов Раздел «Связи по линии диагностирования» описывает алгоритм установки связи, который содержит информацию для описания последовательности связи с блоком управления и алгоритма ведения обмена данными Раздел «Идентификация блока управления» состоит из алгоритма идентификации блока управления и описания интерпретации идентификационных номеров Раздел «Диагностические коды неисправностей» описывает алгоритм чтения и стирания кодов неисправности из памяти контроллера Описание способа вывода фактических величин через диагностический протокол приведено в разделе «Фактические величины» Алгоритм управления исполнительными механизмами и содержание тестов описывает раздел «Тесты исполнительных механизмов» В разделе «Дополнительные проверки и функции» описываются алгоритмы проведения дополнительных проверок функционирования системы и содержание специализированных функций.

Создание спецификации по разработанному стандарту позволит в будущем избежать разногласий между исследователем и программистом оборудования Результатом работы явилось составление подобной

спецификации для системы Bosch Motronic M1 5 4 , устанавливаемой серийно на автомобили серии ВАЗ Lada-110

Ш S Г................: ; ' ' i

с

ш 3

1

О 20 40 60 80 100

Время, с

Рис 10 Графическая зависимость напряжения сенсора во времени

Оценка осуществляется по нижеприведенным типам вывода данных, полученных с шины диагностики, на экран:

- шестнадцатерично-кодированная последовательность байт;

- открытый текстовый вывод данных;

- графический вывод данных.

Графическое представление изменяющейся переменной позволяет проанализировать переменный параметр в динамике работы автомобиля. Пример графика представлен на рис. 10.

В четвертой главе разработан алгоритм поиска неисправности для сервисной информационной системы Bosch ESI[tronic] для Bosch Motronic M1 5.4 Последовательность действий по проведению исследования протоколов диагностического обмена представлена в разработанной блок-схеме на рис 11

Проверка правильности построения алгоритма диагностирования и поиска неисправностей проводилась на созданном аппаратно-программном комплексе и на автомобиле ВАЗ (Лада-110, Motronic 1.5.4 )

На основе данных диагностического анализа для системы Motronic 1.5.4. была создана программа диагностирования, которая вошла в соответствующее обновление базы диагностируемых блоков управления ESI[tronic] В этом разделе рассматривается алгоритм системного диагностирования с использованием разработанной программы и спецификации для блока управления автомобиля ВАЗ (Лада-111, Motronic 1 5 4.).

Рис 11 Блок-схема обобщенного алгоритма исследования протоколов диагностического обмена данными

Разработана текстовая инструкция по диагностированию, которая после проведения мероприятий по подключению диагностического прибора-сканера к соответствующей розетке диагностируемого автомобиля и последующей инициализации автомобиля, направляет действия диагноста

Разработанный программный продукт позволил обеспечить связь и диагностирование ЭСАУ ДВС для системы Motronic 15 4

Исследование протоколов диагностирования позволяет оперативно реагировать на требования рынка как по созданию или модернизации диагностического оборудования, так и постоянному совершенствованию знаний обслуживающего персонала Решением проблемы поисков неисправностей и ремонта автомобилей может быть создание глобализированной экспертной системы, банка данных по диагностированию, ремонту и обслуживанию автомобилей самых различных марок Также стоит отметить, что ведется постоянная модернизация прибора-сканера, который, работая под управлением подобной экспертной системы, не зависит от марки диагностируемого автомобиля.

Прототипом подобной системы может служить программный пакет ESI[tronic] и диагностический прибор-сканер KTS 550 компании Bosch, для которых и проводится специфицирование всех российских автомобилей с впрысковыми бензиновыми двигателями

Основные результаты и выводы

1 Разработана функционально-логическая диагностическая модель ЭСАУ ДВС на примере микропроцессорной системы зажигания, анализ которой, проведенный методами теории чувствительности, информации и математической логики, позволил теоретически обосновать перечень диагностических параметров, режимы диагностирования, условия поиска и локализации неисправностей

2 Установлена взаимосвязь между изменениями диагностических параметров, неисправностями и режимами диагностирования

3 Определена последовательность мероприятий по исследованию протоколов диагностического обмена данными

4 Проанализированы потоки данных между эталонным прибором и ЭСАУ ДВС и имитированы реакции ЭСАУ ДВС и запросы прибора-сканера в диагностическом обмене данными с эталонным прибором

5. Разработано программное обеспечение для универсального диагностического прибора-сканера на основе полученных данных исследования.

