همه چيز درباره مالتی‌پلکس در خودرو

از اولين سال هاي توليد خودرو، اين ساخته دست بشر تا به امروز شاهد پيشرفت هاي زيادي بوده است و امروزه يكي از بنيادي ترين صنعت هاي قرن حاضر و جزو صنايع مادر به شمار مي آيد.

در اين بين مقوله برق و الكترونيك خودرو تا حدودي از قافله پيشرفت عقب افتاد، چرا كه در زمان­هاي اوليه بيش‌تر توجه خودروسازان بر روي طراحي موتور، شاسي، شكل اتاق و… بود. همچنين استفاده وسيع از وسايل الكترونيكي تا به اين حد كه امروزه در خودروها كاربرد دارد مورد توجه نبود و پیچیدگی سیستم‌های سیم‌کشی مدرن به طور پیوسته افزایش یافته است و در سال­های اخیر این افزایش به شدت چشم­گیر شده است. اکنون کار به جایی رسیده است که اندازه و وزن دسته‌سیم به مشکل مهمی تبدیل شده است تعداد سیم­های لازم در خودرو­های پيچيده، به حدود 1200 رشته می­رسد. دسته‌سیم لازم برای کنترل همه کارکردهایی که به در سمت راننده مربوط می­شود ممکن است تا 50 رشته‌سیم داشته باشد و ادوات قرارگرفته در ناحیه داشبورد ممکن است به تنهایی بیش از 100 رشته‌سیم و اتصال داشته باشند. بنابراین آشکار است که گذشته از مشکل بدیهی اندازه و وزن دسته‌سیم، با افزایش اتصال­ها و سیم ها احتمال بروز عیب هم بیش‌تر می­شود. تخمین زده می­شود که هر 10 سال، پیچیدگی سیم­کشی خودرو دو برابر می­شود.

با توجه به مسائل يادشده و افزايش قيمت قطعات مصرفي،كاهش هزينه و آسان­تر كردن تعميرات سعي بر كاهش هزينه و بالا بردن كيفيت خودرو، خودروسازان را به يكي از موارد موجود كه همان لزوم ساده­كردن سيم­كشي موجود خودرو و ارتقای اين سيستم در خودرو معطوف كرد. در اين بين توجه متخصصان به سيستمي كه در صنايع مخابراتي مورد استفاده بود معطوف شد و همان سيستم مالتي‌پلكس بود كه البته با تلفيق اين سيستم با ساير فناوري‌هاي موجود به صورت امروزي در خودروسازي مورد استفاده قرار گرفت. در حال حاضر نيز از اين فناوري در اغلب محصولات ايران‌خودرو نظير خانواده سمند و سورن، خانواده 206 و 207 و همچنين سوزوكي گراند ويتارا استفاده مي‌شود.

سيستم مالتي‌پلكس

معنای لغوی مالتی‌پلکس، چندجزئی بودن است و به هر مجموعه که دارای تعدادی عضو هم‌راستا در جهت یک هدف مشخص باشد، مالتی‌پلکس گفته می شود. این اعضا باید ويژگي‌هاي مشترکی دارا باشند که در عین مجزا بودن و عملکرد مستقل، مفهوم مشترکی را ظاهر کنند. مالتی‌پلکس در تعریف ساده، استفاده از سیم­های مشترک و سامان‌دهی آن ها توسط یک مغز الکترونیکی (ECU) است. مالتی‌پلکس یکی از پیشرفته‌ترین و مدرن­ترن سیستم­های جامع برقی در خودرو است كه قابلیت تشخیص عیب را دارد. این سامانه علاوه بر این که رله­ ها، فیوزها و مزایای سیستم هشداردهنده قبلی و دیگر قطعات برقی را به صورت یک‌پارچه در بر دارد، از نظر کیفی، شرایط الکترونیک خودرو را نیز ارتقاء داده و به دلیل ارتباط سیستم­های برقی با نرم­افزار مربوطه قابلیت­های جدیدی از قبیل اعلام وضعیت لامپ­های خودرو در جلوآمپر و... را نیز شامل می­شود. از نقاط مثبت این سیستم می­توان به کاهش هزینه ­های تعمیر و نگه‌داری خودرو، سهولت افزودن قابلیت­های جدید و صرفه‌جویی در زمان مونتاژ و خدمات پس از فروش اشاره كرد.

