Обзор систем. Современное автомобилестроение огромными темпами внедряет инновационные технологии в системах управления. Общая тенденция в области автоматизации автомобилей состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенную систему управления путем соединения блоков управления интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностирования автомобилей и снижением надежности. Увеличивающееся применение электрон­ных систем управления автомобилей с об­ратной и без обратной связи требует, чтобы индивидуальные электронные блоки управ­ления работали в сети друг с другом. Такие системы управления включают в себя:

— управление коробкой передач;

— электронное управление двигателем, или регулирование подачи топлива;

— антиблокировочную систему тормозов (ABS);

— противобуксовочную электронную систе­му (TCS);

— электронную систему курсовой устойчи­вости (ESP);

— систему управления тормозным момен­том (MSR);

— электронный иммобилайзер (EWS);

— бортовой компьютер и т.д.

Обмен информацией между системами уменьшает общее количество необходимых датчиков и улучшает управление отдельны­ми системами. Интерфейсы систем переда­чи информации, проектируемые для приме­нения в автомобилях, могут быть подразделены на четыре категории:

— обычные интерфейсы;

— последовательные интерфейсы, то есть сеть контроллеров (CAN);

— широкополосные шины передачи данных с временным разделением каналов (шина FlexRay);

— оптическая передача данных (шина типа МОSТ).

Обычная передача данных (интерфейсы). Обычная передача данных в автомобиле ха­рактеризуется тем, что каждый сигнал име­ет свой собственный канал связи (провод) (рис. 3.8). Тем самым с каждой дополнительной информацией возрастает также число проводов и количество контактов на блоке управления, поэтому подобный тип передачи информации оправдывает себя только в случае ограниченного объема передаваемых данных.

image_46b7b9a79cfc42b4b37450d2fde98455
Рис. 3.8. Схема обычной передачи данных

Такая передача сигналов характерно для аналоговой. Например, датчик частоты вращения колеса системы АВS выдает синусоидальное напряжение, частота и амплитуда которого зависит от скорости вращения колеса. Этот сигнал переменного напряжения передается по проводу в блок управления. Там аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, поскольку микропроцессор блока управления может обрабатывать только цифровую информацию. Однако даже на коротких расстояниях могут возникнуть помехи, влияющие на правильную передачу аналогового сигнала. Так, например, взаимное влияние проводов, проложенных параллельно на небольшом расстоянии в автомобиле, могут сильно изменить сигнал (рис., а). При передаче аналогового сигнала на другие блоки управления, он может исказиться настолько, что в результате может быть не понят. Несмотря на сложные системы фильтров и экранированные кабели, восстановление передаваемого сигнала возможно только в определенных пределах. Возникает ошибка.

Увеличение обмена данными между элект­рическими компонентами автомобиля уже достигли таких объемов, что дальнейшие попытки управления через обычные интер­фейсы уже не удовлетворяют современные системы управления, поэтому стали применяться шины передачи данных. При такой передаче блок управления АВS преобразует любую информацию датчика скорости вращения в последовательность импульсов. При этом различаются только состояния «напряжение высокое» и «напряжение низкое». Даже если последовательность импульсов будет принята в искаженном виде, при цифровой передаче с большой вероятностью сигнал восстанавливается (регенерируется) (рис. 3.9, б).

image_f1172c5126aa4bf59f15e8805b090b6f
Рис. 3.9. Передача сигнала:
1 – отправленный сигнал; 2 – принятый сигнал; 3 – регенерированный сигнал; а – аналоговая передача; б – цифровая передача

Последовательная передача данных (CAN). В связи с возросшими требованиями передачи информации в автомобильных системах управления, вместо обычной электропроводки в современных автомобилях все более широкое распространение находят электронные цифровые шины данных CAN (Controller Area Network). Цифровая передача дан­ных значительно надежнее обычной аналоговой – шина лучше защищена от помех, контакты надежнее изолиро­ваны от внешних воздейст­вий.

Шина данных CAN является открытой системой, к которой могут быть подключены как медные провода, так и стекловолоконные проводники.

CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя компонентов. Универсальная проводка подходит и для разных комплектаций одного автомобиля – дополнительные устройства просто подключа­ются к нужным разъемам.

