Car-PC к Mercedes Е класса, W 211

Анализируя все за и против данного проекта, я всё-таки решил убрать штатную магнитолу Audio 20, которая не выдаёт даже качественного звука, и встроить в эту нишу Карпьютер. Мне подумалось, что CarPC, как и любой PC, имеет гораздо больше преимуществ и возможностей, чем просто магнитола или навигатор.

Для начала я прикинул, что там может поместиться 10,1-дюймовый дисплей, что исключило навигатор с экраном 7 или 8 дюймов. Второе - ограниченность программного обеспечения прибора навигации. Программа через несколько лет устаревает и её обслуживание не всегда хорошо работает. А в компьютере можно установить навигацию на свой вкус по дизайну, функциональности и картам.

Также хорошим дополнением является воспроизведение фотографий, видео, музыки различного формата и использование вообще любых программ и операционных систем.

Воплощая эту идею, в итоге хотелось бы добиться более лучшего качества звука уровня HiFi, чтобы весь автомобильный компьютер и усилитель поместились в отсеке из-под Audio 20 без дополнительных кабелей и блоков управления и чтобы весь этот тюнинг выглядел профессионально.

Забегая вперёд, скажу, что только спустя 3 месяца после начала сборки у меня появилась первая возможность проверить в действии мою городушку - это процессор, материнская плата, блок питания и усилитель, установленные в корпусе, специально сделанном по размерам автомобильной шахты из-под магнитолы, для чего в этих составляющих пришлось выпаивать и перепаивать штекеры и провода, менять местонахождение некоторых элементов или вообще добавлять другие. Важный момент - всё это я тестировал дома на столе, а не в машине.

За всё это время я энное количество раз собрал и разобрал назад конструкцию корпуса вместе с монитором и всем содержимым на предмет подгонки его габаритов к размерам шахты, а также максимум оптимального размещения составляющих CarPC.

В любом случае нужно было найти способ подключения моего детища к CAN Bus автомобиля.

Фотомонтаж, на снимке поверх магнитолы видны контуры монитора в рамке.

Общий анализ и план.

Сначала общее состояние приборов, на смену которым придёт компьютер.

Я езжу на универсале, модели до рестайлинга. Это модель, в которой блок управления Audio Gateway (AGW) интегрирован с Audio20, а не установлен отдельно в багажнике. Таким образом, проводка идет из динамиков к головному устройству на центральной консоли. Также в штекере ISO (Quadlock) есть CAN Bus и несколько других проводов. Рядом со штекером CAN-B было незанятое гнездо. Подходящий штекер Most Quadlock ISO и контакты я приобрёл у vw-ma.ju@web.de. Теперь я могу использовать 24 контакта в этих обоих штекерах для подключения, например, разъёма rs232, CAN-Bus и кнопки включения.

В Audio20 встроено также управление моторизированной крышки внутреннего ящичка под аудиосистемой.

Шахта немного выше, чем 2 DIN. Крепление автомобильного радио специфично, а также фасад радио сделан по форме центральной консоли, его вертикальные и горизонтальные линии рёбер изогнуты.

Деревянная планка над магнитолой легко демонтируется, этим вверху выигрывается для CarPC немного места.

Под авторадио за панелью с кнопками имеется ящичек. Крышка после нажатия кнопки выдвигатся вперёд, поднимаясь вверх. Там находится сменник для шести CD-дисков, в котором уже нет нужды и от него можно избавиться.

Шина MOST, как и модуль в подлокотнике с держателем под трубку мобильного телефона для громкой связи мне тоже не нужны, и я их демонтирую. На материнской плате есть bluetooth.

Хотелось бы делать в машине как можно меньше изменений, по крайней мере тех, что находятся в поле зрения. Освободившееся пространство на центральной консоли должно быть полносьтью использовано, поэтому дисплей должен быть выбран с максимальными размерами. Сюда как раз вписывается 10,1-дюймовый экран. Таким образом, фасад получается где-то на 14 мм ниже по сравнению с Audio 20. Я бы ещё использовал отсек под аудиосистемой, ведь фасад всё равно уже поменяется, но этим изменения и ограничатся. Верхняя деревянная планка и пепельница остаются неизменными.