نحوه كار مالتي‌پلكس

کار سیستم­های مالتی‌پلکس بر اساس شبکه است. مالتی‌پلکس در کم کردن حجم سیم­ها در خودرو نقش زیادی دارد، به این معنی که هرابزار یا عمل­گر درسیستم، خود دارای یک پردازشگر است که بصورت یک شبکه با یکدیگر در ارتباط هستند. اطلاعات بصورت دیجیتال و از طریق یک سیم بین اجزا و سرور شبکه که در خودرو با نام  BSIشناخته می­شود رد و بدل می­شود و هرابزار با کدگشایی از اطلاعات، عمل درخواست شده را انجام می­دهد. سیستم­های مالتی‌پلکس خودرو از چند زیر شبکه تشکیل شده است.

امروزه تعداد سیستم­های که به صورت الکترونیکی کنترل­می شود پیوسته رو به افزایش است. هم‌اکنون استفاده از بعضی از این سیستم­ها متداول شده و استفاده از بعضی دیگر نیز رو به افزایش است كه به عنوان نمونه چند مورد از این سیستم­ها را نام می­بریم:

1- سیستم مديريت موتور

2- سیستم ترمز ضد قفل (ABS)

3- سیستم کنترل اصطكاك يا ضد هرزگردي

4- سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها (CVVT)

5- سیستم کنترل جعبه‌دنده

6- سیستم تعلیق فعال

همه این سیستم­ها کار خود را انجام می­دهند اما به یکدیگر هم مربوط­اند. بسیاری از حسگرهايی که برای یک واحد کنترل الکترونیکی، داده يا اطلاعات خام فراهم می­کنند، ميان همه واحدها یا بعضی از آن‌ها مشترکند.

فایده استفاده از سیستم مالتی‌پلکس در خودرو

همان‌طور كه گفته شد، با افزایش روزافزون سیستم­های برقی خودرو بر حجم و پیچیدگی سیم­کشی آن نیز افزوده می­شود که علاوه بر بالارفتن هزینه تولید باعث مشکل شدن تعمیرات نیز می­شود. در سیستم مالتی‌پلکس به جای این­که برای هر ابزار دو رشته‌سیم مجزا برده شود در کل خودرو یک سیم شبکه عبور داده می­شود، هر وسیله بعنوان یک نود (گره) به این سیم وصل می­شود البته با یک واسطه که اطلاعات را کدگذاري می­کند. کل سیستم توسط یک رايانه به نام BSI مدیریت می­شود. به عنوان مثال وقتی شما چراغ را روشن می­کنید یک پالس به BSI فرستاده می­شود و پس از تجزیه و تحلیل، اطلاعات به چراغ­ها فرستاده و آن‌ها روشن می­شوند. با استفاده از سیستم مالتی‌پلکس به دلیل کاهش حجم سیم­کشی، زمان مونتاژ برای هر خودرو حدود 15 دقیقه کوتاه­تر شده و هزینه سیم­کشی آن نیز کاهش مي­یابد. ضمنا عیب­یابی و تعمیرات بعدی نیز بسیار آسان­تر می­شود. با توجه به کنترل سیستم توسط BSI جریان ثابت می­ماند و عمر لوازم برقی بیش­تر می­شود و خطر اتصالی کوتاه نیز بسیار کم‌تر می­شود. امروزه در اکثر خودروهای جدید از این سیستم استفاده می­شود.

دلايل استفاده از مالتي‌پلكس

در ادامه به دلايل بيش­تري براي استفاده از سيستم مالتي‌پلكس اشاره خواهيم كرد. البته تعداد كمي از موارد در بالا ذكر شد كه توجه شما را به ساير موارد جلب می کنيم.

1- افزايش بيش از حد استفاده از قطعات الكترونيكي در خودرو و نیاز به آینده­نگری

2- لزوم ساده­سازي استفاده از سيم­كشي و ساده­سازي دسته سيم­ها (ساده­سازی موضوع مهمی است که حتی در مدل­هاي 206 غیرمالتی‌پلکس با ابداع BSI مورد توجه قرار گرفته است).

3- بالا رفتن تعداد ارتباط ميان ECU با ساير اجزای خودرو و نياز به هماهنگي بين داده­ ها.