6 Разработана оригинальная экспериментальная установка дешифрации протоколов обмена данными и методика-алгоритм обмена данными для системы Bosch Motronic M1 5.4 Тестирование разработанной методики с помощью опытной экспериментальной установки отмечено внедрением в программный продукт ESIftronic]

7 Алгоритм решения поставленной задачи позволяет использовать разработанный метод как основу дальнейших проектов дешифрации протоколов обмена данными ЭСАУ ДВС.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах-

1 Рузавин Г Е Системный диагностический сканер KTS-650 фирмы Бош / Материалы научно-методических и научно-исследовательских конференций МАДИ (ПГУ).М.2002-2003 гг.

2 Рузавин Г.Е., Ютт М В Предпосылки создания и дальнейшее развитие диагностических протоколов электронных систем автоматического управления автомобилем / Материалы Международной конференции и Российской научной школы.М. Радио и связь.2004 г

3. Ютт В.Е , Рузавин Г Е Анализ протоколов передачи данных ЭСАУ ДВС /Автотракторное электрооборудование, №7 М 2004 г

4 Рузавин Г Е. Сборник научных трудов МАДИ(ГТУ)/Новое поколение диагностических комплексов фирмы Бош FSA720V740 /. «Интегрированные технологии автоматизированного управления».2005 г

5 Ютт В.Е., Рузавин ГЕ. Сервисно-информационное программное обеспечение BOSCH - ESI[tronic] Функция SIS/CAS и CAS[plus] I Электроника и электрооборудование транспорта, №1 М. 2005г

6 Ютт В Е., Рузавин Г Е Диагностический комплекс исследования протоколов передачи данных ЭСАУ ДВС / Электроника и электрооборудование транспорта, №1 М.2006 г

7 Рузавин ГЕ. Сборник научных трудов МАДИ(ГТУ)/Современные средства диагностирования электронных систем управления двигателем Методы и модели автоматизации управления.2006 г.

15 1 в вГ

Подписано в печать 01.06.06 Формат 70x84/16

Печать офсетная Уел печ л 1,52 Уч-изд.л.1,36

Тираж 100 экз. Заказ 278

Типография МАДИ (ГТУ) 125319, Москва, Ленинградский просп , 64

Введение 4 1.ОБЗОР ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ 8 1.1.Основные тенденции развития электронных систем управления ДВС в мировом автомобилестроении 8 1.2.Эволюция, сравнительный анализ, преимущества электронных систем управления двигателем

1.3. Аппаратные средства диагностирования

1.4. Программные средства диагностирования

1.5. Цели и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭСАУ ДВС КАК ОБЪЕКТА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИИЯ

2.1. Разработка диагностической модели ЭСАУ

2.2. Анализ диагностической модели ЭСАУ

2.3. Анализ динамических режимов диагностирования электронного блока управления

2.4. Переменная составляющая тока потребления как диагностическая характеристика ЭБУ

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОТОКОЛОВ ОБМЕНА ДАННЫМИ

3.1.Иерархия документации на диагностирование автомобиля. Эталонное диагностическое оборудование. Электронный блок управления системой

3.2.Исследование диагностических протоколов системы управления двигателем автомобиля

3.3.Анализ потока данных между эталонным прибором и

ЭБУ автомобиля

3.4. Анализатор потока данных Analyser

3.5. Эмулятор блока управления Simulator

3.6. Эмулятор тестера диагностирования Stimulator 111 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПОИСКА

НЕИСПРАВНОСТЕЙ ДЛЯ СЕРВИСНОЙ

ИНФОРМАЦИОННОЙ СИТЕМЫ BOSCH MOTRONIC М1.5.4. 115 4.1. Алгоритм исследования протоколов обмена данными 115 4.2 Алгоритм системного диагностирования на примере системы Motronic М1.5.4.

Одним из приоритетных направлений развития, недавно принятой Правительством Российской Федерации концепции развития автомобильной промышленности России, является: экологическая безопасность и меры по снижению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Так, на первом этапе реализации концепции необходимо оптимизировать конструкцию и технологию изготовления автомобильной техники, упорядочить нормативные требования по экологии и организовать выпуск автомобилей, удовлетворяющих нормам Комитета по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии ООН (ЕВРО-2, ЕВРО-3)[1].

