multiTID - wielofunkcyjny, samochodowy komputer pokładowy (1)

Oto lista funkcji, w które jest wyposażony komputer pokładowy multiTID:

• Pełna funkcjonalność typowego, samochodowego komputera pokładowego.
• Możliwość emulacji wyświetlacza TID montowanego w pojazdach marki Opel (8- i 10-znakowego), a więc możliwość obsługi komunikatów wysyłanych przez oryginalne radioodbiorniki.
• "Obsługa" dwóch rodzajów paliwa (Pb/LPG),
• Czytelny, intuicyjny, graficzny interfejs użytkownika wzorowany na najnowszych rozwiązaniach z segmentu Premium.
• Możliwość regulacji jasności podświetlenia wyświetlacza graficznego zgodnie z ustawieniem jasności podświetlenia zegarów pojazdu.
• Łatwość instalacji uzyskana poprzez zastosowanie oryginalnego złącza połączeniowego wyświetlacza TID (oraz złącz dodatkowych dla funkcji spalania).
• Ponadto, postawiłem dość wysokie wymagania dotyczące funkcjonalności komputera pokładowego, którego zdecydowałem się wyposażyć w następujące funkcje:
• Pokazywanie temperatury na zewnątrz pojazdu (z zastosowaniem czujnika montowanego w pojazdach marki Opel) oraz ostrzeżenia o śliskiej nawierzchni (dla temperatury zewnętrznej niższej, niż 5°C).
• Pokazywanie chwilowej prędkości pojazdu (w km/godz.).
• Pokazywanie średniej prędkości pojazdu na przejechanym odcinku drogi (w km/godz.),
• Pokazywanie maksymalnej prędkości pojazdu na przejechanym odcinku drogi (w km/godz.),
• Pokazywanie chwilowego zużycia paliwa (w l/godz. dla prędkości ≤5 km/godz. oraz l/100 km dla pozostałych prędkości) dla obu rodzajów paliwa.
• Pokazywanie średniego zużycia paliwa (w l/100 km) dla obu rodzajów paliwa.
• Pokazywanie paliwa pozostającego w baku pojazdu (w l, jak i graficznie - bargraf) dla obu rodzajów paliwa.
• Pokazywanie przewidywanego zasięgu pojazdu na paliwie pozostającym w baku pojazdu (w km) dla obu rodzajów paliwa.
• Pokazywanie przejechanego dystansu od ostatniego kasowania (w km).
• Pokazywanie aktualnego czasu i daty (z zastosowaniem mechanizmu podtrzymania zasilania).
• Pokazywanie statystyk spalania na każde przejechane 10 km/1 km (dla ostatnio przejechanych 150 i 15 km) dla obu rodzajów paliwa.
• Automatyczna detekcja bieżącego rodzaju paliwa.

Jak widać, cel jest dość ambitny, jednak doświadczenia zdobyte przy konstruowaniu poprzednich urządzeń upraszczają znacząco proces jego implementacji. Zanim jednak przejdziemy do opisu samego urządzenia warto przybliżyć nieco temat pokładowego wyświetlacza TID, gdyż możliwość jego emulacji jest jedną z głównych zalet i zarazem unikalnych cech urządzenia multiTID, bo umożliwia współpracę sterownika z oryginalnymi radioodbiornikami dedykowanymi do pojazdów spod znaku Opla. Co więcej, sterownik nasz obsługuje wszystkie rodzaje radioodbiorników montowanych przez tego producenta, które to wyposażono w magistralę sterującą z sygnałami SDA/SCL/MRQ i może emulować wyświetlacze TID z 8-znakową i 10-znakową organizacją pola tekstowego, a więc wyświetlacze pokładowe montowane w takich modelach jak Astra F, Corsa B, Combo, Astra G, Corsa C, Meriva, Movano, Omega B, Vectra B, Tigra. Wyjątkiem są nowsze pojazdy wyposażone w wyświetlacz pokładowy obsługujący magistralę CAN. Ta cecha naszego sterownika czyni go wyjątkowo atrakcyjnym, z punktu widzenia użytkownika pojazdu tej marki i co warto podkreślić, nie znajduje odpowiednika ani w konstrukcjach amatorskich, ani też na rynku komercyjnym.

