Inovace automotivního systému pro řízení a sběr dat

Úvod

Před půl rokem byla v tomto časopisu popsána aplikace systému pro řízení a sběr dat v automotivní oblasti. Jde o výsledek několikaletého vývoje společnosti Ryston Electronics: modulů vestavného mikropočítače a jeho základní desky připojení a jednotek decentralizovaného systému pro sběr dat, dohled, identifikaci a řízení, používající rozhraní Ethernet s injektovaným napájením (PoE).

Tento systém byl použit v naprosto prozaické aplikaci: identifikace a evidence vysypávaných nádob na komunální odpad (nádoby kolem 120 l a kontejnery 1 000 l) obsluhovaných nákladním automobilem se zvedacím zařízením. Pro identifikaci a vyhodnocování hmotnosti svezeného odpadu byly navrženy moduly vážení a moduly RFID čteček a došlo i k přepracování původní desky propojení – základny pod modulem počítače, pro odrušení a lepší přizpůsobení podmínkám, v nichž bude pracovat.

Výsledkem tohoto přepracování je opět dosti univerzální systém vhodný pro nákladní automobily a jejich účelové nástavby, a to nejen pro výše zmíněnou aplikaci při svozu odpadu, ale i pro další „komunální“ mechanismy, jako myčky, radlice, zametače apod., ale nejen to. Tento systém umožňuje sestavování automatizovaných strojů a pohonů v jiných oblastech dopravy (např. dráhy, lodě) a je nadále schopný růstu a rozšiřování.

Tento článek má za cíl vyjmenovat nejdůležitější vylepšení systému a ukázat to dobré, co je zachováno a k dispozici pro aplikaci.

Napájení a odrušení

Nákladní automobily a také drážní zařízení mají zpravidla palubní napětí 24 V. Toto napětí umožňuje ovládat větší výkony než 12 V u osobních aut, přičemž větší rozměry a hmotnost baterie nejsou problém. Perspektivně se počítá se zvýšením palubního napětí na 42 V, což souvisí s perspektivou přechodu na lithiové baterie a rozvojem elektromobilů. Proto byly zvoleny součástky napáječe tak, aby toto napětí mohly zpracovat. Nástavbový přívod palubního napětí je dimenzován na proud 15 A. Větší proudy musejí být vedeny od baterie samostatnými vodiči s vlastním jištěním.

Obr. 1 Jednotka sběru dat RE-332 – váha

Velkou většinu elektromechanických součástek (solenoidy, motory) menšího příkonu lze ovládat spínači: buď kontakty relé, anebo polovodičovými spínacími prvky. Ve většině aplikací je toto ovládání velmi jednoduché: zap/vyp. Zátěž má zpravidla induktivní charakter (vinutí stykače nebo motoru) a často je zdrojem rušení. Proto byla na základní desce propojení připravena řada výstupů již se základními ochrannými prvky (varistory, ochranné diody) a odrušovacími členy. Jelikož počet ovládaných prvků není pevně určen, byly na základní desku přidány rezervní spínače a je možnost dalšího zvětšení jejich počtu rozšiřovacím modulem.

Stejně tak byly přepracovány a ošetřeny vstupy z čidel. Pro vyhovění stále rostoucím požadavkům na bezpečnost byly připojeny bezpečnostní prvky jako koncová čidla na pohybující se části a spínače „Central STOP“, při jejichž aktivaci (rozpojení okruhu) se stroj ihned zastaví (bez vlivu softwaru). Byly zachovány technologické vstupy přes optoizolátory s možností napájení jak z palubního napětí spojeného s kostrou, tak i z izolovaného zdroje. Signály ze vstupů vedou tak jako předtím do programovatelného logického obvodu FPGA, kde je možno je digitálně odfiltrovat nebo sloučit do logických funkcí (pro žádost o přerušení do procesoru), anebo naprogramovat například čítače polohy z kvadraturních signálů.

Stavebními prvky systému jsou síťové jednotky sběru dat (a dalších funkcí), které mají podobu desek plošných spojů vestavěných do krabiček z odolného plastu či hliníku s krytím až IP65-67 (pro venkovní prostředí, pro ponoření). Jsou připojeny kabely o dvou či čtyřech párech sdělovacích vodičů a napájecím (silovým) kabelem, pokud mají něco ovládat. Pro sběr dat z nepohybujících se dílů stačí kabel typu Cat.5, po němž síťové jednotky současně komunikují se spojovacím centrem (switch, router), přes který jsou připojeny do lokální nebo otevřené sítě (internet) a kterým jsou též napájeny (PoE). Tyto jednotky jsou založeny na síťové variantě procesorů PIC18 a PIC32 výrobce Microchip, které mají implementovány síťové protokoly IP/IPX. Jsou to tedy obecně síťové terminály vyvinuté v několika variantách (např. s čtyřmi sběrnicemi 1-Wire) a schopné dalšího vývoje dle přání uživatele.