4- لزوم بالا بردن كيفيت، ايمني و آسايش در خودروها.

5- بهبود روش عيب­يابي خودرو و نياز به آسان­كردن كار با دستگاه ­هاي عيب­يابي. اين موضوع باعث مي­شود تا ریزترین فرمان­برهای موجود در خودرو - حتی عقربه دور موتور - را نیز می­توان جداگانه آزمايش کرد.

6- تنظیمات جدید (آلايندگي، سیستم ترمز،... ): اين موضوع باعث مي­شود، اتصال سیستم­های جدید کارآیی بیش‌تری به همراه داشته باشد.

7- مديريت همگون قطعات توليد­شده توسط سازنده ­هاي مختلف: يكي از معضلات خودروسازان، منطبق‌ساختن قطعات شركت­هاي مختلف با سيستم خودرو توليدي آن‌هاست، در حالي كه در سيستم جديد تنها كافي است سفارش قطعه­اي داده شود كه بتواند طبق استاندارد شبكه، اطلاعات را وارد خودرو كند. در اين حالت اضافه كردن سيستم­هاي جديد نيز كاري بسيار ساده بوده و خودرو قابليت افزايش آپشن را با اطمينان بيش­تر و صرف هزينه كم‌تر داراست.

انواع مختلف مالتي‌پلكس

كشورهاي مختلف استانداردهاي خاص و نام­هاي خاصي را براي اين سيستم به كار مي­برند كه از جمله معروف­ترين آن­ها عبارتند از:

1-     استاندارد CAN: ساخت آلمان كه در خودروهاي بنز، ب‌ام‌و، فيات و ولوو به كار مي­رود.

2-     استاندارد VAN: ساخت كشور فرانسه بوده و در محصولات رنو و پژو مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

3-  استاندارد J1850: ساخت كشور امريكاست كه بر روي محصولات توليد كرايسلر، فورد و جي‌ام مورد استفاده است.

4-     استاندارد proprietary: توليد كشور ژاپن است كه بر روي محصولات اين كشور مورد استفاده است.

5-     استاندارد Absus: محصول آلمان و مورد استفاده بر روي محصولات گروه فولكس واگن.

در ميان استانداردهاي بالا، CAN از موفق­ترين آن­ها به حساب مي­آيد و بيش‌تر خودروسازان از اين استاندارد بر روي محصولات­شان استفاده مي­كنند. پرسرعت­ترين شبكه هم CAN است كه انتقال اطلاعات در آن تا يك مگابيت بر ثانيه هم مي­رسد.

- شبكه CAN:

اين شبكه اولين بار در كشور آلمان و توسط شركت بوش به دنياي اتومبيل معرفي شد، كه در اوايل دهه 80 اين اتفاق رخ داد و چندين سال طول كشيد كه قابليت تطبيق با سيستم­هاي خودرو و كسب مجوز را داشته باشد و بعد از آن توسط شركت بنز و در يكي از كلاس­هاي گران اين شركت كه همان كلاس «اس» است، مورد استفاده قرار گرفت. اين شبكه بر خلاف شبكه قبلي از دو لايه براي ارتباط استفاده مي­كند و سرعت انتقال اطلاعات نيز در آن به مراتب از شبكه قبلي بيش‌تر است.

- شبكه VAN:

اين شبكه در سال هاي 1985 تا 1986 پا به عرصه وجود گذاشت. در سال هاي 1992 تا 1993 توانست مجوزهاي كامل را كسب كند و با آغاز توليد صنعتي­اش كم كم فراگير شد.

انواع شبكه VAN:

1-       شبكه  Body Bus: در اين شبكه نوع طبقه‌بندي دستگاه­ ها و ساير اجزاي خودرو به صورت Master/Slave است كه نوع مشخصه و اطلاعات هر ECU از نظر مهم بودن مشخص شده و تغييرات ايجاد شده بنا به مهم بودن، انجام شده و يا نمايش داده مي­شود.

2-  شبكهBus Comfort: اين شبكه بر خلاف نوع قبلي از قابليت انعطاف­پذيري بيش­تري برخوردار هست و در آن سيستم كاري بر مبناي  MultiMasterاست كه هر ECU مي­تواند اطلاعات را بر روي شبكه بفرستد و در همان زمان نيز نشان داده شود.

