Reti dati a bordo veicolo Gestione elettronica motore benzina. San Donà di Piave, 7 e 8 Luglio 2014

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1 Reti dati a bordo veicolo Gestione elettronica motore benzina San Donà di Piave, 7 e 8 Luglio 2014

2 Il vostro formatore: Mirko Anile Un giro di tavolo

3 Agenda Giorno 1 Reti trasmissione dati a bordo veicolo Generalità Grandezze e unità di misura in elettronica Elettronica analogica ed elettronica digitale Componenti elettronici fondamentali Scambio dati tra nodi elettronici Analisi reti dati a bordo veicoli Strumenti per il controllo delle reti dati Analisi dei segnali delle reti CAN in avaria

4 Agenda Giorno 2 Gestione elettronica motorizzazioni benzina Breve analisi motorizzazione benzina in esame Misurazioni e prove pratiche su sistema iniezione benzina

5 CHE COSA SONO LE RETI MULTIPLEX? Sono lo scambio di dati basato su sistemi di comunicazione di tipo seriale (ad esempio attraverso un protocollo di comunicazione CAN Controller Area Network) è in tutto e per tuttosimileaduna rete di calcolatoridi un ufficio,rete localeolan LocalAreaNetwork. Rete di trasmissione dati generica

6 PERCHE LE RETI MULTIPLEX? Prendiamo come esempio l informazione relativa alla temperatura motore. In un sistema classico tale informazione viene utilizzata dal sistema di iniezione, dal quadro strumenti e dal sistema raffreddamento motore. P.C.M. Q.S. RAFFR. N.T.C. N.T.C. N.T.C. Tutte queste unità richiedono un sensore e cablaggio specifico ciò nonostante si stia parlando della stessa informazione. Un tale sistema genera la triplicazione di peso e componenti utilizzati.

7 PERCHE LE RETI MULTIPLEX? (segue) Come è possibile vedere in figura, le tre centraline elettroniche per svolgere la loro funzione e comunicare tra di loro, necessitano di una quantità di fili pari al numero di informazioni in entrata/uscita. A B C A - Centralina controllo motore B - Centralina ABS C - Quadro strumenti

8 PERCHE LE RETI MULTIPLEX? (segue) Lo stesso esempio relativo al sensore temperatura motore è riportato di seguito ma questa volta in un sistema dotato di rete multiplex N.T.C. P.C.M. Q.S. RAFFR. La rappresentazione grafica mette in evidenza come le centraline comunichino fra di loro utilizzando una coppia di fili(bus).

9 PERCHE LE RETI MULTIPLEX?(segue) L idea di partenza è semplice e, come ogni cosa che riguardi l ingegneria industriale, dettata più da esigenze economiche che tecniche: la condivisione delle informazioni. Lo sviluppo delle reti CAN consente inoltre di ottenere: 1. Una riduzione delle emissioni inquinanti 2. Un minor ingombro a bordo dell autovettura 3. Dei costi meno elevati di produzione

10 IL SEGNALE ANALOGICO E un segnale la cui variazione avviene con continuità nel tempo.

11 IL SEGNALE DIGITALE E una sequenza di due cifre (0 ed 1) che prende il nome di codice binario. 1 Valore di tensione associato ai 3volt, 5volt, 12volt 0 Valore di tensione associato a 0 volt

12 IL LINGUAGGIO DELLE CENTRALINE Lo scambio di informazioni avviene esclusivamente con segnale digitale, ma l inizio delle comunicazioni nasce da un segnale analogico. Convertitore A/D con Y grandezza generica

13 Per essere convertito in digitale, un segnale analogico deve essere prima campionato e ad ogni campione o tensione viene assegnato un valore numerico binario ovvero una sequenza di 0 ed 1; l operazione viene effettuata per mezzo di un Convertitore Analogico/Digitale Convertitore A/D con Y grandezza generica

14 BIT E BYTE Nella tecnica digitale un impulso elettrico (onda quadra) è chiamato Bit, l unione di otto Bit prende il nome di Byte. Byte Bit

15 BIT E BYTE (segue) Prima di intraprendere lo studio delle reti di trasmissione dati è opportuno dare alcune nozioni sulla natura dei segnali. Ciascunbitpuò valer0od 1ed unraggruppamentodi 8bitcostituisceilbyte. Con8bitsipossonorappresentare2 8 (ovvero2x2x2x2x2x2x2x2=256) cifrediverse. 1 Il prefisso k indica un valore moltiplicato per In informatica 1k si traduce però più correttamente come 1024 ovvero come multiplo del byte.