На втором этапе реализации, концепция (до 2008 года) предлагает обеспечить соответствие выпускаемых автомобилей нормам (ЕВРО-4), а на третьем этапе (до 2010 года), осуществить переход на электронное управление работой двигателя и автомобиля в целом.

Принятию концепции предшествовало бурное развитие электроники и микропроцессорной техники, которое привело к широкому внедрению ее на автомобиле, в частности к созданию электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) двигателем- внутреннего сгорания (ДВС), трансмиссией, ходовой частью и дополнительным оборудованием.

Применение ЭСАУ позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов, повысить мощность двигателя, активную безопасность автомобиля, улучшить условия труда водителя.

Посредством ЭСАУ реализуется возможность самодиагностики автомобиля. В процессе работы идёт проверка систем автомобиля, где в случае неисправностей в память контроллера заносятся коды ошибок (Fault codes). Данные параметров, обрабатываемые в ЭСАУ, могут использоваться для выявления неисправностей, а тесты исполнительных механизмов - выявлять неисправные элементы системы.

Разработчики ЭСАУ создали механизмы обмена диагностическими данными между контроллером ЭСАУ и диагностическим прибором - тестером. Обмен диагностическими данными идет по линиям диагностики с использованием протоколов передачи данных.

Протокол передачи данных - это алгоритм взаимодействия двух и более контроллеров ЭСАУ, определяющий последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются контроллер и диагностический тестер. Протокол передачи данных состоит из спецификации алгоритмов и его реализации в виде компьютерной программы.

Также внедрению ЭСАУ на автомобиле способствовало принятие во многих странах нормативов, ограничивающих токсичность отработавших газов и расход топлива, вызванных нефтяным и экологическим кризисом. Соблюдение требований этих нормативов требует поддержания на большинстве режимов работы двигателя стехиометрического состава топливо-воздушной смеси, частичного отключения подачи топлива на режиме принудительного холостого хода, точного и оптимального регулирования момента зажигания и впрыска топлива.

Пионером в законодательной защите окружающей среды явилось - Ведомство по поддержанию чистоты воздуха федерального штата Калифорния (США) (CARB = California Air Research Board), которое с 1970 г. активно разрабатывает законодательные инициативы с целью сокращения содержания вредных веществ в воздухе. В 1975 г. в США был разработан 3-х компонентный катализатор, а в 1988 была введена система самодиагностирования On Board Diagnostics (OBD).

Были повсеместно введены стандарты OBDI (в 1994 году) и OBDII (в 1996 году) в США и EOBD(c 1998 года) на территории Европейского Союза. Несмотря на унификацию списка параметров стандарта OBD, автопроизводители имеют некоторую свободу в выборе протокола, с помощью которого данные передаются на диагностический прибор -сканер.

Отечественная автомобильная промышленность с недавнего времени приступила к активному внедрению ЭСАУ. Прототипом многих отечественных разработок явились зарубежные аналоги. Так, например, на базе системы Bosch Motronic, появилась отечественная разработка Январь 5.1. В настоящее время на конвейер волжского автозавода поставляются как отечественные, так и импортные комплектующие ЭСАУ.

Использование ЭСАУ обуславливается необходимостью проведения системной диагностики, не только с целью проведения ремонта, но и с целью контроля выброса вредных веществ и выявления дефектных компонентов системы уполномоченными государственными органами.

Поскольку каждый автопроизводитель не разглашает протоколы передачи и обмена данных между ЭСАУ и диагностическим сканером с целью реализации собственных концепций сервисного обслуживания, возникает объективная потребность в легальной дешифрации таких протоколов для создания универсальных сканирующих устройств. Историческое развитие протоколов обмена данных ЭСАУ ДВС привело к отсутствию единого диагностического стандарта. При этом автопроизводители постоянно усложняют как конструкцию ДВС, так и внедряют все более новые электронные усовершенствования, требующие дополнительного контроля. Задачей исследования является программирование диагностического прибора-сканера на основе полученных данных исследования.

На базе разработанной методики составлена спецификация на реализацию диагностического обмена данными протокола KWP 2000 для системного сканера Bosch KTS550 и информационной системы ESI[tronic] на примере системы Bosch Motronic М1.5.4. В разработке использовался прибор для анализа протоколов передачи данных для автомобильных систем SamDia фирмы Samtec (Германия).

