Оптические шины и разъемы для автомобилей
Автомобильная электроника, получившая большое развитие в последние годы, требует быстрой и надежной передачи больших масивов информации. Для этой цели была разработана оптическая система MOST (Media Oriented System Transport) (1-4). В создании концепции построения этой системы и компонентов для нее принимали участие специалисты концерна Tyco Electronics. Система MOST успешно прошла испытание, и в компании AMP уже появились разделы, в которых можно найти параметры разъемов системы.
Основные элементы электронной системы автомобиля показаны на рис.1. Объем и вид передаваемых данных зависят от сложности применяемого в автомобиле оборудования и от его функционального назначения (управление, регулирование, коммуникация или развлечения).
Компоненты системы быстрого регулирования (например, мотора или привода) связаны друг с другом шиной CAN (CAN C на рис.1). В этой шине передаются электрические сигналы, и для шины используются медные провода.
В системе коммуникации осуществляется однонаправленная передача данных, например, прием радиосигналов (АМ/ЧМ), телевизионных данных (DAB) и навигации (GPS) и двунаправленная телефонная связь (GSM).
Тип шины | CAN B | CAN C | D2B | MOST |
Скорость передачи, Мбит/c | 0,125 | 1,0 | 5,6 | 24,8 |
Тип данных | Управление | Управление, регулирование | Управление, аудио | Управление, аудио, видео |
Носитель | Шина ISO 11519 2 | Шина ISO 11898 | Оптоволокно | Оптоволокно |
Средства передачи | Витая пара, параллельные провода | Витая пара, параллельные провода | Искусственное оптоволокно | Искусственное оптоволокно |
Электроника до недавнего времени состояла из магнитолы, проигрывателя лазерных дисков, системы навигации и телематики. В настоящее время наряду с классической радиостанцией она включает автотелефон, экран системы GPS, элементы обслуживания и недавно созданную систему речевого оповещения. В дальнейшем предполагается ввести новые модули, которые позволят использовать одновременно несколько подсистем (рис.1). Все элементы систем быстрого регулирования, управления, коммуникации, развлечений и речевого оповещения связаны шиной. Быстро возрастающие функциональные возможности всех подсистем требуют увеличения производительности шины. Требуемые скорости передачи информации приведены в таблице.
На основании этой таблицы можно сделать вывод, что традиционные шины, использующие медные провода, не удовлетворяют современным требованиям и необходимы переносчики информации с более высокими скоростями передачи.
С современной точки зрения, общесистемная шина в автомобилях должна строиться на основе оптической линии. Кроме более высокой производительности оптическая линия обеспечивает хорошую электромагнитную совместимость.
Для исследования возможности построения оптических систем и внедрения их в серийное производство, консорциум фирм при участии Tyco Electronics AMP спроектировал шину D2B. Впервые эта шина была применена в новом S-классе автомобилей фирмы DaimlerChrysler. Шина объединила одну систему радио и навигационную систему, усилитель, CD-плеер, голосовую систему оповещения и автотелефон. Для передачи данных использована оптоволоконная линия. Скорость передачи данных в шине D2B около 5,6 Мбит/с.
Структура MOST-системы
Система MOST является продукцией международного автомобилестроительного консорциума. Топологической структурой системы является кольцо (рис.2). Световые сигналы проходят по световодной линии от одного прибора к другому.
В каждом приборе принятые световые сигналы преобразуются в электрические, обрабатываются МОST-процессором и снова преобразуются в световые с помощью светодиода. Скорость передачи данных равна 24,8 Мбит/с. На основании опытных испытаний было установлено, что система должна обладать следующими свойствами:
- система должна иметь центральные системные часы, которые обеспечивают тактирование шины;
- должна быть предусмотрена возможность модернизации системы (plug and play), то есть подключение нового или исключение одного из имеющихся приборов;
- должны быть MOST-спецификаторы, которые компенсируют небольшие различия сигналов между узлами системы;
- каждый прибор имеет доступ к шине в любое время.
Требование к оптическим компонентов
Для обеспечения высокой надежности оптические разъемы должны удовлетворять требованиям, которые предъявляются к электрическим разъемам:
- фиксация проводов в разъемах должна выдерживать максимальную силу на разъединение 60 Н без повреждения.
- допустимый температурный диапазон должен быть от –40 до +85 °С при влажности воздуха 95%.
- разъемы должны выдерживать заданные климатические, вибрационные и шоковые нагрузки.