Zanim przejdziemy do szczegółów implementacyjnych warto przyjrzeć się rozwiązaniu zastosowanemu przez Opla, gdyż jest to przykład dobrze wykonanej pracy inżynierskiej i dogłębnie przemyślanej konstrukcji. Zgodnie z tym, o czym wspominano wcześniej, firma Opel od wielu lat stosuje w swoich pojazdach zewnętrzne, zintegrowane z deską rozdzielczą, podświetlane wyświetlacze LCD, których funkcje zależne są od modelu auta, jego wyposażenia, roku produkcji jak i modelu samego wyświetlacza. Ogólnie rzecz ujmując można wyróżnić kilka typów wyświetlaczy, których poglądowe porównanie przedstawiono w tabeli 1.

Poza wymienionymi, podstawowymi różnicami, w zależności od roku produkcji i wyposażenia pojazdu, stosowano wyświetlacze o różnej organizacji i rozdzielczości. Starsze miały organizację 1×8 znaków (tylko wielkie litery i cyfry, wyświetlacz alfanumeryczny), które były dostępne dla radioodbiornika plus dodatkowe piktogramy obrazujące tryb pracy radia. Nowsze pracują w organizacji 1×10 znaków (plus piktogramy, pełne ASCII, wyświetlacz mozaikowy 5×7 pikseli) w dolnym wierszu, zaś górny wiersz zarezerwowano dla wbudowanego systemu mikroprocesorowego (zegar, termometr). Dodatkowo, przewidziano możliwość synchronizacji wbudowanego weń zegara czasu rzeczywistego sygnałem RDS radioodbiornika. Niestety, od roku 2005/2006 firma Opel zdecydowała się (wzorem innych producentów w branży motoryzacyjnej) na zastosowanie magistrali CAN we wszystkich nowych pojazdach osobowych, co pociągnęło potrzebę implementacji tego interfejsu także w wyświetlaczu LCD. Niemniej jednak, w zdecydowanej większości popularnych modeli pojazdów tej marki znajdziemy wyświetlacze, które z powodzeniem mogą być zastąpione przez opisywane urządzenie. Oczywiście, w zależności od typu pojazdu i rodzaju zastosowanego wyświetlacza, stosowano różne złącza.

Rysunek 1. Rozmieszczenie wyprowadzeń dwóch złącz wyświetlacza TID stosowanych w najbardziej popularnych modelach Opla

Na rysunku 1 zamieszczono rozkład wyprowadzeń dwóch złącz wyświetlacza TID stosowanych w najbardziej popularnych modelach Opla, tj. Astra F/G i Corsa B/C. W tabeli 2 umieszczono opis wyprowadzeń tych złącz. Paleta stosowanych złącz jest znacznie szersza.

Wyświetlacz jest systemem mikroprocesorowym wyposażonym w funkcje dodatkowe (oprócz możliwości wyświetlania danych z magistrali), takie jak: wbudowany kalendarz, zegar czy też termometr. Kolejnym ciekawym zagadnieniem jest rodzaj magistrali sterującej. Jest ona bardzo zbliżona funkcjonalnością do dobrze znanej magistrali I²C, lecz poszerzona o dodatkowy sygnał sterujący - MRQ (Master Request). Na tę magistralę składają się 4 linie oznaczonych: AA, MRQ, SDA i SCL, przy czym wyłącznie trzy ostatnie realizują rzeczywistą transmisję danych, zaś linia AA sygnalizuje zdarzenie załączenia/wyłączenia radioodbiornika przygotowując tym samym wbudowany wyświetlacz do odbierania danych. Po wyłączeniu radioodbiornika napięcie na tej linii wynosi 0 V, zaś po jego załączeniu 12 V. Linia MRQ jest używana przez układ master (radioodbiornik) do sprawdzenia obecności układu slave (wyświetlacza TID) na magistrali danych oraz do rozróżnienia rodzaju przesyłanych danych, o czym później. Zanim jednak radioodbiornik rozpocznie jakąkolwiek transmisję danych sprawdza, tuż po włączeniu jego zasilania, stan wszystkich linii transmisyjnych wykonując tzw. Power On Test, dla którego przebiegi sygnałów sterujących pokazano na rysunku 2, a którego celem jest sprawdzenie ciągłości wszystkich linii danych jak i wykluczenie potencjalnych zwarć.