В зависимости от приоритетов и требований к скорости передачи данных, шина связи может быть одно- или двухпроводной. Если для работы систем достаточно низкой скорости передачи данных, то используются шины с одним проводом связи. Если скорость должна быть высокой, применяют шины с двумя проводами связи.

Второй провод используется для проверки правильности переданной модулем управления информации и для самоконтроля модуля. Данные передаются по обоим проводам одновременно. Сигнал на первом проводе представляет собой перевернутое повторение сигнала, передаваемого по второму проводу.

Все связанные через шину CAN блоки управления подключаются к ней параллельно. Один из проводов шины CAN называется верхним (CAN_High), а другой — нижним (CAN_Low). Два невзаимозаменяемых скрученные между собой провода образуют пару (Twisted Pair) (рис. 3.10).

image_251ea3aa657445e79f01f1dac5abdc1f
Рис. 3.10. Шина CAN

Скручивание проводов производится для того чтобы ослабить помехи электромагнитного характера, а также излучающие помехи. Источниками помех на автомобиле являются узлы или системы, работа которых сопровождается искрообразованием или размыканием-замыканием электрических цепей. Другие источники помех – это устройства, излучающие электромагнитные волны, например – мобильные телефоны или радиопередатчики. Такие источники помех могут нарушить или исказить передачу данных по шине CAN. Скручивание позволяет также устранить излучение шины, способное создать помехи работе других устройств.

По верхнему проводу «CAN High» информация передается в виде электрических сигналов напряжением от 2,5 В до 3,5 В, а по нижнему проводу «CAN Low» — напряжением от 1,5 до 2,5 В (рис. 3.11). Разность напряжений, равная нулю, дает уровень логического нуля, а разность напряжений в 2 В — уровень логической единицы. Благодаря этому сумма напряжений в любой момент остается постоянной, и эффект электромагнитного поля на обоих проводах передачи данных взаимно уничтожается.

image_1dd53cb699df4b149cbc3f4647ae3f0d
Рис. 3.11. Передача информации по шине CAN: А, С – логический уровень = 0; B – логический уровень = 1; а – напряжение; б – разность напряжений

CAN – мультимастерная шина, то есть без центрально­го управляющего устройства. Все подключаемые к центральному или центральным блокам электрон­ные блоки разных систем (или контроллеры) равноправны – любой имеет доступ к передаваемым данным и может сам передавать.

CAN-шина относится к типу последовательных шин. Передача данных в шине CAN выполняется по протоколу в виде обмена сообщениями между блоками управления через очень короткие промежутки времени.

Протокол состоит из последовательности бит информации, передающихся друг за другом. Бит (вit) сокращение английского выражения “binary digit“ — бинарное значение, двоичная цифра. Бит означает отдельную информацию, например “выкл“/”вкл“ или “0“/”1“.

Если бит имеет значение «выключено» (логический «0»), то говорят о рецессивном состоянии. Если бит имеет значение «включено» (логическая единица, «1»), то говорят о доминантном состоянии

Число бит в протоколе передачи данных зависит от размера поля данных. Бит – минимальная единица передачи информации. В электронике биту может быть присвоено одно из двух возможных значений: «0» или «1» («да» или «нет»).

Данные передаются бит за битом как бусины по нитке, и таким же образом принимаются. Биты составляют отдельные поля (рис. 3.12) из них складываются так на­зываемые кадры – основные информационные единицы.

image_943acb590bb844bb8a8d598acb7540ed
Рис. 3.12. Кадр передачи данных:
1 ­– начало кадра (1 бит); 2 – арбитражное поле (11 бит); 3 – не используемое поле (1 бит); 4 – поле управления (6 бит); 5 – поле данных (64 бита); 6 – поле CRC (16 бит); 7 – поле ACK (2 бита); 8 – конец кадра (7 бит)

Начало кадра 1 обозначает начало протокола передачи данных.

Арбитражное поле 2 используется для обозначения приоритета протокола передачи данных. Например, если двум блокам управления требуется отправить сообщения одновременно, первым отправляет сообщение блок управления с более высоким приоритетом. Кроме того, оно используется для определения содержания сообщения (например, частота вращения коленчатого вала двигателя).

