Hlavní navigace

Auta v moci počítačů. Jak se pod kapotou uhnízdily desítky čipů a stovky senzorů

Lukáš Erben 15. 7. 2015

Možnost konektivity a komunikace moderních připojených aut jsou vlastně jen třešničkou na dortu, který automobilky začaly péct na přelomu 70. a 80. let.

Řídící jednotka motoru (ECU), řídící jednotka airbagů, komfort systém, dveřní ovládací modul řidiče, ovládání tempomatu, řídící jednotka přístrojové desky, řídící jednotka klimatizace, počítač ABS, řídící jednotka automatické převodovky, kontrolní jednotka pojistkové skříňky – téměř v každém autě vyrobeném v posledních deseti letech naleznete deset či více systémů řízených vlastním procesorem a programovým kódem, které sbírají a vyhodnocují data z až stovky senzorů měřících stav okolního prostředí i běh nejrůznějších částí vozu či povely řidiče.

Některé z nich jsou jednoduché osmibitové procesory, které se starají o přenos povelů z několika tlačítek po datové sběrnici automobilu, jiné – například řídící jednotky motoru a ABS – jsou výkonnější 16 či 32bitové čipy pracující na frekvencích desítek MHz a s vlastní pamětí o velikosti několika megabajtů.

Ve srovnání s výpočetním výkonem zábavních, navigačních a připojených prvků se možná jedná o trpaslíky, jejich nástup a postupné nahrazení přímých vodičů datovými sběrnicemi ale znamenalo v uplynulém čtvrtstoletí v automobilovém průmyslu revoluci, která se projevila v uživatelském pohodlí, spolehlivosti, ekonomice provozu a v poslední době umožňuje řadu funkcí současných aut připojit, měřit a monitorovat na dálku. 

Nebýt postupného pronikání procesorů, či spíše mikrokontrolérů – jednočipových počítačů a sběrnic – nebyl by myslitelný ani nejnovější vývoj v oblasti připojených aut.

Na počátku byly kalkulačky

Příběh vzniku prvního mikroprocesoru Intel 4004 coby mozku pro kalkulačky Busicom na jediném čipu je všeobecně znám. Ve stínu i4004 se ale skrývá jiný, neméně důležitý počin Garyho Boona a Michaela Cochrana, kteří ve stejném roce (1971) v Texas Instruments (TI) stvořili první mikrokontrolér TMS 1000 – miniaturní čtyřbitový počítač kombinující mikroprocesor, RAM, ROM a I/O obvody v jediném čipu. 

Firma TI tak získala v roce 1971 stěží uvěřitelný pětiletý náskok, jehož značnou část ale doslova promrhala. Mikrokontrolér byl sice použit ve stolní kalkulačce uvedené do prodeje v roce 1972, coby součástka pro ostatní výrobce se ale objevil v modernizované verzi až v roce 1974, tedy po dlouhé tříleté prodlevě. 

TMS 1000 byl přesto průlomový – stal se prvním jednočipovým počítačem dostupným v řadě variant (lišících se velikostí RAM a ROM paměti – typicky v bajtech, nikoliv kB), který si díky extrémně nízké ceně (2 dolary pro velkoodběratele) našel již na přelomu 70. a 80. let cestu do nejrůznějších domácích spotřebičů, spotřební či kancelářské techniky (například kopírek) a dokonce i hraček.

Kalkulátor TI-35 (na obrázku verze TI-35 Plus) byl vůbec první aplikací mikrokontroléru TMS 1000.
Autor: Rblood (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: Public domain

Kalkulátor TI-35 (na obrázku verze TI-35 Plus) byl vůbec první aplikací mikrokontroléru TMS 1000.

BIG TRAK společnosti Milton Bradley byl v roce 1979 jednou z prvních hraček využívajících mikrokontrolér TMS 1000 – díky tomu jej bylo možné programovat (vozítko si zapamatovalo až 16 povelů).
Autor: MartinLing (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: CC BY-SA 3.0

BIG TRAK společnosti Milton Bradley byl v roce 1979 jednou z prvních hraček využívajících mikrokontrolér TMS 1000 – díky tomu jej bylo možné programovat (vozítko si zapamatovalo až 16 povelů).

Zajímavé je, že se BIG TRAK, jako řada jiných výrobků ze 70. a 80. let, dočkal nelegálních klonů vyráběných v Sovětském svazu pod označením Elektronika IM-11 Lunochod a Planetochod.
Autor: legonxt (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: Public domain

Zajímavé je, že se BIG TRAK, jako řada jiných výrobků ze 70. a 80. let, dočkal nelegálních klonů vyráběných v Sovětském svazu pod označením Elektronika IM-11 Lunochod a Planetochod.

Jednou z hlavních výhod jednoduchých mikrokontrolérů jako je TMS 1000 je vysoká spolehlivost. Podle TI průměrný TMS 1000 selže jednou za 240 let nepřetržitého provozu. A byla to právě vysoká spolehlivost jednočipových počítačů, která brzy zaujala elektroinženýry prakticky ve všech odvětvích.

