1. ROZWOJ POKŁADOWYCH SYSTEMÓW DIAGNOSTYCZNYCH OBDIEOBD ORAZ SIECI TRANSMISJI DANYCH
Początkiem rozwoju systemów diagnostyki pokładowej jest okres od końca lat 70. XX w. do 1994 r., w którym wprowadzono układy wtryskwo-zapłonowe, początkowo sterowane mechanicznie, a następnie elektronicznie. Obowiązywał wówczas standard diagnostyki, objęty również modyfikacjami, określany jako OBD I. Rok 1994 jest początkiem wprowadzania normy OBD II. Norma miała 2-letni okres przygotowawczy, w którym diagnostykę pokładową realizowano poprzez moduł kontrolno-pomiarowy silnika ECU [Engine Control Module). Diagnostyka polegała na bieżącym monitorowaniu pracy elementów wykonawczych układu wtryskowo-zapłonowego, czyli czujników oraz samego sterownika. Stwierdzanie niesprawności polegało na przeprowadzeniu testów na zwarcia i przerwy w obwodach, a następnie porównaniu dynamiki otrzymanych wartości sygnałów z wartościami założonymi konstrukcyjnie. Błąd w pracy elementu wykonawczego zapisywany był w pamięci ECU w postaci kodowej DTC (Diagnostic Trouble Codę). Dla kierowcy informacją o błędzie było zaświecenie się lampki kontrolnej na tablicy przyrządów, tzw. lampka Check Engine („sprawdź silnik”). Odczyt kodów błędów polegał na komunikowaniu się drogą przewodową z modułem sterującym za pomocą skanerów (czytników kodów) bądź komputerów PC ze specjalnym oprogramowaniem. Urządzenia te zaliczane do grupy urządzeń diagnostycznych zewnętrznych były i są obecne stosowane w rozbudowanej postaci. Istotne znaczenie miało wówczas dowolne stosowanie przez producentów systemów diagnostycznych, głównie („magistral”) linii elektrycznych oraz logiki transmisji informacji. Producenci tworzyli własne standardy zapisu i interpretacji kodów błędów. Ponadto dane w postaci kodów i ich interpretacji traktowane były jako informacje serwisowe. Reasumując, na początku rozwoju systemów diagnostyki pokładowej pojazdów możliwa była tylko diagnostyka samego systemu wtryskowo-zapłonowego. Niesprawności pojazdu powodujące przekroczenie dopuszczalnych wartości emisji zmązków toksycznych, zużycie reaktora katalitycznego, pojawianie się spalania stukowego (zwiększenie emisji HC) nie były wykrywane. Pojazd uznawany b}d za sprawny. Stosowany system diagnostyki OBD II w istotny sposób usprawnił diagnostykę pojazdów. System został przyjęty przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) 19 lutego 1993 r. w postaci regulacji prawnych, ale dopiero od 1996 r. nałożył na producentów samochodów osobowych oraz dostawczych (Light Dut\- Trucs) obowiązek stosowania się do tej normy w nowo produkowanych pojazdach.
Stąd też od 1996 r. można mówić o uwzględnianiu emisji związków toksycznych w ramach diagnostyki pokładowej oraz stacjonarnej. W zakresie diagnostyki stacjonarnej normalizacji poddano złącza służące do komunikacji ECU z testerami diagnostycznymi.
Do podstawowych zadań OBD II określonych przez EPA należą:
Obowiązek stosowania wprowadzonych regulacji prawnych w zakresie diagnostyki i wykrywania niesprawności pojazdów bezpośrednio po ich zaistnieniu w celu minimalizacji poziomu emisji związków toksycznych,
• istotne skrócenie czasu od wykrycia do usunięcia niesprawności,
• przyspieszenie i ujednolicenie procedur diagnostyczno-naprawczych, w szczególności układów o istotnym znaczeniu dla emisyjności
związków toksycznych: zapłonowych, wtryskowych, zasilania silnika w paliwo, powietrze oraz wylotowych,
• zapewnienie możliwości przechowywania uzyskanych w procesie diagnostycznym informacji o układach samochodu oraz dostęp do tych informacji dla osób (służb) kontrolujących.