16 Il protocollo CAN Nel 1987 Intel, in collaborazione con Bosch, realizza il primo microcontrollore dedicato a questo uso. Nel 1991 la International Standard Organization (ISO), approva il protocollo a bassa velocità. Il protocollo CAN diventa lo standard ISO Nel 1992 Mercedes utilizza il CAN per il multiplexing della classe S. Nel 1993 viene pubblicata la norma ISO che definisce come standard il protocollo CAN ad alta velocità (CAN 2.0 parte A). Nel 1995 la norma ISO viene emendata con il protocollo esteso (CAN 2.0 parte B). La SAE (Society of Automotive Engineers) ha classificato i vari standard di trasmissione in tre categorie principali, in base alle velocità di trasmissione e alle funzioni gestite: Rete Bodywork (classe A) bassa velocità (da 32,5 a 62,5 kb/s), poche informazioni, tempo di risposta medio: 100 ms Intersystem multiplexing (classi B/C) media velocità (da 125 a 500 kb/s), poche informazioni, tempo di risposta medio: 10 ms Multiplexing veloce (classe D) medio/alta velocità ( 125 kbs a 1 Mb/s), molte informazioni, tempo di risposta medio: 5 ms

17 Presa di diagnosi 1 (costruttore) 2 (costruttore) 3 (costruttore) 4 Massa veicolo 5 Massa elettronica 6 CAN High 7 ISO K line 8 (costruttore) 9 (costruttore) 10 (costruttore) 11 (costruttore) 12 (costruttore) 13 (costruttore) 14 CAN Low 15 ISO L line 16 Alimentazione +30

18 COMPONENTI FONDAMENTALI IN ELETTRONICA

19 IL DIODO Alimentando il diodo si avrà uno spostamento dei portatori di cariche che vengono spinti verso la zona di giunzione, e se la tensione di alimentazione supera 0,6-0,8V, nella zona di giunzione avverrà una diffusione dei portatori di cariche, creando un passaggio di corrente. A+ K- Schematicamente il simbolo di identificazione è quello che segue. Si identificano due terminaliacuièdatoilnome dianodo (+)ecatodo(-). Nella realtà quello che identifica l anodo dal catodo in un diodo è la strisciolina che viene disegnata sul corpo del diodo che corrisponde al catodo K K K

20 IL DIODO Verso di scorrimento della corrente Comportamento di un diodo quando è sottoposto ad una tensione alternata, la tensione d uscita è priva delle onde negative, bloccate in questo caso dal diodo. A+ K- Tensione in ingresso Tensione in uscita

21 IL DIODO Il diodo Led quando è sottoposto ad una tensione emette luce. Il simbolo elettrico è quello che segue, molto simile a quello del diodo normale, ma in più ha le due frecce che indicano l emissione della luce. Catodo

22 DIODI AD INFRAROSSI Esempio di applicazione di accoppiatori ottici su sensore posizione sterzo per sistema ESP.

23 TRANSISTORI BIPOLARI I transistori bipolari possono avere sostanzialmente due configurazioni, e ciò è determinato dall ordine di giunzione degli strati e possono essere:pnp onpn. In entrambi i casi esistono tre piedini: B = base C = collettore E = emettitore Rappresentazione schematica della struttura dei due tipi di transistori bipolari: B B C N P N E C P N B B C E C B B C E C P E E E

24 TRANSISTORI BIPOLARI Quando l interruttore è aperto la tensione sulla base del transistore è uguale a zero (tensione VBE (base /emettitore) =0) il passaggio di corrente tra il collettore e l emettitore non è possibile, di conseguenza la lampada resterà spenta.. B C E B C C E. Lo stesso circuito appena analizzato ma con l interruttore in posizione ON. Ora con questa configurazione circuitale la tensione esistente tra base ed emettitore (VBE maggiore di 0,7V) permette il passaggio di corrente tra il collettore e l emettitore, tale corrente attraversando la lampada faràsiche siillumini.