Потребляемая мощность всей системы должна быть низкой. Каждый компонент должен эффективно работать. КПД аудио усилителя 84,3%. Чем выше эффективность, тем меньше тепла выделяется в процессе работы.

Технические данные:

Время загрузки:

• время реакции блока питания 3 секунды
• загрузка операционной системы 14 секунд
• в следующие 6 секунд начинает играть музыка
• полная загрузка 23 секунды

Потребляемая мощность при 13В:

• Дисплей 0,6A
• Всё вместе 3,3A при обычном использовании, 6,5A под нагрузкой, 8,5A кратковременно

Размеры и вес:

Фасад

• Ширина: 263 мм (как у оригинальной магнитолы)
• Глубина: 25 мм (как у оригинальной магнитолы)
• Высота: 146 мм (снизу выступает за оригинальные размеры приблиз. на 14 мм)

Внутренняя часть

• Ширина: 179 мм
• Глубина: 165 мм
• Высота: 120 мм

Вес нетто без аксессуаров: 3,1 кг

• + 3,1 кг, Car-PC
• + 0,9 кг, панель с кнопками, ящичек
• - 2,5 кг, Audio20
• - 2,45 кг, CD Changer A211 827 55 42, панель с кнопками, ящичек
• - 0,43 кг, Telefon A211 820 14 51
• - 0,33 кг, блок управления A211 870 24 26 05
• - 0,25 кг, блок управления A211 820 31 85

Источники и цены на 2014 год:

Ebay:

• 65 Euro, MINI ITX Gigabyte GA-H77N-WIFI
• 155 Euro, CPU Intel Core i7-3770 K
• 44 Euro, DDR3 CMV8Gx3M1A1333C9
• 12,99 Euro, Zerotherm ATOM 30H Multi CPU Kühler
• 123 Euro, SSD HDD 256 GB
• 53 Euro, SSD HDD 128 GB
• 37 Euro, Display LP101WH1 10,1 Zoll
• 26 Euro, Controller Board NT68676.2A
• 15 Euro, Programmer
• 75 Euro, Touchscreen
• 131 Euro, Verstärker Crunch GTO 4120
• 65 Euro, Netzteil M4-ATX
• 18 Euro, 2560 R3 ATMEGA Board
• 34+12,5 Euro, USB-GPS
• 2 Euro, Serial ATA Kabel
• 29 Euro, Ablagefach w211
• 10 Euro, Ätzmmittel
• 90+22 Euro, Fehlkauf

Conrad Elektronik:

• 5 Euro, Wärmeleitpaste
• 5 Euro, Schrumpfschlauch
• 9 Euro, Kabel
• 2,53 Euro, Schiebeschalter 4 x Ein/Ein
• 6 Euro, HDMI Stecker 2x 2,99
• 2,23 Euro, MCP2515 18PIN
• 1,27 Euro, MCP2551
• 2 Euro, C 22pF, 100nF
• 1 Euro, R 10k, 120

Стройматериалы:

• Kabel
• Klemen

Дома завалялось:

• 5 Euro, USB 2.0 Hub 4-port
• 5 Euro, diverse Kabel, Stecker und Klemen
• 5 Euro, defektes PC Netzteil
• 5 Euro, ISO Buchse (Quadlock)
• 10 Euro, Aluminiumblech/Winkel для корпуса
• 5 Euro, 80 mm Lüfter
• 5 Euro, diverse Schrauben
• 1 Euro, Rundmaterial Messing / Stahl
• 2 Euro, Lötzinn
• 1 Euro, RS-232 Buchse / Stecker

В сумме около 1000,00 Euro

Материнская плата MINI ITX Gigabyte GA-H77N-WIFI

Материнскую плату я не изменил. Выбор пал на этот тип из-за положения 24-контактного штекера и памяти.