Jak wynika z powyższych założeń norma OBDII jest regulacją jakościowo-ilościową ukierunkowaną na emisyjność związków toksycznych, której stwierdzenie jest wynikiem dokonania procedur testowych dla układów wyszczególnionych w założeniach oraz podzespołów tych układów. W tego typu układach diagnostycznych niesprawności sygnalizowane są zaświeceniem lampki kontrolnej MIL [Malfunction Indicatior Light), a usterki, podobnie jak w OBD I, rejestrowane są w pamięci ECU. Według normy OBD II bardzo istotnym zagrożeniem dla środowiska naturalnego jest 50% wzrost emisji związków toksycznych z układu wylotowego bądź zasilania paliwem względem wartości dopuszczalnych, odnoszony dla określonego typu pojazdu.
Podstawowymi regulacjami prawnymi normy OBD II są:
• J1930 – jednolite nazewnictwo (również oznaczenia skrótowe) istotnych dla zagrożeń emisyjnych elementów układów samochodów produkowanych w Stanach Zjednoczonych,
• J1962 – wspólne złącze transmisji danych diagnostycznych (DLC) i jego położenie w samochodzie,
• J1979 – standardowe i wspólne czytniki informacji diagnostycznych [SAE Scan Tool),
• J2190 – informacje diagnostyczne i parametry diagnostyczne charakteryzujące stan układu napędowego oraz wartości nastaw i sygnałów sterujących za pomocą identyfikatorów parametrów PID (Parameter Identificator), określane są mianem trybów pracy systemu diagnostycznego,
• J2012 – ujednolicenie diagnostycznych kodów niesprawności DTC,
• J1850 – transmisja informacji pomiędzy komputerem pokładowym a czytnikiem informacji diagnostycznej oparta na jednolitym protokole.
Europejskim odpowiednikiem OBD II jest norma EOBD stosowana według dyrektywy 98/69 EC od 1 stycznia 2000 r. dla samochodów klasy Ml z silnikami o zapłonie iskrowym. Według regulaminu ECE R83.05 od 29 marca 2001 r. system EOBD wprowadzono we wszystkich krajach europejskich.
W kontekście perspektyw rozwoju systemów diagnostyki, projektem jest norma OBD III będąca według założeń modyfikacją obowiązującej, dokonaną na podstawie analiz i wniosków z jej funkcjonowania.
Norma OBD III ma obejmować kontrolę emisji pojazdów dzięki istniejącej diagnostyce OBD II oraz zapewniać automatyczne powiadamianie odpowiednich służb nadzorujących stan techniczny pojazdów i zagrożenia środowiska naturalnego ze strony motoryzacji. Wdrażanie normy ma być realizowane poprzez stopniową rozbudowę systemu diagnostycznego zespołów podwozia i nadwozia, systemów sygnalizacji poziomu przekroczonej emisji związków toksycznych. Funkcjonowanie normy ma być określone dodatkowymi regulacjami prawnymi nakładającymi obowiązek automatycznego wykrywania i rejestracji w bazach danych pojazdów niesprawnych.
Realizacja zadań stawianych systemom diagnostycznym możliwa jest dzięki połączeniom modułów sterujących poszczególnych układów samochodu w sieci transmisji danych. Podstawową siecią transmisji (kontroli) danych (informacji) przesyłanych pomiędzy modułami jest sieć CAN [Controller Area Network). Etapy rozwoju sieci CAN zestawiono w tabeli 1.
W 1983 r. inżynierowie firmy Bosch dokonali oceny istniejących systemów magistral szeregowych w celu ich ewentualnego wykorzystania w samochodach osobowych. Ponieważ żaden z dostępnych protokołów sieciowych nie spełniał wymogów Automotive Engineers, firma Bosch rozpoczęła w tym samym roku rozwój nowego systemu magistrali szeregowej. W lutym 1986 r. Bosch wprowadził system magistrali szeregowej, który nazwano Controller Area Network (CAN). Obecnie każdy nowy samochód osobowy produkowany w Europie jest wyposażony w kilka rodzajów sieci CAN.
Opracowany wówczas nowy protokół określający rodzaj magistrali miał zapewnić zwiększenie funkcjonalności poprzez redukcję liczby przewodów, tzw. magistrala szeregowa. Pierwszą firmą motoryzacyjną zaangażowaną w projekt był Mercedes-Benz.