В поле управления (контрольное поле) 4 в виде кода записывается количество элементов информации в поле данных. Этим обеспечивается возможность для каждого приемника проверить, были ли получены все необходимые данные.

В поле данных 5 передаются элементы данных, являющиеся важными для других блоков управления. В этом поле содержится больше всего информации: от 0 до 64 бит (от 0 до 8 байт).

Поле CRC 6 используется для обнаружения ошибок в процессе передачи данных.

Поле ACK 7 содержит сигнал приемника передатчику о том, что протокол данных был успешно выполнен. В случае обнаружения ошибки информация об этом немедленно передается передатчику, после чего отправка сообщения повторяется.

Конец кадра предназначен для проверки передатчиком протокола данных и отправки приемнику подтверждения о его безошибочном выполнении. В случае обнаружения ошибки передача данных немедленно прекращается, а затем выполняется повторно. После этого протокол передачи данных считается выполненным.

Один кадр может включать несколько параметров. Например, кадр, выдаваемый ЭБУ системы впрыска топлива, может состоять из следующих параметров:

— частота вращения коленчатого вала двигателя;

— средний эффективный крутящий момент двигателя;

— заданная водителем скорость движения;

— состояние системы круиз-контроля (включена или не включена);

— разрешение на включение компрессора кондиционера;

— величина крутящего момента двигателя без учета воздействия автоматической коробки передач.

Некоторые кадры выдаются периодически (например, кадр системы впрыска топлива — через каждые 10 секунд). Другие кадры выдаются при наступлении какого-либо события. Например, кадр, генерируемый ЭБУ подушек безопасности, выдается в случае удара, при этом выключается топливный насос, происходит разблокировка замков дверей и запрещается блокировка рулевой колонки.

Обмениваемая информация состоит из отдельных посланий. Эти послания могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий (рис. 3.13), составленное согласно протоколу, содержит данные о каком-либо физическом параметре, например, о частоте вращения коленчатого вала.

image_af221e1ec2f44ecb8303658d69679a2a
Рис. 3.13. Структура послания, передаваемого через шину CAN:
1 – идентификационный код послания (11 бит); 2 – содержание послания (до 8х8 бит);
3 – контрольная сумма (16 бит); 4 – подтверждение приема послания (2 бит)

Примером идентификационного кода послания может быть: двигатель, содержания частота вращения коленчатого вала двигателя. В этом же послании могут содержаться другие данные, например, указания о холостом ходе, о передаче крутящего момента и о других режимах работы двигателя.

При этом величина частоты вращения представляется в двоичной форме, т. е. как последовательность нулей и единиц или бит (рис. 3.14). Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101.

Рис. 3.14. Передача электрических сигналов по времени

При передаче сигналов каждое число в двоичном представлении преобразуется в поток последовательных импульсов (бит). Эти импульсы поступают через провод TX (передающий провод) на вход трансивера (усилителя). Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения и наоборот, которые затем последовательно передаются на провод шины.

Процесс начинается с измерения частоты вращения посредством датчика 4, соединенного с блоком управления двигателем (рис. 3.15). Измеряемое значение периодически вводится во входное запоминающее устройство 8 микроконтроллера и по шине CAN передается на другие блоки управления, например, на блок управления в комбинации приборов. В связи с этим информация о частоте вращения копируется в выходном запоминающем устройстве 9 блока управления двигателем. Из выходного запоминающего устройства информация поступает в выходной почтовый ящик 6 модуля системы CAN. При поступлении актуальных данных в почтовый ящик вырабатывается специальный сигнал, символом которого является поднятый флаг 7.

image_4daf609796b54a0191e3c9fc3fae212d
Рис. 3.15. Схема процесса запуска передачи данных (на примере частоты вращения коленчатого вала двигателя):
1 – трансивер; 2 – зона приема данных; 3 – входной почтовый ящик; 4 – датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 5 – зона передачи данных; 6 – выходной почтовый ящик; 7 – символ сигнала поступления актуальных данных в почтовый ящик; 8 – входное запоминающее устройство; 9 – выходное запоминающее устройство; 10 – тахометр; 11 – шина CAN; TX – передающий провод; RX – принимающий провод

Выполнение процесса запуска завершается выдачей задания на передачу данных модулю системы CAN блок управления двигателем.