Jednotky mají dále až dva reléové spínače pro ovládání různých spotřebičů, volitelně připojitelné rozhraní RFID 125 kHz a konfigurovatelné dvoukanálové analogové rozhraní (AFE) s 24bitovým sigma-delta A/D převodníkem a kompenzačními obvody například pro připojení tenzometrických váhových čidel.

Jelikož se ukázalo, že systém RFID 125 kHz není dostatečně spolehlivý pro čtení tagů ve vzdálenosti až 1 m za různého počasí, a podle dodatečného požadavku zákazníka na kompatibilitu, byly vyvinuty čtečky RFID v pásmu UHF (900 MHz) s potřebným dosahem pomocí modulů Genvict. Tyto čtečky komunikují po sériové lince s diferenciálními rozhraními RS-422. Proto byla na základní desku přidána dvě rozhraní RS-422/485. Tím se sice narušila krása systému propojeného jen Ethernetem, ale toto řešení bylo nejjednodušší a obsluha čtečky je nejrychlejší.

Centrálním prvkem systému je Combi G4x – modul vestavného počítače s operačním systémem reálného času (RTOS Linux), velkou pamětí SDRAM a Flash a procesorem s jádrem ARM926 běžícím nyní na 400 MHz a bohatou výbavovu periferií (včetně pěti sériových linek), kanálů přerušení, DMA a signálů rozhraní jako SPI, I2C, 1-Wire a porty Ethernet a USB2.0 (2× Host pro periferie, 1× Function pro připojení k nadřazenému systému) a dále s programovatelným logickým obvodem FPGA Xilinx Spartan 3.

Díky tomuto obvodu má modul obrovský potenciál pro implementaci či připojení rychlých komunikačních rozhraní, může realizovat řadu funkcí logických obvodů pro komunikaci, kryptografii, aritmetiku, zpracování obrazu atd. Obvod FPGA má část vývodů vyvedených na konektory modulu a současně je připojen k procesoru přes rychlou 32bitovou datovou sběrnici, takže ho procesor vidí jako 2portovou paměť se semafory pro řízení přístupu. Jeden konektor slouží pro připojení budoucí rozšiřovací desky.

Další centrální součástí systému je obvod Tantos 2 od výrobce Lantiq. Má celkem 7 rozhraní, která jsou konfigurovatelná. Tento obvod je inteligentní síťový switch/router s funkcemi umožňujícími aktivní účast procesoru na filtrování, směrování a modifikaci paketů síťového provozu, takže je možno například provádět konverze mezi síťovými protokoly. Přes tento obvod jsou propojeny síťové jednotky pro sběr dat a ovládání a též rozhraní, např. wifi, pro komunikaci vozidla s podnikovou sítí. Nyní je samostatná jednotka Switch řízena a dohlížena (např. napájení po PoE) procesorem PIC32MX se spojením na centrální procesor v modulu Combi. Počet portů lze snadno rozšířit přidáním dalšího obvodu.

Závěr

Současné uspořádání systému RE-332 skládající se ze základní desky s modulem Combi a desky Switch dále rozšiřuje možnosti sestavení distribuovaného systému pro sběr dat a řízení. Je možno zvýšit počet připojených síťových jednotek a využít další rozhraní. Byl zvýšen počet výstupů schopných ovládat mechanismy nástavby a vstupů z čidel, včetně zabezpečení, a byl vylepšen programovací jazyk pro skripty, které na nejvyšší úrovni popisují činnost systému, včetně paralelních činností, větvení, omezeného čekání na událost a cyklů.

Obr. 2 Blokové schéma systému

Do systému byla přidána nová rozhraní, kde je nejdůležitější rychlá obsluha (řízení čteček). Přitom byla zachována modulární a vysoce flexibilní architektura systému, která umožňuje jeho budoucí rozvoj. Většina jeho rozhraní byla vylepšena a zodolněna pro použití v drsném prostředí popelářských vozů. A nakonec, hodně jsme se poučili.

www.ryston.cz