Для реализации функции SIS/CAS - разработан алгоритм инструкции для сервисной информационной системы SIS ESI[tronic] на примере Bosch Motronic М1.5.4.

1.ОБЗОР ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

1.1.0сновные тенденции развития электронных систем управления ДВС в мировом автомобилестроении

Уже в 1912 году на фирме Бош был дан старт первым испытаниям насосов для непосредственного впрыска топлива.

В 1937 году в серийное производство был запущен первый авиационный двигатель мощностью 1200 л.с. с системой непосредственного впрыска бензина фирмы Бош.

В 1951 году система непосредственного впрыска фирмы Бош была серийно установлена на небольшом автомобиле. Через несколько лет последовал её монтаж на Мерседес 300 SL, серийный спортивный автомобиль фирмы Даймлер -Бенц.

В 1967 году системам непосредственного впрыска топлива удался дальнейший шаг вперед: появилась первая электронная система непосредственного впрыска управляемая давлением во всасывающем трубопроводе -система D - Jetronic

В 1973 году на рынок вышла измеряющая расход воздуха система L - Jetronic, одновременно с системой К -Jetronic, с гидромеханическим управлением, и также с измерением количества воздуха.

В 1979 году была введена новая система: Motronic с цифровой обработкой многих функций двигателя. Эта система объединила L - Jetronic и электронную систему зажигания.

В 1982 году была предложена расширенная версия системы К - Jetronic с электронным регулированием и датчиком кислорода - лямбда-зондом выхлопных газов, получившая обозначение КЕ - Jetronic.

В 1983 году к ним добавилась система Mono-Jetronic: особо благоприятная по соотношению цена/качество, система центрального впрыска, сделавшая возможным оснащение системой Mono-Jetronic также и недорогих автомобилей малого класса.

В 1991 году во всем мире имелось свыше 37 миллионов автомобилей с системами непосредственного впрыска топлива фирмы Бош.

В 1992 году было поставлено 5,6 миллионов систем управления двигателями, из них 2,5 миллиона Mono-Jetronic и Mono-Motronic систем, 2 миллиона систем Motronic.

В настоящее время системы впрыска постоянно совершенствуются. К последним разработкам системы впрыска Motronic, относятся: Motronic М4; М5; ME; MED7; MED9 с функциями OBD.

Различные производители автомобилей ограничивают монопольную зависимость от одного поставщика комплектующих и придерживаются концепции нескольких поставщиков. Этим обусловлено наличие на рынке широкого спектра различных систем впрыска.

Так на автомобилях концерна VAG помимо систем Bosch, устанавливаются системы: Digifant; MPI Hitachi; Bendix-Fenix; MMFD Multipoint; Magneti-Marelli MM; Digijet. Фирма Mitsubishi устанавливает системы: GDI; ECI; EPI. Фирма Honda - PGM-FI. Renault - Renix. Toyota - TCCS/EFI. Opel - GM Multec SPI. На конвейер АВТОВАЗа поставляются системы: GM ISFI-2S; GM EFI-4; Bosch 1.5.4 и отечественный аналог - Январь-5.1. ; Bosch МР7.0 (ЕВРО-3). На АВТОГАЗ соответственно системы: МИКАС 2.3.; МИКАС 7.1.; АВТРОН 2.33 и МКД 2.31.

Применяемые электронные системы автоматического управления двигателем включают системы управления топливоподачей, зажиганием (в бензиновых двигателях), клапанами цилиндров, рециркуляцией отработавших газов. Наибольшее распространение получили первые две системы, которые используются для управления двигателем как самостоятельно, так и совместно. Электронные системы управления зажиганием, устанавливаемые на бензиновых двигателях, позволяют осуществлять гибкое управление углом опережения зажигания и энергией искрообразования, а также могут дополнительно управлять электропневмоклапаном холостого хода (ЭПХХ).

Системы управления клапанами применяются для отключения группы цилиндров с целью экономии топлива и для регулирования фаз газораспределения. Системы управления рециркуляцией отработавших газов обеспечивают возврат во впускной трубопровод потребного количества отработавших газов для смешивания их со свежей горючей смесью.