Прием послания производится в два этапа (рис.3.16):

• Этап 1 проверка послания на содержание ошибок (на уровне контроля).

• Этап 2 проверка пригодности послания (на уровне признания).

image_49a1b9ec25684ecb96a9a8ef8df10868
Рис. 3.16. Схема процесса приема данных (на примере частоты вращения коленчатого вала двигателя)

Все подключенные к шине блоки получают послание, отправленное блоком управления двигателем, но воспринимает послание блок управления комбинации приборов.

В табл. 3.1 показан пример упрощенной передачи данных на примере угла положения дроссельной заслонки, который показывает, как строится информация. Положение дроссельной заслонки передается 8 битами, таким образом возможно 256 вариантов комбинаций битов. С шагом 0, 4° передается положение заслонки от 0° до 102°.

Таблица 3.1
Зависимость изменения данных в шине в зависимости от положения дроссельной заслонки
Биты Положение дроссельной заслонки
0000 0000 Угол дроссельной заслонки 000, 0°
0000 0001 Угол дроссельной заслонки 000, 4°
0000 0010 Угол дроссельной заслонки 000, 8°
……
0101 0101 Угол дроссельной заслонки 034, 0°
…….
1111 1111 Угол дроссельной заслонки 102, 0°

Трансивер представляет собою приемопередающее устройство, одновременно выполняющее функции усилителя. Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения и наоборот. Связь трансивера с модулем системы CAN осуществляется посредством проводов TX (передающий провод) и RX (принимающий провод).

Провод RX соединен с шиной CAN через усилитель. Он позволяет постоянно «прослушивать» сигналы, передаваемые через шину. Особенностью подключения провода TX к шине является соединение через каскад с открытым коллектором. Благодаря этому могут быть реализованы два состояния шины (рис. 3.17):

Состояние 1: пассивное, уровень шины равен 1, провод шины соединен с источником тока через высокоомное сопротивление, при этом транзистор закрыт (выключатель разомкнут);

Состояние 0: активное, уровень шины равен 0, шина замкнута на «массу» через низкоомное сопротивление, при этом транзистор открыт (выключатель замкнут);

image_2fc4bf2218bd41199d5c876aa9abeb7d
Рис. 3.17. Принципиальная схема подключения трех трансиверов к проводу шины (трансивер C находится в активном состоянии)

При приеме сигналов трансивер преобразует импульсы напряжения в последовательности бит и передает их через провод RX (приемный провод) на блок управления. В блоке управления последовательности двоичных сигналов вновь преобразуются в данные посланий. Например, двоичное число 00010101 преобразуется в частоту вращения 1800 об/мин. Передаваемое послание может быть принято каждым из блоков управления.

Этот принцип передачи данных называют широковещательным, так как он подобен принципу работы широковещательной радиостанции, сигналы которой принимаются каждым пользователем радиосети. Контроллеры отсле­живают информацию: по принципу «слушаю всех», то есть каждый читает все проходящие по шине кадры, но принимает лишь адресованные ему данные (рис. Схема процесса приема данных). В данной ситуации, например, блок управления АБС пропустит ненужные сиг­налы от датчика частоты вращения коленчатого вала, а считает толь­ко необходимые сведения о частоте вращения колес автомобиля и т.д.

Другой принцип общения на шине позаимствован из компьютерных сетей и назы­вается «один говорит – осталь­ные слушают». Единовремен­но передавать данные может только один контроллер.

Каждый из активных блоков управления начинает процесс передачи данных с ввода идентификатора. Все блоки управления следят за состоянием шины, считывая с нее данные через провод RX (приемный провод). Каждый из блоков управления сравнивает бит за битом сигналы, передаваемые через провод TX (передающий провод) с сигналами, передаваемыми через провод RX.

В соответствии с принятой для шины CAN стратегией ситуация регулируется следующим образом: блок управления, сигнал которого на проводе TX обнуляется, должен прервать передачу данных через шину (рис. 3.18).