واحد كنترل الكترونيكي (Electronic Control Unit):

سیستم­های الکترونیکی خودرو که دارای یک میکروکنترلر هستند، واحد کنترل الکتریکی یا ECU نامیده می­شوند. یکECU شامل مجموعه­ای از سخت­افزار و نرم­افزار است که با سه وظیفه پايش (Monitoring)، تنظیم (Regulating) و یا کنترل (Controlling)، کارکرد ویژه­ای در خودرو بر عهده دارد.

آغاز فناوري استفاده از ECU به سیستم انژکتوری شرکت بوش آلمان به نام جترونيك باز می­گردد که در سال 1968 در خودروی فولکس واگن 1600 تي‌ال نصب شد.

نحوه كار ECU

واحد کنترل الکترونیکی به طور معمول داده ­های لازم را به وسیله حسگرها از محیط پیرامون می­گیرد و پس از پردازش آن‌ها، فرمان­های مناسب را به کنشگرهاActuators) ) منتقل می کند.

 کنشگرها يا عملگرها به نوبه خود، مطابق فرمان­هایی که از واحد کنترل الکترونیکی می­گیرند، کار ابزار مکانیکی، هیدرولیکی، پنوماتیکی یا برقی مورد کنترل را هدایت می­کنند.

نحوه قرارگيري ECUها در شبكه

شبکه Star: پیکربندی ستاره كه در اين چيدمان، تمام ECUهاي موجود به صورت جداگانه به ECU  مركزي وصل می شود.

شبکهBus: در اين حالت تمامي ECUها به طور جداگانه پس از اتصال به دو خط گذرگاه داده ها به یکدیگر متصل می شوند.

شبکه Tree: تلفيقي از دو شبكه بالا است.

شبکه Lattice: در اين نوع شبكه، ارتباط ECUها به صورت تصادفي (رندوم) برقرار مي­شود.

شبکه Ring: در اين حالت بين دو ECU، يك ECU ديگر قرار گرفته­است.

ساختار سخت‌افزاری

هر ECU در مالتی‌پلکس دارای یک سری پایه های ورودي و خروجي و یک اوسیلاتور تولید فرکانس، یک كنترل‌گر VAN یا CAN (بر اساس این که ECU مربوطه به شبکه VAN یا CAN متصل باشد.) و یک درگاه ترانسیور فرستنده و گیرنده است که به صورت هم‌زمان، می تواند اطلاعات ارسالی را دریافت کند. تمامی ECUها در هنگام ارسال و دریافت اطلاعات توسط ECU دیگر قادر به مشاهده اطلاعات روی گذرگاه داده ها (که شامل دو سیم اطلاعاتی به‌هم‌پیچیده است) هستند و از این طریق می توانند اطلاعات مربوطه را ارزیابی و در صورت مرتبط بودن با اطلاعات از آن استفاده کنند.

ساختار داخلی ECUها:

BSI يا System Interface in-Built: يكي از مهم­ترين اجزاي سيستم­هاي مالتي‌پلكس، BSI است. BSI در واقع يك سيستم داخلي است كه كنترل تمام سيستم­هاي برقي اعم از الكترونيكي يا الكتروتكنيكي در خودرو را بر عهده دارد. وجود اين سيستم در واقع تضمين‌كننده صحت و سلامت كامل وسايل برقي خودرو شما نيز هست. 

وظایف BSI در سیستم مالتی‌پلکس

اين سيستم وظيفه ساده‌سازي شبكه در عين پيچيدگي آن را بر عهده دارد. اولين مورد، كنترل تمام ادوات به وسيله واحد رايانه‌اي است كه جز نظارت دقيق و مطمئن چيزي مد نظر نيست. دومين مساله كمك به آسايش راننده و سرنشين خودرو است.

این واحد، قلب ساختار مالتی‌پلکس بوده و وظیفه اصلی را به عنوان سِرور شبکه به عهده دارد. BSI گذرگاهی برای ارتباط سه BUS مختلف بوده و این اطلاعات را بین ECU فرستنده تا گیرنده منتقل می کند. BSI وظیفه فعال‌سازی و آماده‌باش سیستم VAN را نیز بر عهده دارد و برق اصلی سیستم شبکه را نیز کنترل می کند. همچنین واسطه بین تجهیزات عیب یابی و ECUهایی است که به سیستم VAN متصلند.