Кроме того, электронные системы управления облегчают пуск холодного двигателя, уменьшают необходимое время его прогрева перед началом движения. Электронные антиблокировочные (АБС) системы позволяют уменьшить практически в 2 раза тормозной путь автомобиля на скользкой дороге, исключая возможность возникновении заноса, и управлять автомобилем в сложных условиях.

1.2.Эволюция, сравнительный анализ, преимущества электронных систем управления двигателем

Электронные системы управления топливоподачей бензиновых двигателей разделяются на системы впрыска (непосредственно в камеру сгорания или во впускной тракт) и карбюраторные системы с электронным управлением. Они могут быть с программным управлением и с автоматической адаптацией. Системы с непосредственным впрыском практически не применяются из-за сложности их конструкции. Наибольшее распространение получили системы впрыска во впускной тракт. Они разделяются на системы с впрыском в зону впускных клапанов и с центральным впрыском.

Система с впрыском в зону впускных клапанов включает в себя форсунки по числу цилиндров, система с центральным впрыском — одну или две форсунки на весь двигатель. ю

Форсунки в системах с центральным впрыском устанавливаются в специальной смесительной камере, откуда полученная смесь распределяется по цилиндрам. Принцип действия системы автоматического управления карбюратором заключается в изменении проходного сечения главного топливного жиклёра в зависимости от режима работы двигателя.

В системах управления впрыском топлива используется принцип оптимального управления. Этот принцип заключается в том, что в процессе регулирования оценивается влияние управляющего воздействия на эксплуатационные характеристики двигателя и на основании этой оценки формируется управляющий сигнал, обеспечивающий оптимальное значение регулируемого параметра. В качестве оптимизируемых параметров обычно используется расход топлива, токсичность отработавших газов и тяговые характеристики двигателя. Однако добиться одновременной оптимизации этих трех параметров невозможно. Получение максимальной мощности двигателя достигается путем обогащения горючей смеси, а топливная экономичность — путем ее обеднения. Наилучшая очистка отработавших газов от токсичных элементов обеспечивается при составе смеси, близком к стехиометрическому. Поэтому применяемые на практике электронные карбюраторные системы являются программно-адаптивными, входным параметром обратной связи которых служит химический состав отработавших газов.

Назначение карбюратора или системы впрыска -подготовить наилучшую топливовоздушную смесь на любых режимах работы двигателя. В последние годы для смесеобразования применяются в основном системы впрыска, обеспечивающие выполнение требований по экономичности, мощности, безупречные ездовые характеристики и наименьшую токсичность отработавших газов. Впрыск позволяет точнее соизмерять подачу топлива в зависимости от режима и нагрузки двигателя и более гибко реагирует на внешние условия. Смесеобразование при этом регулируется так, чтобы токсичность отработавших газов была незначительной. Одноточечный впрыск

Одноточечный (центральный) впрыск - это элекгронноуправляемая система впрыска, в которой электромагнитная форсунка периодически впрыскивает топливо по оси впускного трубопровода перед дроссельной заслонкой. Системы одноточечного впрыска носят название Mono-Jetronic и Mono-Motronic.

Многоточечный впрыск топлива

Многоточечный (распределенный) впрыск создает условия для оптимальной, по сравнению с одноточечным впрыском, работы системы смесеобразования. В системе многоточечного впрыска каждый цилиндр имеет свою форсунку, которая подаёт топливо непосредственно перед впускным клапаном. Это, например, системы КЕ и L-Jetronic с соответствующими вариантами [2].

Механическая система впрыска

Из механических систем впрыска широкое применение нашла система K-Jetronic. Принцип ее работы: непрерывный впрыск топлива; непосредственное измерение расхода воздуха. Система K-Jetronic является механической системой, которая не требует применения топливного насоса с приводом от двигателя, как у карбюраторных систем. Она осуществляет непрерывное дозирование топлива, нагнетаемого электрическим топливным насосом, пропорционально количеству воздуха, всасываемого при такте впуска.

Так как система производит прямое измерение расхода воздуха, она может учитывать изменения в работе двигателя, что позволяет использовать ее вместе с оборудованием для снижения токсичности отработавших газов.

Электронная система впрыска

Электронноуправляемые системы впрыскивают топливо с помощью электромагнитных форсунок циклического действия. Это, например, системы L-Jetronic, LH-Jetronic и Motronic, как единая система зажигания и впрыска. Особенности различных систем впрыска топлива представлены в таблице 1.1.