На материнской плате установлен процессор Intel Core i5-2500 K (6M CACHE, 3,30 ГГц) с мощностью (TDP) 95 Вт.

Из-за структурных условий плата должна быть установлена вверх тормашками. В итоге радиатор висит. Малый вес даёт небольшую нагрузку на крепёж. Вибрации являются в машине важным аспектом. Все винты должны выдерживать продолжительные нагрузки.

Видеокарта

Я использую интегрированную в процессор видеокарту, но когда я устанавливаю драйверы, штекер HDMI на материнской плате перестаёт работать. Проверка с другой материнской платой подтвердила этот симптом. С внешней графической картой и установленными драйверами через HDMI-кабель дисплей работает. После контакта с клиентской службой Intel предположилось, что видеокарта Intel HD Graphics 3000 имеет дефект. Тогда я купил процессор Intel Core i7-3770 K с Intel HD Graphics 4000. Теперь выходы HDMI на GA-H77N-WIFI функционируют. Но зато теперь на другой материнской плате не работают. При попытке установить драйверы операционная система зависает. Интересно, что HDMI на внешней видеокарте в сочетании с Intel Core i7-3770K тоже не функционируют. На той немного устаревшей материнской плате биос я обновил, таким образом, новый процессор должен поддерживаться. Дисплей я подключил через HDMI. Для этого я сам изготовил кабель. Кроме того, разъём HDMI относительно небольшой и как раз вмещается в ПК.

Оперативная память находится рядом с усилителем звука. На материнской плате есть два слота для модулей памяти. У меня пока установлен только один Corsair CMV8GX3M1A1333C9 с 8 ГБ.

Я установил два жёстких диска. Зарезервировано также место для третьего. Снабжение электричеством жёстких дисков я осуществил с помощью переключателя (4xВкл/Вкл). Так я могу сделать активным только один жёсткий диск. Так как этот автомобильный компьютер прототип, я могу установить две операционные системы и протестировать их параллельно без необходимости разбирать весь компьютер.

Корпус

Блок питания M4-ATX

Блок питания мне пришлось перепаивать, 24-контактный штекер на нём я сделал не как у серийного. Поскольку этот шаг был довольно сложным, я бы предложил производителю следующую идею - так как все собирают свой AutoPC по-своему, то платину лучше поставлять без штекера, чтобы каждый мог спаять пучок проводов нужной длины. К тому же можно было бы сделать платину меньшего размера. Ещё не помешали бы другие дополнительные отверстия для пайки, как GND, 3,3 В, 5 В и 12 В. Например, в моём случае можно было бы надёжно припаять питание жёсткого диска и питание платы контроллера дисплея.

Усилитель щёлкал, я должен был найти, как это устранить. В блок питания встроена антихлопающая функция. Усилитель включён. У усилителя Crunch в любом случае есть автоматическая переключающая функция. Если сигнал приходит на высокочастотные входы, то усилитель автоматически включается. При этом удалённый Remote-контакт не работает. Так как усилитель подключен через Cinch, то он вовсе не должен был включаться. Поэтому я попробовал заменить кабель к дополнительной плате. Провод с меньшим сечением принёс желаемый результат. Теперь параметр запаздывающего включения на блоке питания я задал 16 секунд. Поэтому усилитель включается позже, чем в операционной системе загружаются звуковые драйверы.

Усилитель Crunch GTO 4120

Поскольку я хотел использовать не внешний усилитель, а такой, чтобы его можно было интегрировать в головное устройство, то я искал мини усилитель. Crunch GTO 4120, кажется, был хороший выбор. Кроме того, по техническим характеристикам этот прибор относится к классу HiFi.

Основную плату я смонтировал на алюминиевой пластине позади экрана, то есть, дисплей закреплён с одной стороны алюминиевой пластины, а усилитель с другой.