Число нулей в головной части идентификатора определяет ранг приоритета послания. Передача посланий производится в порядке, соответствующем их рангу. При этом действует правило: чем меньше число, обозначающее идентификатор, тем важнее послание. Этот способ оценки называют арбитражем. Этот термин является производным от слова арбитр или спортивный судья.

Рис. 3.18. Процесс арбитражного разбора, исключающий накладку посланий

Приоритет передачи информации определяется по важности выполняемых функций. Соблюдение безопасности является главным пунктом для определения очередности. Расположение блоков управления по важности показано в табл. 3.2.

Таблица 3.2
Расположение электронных блоков управления в порядке приоритета
Приоритет Протокол данных от Информация
1 блока управления ABS/EDS — контроль рулевого управления;

— контроль тормозных сил на колесах;

— контроль крутящего момента колес;

— контроль параметров окружающей дорожной обстановки.

2 блока управления двигателем — крутящий момент;

— положение дроссельной заслонки;

— температура охлаждающей жидкости;

— скорость автомобиля.

3 блока управления автоматической коробки передач — переключение передачи;

— коробка передач в аварийном режиме;

— положение рычага переключения.

4 блока управления комфортом — температура внутри салона;

-температура окружающей среды;

— управление стеклоподъемниками.

В качестве примера можно привести наивысший приоритет датчика поворота рулевого колеса, у которого послание с наибольшим числом нулей в его начале, благодаря которому вырабатываемые им данные отправляются в первую очередь (табл. 3.3)

Таблица 3.3
Сравнительные приоритеты датчиков
Идентификатор Двоичный
Двигатель 010­_1000­­_0000
Тормозная система 010­_1010­­_0000
Комбинация приборов 011­_0010­­_0000
Датчик угла поворота рулевого колеса 000­_1100­­_0000
Коробка передач 010­_0100­­_0000

Теоретически шину можно сделать любой длины и раз­местить на ней сколько угодно контроллеров. Однако на практике ограничивают и то, и другое. Это связано с тем, что скорость распро­странения сигналов не бесконечна, а все электрон­ные блоки должны получать информацию одновременно.

Поэтому быстродействую­щие шины делают коротки­ми – длиной не более 10 м, чтобы получить предельную скорость 2 Мбит/с.

При скорости 1 Мбит/с, максимальная протяженность длины кабеля шины около 40 метров. Это связано с тем, что арбитражная схема требует, чтобы фронтальная волна сигнала могла достигнуть удаленные устройства и вернуться обратно, прежде чем будут переданы данные.

На одной шине устанавливают обычно не более 64 контроллеров. Для увеличения передачи объема информации прокладывают несколь­ко независимых цепей, потому что не все системы требуют мак­симального быстродействия CAN.

В современных автомобилях, как правило, применяются три вида шин, работающие с раз­ными скоростями (рис. 3.19). Наиболее важные устройства и систе­мы (ABS, ESP, ЭБУ двигателем и др.) подключают­ся к скоростной магистрали с пропускной способностью 500…1000 Кбит/с практически обеспечивающей работу системы в реальном времени.

image_3598f2d357014209971bb1b9f3b05a74
Рис. 3.19. Система шин CAN (на примере автомобиля Polo модельного года 2002):
1 – шина наиболее важных устройств; 2 – шина информационной системы; 3 – шина системы комфорта

Менее быстрые и важные приборы система комфорт или информационно-командной система (радио, мо­нитор на центральной консо­ли, система навигации и кон­диционирования) завязаны на другую шину со скоростью 95,2…100 Кбит/с.

Для остальных «медленных» устройств система комфорт (двер­ных замков, систем освеще­ния, стеклоподъемников) служит третья шина с скоростью –33,3… 100 Кбит/с.

Вместо ключа зажигания в автомобилях, оборудованных CAN-шинами, все чаще используют элек­тронный брелок, который взаимодействует с блоком управ­ления двигателем через цифровую шину.

Шина LIN (локальная сеть воздействия) была разработана для удовлетворения потребно­стей устройств система комфорт. LIN – это сокращение от Local Interconnect Network (локальная коммутируемая сеть). Local Interconnect означает, что все блоки управления находятся в пределах одного ограниченного модуля (например, крыши или климат-контроля) (рис. 3.20).

image_df3a9fef6fd642cf982efcfe502488c6
Рис. 3.20. Пример использования шины LIN для Audi A8 Типичные области применения: — дверной модуль с дверным замком; — приводы стеклоподъемников; — регулировка боковых зеркал заднего вида;

— система кондиционирования (передача сигналов от элемента управления, актива­ция вентилятора свежего воздуха).