Особенности различных систем впрыска Таблица 1.1

Система Особенности

L1 - Jetronic Расходомер воздуха с заслонкой Клапан впрыска с внутренним сопротивлением Ri = 2,4 Ом с дополнительным сопротивлением или с регулируемой по току конечной ступенью усиления. Расходомер воздуха 6 - или 7-контактный, насосный контакт управляет комбинацией реле, которые управляют электрическим топливным насосом

L2 - Jetronic Дигиджет, как специальная разработка завода Фольксваген

LE1 - Jetronic Расходомер воздуха с заслонкой Клапан впрыска с внутренним сопротивлением Ri = 16 Ом Расходомер воздуха 5-контактный, реле управления, отключение подачи топлива (SA)

LE2 - Jetronic Как LE1,c измененными функциями блока управления, управление пуском, отключение подачи топлива с переменными порогами отключения

LU - Jetronic Как LE, но с регулировкой состава смеси

LH2 - Jetronic Расходомер воздуха с нахальным проводом (HLM) как главный орган управления

LH3 - Jetronic Расходомер воздуха с пленочным термоэлементом (HLM) с диагностикой KTS

LH4 - Jetronic Как LH3, с расходомером HLM, измененными функциями блока управления, последовательным впрыском

L3 - Jetronic Расходомер воздуха с заслонкой и встроенным блоком управления

Комбинированная электронно-механическая система впрыска

Система KE-Jetronic создана на основе механической системы K-Jetronic. Она позволяет учесть большое число параметров двигателя посредством элекгронноуправляемых дополнительных функций и точно дозировать топливо на различных режимах. Преимущества систем впрыска

Электронные системы впрыска топлива обеспечивают высокую стабильность параметров и управляют впрыском топлива по сложной характеристике. За счет этого они имеют преимущества перед обычными карбюраторами. К недостаткам этих систем относятся: низкая по сравнению с карбюраторами надежность, необходимость использования квалифицированного персонала для ее обслуживания и ремонта. Кроме того, эти системы, несмотря на сложность устройства, не учитывают индивидуальных особенностей двигателя, изменения его параметров при старении.

К основным преимуществам такой системы также относится:

Снижение расхода топлива.

Сбор информации, необходимой для работы двигателя (например, частота вращения, нагрузка, температура, положение дроссельной заслонки), делает возможным точное согласование системы, как в стационарных, так и в динамических режимах. Благодаря этому двигатель получает ровно столько топлива, сколько ему необходимо.

Увеличение характеристик мощности.

Использование систем К- и L-Jetronic позволяет оптимально выполнить впускной тракт и увеличить крутящий момент за счёт оптимального наполнения цилиндров. В результате достигаются более высокие мощности и оптимальный крутящий момент. Благодаря тому, что замер расхода воздуха и подача топлива при впрыске разделены, при использовании системы Mono-Jetronic достигается повышенная мощность по сравнению с карбюратором вследствие уменьшения дросселирования. Динамичное ускорение.

Системы впрыска реагируют незамедлительно на изменение нагрузки. Это справедливо как для многоточечного, так и для одноточечного впрыска: при многоточечном впрыске топливо подаётся непосредственно к впускному клапану, в результате чего значительно уменьшается пленкообразование. При одноточечном впрыске вследствие движения смеси во впускном коллекторе приходится учитывать образование и испарение пленки на переходных режимах. Соответствующие системы и функции при подаче топлива и смесеобразовании позволяют преодолеть и этот фактор. Улучшение холодного пуска и прогрева двигателя.

Посредством точной дозировки топлива, в зависимости от температуры и пусковой частоты вращения удаётся достичь быстрого пуска и добиться быстрого возрастания частоты вращения до холостого хода. При прогреве за счёт подачи точного количества топлива достигается равномерная работа двигателя и хорошая реакция на увеличение нагрузки при минимально возможном расходе топлива.

Низкотоксичные отработавшие газы.

Концентрация токсичных компонентов находится в прямой зависимости от коэффициента избытка воздуха. Если ставится задача эмиссии возможно меньшего количества вредных веществ двигателем, то возникает необходимость обеспечения определённого коэффициента избытка воздуха в процессе смесеобразования. Системы впрыска обеспечивают требуемую, заранее запрограммированную точность в процессе смесеобразования.