25 TRANSISTORI BIPOLARI Nella rappresentazione più semplice il transistor è possibile paragonarlo ad una diga che permette il passaggio di corrente dal collettore all emettitore, solo se è presente un flusso d acqua sulla base, la figura di seguito riportata illustra detto funzionamento: Il transistor per poter funzionare, ha bisogno delle specifiche tensioni e correnti di polarizzazione

26 IL MICROPROCESSORE La funzione del microprocessore (µp) è quella di elaborare le informazioni che gli provengono dai vari sensori(input), per poi creare dei segnali d uscita per i vari attuatori.

27 LA CONVERSIONE DEL SEGNALE Il µp è un componente che lavora solo con segnali digitali, non è in grado di gestire direttamente il segnale proveniente, ad esempio, dal sensore temperatura acqua. Per questo motivo, tra il µp e il sensore vi è un altro dispositivo elettronico chiamato convertitore A/D (analogico/digitale). Questo trasforma il segnale analogico del sensore temperatura motore in una sequenza ordinata di 1 e 0, affinché il µp possa elaborare tale informazione. N TC A D µp Power µp D A Iniettore

28 STRUTTURA GERARCHICA DI UNA RETE Master = ha la precedenza di comunicazione ed il compito di risvegliare tutte le centraline in fase di alimentazione. Tutte le altre centraline sono, invece, delle Slave. Slave = centraline con diversi gradi di asservimento; nel caso di un avaria di una centralina master, una delle slave può assumere funzione di master (es. in casa Fiat è il quadro strumentazione a) master-slave b) multimaster c) multimastermultislave

29 Collegamento delle centraline Parallelo ecu ecu ecu Serie ecu ecu ecu

30 I MESSAGGI DI COMUNICAZIONE Attraverso l identificatore del messaggio ciascun nodo è in grado di discriminare se l informazione in quel momento transitante è di sua utilità o meno. Protocollo CAN 2.0 A -Identificatore a 11 bit

31 I MESSAGGI DI COMUNICAZIONE (segue) Protocollo CAN 2.0 B -Identificatore a 29 bit

32 ARBITRAGGIO E una fase della comunicazione tra le centraline, in cui vengono gestite senza ambiguità le priorità nella trasmissione e ricezione dei messaggi. Il protocollo CAN per decidere quale nodo deve avere la priorità nella trasmissione, adotta un metodo di arbitraggio di tipo Bitwise. Con questo meccanismo di pilotaggio ogni nodo della rete che inizia a trasmettere il messaggio è in grado di riconoscere, leggendo lo stato del Bus, se altri nodi con l identificatore a più elevata priorità, hanno contemporaneamente iniziato la trasmissione. Un nodo che perde l arbitraggio prova a ritrasmettere il proprio messaggio appena il Bus si libera nuovamente.

33 RETE C CAN È uno standard molto utilizzato nelle reti presenti a bordo dei veicoli. Le caratteristiche principali sono l utilizzo di due fili di collegamento per le varie centraline rigorosamente intrecciati. Non è un tipo di rete fault tolerant, la massima velocità di trasferimento dati è 1Mbits/s (nelle automobili la velocità effettivamente utilizzata si attesta a 500kbits/s). NON E IMPORTANTE LA CONOSCENZA DI CIASCUN BIT DI TALE PACCHETTO DATI, MA CHE ESSO SIA SPECULARE TRA UN CANALE EL ALTRO. Segnale su rete C-CAN efficiente

34 RETE C CAN(segue) Nella slide precedente si fa riferimento alla massima velocità di trasmissioni dati di questo tipo di rete. A tal proposito si ricorda che questa è influenzata dalla lunghezza del bus (dei cavi di collegamento delle centraline). E.C.U. E.C.U. 0.3 mt 120 OHM 120 OHM 40 mt