Шина LIN представляет собой неэкранированный однопроводный кабель. Уровень шины может принимать два логических состояния. Доминантный уровень соответствует напря­жению приблизительно 0 В (масса) и пред­ставляет собой логический 0. Рецессивный уровень соответствует напряжению батареи Ubatt и представляет собой логическую 1.

Из-за наличия разных вариантов электри­ческих цепей уровни могут быть разными. Определение допусков на передачу и прием в области рецессивных и доминантных уровней обеспечивает стабильную передачу данных. Диапазоны допусков шире на приемном конце (получатель) (рис. 3.21), чтобы действительные сиг­налы тоже можно было получать, несмотря на излучаемые помехи.
image_32f5b10748aa44d6b1bd7bfaf8df1b74
Рис. 3.21. Уровень напряжения на линии данных шины LIN

Скорость передачи по шине LIN ограничена величиной 20 кбит/с. Это компромисс между большой крутизной фронта импульсов, не­обходимой для синхронизации ведомых устройств, с одной стороны, и небольшой его крутизной, необходимой для улучшения ЕМС — с другой. Рекомендуемая скорость передачи составляют 2400, 9600 и 19200 бит/с. Минимально допустимая скорость составляет 1 кбит/с.

Максимальное количество узлов не регла­ментируется в спецификации LIN. Теоретиче­ски оно ограничено количеством доступных идентификаторов сообщений. Возможности линии и узла и крутизна фронта импульсов ограничивают сочетание длины и количества узлов сети LIN; рекомендуется не более 16 узлов.

Доступ к шине LIN обеспечивается на основе доступа «ведущий-ведомый». В сети имеется ведущее устройство, инициирующее каждое сообщение. Ведомое устройство имеет воз­можность ответить. Обмен сообщениями происходит между ведущим и одним, не­сколькими либо всеми ведомыми устрой­ствами.

Шина FlexRay. Возросшие требования к скорости передачи и безопасности данных требуют применения широкополосных шин передачи данных с временным разделением каналов (временным управлением). Для сравнения: шина CAN представляет собой событийно-управляемую шину данных.

FlexRay представляет собой последовательную, детерминистическую и устойчивую к сбоям шину передачи данных для применения в автомобиле. Скорость передачи данных по шине FlexRay составляет 10 Мбит/с, что в двадцать раз превышает скорость передачи по высокоскоростной шине CAN (500 кбит/с).

Другой важной особенностью является гарантированное время реакции или латентный период реагирования, который представляет собой время, которое требуется сообщению на прохождение от отправителя до получателя. В связи с этим говорят также о детерминистической (предопределённой, регламентированной) передаче. Это означает, что данные поступают к адресату или адресатам к строго определённому или предварительно заданному моменту времени (возможность применения в режиме реального времени).

В отличие от шины CAN, в случае шины FlexRay для активации шины требуется не менее двух блоков управления. Эти блоки управления именуются блоками управления холодного запуска (KS). Их число для каждой сети FlexRay ограничено максимум тремя блоками.

Для обеспечения обмена данными с временным разделением каналов, в пределах этой конкретной сети передачи данных с помощью синхронизации нескольких блоков управления задаётся единая точка отсчёта времени. Благодаря синхронизации внутренних часов блоков управления в системе FlexRay, выход из строя отдельных блоков управления не оказывает влияние на коммуникационные характеристики остальных блоков управления.

Обычно синхронизацию шины FlexRay обеспечивают четыре блока управления, называемые синхронизирующими блоками управления. Если в системе шины FlexRay имеется более четырёх блоков управления, то остальные блоки синхронизируются по точке отсчёта времени, заданной синхронизирующими блоками. Поскольку эти дополнительные блоки управления интегрируются в работающую, синхронизированную систему, их называют интеграционными блоками управления.