Электроснабжение, предохранитель, LED индикаторы и подключение колонок я перепаял и доработал. Конденсаторы я также должен был перемонтировать так, чтобы для модулей оперативной памяти было достаточно места. Провода для маленькой платы я заменил на более длинные. Конденсаторы и эта плата смонтированы на алюминиевом уголке. Два гнезда RCA я выпаял, так как не нужны, после чего стало больше места в корпусе.

Другой важный вопрос - избежать гула, который ухудшает качество звука. Проблема может быть из-за контакта с землей, возникающая от малых дифференциальных напряжений на массе транспортного средства. Помехами могут быть различные комплектующие в автомобиле или в самом Car-PC, кроме того неправильное подключение или недостатачное изолирование. Карпьютер должен иметь только одно подключение к массе автомобиля. Корпус компьютера не должен касаться кузова автомлобиля, хоть основная плата усилителя и монтируется на резиновые прокладки и втулки. Важно отметить, что электрокабели должны быть проложены отдельно от аудиокабелей, пересечение крест-накрест допускается, так помехи не появляются при передаче звука. Отсек, где Carputer монтируется, выполнен из пластика, это сводит к минимуму возможные источники шумов. Поскольку материнская плата и интегрированная звуковая карта установлены в одном корпусе с усилителем звука, соединительные кабели относительно короткие. Кабели для уверенности я оснастил ферритовыми кольцами.

Первые испытания прошли успешно. Всё функционирует на рабочем столе и пока без шумов.

Дисплей и сенсорный экран:

Монитор 10,1 дюйма

Достать рабочий дисплей оказалось очень трудно. Сначала я изучил много различных мониторов и их паспорта (Datasheet). Установил, что 10,1-дюймовый дисплей вполне поместится в консоль, где была Audio 20. Поскольку рынок Германии не очень богат такими предложениями, ничего не оставалось, как заказывать в Китае. И тут становится ясно, что завершить проект за несколько месяцев не удастся.

Плата контроллера

У Chinatobby (Китай) я купил плату контроллера NT68676.2A и программатор к ней. Плата шла две, а программатор пять недель. Связь работает очень хорошо с другой стороной земного шара. Плата контроллера была запрограммирована для монитора с разрешением 1024x600 пикселей. Поскольку приобретённый дисплей оказался дефектным, я искал другое решение. Поэтому я заказал ещё и программатор, чтобы перепрограммировать плату контроллера монитора на большее разрешение. После многих попыток перепрограммирования наконец всё сработало. Второй бэушный экран я купил в DSC-Electronics. Теперь дисплей LP101WH1 с разрешением 1366x768 пикселей с платой контроллера работает безупречно. Большее разрешение не помешает, чтобы, например, беспроблемно работать в Windows 8.

Дисплей я подключил через HDMI. Для этого я должен был сделать свой собственный кабель. Кроме того, разъем HDMI является относительно небольшим и подходит только в ПК. Я использовал встроенную в процессор графическую карту Intel HD Graphics 3000.

Сенсорный экран

Кроме того, в Китае в Visualtouchworld я купил 10,1-дюймовый ёмкостный сенсорный экран с мультитач функцией. Срок доставки был около двух недель. Работает хорошо.

Сенсорный экран и панель монитора я загерметизировал по периметру скотчем, чтобы между двумя компонентами не попала пыль.

Охлаждение:

ZЕRОtherm ATOM 30H Multi CPU Кулер

Проведя несколько тестов на предмет охлаждения со всевозможными кулерами, я выбрал ZЕRОtherm ATOM 30H Multi CPU Кулер. В нём указано максимум 65 Вт, но встроенный процессор Intel Core i5-2500K (6M Cache, 3:30 ГГц) 95 Вт охлаждает достаточно. Так как пространство ограничено, то этот радиатор лучший компромисс.

Вентилятор 80 мм

Тесты ещё показали, что общее охлаждение корпуса гораздо важнее. Основная плата имеет несколько микроконтроллеров, которые без корпусных вентиляторов сильно нагреваются. Кроме того, звуковой усилитель выделяет тепло. Слева в шахте между аудиосистемой и рулевой колонкой, то есть за замком зажигания, имеется немного пространства, куда можно выводить тепло от компьютера вентилятором размером 80 мм. Этого охлаждения будет достаточно. Справа есть промежуток для циркуляции воздуха. Вверху и внизу шахты свободного места нет, там трубки от кондиционера и прикуриватель.