35 RETE C CAN(segue) Per una verifica dell integrità del Bus C CAN con un multimetro in Ohm si deve trovare quanto segue (con una tolleranza del 20% sui valori resistivi): Riferimento Fiat

36 PROBLEMATICHE RETE C CAN La rete C CAN non è in grado di funzionare nei seguenti casi: 1. CAN H in corto verso l alimentazione 2. CAN H in corto verso massa 3. CAN H interrotto 4. CAN L in corto verso l alimentazione 5. CAN L in corto verso massa 6. CAN L interrotto 7. Corto circuito tra CAN H e CAN L Un corto circuito oppure una condizione di circuito interrotto si traduce in una perdita di Informazione sulla rete CAN.

37 PROBLEMATICHE RETE C CAN(segue) Segue un esempio di filtraggio di un segnale affetto da disturbi elettrici. Se ad esempio su CAN H in un certo istante il segnale presente è di 1,5v, ovvero a livello basso, o zero logico, se gli viene sommato il disturbo di 4 v si ha un valore di uscita di 5,5 v, e potrebbe essere interpretato come un 1 logico. Segnale filtrato

38 RETE B CAN Anche tale rete si avvale di una coppia di conduttori intrecciati (twistati) ed è utilizzata prevalentemente per le funzioni di carrozzeria ed in tutte quelle applicazioni dove è prevista una discreta velocità ma soprattutto dove può esserci la possibilità di trasmettere informazioni anche con supporto in parziale avaria. Tale rete viene adoperata per la trasmissione e ricezione di messaggi non critici a media velocità (tipicamente 50kbit/s) è in grado di continuare a trasmettere e ricevere anche in casodi avariadi unodei due conduttori.

39 LINEA DI RECOVERY W Si ricorda che l avviamento del veicolo avviene soltanto dopo l avvenuto scambio di codici tra chiave di accensione, body computer e centralina controllo motore. Essendo tale codice trasmesso su linea CAN si comprende come, in caso di avaria del bus sia impossibile l avviamento del veicolo stesso. Per ovviare a tale problema, in alcuni veicoli è prevista una linea di comunicazione aggiuntiva che si attiva solo in caso di avviamento al momento del riconoscimento dell anomalia della rete principale. Tale lineaviene spessoindicataconlaletterawedèuna lineaserialemonofilare.

40 RETE LIN È un bus dati mono filo ed è nato (anno 00) a seguito della creazione di un consorzio formato da Costruttori di auto come Audi, BMW, Daimler Chrysler, Volvo, Volkswagen. Il semplice schema che segue mostra una reale configurazione (anche se parziale) di una vettura moderna.

41 Alternatore RETE LIN(segue) millisecondi

42 Alternatore RETE LIN(segue) BATTERIA LIN CENTRALINA MOTORE MOTORINO D AVVIAMENTO ALTERNATORE SMART CHARGE: la funzione di regolazione della tensione spetta sempre all alternatore, ma il valore di tensione da raggiungere è calcolato dalla centralina motore e comunicato via LIN al regolatore di tensione dell alternatore stesso.

43 Presa diagnosi Architettura FIAT

44 Architettura FIAT La vettura adotta un'architettura denominata "Small 3. Questa struttura controlla direttamente tutte le funzioni di carrozzeria (accesso, visibilità, computer di bordo, comfort, ecc.) e dialoga con i diversi sistemi telaio e motore. Si hanno complessivamente due reti di comunicazione bifilari di tipo CAN e una rete unifilare di tipo LIN. La rete CAN si divide in C-CAN, per il controllo motore e dinamico della vettura, ed una B-CAN per le funzioni di carrozzeria Le due reti C-CAN e B-CAN sono fisicamente separate tra loro, ma possono interfacciarsi grazie al nodo Body Computer, considerato nodo MASTER per le due reti, nonché GATEWAY, tale da permettere il trasferimento di informazioni/dati da una rete all'altra. Velocità trasmissione B-CAN = 50 Kbit/sec Velocità trasmissione C-CAN = 500 Kbit/sec Velocità trasmissione LIN = 19,2 Kbit/sec

45 Architettura FIAT B-CAN C-CAN LIN

46 B-CAN Architettura FIAT La rete B-CAN è una rete a bassa velocità per le funzioni di carrozzeria. Utilizza due cavi da 0.35 mm 2, uno bianco e uno blu.

