Объединение автомобильных систем в сеть

Объединение автомобильных систем в сеть

В современных автомобилях широко ис­пользуются сети для обмена данными, также называемые системами шин и протоколами. Различные компоненты, такие как датчики, исполнительные органы и компьютеры «узлы» соединяются между собой через единый канал, который может состоять из нескольких проводов (рис.1). По этому каналу передается множество данных. На­пример, скорость движения определяется в системе динамической стабилизации (ESP) и передается на все другие ЭБУ, подключенные к системе шин в виде узлов. Вот о том, как происходит объединение автомобильных систем в сеть, мы и поговорим в этой статье.

 

Преимущества систем шин

 

По сравнению с традиционными проводными соединениям, в которых отправитель и полу­чатель информации соединены отдельными проводами, системы шин имеют значитель­ные преимущества:

  • ниже стоимость материалов для проводов (что компенсирует более высокую стои­мость электроники);
  • меньше требуется пространства, меньше масса проводов;
  • меньше штекерных соединений, подвер­женных сбоям, поэтому меньше возникает сбоев;
  • данные можно распределять между раз­личным получателями; например, сигналы датчика можно использовать в нескольких системах;
  • доступ ко всем системам в автомобиле, соединяемым через шину, возможен из одной точки. Это упрощает диагностику и конфигурацию всех ЭБУ в конце линии (флэш-программирование);
  • вычисления можно распределить между разными ЭБУ. Таким образом, в случае особенно большой потребности в вычисли­тельной мощности того или иного ЭБУ, мо­гут быть использованы возможности других ЭБУ или при отказе ЭБУ его функции могут быть распределены между другими ЭБУ;
  • для обработки данных аналоговые сиг­налы датчиков должны быть преобразо­ваны в цифровые. Сигналы датчиков могут преобразоваться прямо в датчике, затем информация рассылается по шине.

объединение автомобильных систем

Требования к шинам

 

Общие требования к шинам

Для использования в автомобилях шины должны удовлетворять типичным требова­ниям. Шина должна использовать процесс передачи, управляющий временем распро­странения, затуханиями и отражениями сигна­лов для проводов длиной до 40 м, достающих до всех необходимых мест в автомобиле. Сеть должна быть способна соединить несколько десятков пользователей.

Шина должна выдерживать суровые усло­вия эксплуатации в плане температуры, ви­брации и электромагнитных помех.

Поскольку автомобили изготавливаются в больших количествах, то даже небольшая экономия для оборудования шинами одного автомобиля имеет большое значение. Также важно иметь несколько конкурирующих про­изводителей оборудования шинами. Существует большое количество вариантов оборудования, которое должно охватываться базовой конфигурацией шины. Доустановка дополнительного оборудования не должна отражаться на других системах автомобиля.

Характеристики шины должны быть четко определены стандартом, с которым можно было бы сравнивать компоненты. Это гарантирует надежное взаимодействие про­веренных компонентов разных поставщиков в единой сети.

Особые требования

К разным автомобильным системам предъ­являются разные требования, и поэтому необходимо использовать разные шины. Скорость передачи данных очень сильно за­висит от области применения. Она составляет несколько бит в секунду для включения осве­щения, несколько сотен килобит в секунду для системы управления двигателем и не­сколько мегабит в секунду для видео.

Для систем, в которых сбой или задержка выполнения функции критично с точки зре­ния безопасности (подушки безопасности, провода) должна обязательно гарантиро­ваться определенная длительность передачи данных (задержка реакции). Когда время от­клика шины определено и гарантировано, это называют детерминизмом. Таким образом, время передачи, в частности, сообщений из­вестно уже на стадии проектирования.

Системы, имеющие отношение к безопас­ности, такие как электроусилитель руля, в течение всего срока службы, от проектирования до эксплуатации, должны демон­стрировать соответствие используемых компонентов требованиям законодательства. Необходимо проверить, чтобы все было сделано по последним технологиям во из­бежание возникновения дефектов или сбоев в конструкции и обеспечения правильного функционирования при любых допустимых граничных условиях.

Неизбежно возникающие в процессе экс­плуатации сбои передачи данных должны вы­являться с надежностью, необходимой для соответствующей области применения.



Технические принципы

 

Компоненты шины

 

Аппаратная часть пользователя сетиЧтобы сеть работала так, как это было за­планировано, в каждой используемой сети должны постоянно выполняться вычисления. Они выполняются большей частью особым устройством (рис.2 «Аппаратная часть пользователя сети»), «коммуникацион­ным контроллером». Он снимает нагрузку с фактического компьютера (хоста), который также может выполнять эту функцию, но менее эффективно. Коммуникационный кон­троллер может быть реализован в виде от­дельного полупроводникового компонента; однако в случае, когда микроконтроллеров много, коммуникационные контроллеры у не­которых шин оказываются уже встроенными.

