مالتی‌پلکس در خودرو

مقدمه‌ای بر کاربرد شبکه در خودروها

یکی از کلماتی که امروز در حوزه برق و الکترونیک خودرو زیاد شنیده می‌شود، کلمات مالتی‌پلکس و شبکه است. در واقع این دوکلمه جز لاینفک سیستم‌های مدیریت الکترونیکی خودروهای امروزی هستند. اگرچه هنوز بسیاری از خودروهای داخلی از این تکنولوژی بی‌بهره هستند اما عرضه خودروهای جدید و استفاده بیشتر از شبکه در این خودروها نویدبخش شروع خوبی در این حوزه است.
باتوجه‌ به اینکه آشنایی با شبکه و مفاهیم آن بخشی از روند عیب‌یابی خودروهای امروزی است طی سلسله مقالاتی این تکنولوژی کاربردی را معرفی و تشریح خواهد شد. البته تمامی این مفاهیم به‌صورت جزئی و کاربردی در کلاس‌های تخصصی شبکه مطرح می‌شود در این مقاله به مفهوم شبکه و مالتی‌پلکس و دلیل نیاز خودرو‌ها به آن پرداخته می‌شود.

مفهوم شبکه در خودرو چیست و چرا به آن نیازمندیم

بررسی روند تاریخی هر تکنولوژی برای آشنایی بهتر با آن تکنولوژی مفید است به همین دلیل روند تاریخی آغاز استفاده از شبکه در خودرو موردمطالعه قرار می‌گیرد. سیستم‌های الکتریکی خودروها از بدو عرضه خودرو تابه امروز دستخوش تحولات عظیمی شده‌اند. به‌مرور بخش‌های الکتریکی خودرو کامل و تجهیز شدند. سال‌ها بود که سیم‌کشی الکتریکی خودرو از اجزا و تجهیزات کمی تشکیل می‌شد. شکل 1 مدار الکتریکی خودروی مربوطه به دهه 1950 میلادی را نشان می‌دهد.

شکل 1- مدار سیم‌کشی نوع خودرو قدیمی

همانطور که ملاحظه میشود کلیه بخش های الکتریکی خودرو شامل مدار استارت، شارژ ، جرقه روشنایی ،بوق و …همه در یک صفحه به صورت کامل نمایش داده شده است.که نشان دهنده ساده و کم حجم بودن مدار در آن خودرو ها بود. به مرور تجهیزات الکتریکی بیشتر و البته با توان بیشتر روی خودرو ها استفاده شد به این ترتیب مشکل افت جریان به یکی از اتفاقات رایج در مدار تبدیل شد. برای حل این معضل از رله در مدار ها استفاده کردند. (شکل 2) برای آشنایی بیشتر با نحوه عملکرد رله میتوانید به مقاله‌های نحوه عملکرد و عیب یابی رله و تست و بررسی رله فن رادیاتور مراجعه کنید

شکل 2- کاربرد رله در مدار

باتوجه‌به کارآمدی رله در مدار، استفاده از رله در مدارهای مختلف به‌سرعت متداول شد. به‌طوری که تعداد زیادی از مدارها توسط رله کنترل می‌شدند. مانند: رله بوق، رله چراغ، رله‌های فن خنک‌کننده، راه شیشه بالابر رله پمپ‌بنزین، رله برف‌پاک‌کن و غیره. به‌این‌ترتیب تعداد زیادی رله در مدارهای خودرو استفاده شد تا این حد که یک جعبه مخصوص برای قراردادن و منظم کردن رله‌ها در برخی خودروها استفاده شد که به جعبه رله شناخته می‌شود. شکل 3 کاربرد جعبه رله در یک خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 3- جعبه رله‌های استفاده شده در یک خودرو