W tym samym czasie, czyli w lutym 1986 r. w Detroit powstał i został zaprezentowany przez firmę Bosch nowy system magistrali określany jako Automotive Serial Controller Area Network. Jego koncepcja oparta była na rozbudowanym protokole sieciowym z możliwością dostępu do informacji o najwyższym priorytecie, zapisanych w modułach sterujących trybie rzeczywistym. Protokół ten nie uwzględniał modułu centralnego w postaci magazynu informacji wysyłanych z modułów sterujących pracą poszczególnych układów, tylko rodzaj modułu kontrolującego pracę pozostałych. Wprowadzono również wiele mechanizmów wykrywania błędów w postaci, np.:
• reakcji na błędy poprzez automatyczne odłączenie wadliwych węzłów magistrali, w celu utrzymania komunikacji na pozostałych jej częściach,
• obsługi błędów,
• identyfikacji przesyłanych wiadomości na podstawie ich zawartości, a nie na podstawie nadajnika lub odbiornika,
• określaniu priorytetu wiadomości na podstawie jej „treści”.
W połowie 1987 r. do tego protokołu zastosowano specjalnie opracowany przez Intela układ scalony o oznaczeniu 82526 z przeznaczeniem do modułów kontrolnych.
Po 4 latach zaczęto stosować w tego typu modułach chipy 82C200 firmy Philips Semiconductors. Oba rozwiązania znacząco różniły się w sposobie przyjmowania i filtracji przesyłanych wiadomości. Koncepcja firmy Intel określana jako FullCAN mniej obciąża procesor modułu kontrolnego niż rozwiązanie BasicCAN firmy Philips. FullCAN dysponował jednak ograniczoną możliwością analizy wiadomości odbieranych. Kontrolery wymienionych producentów nie mają zastosowania do współczesnych rozwiązań.
Na początku 1990 r. powstała nowa specyfikacja CAN, Bosch (wersja 2.0). Uwzględniono w niej m.in. sieć Vehicle Area Network (VAN), opracowaną przez producentów samochodów francuskich, a standard ISO 11898 dla CAN z tymi zmianami został opublikowany w listopadzie 1993 r. Standard ten określał również szybkość transmisji danych do 1 Mbit/s pomiędzy modułami i kontrolerem. Jednocześnie normalizacja obejmowała odporność sieci na błędy, regulacje zawarte w normie ISO 11519-2. W 1995 r. standard CAN (norma ISO 11898), został rozszerzony o uzupełnienie w postaci opisu 29-bitowego identyfikatora CAN.
Pomimo że pierwsze standardowe protokoły wyższej warstwy zaczęło stosować większość producentów samochodów, powstała potrzeba opracowania rozwiązania umożliwiającego modułowe podejście w zarządzaniu siecią i wymianie informacji oparte na połączeniu kilku oprogramowań modułów i ich sprzęgnięcia. Prace nad takim rozwiązaniem zapoczątkowano w pierwszych miesiącach 1992 r.
W marcu 1992 r. powstała międzynarodowa grupa CAN in Automation (CiA) zrzeszająca użytkowników i producentów sieci CAN. Grupa ta zaleciła używanie w sieciach CAN tylko modułów (transceiver’ów – urządzeń nadawczo-odbiorczych) z układami scalonymi i procesorami, które są zgodne z ISO 11898. Specyficzne dla niektórych producentów moduły RS485, które były dość powszechnie stosowane w sieci CAN i odbiegały od standardów miały zostać wycofane ze stosowania.
Od 1992 r. Mercedes-Benz zaczął stosować CAN w samochodach osobowych. Z początku elektroniczne jednostki sterujące pracą silnika były połączone za pośrednictwem CAN. W drugim etapie rozszerzono sieć na pozostałe układy, ale poprzez wdrożenie dwóch fizycznie oddzielnych systemów magistrali CAN połączonych przez bramy. Rozwiązania tego typu zaczęli stosować także: BMW, Fiat, Renault, Saab, Volkswagen oraz Volvo.
Przełomem w rozwiązaniach było opracowane na początku 2000 r. przez grupę roboczą ISO oraz ekspertów z branży półprzewodników systemu time – triggered communication (TTCAN). Jego celem było zapewnienie kontroli nad czasem przesyłania wiadomości w pętli zamkniętej oraz stworzenie podstaw do wdrażania systemów x-by-wire. Informacje o czasie zdarzenia oraz o reakcji układu na zdarzenie przesyłane są za pomocą tej samej magistrali.
Obecnie wszyscy światowi producenci samochodów wdrożyli system CAN. Tytułem podsumowania: pionierami rozwoju sieci CAN byli producenci europejscy, co jest przeciwieństwem do rozwoju systemu OBD, który wywodzi się ze Stanów Zjednoczonych.
źródło: Poradnik Serwisowy 4/2010 Pokładowe systemy diagnostyczne OBD I EOBD (część 1)
Urządzenia do diagnostyki OBD i EOBD
motodiagnostyka 