Rysunek 2. Przebiegi sygnałów sterujących magistrali danych w trakcie sekwencji Power On Test

Tuż po włączeniu zasilania radioodbiornika, któremu to towarzyszy zmiana poziomu napięcia występującego na linii AA z 0 V na 12 V, następuje po czasie T1 (100…500 ms) ściągnięcie wszystkich linii danych (MRQ, SDA i SCL) do masy na czas T2 (500…1000 ms), następnie zwolnienie ich (także na czas T2) oraz naprzemienne ściągnięcie do masy kolejnych linii SDA, SCL i na końcu MRQ. Taka sekwencja zdarzeń pozwala, co napisano wcześniej, na zbadanie stanu wszystkich linii sterujących i zakończenie transmisji w przypadku wykrycia potencjalnych problemów. Jeśli powyższa procedura zakończy się powodzeniem (brak zwarć i nieciągłości linii danych), master przechodzi do właściwej transmisji danych, dla której to przebiegi sygnałów sterujących pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Przebiegi sygnałów sterujących magistrali danych po wykonaniu sekwencji Power On Test

Po czasie T3 (1…2 ms) od ostatniego zwolnienia linii MRQ będącego jednocześnie końcowym elementem procedury Power On Test, układ Master ponownie zeruje linię MRQ, tym razem jednak z zupełnie innego powodu. Po pierwsze, sygnalizuje w ten sposób zamiar transmisji danych, a po drugie, sprawdza obecność slave na magistrali danych oraz jego gotowość na odbieranie pakietu danych, gdyż działanie takie podejmowane jest każdorazowo na początku każdej transmisji z radioodbiornika do wyświetlacza TID. Po wymuszeniu poziomu niskiego na linii MRQ, slave musi w czasie T4 (100 ms…15 ms) zewrzeć linię SDA do masy sygnalizując w ten sposób swoją obecność, jak i gotowość do odbierania danych. Jeśli tego nie zrobi, master powinien zakończyć w tym miejscu bieżącą transmisję danych. Dalej, wyzerowaniu linii SDA przez slave, master zwalnia linię MRQ (zostaje ona ustawiona), co powinno skutkować zwolnieniem linii danych SDA przez slave po czasie T5 (100…200 ms). Na tym etapie rozpoczyna się właściwa transmisja danych zgodna ze specyfikacją standardu I²C, z jednym, drobnym, acz istotnym wyjątkiem, o którym mowa będzie w dalszej części artykułu.