Еще один компонент, драйвер шины или трансивер, преобразует принимаемый от коммуникационного контроллера сигнал в физический сигнал на шине (например, уро­вень напряжения). Он преобразует получае­мые на линии шины данные и отправляет их на коммуникационный контроллер.

Эталонная модель OSI

Международная организация по стандартиза­ции (ISO) разработала эталонную модель OSI (модель взаимодействия открытых систем), часто используемую в качестве основы для описания и сравнения протоколов связи. В этой модели функция системы обмена дан­ными делится на разные иерархические слои, каждый из которых использует функции, предоставляемые другими слоями. Эталонная мо­дель OSI помогает концептуально структури­ровать функцию коммуникационной системы. Однако для поиска эффективных решений не обязательно соблюдать эту модель.

Определяются семь слоев (рис.3 «Эталонная модель OSI» ), но многие протоколы определяются только на одной их части. Верхние слои в эталонной модели OSI (слой приложения, слой пред­ставления и слой сеанса) большей частью не обслуживаются автомобильными шинами.

Физический слой

 

Эталонная модель OSIФизический слой определяет физические свойства передающей среды (например, уровень напряжения или форму штекеров). В автомобилях в основном используются электромагнитные сигналы в диапазоне от нескольких кГц до нескольких МГц с особыми проводами и оптоволокном. Радио на различных частотах и совместное исполь­зование проводов с уже подаваемым пита­нием — технологии, еще не испытанные на крупных партиях.

Наиболее широко распространенным мето­дом, в силу небольших затрат, является пере­дача по проводам, особенно по витой паре с разностью напряжений, с экранированием от излучения или без него, или по одножильным проводам с опорным напряжением на массу.

Там, где требуется высокая скорость пере­дачи данных, прежде всего используются оптоволоконные линии из пластмассы или стекловолокна (для инфракрасной части спектра). Они нечувствительны к электро­магнитному излучению (его источником может быть, например, система зажигания), но их прокладка стоит дорого и их стойкость к старению еще вызывает вопросы.

Физические возможности среды также ограничивают типы шифрования. В опти­ческой среде существуют два состояния «свет» и «нет света», и шифрование здесь амплитудное (яркость).

Высокочастотные сигналы напряжения, пе­редаваемые по проводу дают разные возмож­ности для представления битов. Самый простой и распространенный способ, используемый в автомобильных шинах — это шифрование, при котором каждому биту присваивается опреде­ленное значение напряжения (амплитудная модуляция), применяемое ко всей длительно­сти бита (NRZ, без возврата на ноль). В этом частотном диапазоне концы проводов при не­обходимости должны быть подключены к нагрузочным резисторам для предотвращения отражения из-за нарушения формы сигнала.

Слой передачи данных

Слой передачи данных осуществляет обмен данными между соседними узлами. Биты данных группируются в пакеты (фреймы). Добавляя дополнительные биты, такие как контрольные суммы и числовые коды, можно выявлять и даже исправлять ошибки, возни­кающие при передаче. Ошибку можно также исправить путем запроса новой передачи.

Сетевой слой

Если не каждый пользователь сети напрямую соединен со всеми остальными, то необхо­димо найти маршрут для данных, проходя­щих через промежуточные станции. Эту за­дачу выполняет сетевой слой.

Транспортный слой

К функциям транспортного слоя относятся разборка крупных пакетов данных и их сборка у получателя, к которому отдельные части потенциально приходят по разным маршрутам в разное время или при возник­новении ошибок передачи, обеспечивая по­вторную передачу пакета.



Методы доступа

Данные обычно передаются в виде пакетов с фиксированной структурой (фреймов), ко­торые, наряду с фактическим содержанием, имеют метаданные об источнике, пункте на­значения, приоритете и контрольные биты для защиты от повреждения.

Центральной функцией сети, к которой имеют доступ одновременно несколько поль­зователей, является распределение доступа, во избежание конфликтов. Применительно к шинам это называется арбитражем. Следует учитывать срочность отправки сообщения. Используются разные механизмы.

Управление временем

Циклически работающие шины (управление временем), обеспечивают бесконфликтный доступ, если для каждого узла статически определяется его доля в длительности цикла и обеспечивается синхронность тактов в узлах. Строгая периодичность гарантирует, что во всех режимах работы длительность пересылки сообщения будет известна. Это свойство требуется в таких системах, как электроусилитель рулевого управления, где слишком позднее выполнение действия не­допустимо.