پس از مدتی جهت افزایش آسایش کاربران این ایده مطرح شد که برخی از وظایف کاربر بر عهده سیستم قرار داده شود؛ بنابراین ضروری بود که واحد کنترل به مدار اضافه شود. اولین واحدهای کنترل در واقع یک رله به همراه یک تایمر بود. به‌عنوان‌مثال اگر قرار بود مدار راهنما یا فلاشر تحت کنترل کامل راننده باشد، راننده مجبور بود مرتباً مدار این چراغ‌ها را قطع و وصل کند تا حالت موردنظر ایجاد شود اما واحد اتوماتیک راهنما یا فلاشر این کار را به‌صورت (مکانیکی یا) الکتریکی انجام می‌دهند. این واحد ساده را می‌توان ساده‌ترین نوع کنترل یونیت (ECU) به‌حساب آورد. شکل 4 اتوماتیک راهنما/فلاشر نوعی خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 4- اتومات فلاشر در نوعی خودرو

به‌تدریج استفاده از کنترل یونیت‌ها در خودروها متداول شدند. از کنترل یونیت‌های بسیار ساده مانند یونیت قفل مرکزی، برف‌پاک‌کن، فن خنک‌کننده موتور تا کنترل یونت های پیچیده مانند کنترل یونیت‌های مدیریت موتور (ECM) یا کنترل یونیت سیستم ABS (HCU) یا کنترل یونیت BSI و غیره. شکل 5 نمونه‌های از کنترل یونیت‌های مختلف را نشان می‌دهد.

شکل 5- چندزمانه کنترل یونیت ECU

هر کنترل یونیت، اطلاعاتی را به روش‌های مختلف دریافت کرده سپس با استفاده از فرایند محاسبه یا مقایسه، فرامینی را صادر می‌کند. شکل 6 این موضوع را نشان می‌دهد.

A: واحد دریافت اطلاعات B: واحد تحلیل و مقایسه اطلاعات C: واحد صدور دستورها
شکل 6- عملکرد کنترل یونیت به‌صورت ساده

امروزه خودروهای کلاس متوسط در دنیا حدود 50 الی 100 کنترل یونیت ساده و پیچیده برای بخش‌ها و مدارهای مختلف خودرو استفاده می‌کنند. شکل 7 نمونه‌ای از کنترل یونیت‌های استفاده شده در خودروهای امروزی را نشان می‌دهد.

شکل 7- نمونه‌ای از کنترل یونیت‌های خودرو

برخی از این واحدهای کنترل الکترونیکی از اطلاعات مشترکی استفاده می‌کنند و یا اطلاعات یک کنترل یونیت برای کنترل یونیت دیگر نیز می‌تواند مورداستفاده قرار گیرد. در ساده‌ترین حالت می‌توان برای هر کنترل یونیت یک مجرای اطلاعاتی مجزا طراحی کرد. به‌عنوان‌مثال در برخی خودروها 3 سنسور اطلاعات دمای آب را به یونیت‌های مختلف ارسال می‌کنند. شکل 8 این موضوع را نشان می‌دهد.

شکل 8- ارسال اطلاعات یکسان توسط 3 سنسور به 3 کنترل یونیت

همانطور که در شکل 8 مشاهده می‌شود. از سه سنسور برای ارسال اطلاعات استفاده شده است که همه دمای مایع خنک‌کننده در نقطه یک نقطه را نشان می‌دهد. به‌جای این کار بهتر است سنسور اطلاعات را به یک یونیت ارسال کرده سپس کنترل یونیت مربوطه، اطلاعات دمای آن را با سایر کنترل یونیت‌ها به اشتراک قرار دهد. شکل 9 این نمونه پیشنهادی را نشان می‌دهد.

شکل 9- نمونه استفاده مشترک از منابع بین کنترل یونیت‌ها

در مدار پیشنهادی شکل 9 عملاً دو سنسور حذف شده است که به کاهش هزینه منجر خواهد شد. بعلاوه اگر بین کنترل یونیت‌ها ارتباطی برقرار شود می‌توان بیش از یک پیام یا داده را جابه‌جا کرد. برای این کار باید تغییراتی در ساختار کنترل یونیت ایجاد شود. به شکل 10 توجه کنید.