Intel inside

V roce 1976 představil Intel svou první řadu mikrokontrolérů MCS-48. Ty si, podobně jako TMS 1000, našly záhy cestu do řady spotřebičů – od televizorů a dálkových ovladačů až po první CD přehrávače nebo nejstarší herní konzole jako byla Magnavox Odyssey 2. Intel 8048 byl také „mozkem“ klávesnic prvních IBM PC. 

Úspěch MCS-48 vedl k vývoji nástupce, Intel MCS-51, známějšího spíše pod označením 8051, který byl určen speciálně pro jednoúčelové vestavěné systémy se zabudovaným řídícím počítačem. Osmibitový procesor doplňovalo 128 bajtů RAM (s adresním prostorem až 64 kB) a 4 kB ROM. 

Modernizované verze 8051 se vyrábějí dodnes a naleznete je například v USB fleškách, automatických pračkách a dalších výrobcích, kde jejich výpočetní výkon (výrazně vyšší než u původních verzí) a osmibitová architektura postačují pro řízení běžných funkcí.

Intel P8048H
Autor: Konstantin Lanzet (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: CC BY-SA 3.0

Intel P8048H

8051 byl ale důležitý ještě z jiného důvodu – stal se základem jednočipových počítačů 80C537, 80C517, 80C251 a řady dalších vyvinutých Intelem speciálně pro automobilový průmysl. Ty nabídly větší paměť, výkon a především zlepšenou odolnost proti chybám. Společně se starším MCS-48 se staly jedněmi z prvních mikrokontrolérů, osazovaných v řídících jednotkách elektronického vstřikování počátkem 80. let.

Nástup stříkačky

Vstřikování benzínu, coby alternativa k mísení paliva se vzduchem v karburátoru, se zrodilo již na samotném počátku minulého století. Zpočátku se používalo hlavně v leteckých motorech, variantu pro automobilový průmysl vyvinula jako první firma Bosch v roce 1952 a již v roce 1954 bylo osazeno do vozů F1 Mercedes Benz a do luxusního sportovního modelu 300SL. 

O několik let později vyvinuli vlastní vstřikování v General Motors pro vozy Chevrolet a ve stejném roce (1956) přišla jako třetí společnost Lucas se systémem pro Jaguar. Povětšinou se nicméně jednalo téměř výhradně o aplikace v závodních nebo supersportovních vozech. 

Zásadní změnu přinesla elektronická varianta vstřikovacích systémů, kterou jako první vyvinul pod označením Electrojector Bendix pro vozy AMC v roce 1957. Jedním z hlavních přínosů elektronického vstřikování bylo snížení otáček, při nichž motor dosahuje maximálního točivého momentu (a tedy i zlepšení provozních vlastností a snížení spotřeby), Electrojector byl ale nespolehlivý a tak několik desítek vozů, které jej měly z výroby, bylo nakonec dodatečně osazeno karburátory. Veškeré patenty následně koupila firma Bosch.

Nepřekvapí proto, že to byl opět Bosch, kdo nabídl řešení pro masové nasazení v podobě elektronického (zpočátku ale nikoliv digitálního) nepřímého vstřikovacího systému Jetronic. Ten začali do svých vozů osazovat němečtí výrobci – VW (jako první ve voze 1600TL/E v roce 1967), Porsche, Audi, BMW nebo švédské Volvo, ale také Lancia či Peugeot (Kugelfischer). 

V průběhu 70. let pak začali elektronické vstřikování používat výrobci aut po celém světě nejprve ve výkonnějších či luxusnějších modelech a od 80. let v některých oblastech s ohledem na přísnější emisní limity postupně u většiny prodávaných vozů (například v Kalifornii).

PDP-11 pro chudé

Úkolu nahradit analogovou řídící elektroniku motoru mikroprocesorem, respektive mikrokontrolérem, se ujali konstruktéři Fordu již v první polovině 70. let. Pro první testy nicméně neměli k dispozici dostatečně výkonné jednočipové počítače a tak využili tehdy populární minipočítače PDP-11. 

Ty byly u finálních prototypů prvních motorových řídících jednotek (ECU – Engine/Electronics Control Unit) nahrazeny speciálním dvanáctibitovým procesorem, který vyvinula a vyrobila Toshiba. Konstruktéři Fordu jej interně označovali kódem PM-11 – Poor Man’s 11 v odkazu k původním PDP-11.

Zvláštní 12 bitová konstrukce byla definována potřebou – pro ECU byla potřeba desetibitová přesnost výpočtů (plus jeden bit na znaménko). Řídící jednotky EEC I (1978) a II (1979) měly externí paměťový ROM modul, což umožňovalo snadnější změnu software při testování. Přestože EEC I a II byly první řídící jednotky s mikroprocesorem (respektive mikrokontrolérem), neovládaly elektronické vstřikování ale přesný karburátor 7200 VV. 

Na druhé straně Atlantiku nabídl Bosch poprvé kombinaci elektronického vstřikování řízeného počítačem v podobě LH-Jetronic v roce 1982 (systém se vyráběl až do roku 1998). Jako první jím bylo vybaveno Volvo 240 určené pro kalifornský trh a řídícím počítačem byl již zmíněný mikrokontrolér Intel MCS-48 a později variant MCS-51. 