Rysunek 4. Kompletna ramka danych

Wygląd kompletnej ramki danych pokazano na rysunku 4. Transmisja rozpoczyna się od wygenerowania sekwencji Start przez master’a, po czym jako pierwszy bajt transmitowany jest adres slave o wartości 0x4D (0x9B w notacji 8-bitowej z ustawionym bitem R/W). Właśnie w tym miejscu jest widoczna subtelna różnica pomiędzy standardowym interfejsem zgodnym ze standardem I²C, a rozwiązaniem zastosowanym przez inżynierów Opla. Skoro transmitowany bajt adresu ma ustawiony najmniej znaczący bit będący jednocześnie bitem R/W (odczyt/zapis) w standardzie I²C powinno to oznaczać, że master (radioodbiornik) zgłasza chęć odczytania danych ze slave (wyświetlacza TID) i kolejne dane, które zostaną przesłane będą danymi przesyłanymi ze slave do master, a jest zgoła inaczej, ponieważ master kontynuuje w tym miejscu transmisję danych do slave, tak jakby najstarszy bit przesłanego wcześniej adresu był wyzerowany. Z czego wynika ta drobna, acz znacząca różnica? Odpowiedź jest prosta. Z chęci maksymalnego zabezpieczenia się przed możliwością wystąpienia zaburzeń transmisji i będących tego następstwem, niepoprawnych danych, o co, jak łatwo się domyślić, nietrudno w tak niesprzyjającym środowisku, jak instalacja samochodowa. Otóż, zgodnie z pomysłem inżynierów Opla, każdy bajt danych składa się z 7 bitów właściwych danych oraz bitu kontroli parzystości umieszczonego na pozycji najmniej znaczącej. I niestety, dotyczy to wszystkich bajtów danych, w tym adresu urządzenia, co powoduje, że dla adresu 0x4D (w notacji 7-bitowej) otrzymujemy bit kontroli parzystości o wartości "1", czyli ustawiony bit R/W. Różnica jest drobna, lecz niesie za sobą poważne konsekwencje implementacyjne. Otóż, w przypadku takiej konstrukcji ramki danych, do obsługi transmisji danych nie możemy użyć wygodnego, sprzętowego interfejsu TWI (odpowiednik I²C) mikrokontrolera ATmega644PA, którego zastosowanie znacznie uprościłoby mechanizmy emulujące wyświetlacz TID. Zwyczajnie, i co oczywiste, sprzęg TWI nie przewiduje sytuacji, w której to master wysyła żądanie odczytu do slave (wysyła jego adres z ustawionym bitem R/W), po czym najzwyczajniej w świecie kontynuuje transmisję danych w kierunku do slave. Takiego scenariusza transmisji w module TWI (i stosownych statusów jego stanu w rejestrze TWSR mikrokontrolera) po prostu nie przewidziano, gdyż jest on zgodny ze standardem I²C. Czy to stanowi jakiś problem? W zasadzie nie, lecz z pewnością skomplikuje mechanizm obsługi interfejsu Opla, gdyż do obsługi transmisji I²C będziemy musieli zaprzęgnąć inne zasoby sprzętowe mikrokontrolera, w tym przypadku przerwania zewnętrzne oraz zaimplementować niezbędne procedury programowe, co na pewno przyczyni się do większego obciążenia rdzenia.

W tym miejscu należy wspomnieć o jeszcze jednej funkcji linii MRQ, którą można zaobserwować analizując przebiegi kompletnej ramki danych z rys. 4. Otóż, linia danych MRQ jest wyzerowana w trakcie przesyłania przez radioodbiornik wszystkich bajtów danych za wyjątkiem bajta adresu, co w prosty sposób odróżnia ten bajt od pozostałych bajtów danych. Takie rozwiązanie stanowi zapewne kolejny element poprawy integralności przesyłanej ramki danych przyczyniający się do zwiększenia marginesu bezpieczeństwa, bo identyfikacja bajta adresu mogłaby być wykonana przecież w prostszy sposób, choćby przez fakt, że jest to zawsze pierwszy, przesyłany bajt danych. Niemniej jednak, rozwiązanie Opla z pewnością należy uznać za bardzo przemyślane. Transmisję właściwych danych, jak to zwykle ma miejsce w standardzie I²C, kończy sygnał stop wygenerowany przez master.

Jak do tej pory nie powiedziałem nic na temat samych danych, które to radioodbiornik wysyła do wyświetlacza pokładowego TID. Dane te to 13 bajtów, z których pierwsze trzy bajty odpowiadają za wyświetlanie piktogramów pokazywanych na ekranie wyświetlacza TID, zaś kolejne 10 bajtów to kody znaków ASCII przeznaczonych do wyświetlenia w polu tekstowym, przy czym obsługiwanych jest kilka znaków specjalnych o kodach poniżej wartości 32 (spacji).

W tabeli 3 opisano znaczenie poszczególnych bitów trzech pierwszych bajtów danych odpowiedzialnych za wyświetlanie specjalnych piktogramów na ekranie wyświetlacza TID.