Motronic — название системы управления двигателем, объединяющей функции разомкнутого и замкнутого контуров управления бензиновым двигателем в одном электронном блоке управления. Первая система Motronic была запущена в серию фирмой Bosch в 1979 г. Она в основном выполняла функции электронного впрыскивания топлива и электронного зажигания. С развитием микроэлектроники эффективность системы Motronic все больше возрастала. Шаг за шагом объем функций адаптировался к актуальным требованиям развития двигателей и за счет этого повышалась сложность системы Motronic [4].

Основу первых систем Motronic составляли электронные системы одноточечного впрыска L-Jetronic с дискретным впрыскиванием топлива, а также электронная система зажигания с программным управлением, с распределителем высокого напряжения с вращающимся ротором (ROV). Позднее все еще необходимый для ROV механический распределитель зажигания был заменен электронным зажиганием с так называемым неподвижным распределением зажигания (RUV).

Вначале система Motronic, из-за высокой стоимости, использовалась только в автомобилях высшего класса. Но в связи с требованиями норм по снижению токсичности ОГ эта система получила большое распространение. В настоящее время в новых разработках двигателей используются только системы Motronic от фирмы Bosch.

Варианты системы Motronic

Система Motronic вследствие повышающихся требований к системам автомобиля постоянно совершенствуется. В настоящее время существуют следующие варианты системы Motronic:

•M-Motronic с описанными ранее основными и дополнительными функциями;

•ME-Motronic — на базе M-Motronic с дополнительно интегрированной в нее системой EGAS (электронно-управляемая педаль газа);

• MED-Motronic- дальнейшее развитие системы ME-Motronic за счет введения контура управления непосредственным впрыскиванием топлива (с обратной связью). Существуют также системы Motronic с интегрированным управлением трансмиссией (например, MEG-Motronic). Но они не очень распространены из-за высоких требований к их аппаратной части.

Основные результаты и выводы:

1. Разработана функционально-логическая диагностическая модель ЭСАУ ДВС на примере микропроцессорной системы зажигания, анализ которой, проведенный методами теории чувствительности, информации и математической логики, позволил теоретически обосновать перечень диагностических параметров, режимы диагностирования, условия поиска и локализации неисправностей.

2. Установлена взаимосвязь между изменениями диагностических параметров, неисправностями и режимами диагностирования.

3. Определена последовательность мероприятий по исследованию протоколов диагностического обмена данными.

4. Проанализированы потоки данных между эталонным прибором и ЭБУ автомобиля и имитированы реакции ЭБУ автомобиля и запросы прибора-сканера в диагностическом обмене данными с эталонным прибором.

5. Разработано программное обеспечение для универсального диагностического прибора-сканера на основе полученных данных исследования.

6. Разработан электротехнический комплекс - опытная экспериментальная установка дешифрации и методика-алгоритм обмена данными для системы Bosch Motronic М1.5.4. Тестирование разработанной методики с помощью опытной экспериментальной установки отмечено внедрением в программный продукт ESI[tronic].

7. Алгоритм решения поставленной задачи позволяет использовать разработанный метод как основу дальнейших проектов дешифрации блоков управления автомобилем.

Заключение

Успешное тестирование разработанной методики обмена данными для системы Bosch Motronic М1.5.4 отмечено внедрением в программный продукт ESI[tronic]. Принципиальный подход к алгоритму решения поставленной задачи позволяет использовать разработанный метод как основу дальнейших проектов дешифрации блоков управления автомобилем.

Исследование протоколов диагностики это всего лишь малая часть работы компании по созданию диагностического оборудования. Решением проблемы поисков неисправностей и ремонта автомобилей может быть создание глобализированной экспертной системы, банка данных по диагностике, ремонту и обслуживанию автомобилей самых различных марок. Также стоит отметить, что ведутся разработки для создания унифицированного прибора-сканера, который, работая под управлением подобной экспертной системы, будет не зависим от марки диагностируемого автомобиля.

Прототипом подобной системы может служить программный пакет ESI[tronic] и диагностический прибор-сканер KTS 550 компании Bosch, для которых и проводится специфицирование всех российских автомобилей с впрысковыми бензиновыми двигателями.

1.http://www.bizinvest.ru/biz1027148068.html. Концепция развития автомобильной промышленности России до 2010 года.