Пассивная система охлаждения

Два микроконтроллера на усилителе должны быть также охлаждены. Тепло рассеивается двумя керамическими пластинками на алюминиевую основу. Таким образом, тепло от усилителя отводится в основном через переднюю панель в окружающую среду. Транзисторы во время работы почти не греются, только четыре одетые в черное катушки довольно тёплые.

Центральная консоль:

Рамка

Рамку для монитора я решил сделать из стальной нержавеющей жести толщиной 0,5 мм. Детали выпиливал лобзиком, затем подтачивал напильником, загибал, спаивал оловом, рихтовал и снова пропаивал. Много времени ушло на то, чтобы рамка плотно прилегала к экрану, а внешними рёбрами повторяла линии ниши и крышки выдвижного ящичка. После этой долгой и кропотливой работы я покрыл изделие двухкомпонентным грунтом, а затем краской.

Крышка выдвижного ящичка

Для начала я купил другой выдвижной ящичек, так как вся эта конструкция должна быть меньше на 14 мм. Во-первых, я изменил крепление ящичка и пепельницы к нему, после чего панелька с кнопками придвинулась к крышке пепельницы на 4 мм, а всё это вместе сдвинулось вниз ещё на 3 мм. Во-вторых, симметрично с двух сторон отрезал крышку на 10,5 мм.

CAN-Bus

Следующим важным шагом является подключение CAN-Bus к автокомпьютеру. Из сети автомобиля должны быть считаны различные значения. Я использовал сигнал зажигания от CAN шины, а не аналоговый сигнал от прикуривателя.

Блок питания от компьютера, как правило, включается по сигналу зажигания и стартует в соответствии с различными режимами PC. Я сделал другую систему управления.

Аудио 20 имеет кнопку включения. Таким образом, систему можно включить либо кнопкой, либо ключом зажигания.

-Включение через ключ зажигания:

• Вариант 1: ключ зажигания вставлен и повёрнут. Через CAN-Bus определённые CAN сообщения поступают на блок управления магнитолы. Система выключается только тогда, когда ключ вынимается.

-Включение с помощью кнопки:

• Вариант 2: если систему включить с помощью кнопки без ключа, то она работает в течение 20 минут и автоматически отключается.
• Вариант 3: если система была отключена вручную с помощью кнопки, всё равно в первом или втором случае, то при повороте ключа зажигания она не должна включиться.

Итак, между источником(блок) питания от PC и CAN шиной должен быть блок управления. Он симулирует сигнал клемы 15 (зажигание) и включает блок питания. Блок питания затем включает CarPC и через короткое время усилитель. К блоку управления потом могут быть подключены несколько кнопок. В любом случае кнопки на руле при этом должны функционировать. Кроме того, новый блок управления должен перенять управление моторизированной крышки ящичка на центральной консоли, которая ранее контролировалась Audio20.

С одной стороны, Arduino должен работать независимо, с другой, во время загрузки ПК должен быть распознан в качестве стандартного приложения Windows.

После поисков в интернете я нашёл способ, как можно сделать блок управления. Arduino 2560 Board должна подойти для этого. Микроконтроллеры MCP2551 и MCP2515 позволяют ей читать CAN BUS. Блок управления, как и Arduino должен быть подключен к току около 9 вольт, по крайней мере, менее 12 вольт. Но напряжение 12-вольтового автомобильного аккумулятора и генератора всегда колеблется между 6 и 30 вольтами. Поэтому напряжение должно регулироваться с помощью регулятора напряжения.