W tabeli 4 umieszczono kody ASCII i opis znaków specjalnych wyświetlanych przez oryginalny wyświetlacz TID a obsługiwane przez sterownik multiTID. Wcześniejszy opis dotyczy wyświetlaczy o organizacji 10-znakowej. Dla starszych wyświetlaczy, o organizacji 8-znakowej, jest przesyłanych wyłącznie 10 bajtów danych, z czego 2 pierwsze bajty odpowiadają za wyświetlanie piktogramów pokazywanych na ekranie wyświetlacza TID (tylko status radia i magnetofonu), zaś kolejne 8 bajtów to kody znaków ASCII przeznaczonych do wyświetlenia w polu tekstowym wyświetlacza (tylko wielkie litery i cyfry, bez znaków specjalnych). Inny jest też adres samego wyświetlacza, który przyjmuje wtedy wartość 0x4A. Już tylko dla porządku dodam, że każdy bajt danych przesłany przez master do slave jest potwierdzany przez układ podrzędny (TID) poprzez wygenerowanie sygnału ACK (wyzerowanie linii SDA) w dziewiątym takcie zegara magistrali (SCL) i to niezależnie czy przesyłane dane dotyczą naszego urządzenia (przesłano wcześniej zgodny adres I²C), czy też nie, co również wymyka się standardom wyznaczonym przez specyfikację interfejsu I²C. Sytuację taką przedstawiono na rysunku 5, który to prezentuje przebiegi na magistrali danych zarejestrowane podczas współpracy radioodbiornika CAR300 z nowym, 10-znakowym wyświetlaczem pokładowym TID.

Rysunek 5. Wygląd ramki danych wyświetlacza TID w wypadku nieobsługiwanego adresu I²C

Uważny Czytelnik zastanowi się z pewnością, w jakim celu pokładowy wyświetlacz TID miałby potwierdzać każdy bajt danych, które nie są do niego adresowane, to znaczy nie zostały "okraszone" stosownym adresem układu podrzędnego (w naszym przypadku 0x4D). To kolejny przykład przemyślanej konstrukcji Opla. Otóż wiele fabrycznych radioodbiorników może pracować tak w starszych, jak i nowszych modelach pojazdów tego producenta, które to mogą być wyposażone w różne rodzaje wyświetlaczy TID. Aby umożliwić współpracę radioodbiornika z nowymi i starszymi typami wyświetlaczy, które to przecież charakteryzują się inną organizacją ekranu i odrębnym adresem w przestrzeni I²C, wprowadzono zasadę, iż radioodbiornik wysyła pakiety danych dla starego i nowego typu wyświetlaczy, co oczywiste, stosownie je modyfikując. W związku z tym, każdy przesyłany komunikat transmitowany jest w dwóch "wersjach", dla starego i nowego typu wyświetlacza, stąd różne adresy i różna liczba towarzyszących im danych na jednej i tej samej magistrali. Nie tłumaczy to oczywiście faktu potwierdzania (sygnałem ACK) przez wyświetlacz TID nie swojego adresu I²C, jak i danych nie dla niego przeznaczonych, lecz myślę, że wynika to z potrzeby ciągłego "informowania" (przy użyciu sygnału ACK) radioodbiornika o nasłuchu magistrali I²C przez układ podrzędny. Jak widać, zastosowana przez Opla magistrala, na pozór bardzo podobna do rozwiązania Philips’a (I²C), ma wiele drobnych, acz znaczących różnic, przez które trudno byłoby ją "obsłużyć" korzystając ze sprzętowego sprzęgu TWI.