2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учебник для вузов. М: Горячая линия-Телеком,2006.

3. Otto Motormanagement.Robert Bosch GmbH. 2003.

4. Otto-Management. Ausgabe 25. Robert Bosch GmbH.2003.

5. Ютт В.Е. и др. Анализ протоколов передачи данных ЭСАУ ДВС/ Автотракторное электрооборудование, №7,2004,стр. 16.6. htpp://www.obdii.com/background.html Описание протоколов обмена данных:

6. Система управления двигателем DFP-2111(1,5 л 8 кл.) с распределенным врыском топлива (контроллер МР7.0 «Bosch»)- СПб, ПетерГранд,2000.-96 с.

7. Рузавин Г.Е.,Ютт М.В.,Предпосылки создания и дальнейшее развитие диагностических протоколов электронных систем автоматического управления автомобилем: Материалы Международной конференции и Российской научной школы,М,:Радио и связь,2004.

8. Рузавин Г.Е. Новое поколение диагностических комплексов фирмы Бош FSA720\740 / Материалы научнометодических и научно-исследовательских конференций МАДИ(ГТУ).М.2003-2004 гг.

9. Системы управления бензиновыми двигателями. Ottomotor-Management. Robert Bosch GmbH. Перевод с немецкого. М.: «Книжное издательство «За рулем»,2005.

10. Э.И.Гитис, И.А.Башмаков, Е.А.Пискунов и др. Имитационное программное моделирование аналого-цифровых преобразователей информации,№3,1994.

11. Добржинский Ю.В., Малышенко Ю.В., Пакет прикладных программ моделирования работы диалого-цифровых устройств на интегральных схемах.- В кн./Диагностирование энергетических и электронных систем, Киев, Наукова думка, 1999.

12. Рудницкая В.П.,Шаршунов С.Г. О стркгурно -функциональном моделировании дискретных устройств. В кн./Логические методы в задачах анализа. Владивосток: 2001.

13. Карибский В.В., Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Техническое диагностирование объектов контроля.М.Энергия, 1999.

14. Хоуп Г. Проектирование цифровых вычислительных устройств на интегральных схемх.М.Форум,2004.

15. Брюханов Н.В. и др. Теория автоматического управления: Учебник для вузов/под ред. Ю.М. Соломенцева. -М.:Высшая школа,1999.

16. Мельников А. А. и др. Обработка частотных временных сигналов. М.:Энергия, 1976.

17. Чижиков Ю.П., Акимов С.В. Справочник по электрооборудованию автомобилей.1. М. Машиностроение, 1994.

18. Акимов С.В. Электрооборудование автомобилей. -М.:Транспорт,1995.

19. Быховский М.П. Чувствительность и динамическая точность систем управления, Электроника и электрооборудование транспорта, №2,2003.

20. Розенвассер Е.П. Общие уравнения чувствительности разрывных систем, Автоматика и теемеханика,№4,1971.

21. Томович Р., Вукобратович М. Общая теория чувствительности. М.:Советское радио, 1972.

22. Норкин К.Б., Сагалов Ю.Э. Точность определения параметров объекта и оптимальное управление. М.Авто-Логос,2001.

23. Синергетическое управление нелинейными электротехническими системами/ под ред. А.С.Клюева.-М.:Испо-Сервис,2000.

24. Система управления двигателем ВАЗ-2121(1,5 л 16 кл) с распределительным последовательным впрыском топлива. М.: «Издательский Дом Третий Рим», 1999.

25. Мельников А.А, Теория автоматического управления техническими объектами автомобилей и тракторов. М.: Издательский центр «Академия»,2003.

26. Ютт В.Е., Гольдштейн О.С. Вишняков В.В. Диагностиование изделий автомобильной электроники. Автомобильная промышленность №2,1986.

27. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.М.Мир,1993.

28. Стандарт ISO 11519-4 «Road vehicles Low-speed serial data communication - Part 4: Class В data communication networkinterface».

29. Ютг В.Е. и др. Диагностический комплекс исследования протоколов передачи данных ЭСАУ ДВС / Электроника и электрооборудование транспорта, №1. М.2006.

30. Ютг В.Е. и др. Сервисно-информационное программное обеспечение BOSCH ESItronic. Функция SIS/CAS и CAS[plus] / Электроника и электрооборудование транспорта, №1. М. 2005.