47 B-CAN Architettura FIAT Quadro Motore Oscilloscopio can. A (blu) Filo rosso Filo nero On Off Volt d.c. pin 1 presa eobd massa Quadro Motore Oscilloscopio can. B (rosso) Filo rosso Filo nero On Off Volt d.c. pin 9 presa eobd massa

48 C-CAN Architettura FIAT La rete C-CAN è la rete ad alta velocità, per le comunicazioni tra i componenti preposti al controllo dinamico del veicolo. E' costituita da 2 cavi intrecciati da 0.35 mm 2, uno Verde (CAN H) ed uno Marrone (CAN L).

49 C-CAN Architettura FIAT Quadro Motore Oscilloscopio can. A (blu) Filo rosso Filo nero On Off Volt d.c. pin 14 presa eobd massa Quadro Motore Oscilloscopio can. B (rosso) Filo rosso Filo nero On Off Volt d.c. pin 6 presa eobd massa

50 Architettura FIAT Linea LIN (Local Interconnect Network) La linea di comunicazione di tipo LIN gestisce le funzioni del sistema Start&Stop e, nelle versioni con alternatore intelligente, il carico ed il tipo di lavoro dell alternatore stesso.

51 Architettura VW GOLF VI Bus dati CAN propulsione/trasmissione Bus dati CAN comfort Bus dati CAN infotainment Bus dati CAN quadro strumenti Bus dati CAN diagnosi 500 kbit/s 100 kbit/s 100 kbit/s 500 kbit/s 500 kbit/s Sotto sistema del bus dati CAN: Bus dati LIN 19,2 kbit/s Bus dati CAN fari direzionali 500 kbit/s

52 GOLF VI Architettura VW CAN diagnosi DLC.. motore Linea CAN propulsione/trasmissione.... sospensioni Cambio.. autom... 4 motion ABS/ESP quadro.. gateway fari Linea CAN parcheggio sterzo Linea CAN Comfort SX fari direzionali Linea CAN.. clima DX airbag Comandi volante.. rimorchio Linea LIN Reg. sedili

53 Architettura VW GOLF VI... gateway Radio/gps Antenna tv Porta.... Porta. Linea CAN guida Comfort Impianto. audio... Porta passeggero Porta Tuner Linea LIN.. radio Sirena Risc. tergi Pioggia/luce. antif. Suppl. Antifurto volumetrico Linea CAN telefono bussola infotainment Inclin.veico lo Rete di bordo

54 Architettura FORD Fiesta VI A (verde) B (rosso) C (blu) D MS-CAN (Medium Speed) - sistemi multimediali MS-CAN elettronica generale HS-CAN (High Speed) Resistenze di terminazione 1 Sensore pioggia (via LIN, Local Interconnect Network) 2 Audio 3 Comandi al volante / Bluetooth / Controllo vocale 4 GEM (Generic Electronic Module) 5 Pannello controllo sistema audio (via LIN) 6 Display multifunzione 7 Bloccasterzo elettronico, solo per sistema keyless (senza chiave) 8 Ricevitore radio-frequenze, solo per sistema keyless (senza chiave) 9 Modulo veicolo keyless 10 Centralina clima automatico (EATC) 11 Quadro strumenti 12 Centralina airbag (RCM, Restraints Control Module) MS-CAN (elettronica generale) 13 Presa diagnosi DLC (Data Link Connector) 14 Alternatore (via LIN) 15 Centralina motore (PCM, Power Control Module) MS-CAN (sistemi multimediali) 16 Modulo ABS/ESP 17 Modulo sterzo elettrico 18 Modulo controllo trasmissione (TCM) HS-CAN 19 Sensore imbardata e accelerazione laterale