Печатная плата для CAN-Bus

Я купил Arduiono 2560 и сделал печатную плату для CAN-Bus. В первой версии были микроконтроллеры MCP2551 и MCP2515 с электроснабжением 5V от Arduino. Но Arduino сгорела. Постоянный регулятор напряжения на Arduino при переключении электроснабжения от USB даёт 12V вместо 5V, из-за чего повредились как Atmega 2560 и Atmega 16U2, так и MCP2551 и MCP2515. А во второй версии моя плата CAN-Bus шины имеет уже собственное электроснабжение 5V. Я ещё добавил пару жидко-электролитических конденсаторов SMD. Таким образом, у Arduino собственное электроснабжение, туда поступает около 10V. Чтобы не мог течь обратный ток, позаботятся диоды.

Программирование CAN Bus

Библиотеку и примеры для CAN-Bus я взял у Seeed-Studio. Затем я обнаружил, что в автомобиле CAN-Bus работает с 83,333 кбит/с, после чего наконец-то удалось считать информацию с CANа, которую я теперь должен был проанализировать. После многих попыток я нашёл CAN-ID и буфер, которые отвечают за кнопки на руле. Затем я локализовал информацию, которая приходит при включении зажигания.

Сигнал зажигания по CAN Bus

Теперь я написал Sketch, чтобы воспроизводить сигнал зажигания. Когда соответствующая информация приходит на CAN шину, то Arduino включает сигнал 5V и посредством транзисторов PNP и NPN включается сигнал 12V. Это я нашёл на c-kolb.bplaced.net.

Возобновление работы кинематики

Затем я попробовал привести в действие выдвижной ящичек. Сначала я считал данные, которые посылает панель с кнопками, потом я сделал то же самое, но только с Audio20, конечно, когда они между собой обмениваются информацией. Автомобильную сеть я отключил, чтобы проанализировать, какие сообщения за что отвечают, а это довольно большой объём. Выдвижение кинематики длится 3,5 секунды от закрытого состояния до открытого. Каждые 10 миллисекунд через CAN посылается одно сообщение. После многих попыток я написал-таки код, и кинематика заработала. Конечно, коммуникация между ящичком и Audio20 очень сложная, и мой код не всё учитывает, из-за чего что-то складывается не так, как хотелось бы. Но в основном, ящичек выдвигается быстро и я удовлетворён. Ещё недели тратить на понимание всяких тонкостей не имеет смысла.

Регулировка звука кнопками на руле

После долгих поисков и проб я наткнулся на проект Nico Hood, по счастливому совпадению тоже немецкоговорящим энтузиастом. Я взял Hoodloader ver. 1.8. и интегрировал код в мой скетч. С WinXP и Win8 всё функционирует лучшим образом. Я установил Arduino Hoodloader драйвер и могу перепрограммировать Arduino без смены Firmware в чипе 16U2. Arduino распознаётся в Windows как HID медиальная клавиатура, и не нужно устанавливать дополнительные драйверы для функции регулировки громкости.

Итог:

Главное, всё функционирует так, как я это себе представлял. Не сделана регулировка яркости, не встроено в компьютер радио, не зафиксирована кнопка вкл./выкл. Car-PC, а также возможны другие кнопки и LED индикаторы. Но сначала протестирую всё на практике, а потом определюсь. Плата контроллера NT68676.2A имеет ещё 6 кнопок для настройки монитора. Но все функции не нужны. Другая трудность - это как расположить кнопки. Как их интегрировать в центральной консоли, чтобы можно было бы удобнее управлять компьютером и в то же время не вторгаться в дизайн интерьера.

Следующие кнопки/функции нужны:

• включение/выключение компьютера
• включение/выключение экрана
• громкость (можно регулировать в Windows или кноками на руле, другие кнопки не нужны)
• отключение звука
• яркость экрана (можно также регулировать через операционную систему)

USB-GPS

У меня есть приёмник GPS, купленный б/у. При покупке я не знал его точную модель. Это был Navilock NL-302U, который, к сожалению, не функционирует с Windows 8. Я решил в его корпус вставить новый Navilock NL-651EUSB U-Blox 6 Modul. Штекер кабеля USB не подошёл к модулю GPS, но мне всё равно удалось его смонтировать.

USB-hub