O šest let později byl uveden na trh Bosch Mono-Jetronic s kontrolérem Intel 8051. Jeho nástupcem byl Mono-Motronic, který se stal prvním typem elektronického vstřikování ve vozech Škoda. Mezitím se v USA rozběhla spolupráce mezi Fordem a Intelem, který pro čtvrtou generaci řídících jednotek EEC vyvinul mikrokontrolér 8061. EEC-IV a její nástupce EEC-V s procesorem 8065 byly vyráběny přibližně 20 let.

LH-Jetronics ECU vyráběná licenčně v polovině 80. let japonskou společností JECS. Je osazena klonem procesoru Motorola 6800 a 16kB ROM v podobě samostatných čipů (nikoliv jednočipového mikrokontroléru).
Autor: RB30DE (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: Public domain

LH-Jetronics ECU vyráběná licenčně v polovině 80. let japonskou společností JECS. Je osazena klonem procesoru Motorola 6800 a 16kB ROM v podobě samostatných čipů (nikoliv jednočipového mikrokontroléru).

Modernější verze ECU JECS z konce 90. let – využívá na zakázku vyráběné integrované mikrokontroléry.
Autor: RB30DE (zdroj: Wikimedia Commons), podle licence: Public domain

Modernější verze ECU JECS z konce 90. let – využívá na zakázku vyráběné integrované mikrokontroléry.

CAN a LIN

Téměř současně s počítačem ovládanými řídícími jednotkami motoru se objevily další řídící jednotky – pro elektronické řízení automatické převodovky, systém ABS nebo ovládání nejrůznějších prvků jako jsou elektrická okna, stěrače a informační panel přístrojové desky. Již na počátku 80. let bylo jasné, že je třeba vytvořit platformu pro jejich propojení a vzájemnou komunikaci – počítačovou síť (či spíše provozní sběrnici) uvnitř vozu.

Mezi prvními se iniciativy ujala opět společnost Bosch, která v roce 1983 začala vyvíjet standard CAN – Controller Area Network, provozní sběrnici pro síť senzorů, řídících a funkčních jednotek vozu. Postupně začal být využíván k propojení všech hlavních řídících jednotek v automobilech a později se stal základem standardů ISO 11898.

EBF16

CAN si navíc našel cestu i do oblasti průmyslové automatizace. Vedle CAN se ale objevily i další standardy – například LIN (Local Interconnect Network), který začalo vyvíjet Konsorcium LIN (BMV, VW, Audi, Volvo, Mercedes-Benz) na konci 90. let jako výrazně levnější alternativu ke CAN pro připojení některých „vedlejších“ systémů.

Byla to ale až vynucená standardizace diagnostických protokolů OBD, jejíž součástí je i CAN, která připravila cestu pro auta, jež mohou snáze a standardněji komunikovat s okolním světem – a stát se připojenými. O tom více v dalším díle seriálu.

Našli jste v článku chybu?
Podnikatel.cz: Vrcholový řídící zaměstnanec za 75 tisíc

Vrcholový řídící zaměstnanec za 75 tisíc

Měšec.cz: „Ukradli“ jsme peníze z bezkontaktních karet

„Ukradli“ jsme peníze z bezkontaktních karet

Podnikatel.cz: 5 věcí, které o EET ještě nevíte

5 věcí, které o EET ještě nevíte

Vitalia.cz: 5 chyb, které děláme při skladování potravin

5 chyb, které děláme při skladování potravin

Vitalia.cz: Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Podnikatel.cz: Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

120na80.cz: Zázrak ze smetiště: co léčí lopuch?

Zázrak ze smetiště: co léčí lopuch?

Lupa.cz: Patička e-mailu závazná jako vlastnoruční podpis?

Patička e-mailu závazná jako vlastnoruční podpis?

Lupa.cz: Adblock Plus začal prodávat reklamy

Adblock Plus začal prodávat reklamy

Vitalia.cz: Tohle jsou nejlepší česká piva podle odborníků

Tohle jsou nejlepší česká piva podle odborníků

Vitalia.cz: 7 příčin neplodnosti u žen: pravda a mýty

7 příčin neplodnosti u žen: pravda a mýty

Vitalia.cz: Tohle všechno se dá usušit

Tohle všechno se dá usušit

Vitalia.cz: Test dětských svačinek: Tyhle ne!

Test dětských svačinek: Tyhle ne!

Vitalia.cz: Inspekce našla nelegální sklad v SAPĚ. Zase

Inspekce našla nelegální sklad v SAPĚ. Zase

Podnikatel.cz: Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Vitalia.cz: dTest odhalil ten nejlepší kečup

dTest odhalil ten nejlepší kečup

DigiZone.cz: DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

DigiZone.cz: Nova opět stahuje „milionáře“

Nova opět stahuje „milionáře“

Lupa.cz: Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

DigiZone.cz: LG OLED65E6: první pohled

LG OLED65E6: první pohled