55 Architettura FORD Fiesta VI MS-CAN (elettronica generale) MS-CAN (sistemi multimediali) HS-CAN DISPLAY MULTIFUNZIONE QUADRO STRUMENTI I gateway di comunicazione tra le diverse linee CAN sono: Il Quadro strumenti tra HS-CAN e MS-CAN/elettronica generale Il Display multifunzione tra MS-CAN/elettronica generale e MS-CAN/sistemi multimediali

56 Architettura FORD Fiesta VI Ogni linea CAN è contenuta tra da due resistenze di terminazione, essendo tre diverse linee CAN, abbiamo in totale sei resistenze di terminazione, distribuite come segue: HS-CAN: una nella centralina motore e una nel quadro strumenti MS-CAN elettronica generale: una nel quadro strumenti e una nella GEM MS-CAN sistemi multimediali: una nell unità audio e una nel display multifunzione 3 6 Le resistenze di terminazione sono connesse tra di loro in parallelo ed hanno ciascuna un valore di resistenza pari a 120Ω. Dalla presa di diagnosi (alla sinistra del volante, in basso) è possibile misurare il totale delle resistenze della MS-CAN elettronica generale a HS-CAN. Il totale di ciascuna linea è di 60Ω. Per effettuare tali misure ci si riferisce ai pin: 3 e 11 per la MS-CAN elettronica generale 6 e 14 per la HS-CAN 11 14

57 Giorno 2 Gestione elettronica motorizzazioni benzina Breve analisi motorizzazione benzina in esame Misurazioni e prove pratiche su sistema iniezione benzina

58 Circuito di aspirazione Gestione motore 1. Presa aria aspirazione 2. Manicotto di recupero vapori olio 3. Collettore di aspirazione 4. Sensore pressione - temperatura aria 5. Corpo farfallato

59 Gestione motore Motore 1.2 bz 1.4 bz Alesaggio (mm) 70,8 72 Corsa (mm) 78,86 84 Cilindrata totale (mm³) Coppia (kgm) 10,4 13,4 Coppia (Nm) Regime coppia massima (giri/min) Potenza massima (kw) Potenza massima (CV) Regime potenza massima (giri/min) Rapporto di compressione 11,1 ± 0,2 10,8 ± 0,2

60 Giro cinghia distribuzione Gestione motore Puleggia albero a camme con variatore di fase Pompa acqua Tenditore automatico Puleggia albero motore

61 Variatore di fase Gestione motore è installato direttamente sull albero a camme funziona con la pressione idraulica dell olio motore è gestito dalla centralina attraverso un apposita elettrovalvola. 1. Puleggia dentata albero a camme 2. Tamburo 3. Vano di anticipo 4. Vano di ritardo Rotore 6. Segmenti di tenuta 1 7. Elettrovalvola a cassetto 8. Ritorno olio Entrata olio

62 Variatore di fase Gestione motore Fronte Retro

63 Variatore di fase Gestione motore Piastra frontale chiusura camere Molla Perno di blocco Nucleo molla con calettatura

64 Variatore di fase Gestione motore Rotore Perno di blocco Piastra frontale chiusura camere

65 Variatore di fase Gestione motore

66 Variatore di fase Gestione motore Paletta con molla di spinta Foro immissione olio camere

67 Variatore di fase Gestione motore Filtrin o O-ring l elettrovalvola viene alimentata con 12 V è comandata dalla centralina tramite segnale in duty cycle (PWM)

68 Presa diagnosi Gestione motore Si trova al di sopra del bodycomputer È possibile la diagnosi di tutti i nodi elettronici appartenenti sia alla linea B-CAN che alla linea veloce C-CAN: non esistono più le linee dedicate K seriale.

69 Presa diagnosi Gestione motore Pin Funzione Pin Funzione 1 B-CAN B 9 B-CAN A 2 N.C. 10 N.C. 3 N.C. 11 N.C. 4 Riferimento di massa 12 N.C. 5 Riferimento di massa 13 N.C. 6 C-CAN H 14 C-CAN L 7 N.C. 15 N.C. 8 N.C da F01