Na koniec prawdziwa "wisienka na torcie". Jak wiadomo, oryginalny wyświetlacz TID wyposażono w zegar czasu rzeczywistego, którego wskazania są wyświetlane w pierwszej linii ekranu (obok temperatury zewnętrznej). W związku z tym producent modułu wyświetlacza przewidział możliwość synchronizacji wskazań tego zegara sygnałem czasu nadawanym przez stacje radiowe, a zawartym w treści wybranych komunikatów RDS. W jaki sposób wyświetlacz TID synchronizuje swój zegar RTC sygnałem czasu radioodbiornika? Wprowadzono dodatkowy adres I²C wyświetlacza TID, dla którego przesyłane dane są interpretowane przez ten moduł jako dane bieżącego czasu sygnału RDS. Adres ten to 0x47 (0x8F przy ustawionym bicie R/W), natomiast odpowiednia ramka danych składa się z 7 bajtów o następującej organizacji: X-M-G-D-X-X-X, gdzie: M to minuty, G to godziny, D to dzień miesiąca. Bajty X nie zostały przeze mnie jednoznacznie zidentyfikowane, choć z całą pewnością ich obecność nie jest przypadkowa. Jeśli bajty te przechowują bieżący miesiąc i rok, jak się zapewne domyślacie, czas oczekiwania na potwierdzenie tej tezy byłby dość długi. Wygląd ramki danych znacznika czasu wyświetlacza TID zarejestrowanej 17/08/2016 o godzinie 17:49 przedstawiono na rysunku 6. Jak poprzednio, bit najmniej znaczący jest bitem kontroli parzystości, w związku z czym cały bajt należy przesunąć w prawo o jedno miejsce).

Rysunek 6. Wygląd ramki danych znacznika czasu wyświetlacza TID

To tyle, jeśli chodzi o opis modułu wyświetlacza pokładowego. Przejdźmy zatem do szczegółów implementacyjnych. Jako, że nasze urządzenie multiTID realizuje szereg dość skomplikowanych funkcjonalności, które wymagają ścisłych zależności czasowych i zaangażowania wielu peryferiów mikrokontrolera, obsługa emulacji wyświetlacza TID (czyli obsługa radioodbiornika) została zrealizowana z wykorzystaniem 4 zewnętrznych przerwań systemowych. Taka mnogość wykorzystywanych przerwań wynika z faktu obsługi aż 4 sygnałów sterujących (AA, MRQ, SCL, SDA) przy braku możliwości realizacji sprzętowej obsługi magistrali I²C. W tabeli 5 pokazano zestawienie wykorzystywanych, zewnętrznych przerwań systemowych, ich konfigurację oraz realizowaną funkcjonalność.

W tym momencie posiadamy już niezbędną wiedzę w zakresie sposobu komunikacji radioodbiornika z oryginalnym wyświetlaczem pokładowym TID, w związku z czym pora na szczegóły implementacyjne mechanizmów pozwalających na emulację tego rodzaju wyświetlacza w zakresie interfejsu naszego komputera pokładowego. Zanim jednak przedstawię ciała funkcji zewnętrznych przerwań systemowych realizujących obsługę poszczególnych sygnałów magistrali danych muszę przedstawić plik nagłówkowy, który ułatwia napisanie wspomnianych funkcji a zarazem czyni je bardziej czytelnymi. Treść pliku nagłówkowego, o którym mowa pokazano na listingu 1.

Napisano go w sposób dość "uniwersalny", aby łatwo można było zmieniać wiele z predefiniowanych nazw i stałych, bez potrzeby edycji funkcji, które to korzystają z jego zawartości. Pora na przedstawienie funkcji obsługi zewnętrznych przerwań systemowych, które łącznie, odpowiedzialne są za obsługę interfejsu danych firmy Opel. Te funkcje pokazano na listingach od 2 do 5.

Do kompletu brakuje funkcji inicjalizacyjnej, która ustawia parametry emulowanego wyświetlacza TID oraz aktywuje niezbędne, startowe funkcje ISR - pokazano ją na listingu 6.

Przejdźmy zatem do krótkiej analizy przedstawionych mechanizmów programowych. Można zauważyć, że funkcja obsługująca sygnał MRQ sprawdza zależności czasowe podczas sekwencji Power On Test i dopiero po ich pozytywnej weryfikacji pozwala na dalszą analizę sygnałów sterujących wykonywaną przez funkcje ISR, odpowiednio dla SDA i SCL. Oczywiście, sam start procesu obsługi magistrali wyświetlacza TID jest możliwy wyłącznie po załączeniu radioodbiornika, czemu towarzyszy wywołanie przerwania dla sygnału AA.

Robert Wołgajew, EP