Шина FlexRay имеет следующие особенности:

● электрическая двухпроводная шина данных;

● скорость передачи данных: макс. 10 Мбит/с;

● комбинированная топология шины;

● возможность применения в режиме реального времени;

● обеспечивает распределённое управление и применение в системах, связанных с обеспечением безопасности;

● синхронная передача данных.

Шина FlexRay двухпроводная. Плюсовой провод (BP)обозначаются красным цветом, минусовой (ВМ) – синим. Уровень напряжения на обоих проводах колеблется в диапазоне от минимума в 2,2В до максимума в 2,8В (рис. 3.22) (для сравнений в высокоскоростной шине CAN от 1,5В до 3 В). Уровень разностного напряжения составляет не менее 600 мВ (в высокоскоростной шине CAN 2В).

image_845000e812f64516823c2ea615cb5d19
Рис. 3.22. Передача информации по шине FlexRay FlexRay работает с тремя состояниями сигнала:

● «холостой» — уровень напряжения обоих проводов шины рецессивный и составляет 2,5В (режим холостого хода). Рецессивный означает, что уровень напряжения может быть превышен (перезаписан) другим блоком управления;

● 0 — провод BP имеет низкий, а провод BM — высокий доминирующий уровень напряжения. Доминирующий означает, что этот уровень напряжения не может быть превышен (перезаписан) другими блоками управления;

● 1 — провод BP имеет высокий, а провод BM — низкий доминирующий уровень напряжения.

При таких параметрах уровня напряжения время передачи бита составляет 100 наносекунд (нс). (для сравнений в высокоскоростной шине 2000 нс).

Шина MOST. Центральный блок информационно-командной системы может соединяться с процессором навигационной и других систем посредством оптического кабеля (шина типа МОSТ «Media Oriented Systems Transport»). Это необходимо для защиты от помех линии передачи данных. Для передачи данных через оптический кабель следует преобразовать аналоговую информацию в серии световых импульсов, которые могут затем распространяться через стеклянные волокна кабеля. У световых волн, по сравнению с радиоволнами, длина волны короче, они не создают электромагнитных помех и сами являются невосприимчивыми к таковым.

У металлических проводников создаются поля вокруг любого проводника, по которому проходит электрический ток (рис. 3.23). Поэтому проложенные параллельно или перекрещивающиеся проводники тока создают взаимные помехи. Помехи создаются также электромагнитными волнами, генерируемыми, например, мобильным телефоном. При использовании волоконно-оптической связи такие помехи отсутствуют.

image_42354c45ddb54562bc56063d9fd8e772
Рис. 3.23. Передача тока через волоконно-оптический (а) и металлический (б) проводники:
1 – цифровая информация; 2 – импульсы света в оптическом кабеле; 3 – аналоговая или цифровая информация; 4 – электроны в металлическом проводнике; 5 – электромагнитное поле проводника

Преимуществом современных волокно-оптических систем, кроме отсутствия помех, является также скорость передачи данных, которая достигает 21,2 Mbit/s, что позволяет передавать информацию в виде цифрового сигнала. Такая связь находит применение при приеме аудио и видео передач, при приеме которой требуется скорость передачи данных порядка 6 Mbit/s и больше, в то время как шина CAN может передавать данные со скоростью до 1 Mbit/s, при большом количестве жил в жгуте проводов.

Основными компонентами волокно-оптических систем (рис. 3.24) являются светодиоды и фотодиоды, составляющие приемопередатчик; трансивер; световод; микропроцессор.

image_ea505b0938f7478d8dd9a7f10ff2bb10
Рис. 3.24. Основные компоненты волокно-оптической системы:
1 – световод; 2 – фотодиод; 3 – светодиод; 4 – трансивер

Светодиод предназначен для преобразования сигнала по напряжению в световой сигнал. Длина волны выработанных световых волн составляет от 650 nm и их видно, как красный свет.

Фотодиод предназначен для преобразования световых волн в сигналы по напряжению.

Световод предназначен для отправки световых волн, вырабатываемых в передатчике одного блока управления, на приемник другого блока управления.