Кроме того, для оптических систем обязательным является требование, чтобы потребляемая мощность была равна разности мощности передатчика и чувствительности приемника. В процессе эксплуатации могут возникать царапины на оптической поверхности, появляться пленки вследствие воздействия дыма сигарет и выхода газа из пластмасс, а также появляться наслоения пыли и т.д. Поэтому у передатчиков должны быть предусмотрены регулировки для компенсации воздействия отрицательных факторов. Компания Tyco Electronics AMP разработала компоненты для MOST-систем, которые удовлетворяют этим требованиям.
Компоненты MOST-системы
Первым, наиболее сложным элементом MOST-системы является MOST-процессор и программное обеспечение к нему. Вторым элементом является шина данных. При разработке требований к шине следует учитывать большое отличие соединяемых элементов друг от друга. Третьим элементом MOST-системы является система связи. Она включает привязку волоконно-оптического передатчика (FOT) к MOST-процессору, привязку световода к FOT и разъемы в каждом приборе, муфты и сами световодные провода. Основные элементы системы связи MOST-системы показаны на рис.3.
Привязка приборов к световодным линиям
Для привязки приборов к световодным линиям Tyco Electronics AMP разрабатывает изделия, которые предусматривают возможность вставки новых элементов. Имеются разъемы для одной и двух световодных линий, которые вследствие их специальной формы обозначаются Pigtail (рис.4). Основанием для разделения оптических разъемов от элементов подключения с электрооптическими преобразователями послужила возможность более эффективной защиты от электромагнитных воздействий, взаимозаменяемость передающих и приемных элементов и более эффективная защита оптической поверхности. Для особых случаев имеются в продаже интегральные элементы Pigtail, которые согласованы с действующими приборами. Они компактны и взаимозаменяемы. Передающие и приемные элементы функциональных модулей MOST-системы состоят из микросхемы CMOS и одного высокоскоростного pin-диода. Скорость передачи этих элементов может достигать 25 Мбит/c.
Стандартные модули
Для привязки приборов к MOST-шине имеется полный ассортимент модулей (рис.5), имеющих 2 или 4 оптических разъема и 12, 20 или 40 электрических контактов. Все компоненты соответствуют установленным MOST-консорциумом требованиям и имеют соответствующие оптические, электрические и механические параметры.
Испытания показали, что может быть гарантирована хорошая защита оптических поверхностей, а также приборных и кабельных разъемов.
Сцепляющие муфты
Для подключения новых приборов к MOST-шине, для связи кабельным жгутом, а также для сервиса необходимы оптические сцепляющие муфты. Разработаны однополюсные и двухполюсные варианты муфт. Они совместимы с двухполюсными разъемами описанных выше модулей в соответствии с установками MOST-консорциума.
Световодные провода
Для MOST-шины на основе испытаний предшествующей системы D2B было разработано новое оптическое волокно. Оно имеет повышенную эластичность, устойчиво к возгоранию, воздействию давления и не меняет прозрачность. Специальная внутренняя оболочка гарантирует отличные механические и оптические свойства и обеспечивает легкую обрабатываемость. Рабочий температурный диапазон современных искусственных световодных линий находится в пределах от –40 до +85 °С при оптических потерях 0,2 дБ/м. Допускается изгиб с радиусом 25 мм. При радиусе изгиба 15 мм происходит небольшое увеличение затухания.
Дополнительную информацию по разъемам MOST-системы компании AMP можно получить на сайте
Литература
- Ch.Thiel, R.Konig: Media Oriented Systems Transport (MOST) ein Standard fur Multimedia Networking im Fahrzeug. Tagung Elektronik im Kraftfahrzeug 1998. VDI-Bericht 1415. VDI-Verlag. Dusseldorf.1998.
- D.Schramm: Lichtwellenleiter-Erfahrungen und Potentiale /Tagung Forschritt und Zukunft der Automobiltechnik. Verlag Moderne Lndustrie. Stuttgart. 1999.
- W.Heckel, S. Schroder: Kunststofflichtwellenleiter fur optische Ubertagungssysteme im Automobil. VDE-Fachberict Kontaktverhalten und Schalten. VDE-Verlag. Berlin. Offenbach. 1999.
- A.Engel, D. Schramm: Optisches Bussystem fur automobile Netzwerke: F@M Special.7 –8’2000. Carl Hanser Verlag. Munchen.