Кроме того, регулирование по времени стимулирует возможность независимой разработки нескольких подсистем, обеспечивающее предсказуемое поведение всей системы в целом. Когда каждая подсистема имеет свой независимый квант времени, два узла не могут помешать друг другу, одновре­менно занимая шину.

Ведущий-ведомый узел

Определенный узел (ведущий) предоставляет другим узлам (ведомым) ограниченный до­ступ (рис.4 «Метод ведущий-ведомый»). Таким образом, он определяет частоту связи путем опроса подчиненных узлов. Ведомый узел отвечает только тогда, когда он опрашивается ведущим узлом. Однако некоторые протоколы формата «ведущий-ведомый» для отправки сообще­ния разрешают ведомому узлу регистрацию на ведущем узле.

Многоабонентская шина

 

Метод ведущий-ведомыйВ многоабонентской шине различные узлы могут получать доступ к шине автоматически и отправлять сообщение, когда шина осво­бождается. Иными словами, каждый узел может выполнять роль ведущего, и все узлы могут инициировать отправку сообщения. Однако это также означает необходимость наличия методов определения доступа и раз­решения конфликтов. Это можно сделать, например, на этапе принятия решений с на­значением приоритетов или на этапе повтор­ной отправки с задержкой. Использование управления приоритетами предотвращает конфликты на шине при попытке одновре­менного доступа к шине нескольких узлов. Узел сети, имеющий высокий приоритет или пытающийся передать высокоприори­тетное сообщение, утверждается и первым отправляет свое сообщение. Когда линия снова освобождается, все узлы, пытающиеся отправить сообщения, особенно те, что на­ходятся в ожидании, повторяют попытку от­правки.

Многоабонентская структура оказывает положительный эффект на готовность си­стемы, так как связью управляют не отдельные узлы, неисправности которых привели бы к полному сбою связи.

Передача маркера

Здесь право доступа временно предоставля­ется какому-либо узлу, который затем пере­дает его на ограниченное время другому узлу.

Адресация

Чтобы сообщения передавались по сети, а их содержание можно было анализировать, они, помимо пользовательских данных (полезной нагрузки), содержат информацию о передаче данных. Она может быть явной либо неявной. Адресация требуется для того, чтобы сообще­ние доставлялось нужному получателю. Для этого существуют разные способы.

Ориентация на пользователя

 

Типы адресацииЗдесь обмен данными осуществляется на основе адресов узлов (рис.5а «Типы адресации»). В переда­ваемом отправителем сообщении, помимо основных данных, содержится адрес пункта назначения. Все получатели сравнивают передаваемый адрес получателя с собствен­ным, и лишь получатели с нужным адресом анализируют сообщение. Сообщения могут отправляться отдельным получателям, груп­пам или всем узлам в сети.

Большинство систем связи (например, Ethernet) работают по принципу адресации, ориентированной на пользователя.

 

Ориентация на сообщение

Здесь адресуются не узлы-получатели, а сами сообщения (рис.5b). Сообщение иден­тифицируется по его содержанию идентификатором сообщений, заранее установленным для данного типа информации. При этом ме­тоде адресации отправителю не нужно знать получателя сообщения, поскольку, каждый получатель сам решает, обрабатывать сооб­щение или нет. Сообщение может быть также принято и оценено несколькими узлами.

Ориентация на передачу

Для идентификации сообщения можно ис­пользовать даже функции передачи. Если сообщение всегда отправляется в определенном промежутке времени, то его можно идентифицировать с помощью этого метода. В целях безопасности этот тип адресации во многих случаях также сочетается с адреса­цией, ориентированной на сообщение или пользователя.

Топология сети

Топология сети — это структура сетевых узлов и соединений. Она показывает, какие узлы соединены между собой, но не подробности (например, длину соединений). Для различных областей применения сетей связи к используемой топологии предъявляются различные требования.

Шинная топология

Эта топология также называется линейной шиной. Ключевым элементом является еди­ный кабель, к которому подключаются все узлы через короткие соединительные кабели (рис.6а «Топологии сетей»). В этой топологии очень легко рас­ширить сеть дополнительными пользовате­лями. Сообщения отправляются отдельными пользователями шины и распределяются по всей шине.

При отказе одного из узлов, ожидаемые от него данные не предоставляются другим узлам в сети, но остальные узлы могут продол­жать обмениваться сообщениями. Однако сеть с шинной топологией полностью перестанет работать, если будут неисправен центральный кабель (например, в случае обрыва провода).