Он состоит из нескольких слоев: ядра, прозрачного слоя, черной оболочки, цветной оболочки (рис.3.25).

image_d0d4c09db50943ceaebb9699571dd26a
Рис. 3.25. Световод:
1 – цветная оболочка; 2 – черная оболочка; 3 – ядро; 4 – прозрачный слой

Ядром 3 является центральная часть световода, состоящая из полиметил-метакрилата. По нему свет проходит по принципу полного отражения почти без потерь. Для полного отражения вокруг ядра установлен прозрачный с оптической точки зрения слой 4 из фторполимера. Черная оболочка 2, состоящая из полиамида, предохраняет ядро от внешнего светоизлучения. Цветная оболочка 1 предназначена для маркировки, и защиты от механических повреждений, а также от воздействия температуры.

Недостатком волокно-оптической системы является требования плавных изгибов, радиус изгиба световода не должен превышать 25 мм.

Шина MOST представляет шину последовательной передачи данных (аудио, видео, голосовые сигналы, данные) по оптическому кабелю (рис. 3.26). С точки зрения физического исполнения в случае шины MOST речь идёт о кольцевой структуре (топологии) сети. Шина MOST может включать до 64 устройств.

image_f06d8f476b2e44f295cb78f8b1e332af
Рис. 3.26. Шина MOST (на примере Touareg 2011 Volkswagen):
1 ­– ЭБУ в комбинации приборов; 2 – диагностический интерфейс шин данных; 3 – ЭБУ информационной электронной системы; 4 – ТВ-тюнер; 5 – DVD чейнджер; 6 – головное устройство аудиосистемы; 7 – ЭБУ цифровой аудиосистемы

Шина MOST имеет следующие особенности:

● оптическая шина передачи данных;

● скорость передачи данных: 21,2 Мбит/с;

● кольцевая топология шины;

● адресноориентированная передача сообщений определённым адресатам;

● циклическая и управляемая событиями передача данных;

● высокая помехозащищённость.

С помощью оптической шины MOST обмен данными между абонентами шины происходит в цифровом формате. Передача данных с помощью световых волн позволяет достичь существенно больших скоростей передачи данных.

Кроме вышеперечисленных систем передачи данных в автомобилях могут применяться системы ISO, SCP, ACP, радио система Bluetooth.

ISO (International Organization for Standardization (Международная организация по стандартизации)). Шина ISO состоит из одного единственного провода связи/коммуникации (провода K). Провод K служит не для связи модулей управления между собой, а исключительно для диагностики отдельного модуля управления. Скорость последовательной передачи данных зависит от модельного года автомобиля. Она может составлять от 4,8 до 10,4 кбит/с.

SCP (Standard Corporate Protocol (стандартный корпоративный протокол)). Шина SCP состоит из витой пары проводов. При повреждении только одного из двух проводов связь между модулем управления и диагностическим тестером сохраняется. Вся информация передается последовательно пакетами (блоками данных). Скорость передачи данных составляет примерно 41,6 кбит/с. Все узлы, то есть точки подсоединения модулей управления, равноправны. Поэтому в реализации то или иной функции могут участвовать сразу несколько модулей управления. Если необходимости одновременно передать несколько сообщений, они обрабатываются по очереди в соответствии со степенью их важности. На каждое посланное сообщение должен прийти, по меньшей мере, один корректный отклик. Если этого не происходит, в память неисправностей записывается код неисправности.

ACP (Audio Control Protocol (протокол управления аудиотехникой)) имеет сходство с шиной SCP, но отличается более простым протоколом и используется исключительно в аудио- и телефонных системах.

Радио система Bluetooth. Последней разработкой в области системных сетей является технология Bluetooth. Речь идет о ближней радиосистеме, то есть беспроводной шинной системе, используемой как в компьютерной технике, так и в области мобильной радиосвязи, и объединяющей их через интерфейс Bluetooth. Она объединяет разные приборы, устройства обработки информации, управляемые мобильной радиосвязью. Технология Bluetooth использует свободный от лицензирования во всем мире ISМ-диапазон в частотном диапазоне 2,45 Гц с мощностью передачи 1 мВт и имеет с действия около 10 м. Нужна всего лишь одна маленькая короткая антенна, и скорость передачи может достигать до 1 Мбит/с. Система состоит из задающего блока, который создает связь и определяет последовательность отправки. Каждое устройство имеет свой адрес, а передача данных происходит адресовано.