شکل 10- کنترل یونیت با قابلیت اتصال به یونیت‌های دیگر

ملاحظه می‌شود بخش دیگری تحت عنوان واحد فرستنده/گیرنده (Transceiver) به کنترل یونیت اضافه شد. این واحد به هدف ارتباط کنترل یونیت با سایر کنترل یونیت‌ها و اشتراک اطلاعات در مجموعه قرار داده می‌شود. زمانی که مبحث ارتباطات بین یونیت‌ها و به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات مطرح می‌شود مفهوم شبکه در خودرو نیز شکل می‌گیرد. به‌صورت خلاصه شبکه در خودرو به معنی ارتباطات بین کنترل یونیت‌ها جهت به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات است.

مالتی‌پلکس و مالتی پلکسینگ در شبکه

همانطور که بیان شد کنترل یونیت‌های زیادی در خودرو استفاده می‌شود و ضروری است برخی از این کنترل یونیت‌ها به هم متصل شوند. این فرایند را می‌توان به صورت‌های مختلف انجام داد. شکل 11 ارتباط دو کنترل یونیت را با یکدیگر نشان می‌دهد.

A: روش سری B: روش موازی
شکل 11- روش‌های انتقال داده‌ها بین دو کنترل یونیت

شکل 11 دو روش اصلی جابه‌جایی اطلاعات بین دو ECU را نشان می‌دهد. در مدل A همه داده‌ها از طریق یک کانال جابه‌جا می‌شوند این روش به روش سری شناخته می‌شود. در مدل B برای هر داده یک کانال مجزا طراحی شده است که به آن روش موازی گفته می‌شود.

اگر از روش موازی برای ارسال و دریافت داده‌ها استفاده شود نیاز به تعداد زیادی کانال ارتباطی است این کار اگرچه ایمنی تبادل اطلاعات را بالا می‌برد اما هزینه ایجاد شبکه نیز به‌شدت افزایش پیدا می‌کند. برای جلوگیری از افزایش هزینه می‌توان از روش سری برای جابه‌جایی اطلاعات استفاده کرد. اگر از روش سری برای به‌اشتراک‌گذاری داده‌ها استفاده شود امکان تداخل پیام‌ها وجود دارد. برای جلوگیری از این اتفاق از نوعی روش مالتی پلکسینگ استفاده می‌شود. شکل 12 این موضوع را به‌صورت ساده نشان می‌دهد.

شکل 12- مفهوم مالتی پلکسینگ در ارتباط سری

یونیت فرستنده اولویت پیام‌ها را مشخص کرده سپس آن‌ها را رمزگذاری (Multiplexing) می‌کند و به ترتیب و پشت‌سرهم روی کانال ارتباطی ارسال می‌کند، یونیت گیرنده پیام‌ها آنها را رمزگشایی کرده (Demultiplexing) و آنها را به ترتیب دریافت اجرا می‌کند. این نوع روش مالتی پلکسینگ را مالتی‌پلکس کردن روی زمان می‌نامند TDM (Time Division Multiplexing). روش‌های دیگری نیز برای مالتی پلکس کردن وجود دارد اما در خودروها از روش مالتی‌پلکس روی زمان برای شبکه در خودرو استفاده می‌شود. شکل 13 اجزا کنترل یونیت موجود در شبکه با ساختار مالتی پلکس روی زمان را نشان می‌دهد.

1-کنترل یونیت (ECU) 2- مالتی پلکسر (Multiplexer) 3- گیرنده/فرستنده (Transceiver) 4- کانال ارتباط (Bus)
شکل 13- اجزا کنترل یونیت موجود در شبکه

بنابراین به‌صورت کلی مالتی پلکس کردن به مفهوم ارسال و دریافت چندین پیام از طریق یک کانال ارتباطی به روش سری است.
در این مقاله به‌صورت بسیار مختصر مفهوم شبکه و مالتی‌پلکس بیان شد. در کلاس‌های عملی زیر نظر متخصصین می‌توانید با مفاهیم کاربردی و شیوه‌های بررسی تشخیص و رفع عیوب آشنا شوید