Топологии сетей Топологии сетей-2
Звездная топология

Звездная топология состоит из центрального узла (повторителя, концентратора), к кото­рому все остальные узлы подключаются че­рез индивидуальные соединения (рис.6b). Поэтому сеть с такой топологией можно легко расширить, если в центральном элементе име­ются свободные точки подключения.

Обмен данными осуществляется через индивидуальные соединения узлов с цен­тральной звездой, при этом различают активные и пассивные звезды. Активная звезда содержит компьютер, обрабатывающий и перенаправляющий данные. Эффективность сети в значительной мере определяется ха­рактеристиками этого компьютера. Однако центральный узел не обязательно должен иметь особые вычислительные средства для управления. Пассивная звезда лишь соеди­няет шинные линии пользователей сети.

При сбое у одного из пользователей или не­исправности соединительного кабеля, идущего к центральному узлу, остальная сеть продол­жает работать. Если же будет неисправен цен­тральный узел, то не будет работать вся сеть.

Кольцевая топология

В кольцевой топологии каждый узел соединен с двумя соседними. В результате получается замкнутое кольцо (рис.6с). В кольце данные передаются только в одном направлении от одной станции к следующей. В каждом слу­чае проверяется получение данных. Если они не предназначены для данной станции, то они обновляются (функция повторителя), усилива­ются и отправляются на следующую станцию. Передаваемые данные направляются в кольцо, т.е. от одной станции к следующей, пока не дой­дут до получателя или не вернутся в исходную точку. Когда сообщение пройдет через все кольцо, прием подтверждается всеми узлами. Когда происходит сбой какой-либо станции в кольце, передача данных прерывается, и вся сеть оказывается неработоспособной.

Кольца могут также иметь форму двой­ного кольца, в котором данные передаются в обоих направлениях. В этой топологии сбой одной станции или соединения между двумя станциями не является проблемой, поскольку все данные продолжают передаваться на все работающие станции в кольце.



Топология типа «цепочка»

Топология типа «цепочка» выглядит как кольцевая, если убрать одно из соединений. Здесь первый компонент соединяется прямо с оборудованием, обрабатывающим данные (например, с компьютером). Последующие компоненты соединяются с предыдущими (принцип последовательного соединения), создавая цепочку. Таким образом, сообще­ния проходят через несколько узлов, пока не попадут к получателю.

Решетчатая топология

При решетчатой топологии каждый узел соеди­няется с одним или несколькими другими (рис.6d). При сбое одного узла или соединения имеются каналы переадресации, по которым можно маршрутизировать данные. Поэтому сеть характеризуется большой устойчивостью к отказам. Однако стоимость организации сети и транспортировки сообщений высока.

Гибридные топологии

В гибридном варианте соединяются разные сетевые топологии. Возможны, к примеру, следующие комбинации:

  • звездно-шинная топология: ядра различ­ных звездообразных сетей соединяются между собой в виде линейной шины (рис.6е);
  • звездно-кольцевая топология: ядра раз­личных звездообразных сетей соединя­ются с главным ядром (рис.6f). в этом главном ядре ядра звездообразных сетей соединяются в форме кольца.

Надежность передачи

Важной особенностью шин, особенно если они используются в системах, имеющих отношение к обеспечению безопасности, является их способность выявлять сбои и, при необходимости, поддерживать работу в ограниченном режиме. Сюда относится воз­можность выявления повреждений данных. Электромагнитное излучение (например, от катушки зажигания) на провода может приве­сти к тому, что некоторые биты в получателе примут некорректные значения. Эти случаи можно выявить путем передачи контроль­ной информации в дополнение к данным. Простейший случай — дополнительный бит четности, определяющий четность либо не­четность количества единиц. Общим случаем этого является «циклический контроль избыточным кодом» (CRC), с помощью которого можно получить разные уровни защиты через выбираемое количество контрольных битов.

Одним из способов обеспечения работы в ограниченном режиме является обход не­исправных линий и предотвращение блокировки шины неисправными узлами. Гарантируется, что элемент отправляемых узлом данных, например, скорость автомо­биля, будет либо доступен всем адресатам в сети, либо ни одному (последовательность). Поэтому не может возникнуть ситуация, когда у двух узлов имеются разные отобра­жения значения скорости. Для этой цели узел сигнализирует сбой приема или воздержива­ется от подтверждения корректного приема. Другие узлы отклоняют данные, уже коррек­тно принятые ими.

В следующей статье я расскажу о системах комфорта и удобства в автомобиле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *