1.1 Обзор
Современные автомобили представляют собой сложные машины, включающие механические и электронные части. В последние годы количество электронных компонентов, используемых в автомобилях, резко возросло. В результате повышения требований к безопасности, комфорту и производительности мы видим, что в современные автомобили добавляется гораздо больше электронных компонентов. Впредь возрастает потребность в соединении этих электронных компонентов таким образом, чтобы они могли надежно и безопасно взаимодействовать друг с другом в режиме реального времени.
В прошлом электронные блоки соединялись сложным образом, с сотнями проводов, идущих к различным частям автомобиля. Следовательно, было трудно отследить неисправность электроники. Между различными частями электроники отсутствовала координация, так как каждая электронно-электронная часть управлялась независимо от других. Обслуживание и ремонт электроники автомобиля были чрезвычайно сложными, так как во многих случаях было непросто найти и заменить неисправный компонент.
Безопасность пассажиров также стала одним из наиболее важных соображений в современных транспортных средствах. За последнее десятилетие оборудование для обеспечения безопасности эволюционировало и перешло от физической к электронной системе безопасности, начиная с технологий торможения, заканчивая защитой от столкновений и подушками безопасности, а в последнее время и системами помощи водителю, связанными с безопасностью. Новейшие современные автомобили — это умные и интеллектуальные машины, оснащенные множеством датчиков, которые могут оценивать окружающую среду и отображать для водителей полезную информацию, связанную с безопасностью. Эти датчики образуют интеллектуальные локальные сети вместе с исполнительными механизмами, дисплеями и быстрыми цифровыми процессорами, такими как высокоскоростные специализированные микроконтроллеры.
На рис. 1.1 показана традиционная электронная система автомобиля старого образца с датчиками и исполнительными механизмами, сложным образом взаимосвязанными друг с другом. Одной из основных проблем в этом типе дизайна является техническое обслуживание. Проводка была настолько сложной, что было почти невозможно отследить и устранить неисправности.
По мере увеличения сложности автомобильной электроники производителям стало сложно разрабатывать безопасные и надежные электронные системы на основе старых традиционных методов. Текущие требования не могут быть получены с помощью простого электронного блока управления. Решение состоит в том, чтобы соединить различные электронные модули в высокопроизводительную сеть. Вот почему возникла необходимость разработать сетевую электронную систему, в которой электронные модули можно легко подключить к сети, а затем управлять ими из центрального интеллектуального блока (например, блока управления двигателем). Результатом этого стал «интеллектуальный» автомобиль, в котором используется множество датчиков и исполнительных механизмов для восприятия окружающей среды и выполнения множества функций. Примером может служить автоматическое включение фар с наступлением темноты или при проезде автомобиля через туннель. Другой пример — автоматическая работа стеклоочистителей при начале дождя и так далее.
Одним из преимуществ сетевой электронной системы автомобиля является то, что относительно легко отследить и обнаружить неисправный модуль. Кроме того, проводка намного проще и проще в обслуживании. Например, связавшись с центральным блоком интеллектуального контроллера, можно сказать, исправна ли вся электронная система, а если нет, то можно легко обнаружить неисправные модули. Сетевая система также позволяет различным модулям на шине взаимодействовать друг с другом и при необходимости обмениваться информацией. Например, блок интеллектуального контроллера может получать значение температуры двигателя от модуля датчика температуры. Затем эта температура может отображаться на электронной приборной панели. Если температура слишком высока, соответствующие сообщения могут быть отправлены на ответственные части двигателя, и могут быть легко приняты корректирующие меры. На рис. 1.2 показано современное транспортное средство, в котором для соединения электронных модулей и управления ими используется электронная сетевая система.
В этой главе представлен обзор наиболее важных автомобильных сетевых систем, используемых в настоящее время в автомобилях. Кроме того, в нем представлена таблица для сравнения преимуществ и недостатков каждой системы.
1.2 Автомобильные сетевые системы
Сетевые системы транспортных средств (или сети) были классифицированы в 1994 году Обществом автомобильных инженеров (SAE). В соответствии с этой классификацией шинные системы классифицировались на основе их пропускной способности (т. е. скорости передачи данных) и функций сетевой системы. Классификация делит шинные сети на четыре: класс A, класс B, класс C и класс D.
Сети класса А — это низкоскоростные и недорогие сети со скоростью передачи данных менее 10 кбит/с.
Эти системы в основном используются в кузове автомобиля.
Сети класса B работают на скоростях от 10 до 125 кбит/с и используются для обмена информацией, например, приборной панелью, скоростью автомобиля и т. д.
Сети класса C работают на скоростях от 125 до 1 Мбит/с и используются в самых разных приложениях, таких как управление двигателем.
Сети класса D работают со скоростью выше 1 Мбит/с и в основном используются в телематических приложениях.
Существует множество автомобильных сетевых систем (или шинных систем, поскольку автомобильные сети имеют форму шинных проводов), некоторые из которых разработаны производителями транспортных средств самостоятельно, а некоторые разработаны совместно с производителями полупроводников.
Популярные автомобильные сетевые системы включают:
• CAN шина
• LIN шина
• FlexRay
• MOST
• Byteᙃight
• DSI шина
• Intellibus
• SAE J1850
• BST шина
• NML шина
В этом разделе мы кратко рассмотрим наиболее часто используемые автомобильные сетевые системы, перечисленные ниже, и сосредоточимся на шине CAN, которая является темой этой книги.
• LIN шина
• FlexRay
• MOST
• Byteflight
• Intellibus
• CAN шина
1.2.1 LIN-шина
Шина Local Interconnect или «LIN» — это недорогая шина, работающая со скоростью 20 кбит/с, которая была разработана для создания стандарта недорогой связи начального уровня в автомобильной электронике. LIN вписывается в младшую часть автомобильных сетевых систем, что делает его экономически эффективным. Эта шина в основном используется для второстепенных функций кузова/комфорта. LIN — это однопроводная шинная система с одним главным и несколькими подчиненными устройствами. В типичном приложении ведущий передает сообщение с заголовком сообщения, запрашивая данные, а ведомый, у которого есть правильный заголовок сообщения, отправляет запрошенные данные, включая контрольную сумму для проверки ошибок. Типичные области применения шины LIN включают в себя управление небольшими двигателями стеклоочистителей, управление люком в крыше, управление обогревом, управление датчиками дождя, управление рулевым колесом, сиденьями, дверями и т. д., где не требуется широкая полоса пропускания. Шина LIN используется в приложениях, где реализация шины CAN была бы слишком дорогой. Первоначальная спецификация LIN была определена консорциумом, состоящим из BMW, Audi, Volvo, VW, Motorola, Volcano и DaimlerChrysler. Шина LIN основана на интерфейсе последовательной связи (UART) с 8-битными данными.
1.2.2 FlexRay
По мере роста спроса на повышенную безопасность, повышенную производительность и повышенный комфорт возникает потребность в более сложных и совершенных электронных сетевых системах транспортных средств. FlexRay был первоначально разработан BMW и Daimler Chrysler в 1999 году как быстрая, эффективная и безошибочная автомобильная автобусная система. FlexRay подходит для высокоскоростных приложений реального времени, поскольку поддерживает пропускную способность до 10 Мбит/с. Могут использоваться как электрические, так и оптические среды передачи. FlexRay поддерживает одноканальные и двухканальные конфигурации, причем двухканальный вариант обеспечивает повышенную отказоустойчивость и увеличенную пропускную способность. Считается, что это следующий шаг после LIN и CAN, он в основном используется в критически важных с точки зрения безопасности приложениях и для управления высокоскоростным двигателем в режиме реального времени. Некоторые области применения FlexRay: управление двигателем, ABS, управление трансмиссией, управление тормозами, управление подвеской и т. д.
1.2.3 MOST
Шина Media Oriented Systems Transport (MOST) в основном используется в автомобильных телеметрических и мультимедийных приложениях, таких как управление звуком, видео, навигация, связь и т. д. Современные автомобильные системы включают в себя мультимедийные устройства, такие как проигрыватели DVD/CD, телевизоры, навигационные системы, графические дисплеи и мобильные компьютеры, для которых требуется очень высокая скорость передачи данных. Это достигается с помощью сети MOST. Первоначальная сеть MOST была разработана компаниями BMW и DaimlerChrysler в 1998 году.
MOST поддерживает до 64 устройств на шине с очень высокой пропускной способностью. Типичные скорости передачи данных составляют 28,8 Мбит/с в синхронном режиме и 14,4 Мбит/с в асинхронном режиме. В настоящее время в разработке находятся скорости до 50 Мбит/с и даже 150 Мбит/с. Для передачи данных используется оптическая среда, свободная от какого-либо электромагнитного излучения или помех.
1.2.4 Byteflight байтов
Byteflight была разработана BMW и предлагает пропускную способность 10 Мбит/с. Byteflight в основном используется в сетях, связанных с безопасностью, таких как автомобильные и авиационные системы (например, в автомобильных подушках безопасности, электронике кузова и т. д.). Чтобы быть безопасным, протокол данных должен быть отказоустойчивым и детерминированным. Механизмы управления данными до Byteflight контролировались либо событиями, либо временем. Управляемый событиями (например, CAN) передает данные только тогда, когда данные готовы или когда поступает запрос данных. Протоколы данных с контролем времени предоставляют время каждому узлу в соответствии с заранее определенной последовательностью. Количество передаваемых сообщений, как правило, не может быть изменено во время работы, поскольку количество выделенных временных интервалов фиксировано. Протокол Byteflight сочетает протоколы, управляемые событиями и временем, и гарантирует детерминированные задержки для определенного количества высокоприоритетных сообщений и гибкое использование пропускной способности для низкоприоритетных сообщений.
Первое использование Byteflight в массовом производстве было компанией BMW в их автомобилях Series-7 и в сетевом приложении пассивной безопасности. Byteflight поддерживает различные сетевые протоколы в среде со смешанной шиной.
1.2.5 Интеллибус
Интеллибус — это высокоскоростная многоабонентская коммуникационная шина с пропускной способностью до 15 Мбит/с. Первоначально она была задумана компанией Boeing для уменьшения сложности проводки, связанной с распределенными системами в аэрокосмических приложениях. Это недорогая шина, позволяющая подключать большое количество датчиков, и она используется в основном для управления двигателем, трансмиссией и другими частями, требующими высокой скорости. Типичная сеть Intellibus состоит из контроллера сетевого интерфейса (NIC) и от 1 до 255 интерфейсных модулей Intellibus (IBIM), которые могут быть подключены к датчикам. Сетевую карту можно установить на ПК или другое электронное устройство. Обычно на сетевую карту загружается программное обеспечение для выборки данных из различных IBIM по расписанию через определенные промежутки времени. В сложной сети можно использовать две или более сетевых карт для увеличения пропускной способности узла. Для программирования NIC и IBIM доступно специальное программное обеспечение. Максимальная длина шины составляет 30 м (при 12,5 Мбит/с и 64 узлах). Intellibus используется в автомобильной электронике, управлении технологическими процессами, автоматизации, авионике, медицине и ряде других областей.
1.2.6 CAN-шина
Шина локальной сети контроллеров (CAN) является основным предметом этой книги. В этом разделе мы рассмотрим основные свойства этой шины. Подробное описание CAN-шины и проектов, связанных с CAN-шиной, представлено в остальных главах книги.
CAN — это последовательная двухпроводная многоканальная шина, разработанная Robert Bosch GmbH в 1980-х годах. На сегодняшний день это одна из наиболее широко используемых шин автомобильных электронных систем. Физический уровень CAN состоит из пары витых кабелей. CAN обеспечивает надежную, надежную и быструю связь со скоростью до 1 Мбит/с (при длине шины 40 м). CAN 2.0A — это исходная версия CAN, состоящая из полей:
• Бит начала кадра
• 18-битный заголовок (имеющий 11-битный идентификатор сообщения)
• 0-8 байт данных
• 15-битная проверка циклическим избыточным кодом (CRC)
• 3-битный слот подтверждения
• 7-битный конец кадра
Шина CAN основана на «механизме» CSMA/CR (множественный доступ с контролем несущей/разрешение конфликтов) для предотвращения коллизий кадров во время передачи по шине. Каждый узел CAN контролирует шину, и когда узел обнаруживает, что шина простаивает, он может начать передачу данных. Если другие узлы на шине попытаются одновременно отправить данные, произойдет арбитраж, и узел с наивысшим приоритетом (т. е. с наименьшим идентификатором сообщения) выиграет арбитраж и отправит свои собственные данные. Шина CAN имеет простой механизм обнаружения и устранения ошибок. Принимающие узлы проверяют целостность сообщений, просматривая поля CRC. Если обнаружена ошибка, другие узлы на шине информируются посредством сообщений с флагами ошибок. На рис. 1.3 показана типичная реализация шины CAN с двумя узлами, A и B. CAN — это сеть класса A/B.
Краткое описание характеристик шины CAN:
• Шина с несколькими ведущими, где каждый узел может быть ведущим
• Многоадресный прием
• Скорость до 1 Мбит/с
• Высокая надежность
1.2.7 Прочее
Другими стандартами автомобильных шин, которые следует упомянуть в этой главе, являются SAE J1850 (или просто J1850), разработанный в 1994 году, и шина MI (Motorola Interconnect). J1850 широко использовался в таких автомобилях, как GM, Chrysler и Ford, и эта шина используется для приложений диагностики и обмена данными. Существует две версии этого стандарта: PWM (широтно-импульсная модуляция) со скоростью 41,6 Кбит/с с использованием двухпроводного дифференциального физического уровня и VPW (переменная ширина импульса) со скоростью 10,4 Кбит/с с использованием однопроводного физического уровня. Два стандарта несовместимы друг с другом. Протокол J1850 основан на кадрах и использует арбитраж CSMA/CR, где кадр состоит из начала кадра, байта заголовка, байтов данных, однобайтового CRC и символа конца данных (низкий импульс длительностью 200 мкс). Большинство инструментов OBD (бортовая диагностика) поддерживают протокол J1850 для диагностических целей. Стандарт J1850 устарел, и его постепенно упраздняют. Стандарт J1850 представляет собой сеть класса B.
Шина MI представляет собой однопроводную шину с одним ведущим и несколькими ведомыми. Это недорогая шина с низкой скоростью передачи данных, которая в основном используется для управления сиденьями, зеркалами и т. д. Мастер — это контроллер, который отправляет адреса и данные всем ведомым устройствам на шине. Ведомые устройства с совпадающими адресами отвечают на запрос.
1.3 Сравнение автомобильных шинных систем
В настоящее время одной из наиболее часто используемых шинных систем является шина CAN, которая может использоваться на скоростях до 1 Мбит/с.
Таблица 1.1 представляет собой сводку часто используемых автомобильных сетей (или шинных систем) со сравнением различных систем. Для каждой системы указаны класс, общая информация, пропускная способность и типичные области применения.
Как правило, шина LIN используется в низкоскоростной автоматике, такой как управление мотором стеклоочистителя, датчики дождя и т. д. CAN используется в управлении двигателем, сцеплением и так далее. FlexRay используется в очень высокопроизводительных и критически важных для безопасности приложениях. Это относительно новая конструкция шины, и мы надеемся, что она станет автомобильным стандартом будущего. MOST обычно используется в автомобильных мультимедийных и навигационных приложениях. Эта шина построена на оптической основе и устойчива к электрическим помехам. Byteflight — это также новая автомобильная сетевая система, которая хорошо подходит для критически важных для безопасности приложений в режиме реального времени, таких как управление подушками безопасности. Byteflight основана на волоконной оптике и поэтому гораздо более устойчива к электромагнитному излучению и электрическим помехам. Intellibus, наконец, предлагает высокую пропускную способность и в основном используется в аэрокосмических приложениях. Это не так безопасно и надежно, как Byteflight.
На рис. 1.4 и рис. 1.5 показаны примеры легковых автомобилей, в которых используется несколько шинных систем На рис. 1.4 шина CAN показана в левой части рисунка и подключена к приборам, климат-контролю, фарам, рулевому колесу, силовой передаче и системе блокировки. Шина MOST показана в нижней левой части рисунка и подключена к мультимедийному оборудованию, такому как динамики, цифровое радио, автомобильный компьютер и навигационное оборудование. В этом конкретном приложении FlexRay можно увидеть в правом нижнем углу рисунка, подключенный к двигателю, системе рулевого управления и тормозам. Диагностический прибор, подключенный к шине CAN в правом нижнем углу изображения, используется для проверки состояния автомобиля.
На рис. 1.5 фары, кондиционер, стеклоочистители, двери и окна управляются по шине LIN, а FlexRay управляет тормозами. Большинство других частей автомобиля управляются шиной CAN.
Сегодня более 20 производителей полупроводников выпускают устройства с интерфейсами CAN. Практически все новые легковые автомобили, выпускаемые в Европе и на Дальнем Востоке, оснащены хотя бы одной сетью CAN. CAN является одним из наиболее распространенных протоколов шины, используемых в легковых автомобилях. С 2000 года использование CAN в транспортных средствах быстро увеличилось с примерно 120 миллионов устройств CAN до примерно 800 миллионов устройств в 2007 году. В настоящее время эта цифра превышает десятки миллиардов устройств.
CAN и основанные на CAN протоколы более высокого уровня, такие как CANopen и DeviceNet, получают все более широкое признание среди производителей в Северной Америке, и ожидается, что эти протоколы будут широко распространены на большинстве рынков промышленной и коммерческой автоматизации. В частности, CAN будет использоваться в следующих разнообразных приложениях в течение следующих пяти-десяти лет:
•Легковые автомобили
•Автобусов
•Поездов
•Морской электроника
•Авиационная электронике
•Заводской автоматизации
•Лифтов
•Медицинском оборудовании
•Программируемых контроллеров машин
•Домашних развлекательных систем
•Бытовой технике
•Военное применение
•Космических приложения
Интересное и важное применение шины CAN почти наверняка будет в медицинской промышленности. Медицинское оборудование и устройства, такие как рентгеновские аппараты, ультразвуковые аппараты, аппараты лучевой терапии, компьютерные томографы, аппараты МРТ и т. д., могут быть спроектированы и разработаны с использованием шины CAN для своих внутренних коммуникационных структур. Такой подход упростит конструкцию машин, а также повысит их безопасность и надежность, а также упростит техническое обслуживание.
1.4 Базовая структура автомобильной системы шины CAN
Стоит взглянуть на базовую структуру автомобильной системы на основе шины CAN, прежде чем углубляться в детали и теорию протокола CAN и электроники.
С развитием шины CAN были достигнуты значительные успехи как в надежности, так и в безопасности автомобильной электроники. Как показано на рис. 1.6, в автомобиле с шиной CAN все блоки соединены друг с другом по двухпроводной шинной системе. Как вы узнаете более подробно из последующих глав, два провода шины называются CAN_LO и CAN_HI. Существует полная координация между всеми блоками, а ECU (блок управления двигателем) отвечает за управление каждым блоком, следя за тем, чтобы все блоки работали должным образом. На рис. 1.6 блоки в верхней части рисунка критичны ко времени и требуют высокого приоритета. Точно так же устройства в нижней части рисунка являются низкоскоростными некритическими устройствами, требующими более низких приоритетов.
Полную проводку и состояние автомобиля можно контролировать и опрашивать, подключив диагностический прибор через диагностический разъем, расположенный на двигателе. Этим инструментом может быть ноутбук со специальным программным обеспечением, разработанным производителем, или специальное ручное диагностическое устройство, которое можно использовать для прямой связи с ЭБУ. С помощью этого инструмента и с помощью ЭБУ можно получить информацию о состоянии каждого агрегата автомобиля. Например, мы можем легко опросить модуль подушки безопасности и проверить, правильно ли он работает.
CAN представляет собой двухпроводную шинную систему (см. рис. 1.7) с резистивными разъемами на каждом конце шины. Все блоки (или узлы, или CAN-станции) жестко подключаются к шине с помощью CAN-коннекторов (например, T-коннекторов, End-коннекторов и т. д.).
Как правило, информация поступает от различных датчиков (например, датчика температуры двигателя), расположенных в различных частях автомобиля. Как показано на рисунке 1.8, информация датчика затем передается на микроконтроллер, а затем на шину CAN через контроллер CAN и приемопередатчик. Функция приемопередатчика CAN заключается в физическом подключении к фактической шине CAN для обмена данными по шине. Контроллер CAN находится под управлением микроконтроллера и выполняет определенные функции протокола CAN.
Типичный ЭБУ показан на рис. 1.9. Этот ECU подходит для двигателей автомобилей с числом цилиндров до 6
На рис. 1.10 схематически показано, как ЭБУ (в центре рисунка) может быть подключен к другим частям автомобиля. Порт с надписью «Диагностика» используется для OBD (бортовой диагностики), где ручной терминал (сканер) или портативный компьютер может быть подключен с помощью специального разъема, и общее «здоровье» автомобиля может быть легко быть осмотрены.
1.5 Преимущества шины CAN
Основные преимущества шины CAN можно резюмировать следующим образом:
• Низкая сложность проводки
• Простая в управлении шина с витой парой
• Новые узлы можно легко добавлять и удалять
• Поломка узла не влияет на другие узлы в системе.
• Централизованное управление
• Все устройства на шине могут прочитать одно и то же сообщение
• Отказоустойчивость к электромагнитному излучению
• Эффективно справляется с ошибками
• Простота диагностики и обслуживания
1.6 Недостатки шины CAN
К недостаткам шины CAN можно отнести:
• скорость передачи данных может быть низкой в некоторых приложениях (ограничена 1 Мбит/с);
• дорого реализовать, так как требуются специальные контроллеры;
• полное отключение системы при повреждении основного магистрального провода CAN.
1.7 Основные свойства шины CAN
Шина CAN в настоящее время используется во многих различных областях, от легковых автомобилей до морской электроники, медицинской электроники, авиационной электроники и так далее. Причиной широкого признания шины CAN, возможно, является ее высокая производительность, помимо надежности, надежности и безопасности. Основные свойства шины CAN можно резюмировать ниже (детали этих свойств будут рассмотрены в следующих главах):
• Двухпроводная витая шина
• Оконечная нагрузка шины с резисторами на каждом конце
• Скорость на шине до 1 Мбит/с (при длине шины 40 м). Более высокие скорости передачи данных при меньшей длине шины
• Передача до 8 байт данных в любое время
• Сообщения, отправленные и полученные в виде кадров по четко определенному надежному протоколу
• Приоритетный доступ к шине с несколькими мастерами
• Любой узел может передавать, пока другие узлы слушают
• Арбитраж шины, если два или более узла пытаются передать данные одновременно.
• Передача сообщений широковещательного типа, при которой все узлы могут получать одно и то же сообщение.
• Нет адресов узлов. Узлы принимают или отклоняют данные на шине на основе фильтрации приема сообщений.
• Удаленный запрос данных, когда узел может запрашивать данные у другого узла.
• Обнаружение ошибок и сигнализация
• Автоматическая повторная передача сообщений, если передача не удалась (из-за арбитража шины)
• Автоматическая деактивация узлов, в которых постоянно возникают ошибки.
1.8 CANopen
CANopen — это высокоуровневый коммуникационный протокол и спецификация, основанная на более раннем протоколе CAN. CANopen был разработан для автомобильной промышленности, чтобы упростить и стандартизировать связь между различными устройствами, разработанными разными производителями. Хотя изначально он был разработан для автомобильной промышленности, он использовался в широком спектре других отраслей.
Некоторые особенности CANopen:
• До 128 узлов в одной сети CAN
• Архитектура с несколькими мастерами
• Длина шины до 5 км (сниженный битрейт на больших участках)
• Легкий высокоуровневый доступ ко всем устройствам
• Смесительные устройства разных производителей (независимость производителя)
• Синхронизация устройств
• Высокая надежность
Хотя CANopen обеспечивает управление сетью и независимость от производителя сети CAN, у него также есть недостаток, заключающийся в уменьшении пропускной способности.
Современные автомобили представляют собой сложные машины, включающие механические и электронные части. В последние годы количество электронных компонентов, используемых в автомобилях, резко возросло. В результате повышения требований к безопасности, комфорту и производительности мы видим, что в современные автомобили добавляется гораздо больше электронных компонентов. Впредь возрастает потребность в соединении этих электронных компонентов таким образом, чтобы они могли надежно и безопасно взаимодействовать друг с другом в режиме реального времени.
В прошлом электронные блоки соединялись сложным образом, с сотнями проводов, идущих к различным частям автомобиля. Следовательно, было трудно отследить неисправность электроники. Между различными частями электроники отсутствовала координация, так как каждая электронно-электронная часть управлялась независимо от других. Обслуживание и ремонт электроники автомобиля были чрезвычайно сложными, так как во многих случаях было непросто найти и заменить неисправный компонент.
Безопасность пассажиров также стала одним из наиболее важных соображений в современных транспортных средствах. За последнее десятилетие оборудование для обеспечения безопасности эволюционировало и перешло от физической к электронной системе безопасности, начиная с технологий торможения, заканчивая защитой от столкновений и подушками безопасности, а в последнее время и системами помощи водителю, связанными с безопасностью. Новейшие современные автомобили — это умные и интеллектуальные машины, оснащенные множеством датчиков, которые могут оценивать окружающую среду и отображать для водителей полезную информацию, связанную с безопасностью. Эти датчики образуют интеллектуальные локальные сети вместе с исполнительными механизмами, дисплеями и быстрыми цифровыми процессорами, такими как высокоскоростные специализированные микроконтроллеры.
На рис. 1.1 показана традиционная электронная система автомобиля старого образца с датчиками и исполнительными механизмами, сложным образом взаимосвязанными друг с другом. Одной из основных проблем в этом типе дизайна является техническое обслуживание. Проводка была настолько сложной, что было почти невозможно отследить и устранить неисправности.
По мере увеличения сложности автомобильной электроники производителям стало сложно разрабатывать безопасные и надежные электронные системы на основе старых традиционных методов. Текущие требования не могут быть получены с помощью простого электронного блока управления. Решение состоит в том, чтобы соединить различные электронные модули в высокопроизводительную сеть. Вот почему возникла необходимость разработать сетевую электронную систему, в которой электронные модули можно легко подключить к сети, а затем управлять ими из центрального интеллектуального блока (например, блока управления двигателем). Результатом этого стал «интеллектуальный» автомобиль, в котором используется множество датчиков и исполнительных механизмов для восприятия окружающей среды и выполнения множества функций. Примером может служить автоматическое включение фар с наступлением темноты или при проезде автомобиля через туннель. Другой пример — автоматическая работа стеклоочистителей при начале дождя и так далее.
Одним из преимуществ сетевой электронной системы автомобиля является то, что относительно легко отследить и обнаружить неисправный модуль. Кроме того, проводка намного проще и проще в обслуживании. Например, связавшись с центральным блоком интеллектуального контроллера, можно сказать, исправна ли вся электронная система, а если нет, то можно легко обнаружить неисправные модули. Сетевая система также позволяет различным модулям на шине взаимодействовать друг с другом и при необходимости обмениваться информацией. Например, блок интеллектуального контроллера может получать значение температуры двигателя от модуля датчика температуры. Затем эта температура может отображаться на электронной приборной панели. Если температура слишком высока, соответствующие сообщения могут быть отправлены на ответственные части двигателя, и могут быть легко приняты корректирующие меры. На рис. 1.2 показано современное транспортное средство, в котором для соединения электронных модулей и управления ими используется электронная сетевая система.
В этой главе представлен обзор наиболее важных автомобильных сетевых систем, используемых в настоящее время в автомобилях. Кроме того, в нем представлена таблица для сравнения преимуществ и недостатков каждой системы.
1.2 Автомобильные сетевые системы
Сетевые системы транспортных средств (или сети) были классифицированы в 1994 году Обществом автомобильных инженеров (SAE). В соответствии с этой классификацией шинные системы классифицировались на основе их пропускной способности (т. е. скорости передачи данных) и функций сетевой системы. Классификация делит шинные сети на четыре: класс A, класс B, класс C и класс D.
Сети класса А — это низкоскоростные и недорогие сети со скоростью передачи данных менее 10 кбит/с.
Эти системы в основном используются в кузове автомобиля.
Сети класса B работают на скоростях от 10 до 125 кбит/с и используются для обмена информацией, например, приборной панелью, скоростью автомобиля и т. д.
Сети класса C работают на скоростях от 125 до 1 Мбит/с и используются в самых разных приложениях, таких как управление двигателем.
Сети класса D работают со скоростью выше 1 Мбит/с и в основном используются в телематических приложениях.
Существует множество автомобильных сетевых систем (или шинных систем, поскольку автомобильные сети имеют форму шинных проводов), некоторые из которых разработаны производителями транспортных средств самостоятельно, а некоторые разработаны совместно с производителями полупроводников.
Популярные автомобильные сетевые системы включают:
• CAN шина
• LIN шина
• FlexRay
• MOST
• Byteᙃight
• DSI шина
• Intellibus
• SAE J1850
• BST шина
• NML шина
В этом разделе мы кратко рассмотрим наиболее часто используемые автомобильные сетевые системы, перечисленные ниже, и сосредоточимся на шине CAN, которая является темой этой книги.
• LIN шина
• FlexRay
• MOST
• Byteflight
• Intellibus
• CAN шина
1.2.1 LIN-шина
Шина Local Interconnect или «LIN» — это недорогая шина, работающая со скоростью 20 кбит/с, которая была разработана для создания стандарта недорогой связи начального уровня в автомобильной электронике. LIN вписывается в младшую часть автомобильных сетевых систем, что делает его экономически эффективным. Эта шина в основном используется для второстепенных функций кузова/комфорта. LIN — это однопроводная шинная система с одним главным и несколькими подчиненными устройствами. В типичном приложении ведущий передает сообщение с заголовком сообщения, запрашивая данные, а ведомый, у которого есть правильный заголовок сообщения, отправляет запрошенные данные, включая контрольную сумму для проверки ошибок. Типичные области применения шины LIN включают в себя управление небольшими двигателями стеклоочистителей, управление люком в крыше, управление обогревом, управление датчиками дождя, управление рулевым колесом, сиденьями, дверями и т. д., где не требуется широкая полоса пропускания. Шина LIN используется в приложениях, где реализация шины CAN была бы слишком дорогой. Первоначальная спецификация LIN была определена консорциумом, состоящим из BMW, Audi, Volvo, VW, Motorola, Volcano и DaimlerChrysler. Шина LIN основана на интерфейсе последовательной связи (UART) с 8-битными данными.
1.2.2 FlexRay
По мере роста спроса на повышенную безопасность, повышенную производительность и повышенный комфорт возникает потребность в более сложных и совершенных электронных сетевых системах транспортных средств. FlexRay был первоначально разработан BMW и Daimler Chrysler в 1999 году как быстрая, эффективная и безошибочная автомобильная автобусная система. FlexRay подходит для высокоскоростных приложений реального времени, поскольку поддерживает пропускную способность до 10 Мбит/с. Могут использоваться как электрические, так и оптические среды передачи. FlexRay поддерживает одноканальные и двухканальные конфигурации, причем двухканальный вариант обеспечивает повышенную отказоустойчивость и увеличенную пропускную способность. Считается, что это следующий шаг после LIN и CAN, он в основном используется в критически важных с точки зрения безопасности приложениях и для управления высокоскоростным двигателем в режиме реального времени. Некоторые области применения FlexRay: управление двигателем, ABS, управление трансмиссией, управление тормозами, управление подвеской и т. д.
1.2.3 MOST
Шина Media Oriented Systems Transport (MOST) в основном используется в автомобильных телеметрических и мультимедийных приложениях, таких как управление звуком, видео, навигация, связь и т. д. Современные автомобильные системы включают в себя мультимедийные устройства, такие как проигрыватели DVD/CD, телевизоры, навигационные системы, графические дисплеи и мобильные компьютеры, для которых требуется очень высокая скорость передачи данных. Это достигается с помощью сети MOST. Первоначальная сеть MOST была разработана компаниями BMW и DaimlerChrysler в 1998 году.
MOST поддерживает до 64 устройств на шине с очень высокой пропускной способностью. Типичные скорости передачи данных составляют 28,8 Мбит/с в синхронном режиме и 14,4 Мбит/с в асинхронном режиме. В настоящее время в разработке находятся скорости до 50 Мбит/с и даже 150 Мбит/с. Для передачи данных используется оптическая среда, свободная от какого-либо электромагнитного излучения или помех.
1.2.4 Byteflight байтов
Byteflight была разработана BMW и предлагает пропускную способность 10 Мбит/с. Byteflight в основном используется в сетях, связанных с безопасностью, таких как автомобильные и авиационные системы (например, в автомобильных подушках безопасности, электронике кузова и т. д.). Чтобы быть безопасным, протокол данных должен быть отказоустойчивым и детерминированным. Механизмы управления данными до Byteflight контролировались либо событиями, либо временем. Управляемый событиями (например, CAN) передает данные только тогда, когда данные готовы или когда поступает запрос данных. Протоколы данных с контролем времени предоставляют время каждому узлу в соответствии с заранее определенной последовательностью. Количество передаваемых сообщений, как правило, не может быть изменено во время работы, поскольку количество выделенных временных интервалов фиксировано. Протокол Byteflight сочетает протоколы, управляемые событиями и временем, и гарантирует детерминированные задержки для определенного количества высокоприоритетных сообщений и гибкое использование пропускной способности для низкоприоритетных сообщений.
Первое использование Byteflight в массовом производстве было компанией BMW в их автомобилях Series-7 и в сетевом приложении пассивной безопасности. Byteflight поддерживает различные сетевые протоколы в среде со смешанной шиной.
1.2.5 Интеллибус
Интеллибус — это высокоскоростная многоабонентская коммуникационная шина с пропускной способностью до 15 Мбит/с. Первоначально она была задумана компанией Boeing для уменьшения сложности проводки, связанной с распределенными системами в аэрокосмических приложениях. Это недорогая шина, позволяющая подключать большое количество датчиков, и она используется в основном для управления двигателем, трансмиссией и другими частями, требующими высокой скорости. Типичная сеть Intellibus состоит из контроллера сетевого интерфейса (NIC) и от 1 до 255 интерфейсных модулей Intellibus (IBIM), которые могут быть подключены к датчикам. Сетевую карту можно установить на ПК или другое электронное устройство. Обычно на сетевую карту загружается программное обеспечение для выборки данных из различных IBIM по расписанию через определенные промежутки времени. В сложной сети можно использовать две или более сетевых карт для увеличения пропускной способности узла. Для программирования NIC и IBIM доступно специальное программное обеспечение. Максимальная длина шины составляет 30 м (при 12,5 Мбит/с и 64 узлах). Intellibus используется в автомобильной электронике, управлении технологическими процессами, автоматизации, авионике, медицине и ряде других областей.
1.2.6 CAN-шина
Шина локальной сети контроллеров (CAN) является основным предметом этой книги. В этом разделе мы рассмотрим основные свойства этой шины. Подробное описание CAN-шины и проектов, связанных с CAN-шиной, представлено в остальных главах книги.
CAN — это последовательная двухпроводная многоканальная шина, разработанная Robert Bosch GmbH в 1980-х годах. На сегодняшний день это одна из наиболее широко используемых шин автомобильных электронных систем. Физический уровень CAN состоит из пары витых кабелей. CAN обеспечивает надежную, надежную и быструю связь со скоростью до 1 Мбит/с (при длине шины 40 м). CAN 2.0A — это исходная версия CAN, состоящая из полей:
• Бит начала кадра
• 18-битный заголовок (имеющий 11-битный идентификатор сообщения)
• 0-8 байт данных
• 15-битная проверка циклическим избыточным кодом (CRC)
• 3-битный слот подтверждения
• 7-битный конец кадра
Шина CAN основана на «механизме» CSMA/CR (множественный доступ с контролем несущей/разрешение конфликтов) для предотвращения коллизий кадров во время передачи по шине. Каждый узел CAN контролирует шину, и когда узел обнаруживает, что шина простаивает, он может начать передачу данных. Если другие узлы на шине попытаются одновременно отправить данные, произойдет арбитраж, и узел с наивысшим приоритетом (т. е. с наименьшим идентификатором сообщения) выиграет арбитраж и отправит свои собственные данные. Шина CAN имеет простой механизм обнаружения и устранения ошибок. Принимающие узлы проверяют целостность сообщений, просматривая поля CRC. Если обнаружена ошибка, другие узлы на шине информируются посредством сообщений с флагами ошибок. На рис. 1.3 показана типичная реализация шины CAN с двумя узлами, A и B. CAN — это сеть класса A/B.
Краткое описание характеристик шины CAN:
• Шина с несколькими ведущими, где каждый узел может быть ведущим
• Многоадресный прием
• Скорость до 1 Мбит/с
• Высокая надежность
1.2.7 Прочее
Другими стандартами автомобильных шин, которые следует упомянуть в этой главе, являются SAE J1850 (или просто J1850), разработанный в 1994 году, и шина MI (Motorola Interconnect). J1850 широко использовался в таких автомобилях, как GM, Chrysler и Ford, и эта шина используется для приложений диагностики и обмена данными. Существует две версии этого стандарта: PWM (широтно-импульсная модуляция) со скоростью 41,6 Кбит/с с использованием двухпроводного дифференциального физического уровня и VPW (переменная ширина импульса) со скоростью 10,4 Кбит/с с использованием однопроводного физического уровня. Два стандарта несовместимы друг с другом. Протокол J1850 основан на кадрах и использует арбитраж CSMA/CR, где кадр состоит из начала кадра, байта заголовка, байтов данных, однобайтового CRC и символа конца данных (низкий импульс длительностью 200 мкс). Большинство инструментов OBD (бортовая диагностика) поддерживают протокол J1850 для диагностических целей. Стандарт J1850 устарел, и его постепенно упраздняют. Стандарт J1850 представляет собой сеть класса B.
Шина MI представляет собой однопроводную шину с одним ведущим и несколькими ведомыми. Это недорогая шина с низкой скоростью передачи данных, которая в основном используется для управления сиденьями, зеркалами и т. д. Мастер — это контроллер, который отправляет адреса и данные всем ведомым устройствам на шине. Ведомые устройства с совпадающими адресами отвечают на запрос.
1.3 Сравнение автомобильных шинных систем
В настоящее время одной из наиболее часто используемых шинных систем является шина CAN, которая может использоваться на скоростях до 1 Мбит/с.
Таблица 1.1 представляет собой сводку часто используемых автомобильных сетей (или шинных систем) со сравнением различных систем. Для каждой системы указаны класс, общая информация, пропускная способность и типичные области применения.
Как правило, шина LIN используется в низкоскоростной автоматике, такой как управление мотором стеклоочистителя, датчики дождя и т. д. CAN используется в управлении двигателем, сцеплением и так далее. FlexRay используется в очень высокопроизводительных и критически важных для безопасности приложениях. Это относительно новая конструкция шины, и мы надеемся, что она станет автомобильным стандартом будущего. MOST обычно используется в автомобильных мультимедийных и навигационных приложениях. Эта шина построена на оптической основе и устойчива к электрическим помехам. Byteflight — это также новая автомобильная сетевая система, которая хорошо подходит для критически важных для безопасности приложений в режиме реального времени, таких как управление подушками безопасности. Byteflight основана на волоконной оптике и поэтому гораздо более устойчива к электромагнитному излучению и электрическим помехам. Intellibus, наконец, предлагает высокую пропускную способность и в основном используется в аэрокосмических приложениях. Это не так безопасно и надежно, как Byteflight.
На рис. 1.4 и рис. 1.5 показаны примеры легковых автомобилей, в которых используется несколько шинных систем На рис. 1.4 шина CAN показана в левой части рисунка и подключена к приборам, климат-контролю, фарам, рулевому колесу, силовой передаче и системе блокировки. Шина MOST показана в нижней левой части рисунка и подключена к мультимедийному оборудованию, такому как динамики, цифровое радио, автомобильный компьютер и навигационное оборудование. В этом конкретном приложении FlexRay можно увидеть в правом нижнем углу рисунка, подключенный к двигателю, системе рулевого управления и тормозам. Диагностический прибор, подключенный к шине CAN в правом нижнем углу изображения, используется для проверки состояния автомобиля.
На рис. 1.5 фары, кондиционер, стеклоочистители, двери и окна управляются по шине LIN, а FlexRay управляет тормозами. Большинство других частей автомобиля управляются шиной CAN.
Сегодня более 20 производителей полупроводников выпускают устройства с интерфейсами CAN. Практически все новые легковые автомобили, выпускаемые в Европе и на Дальнем Востоке, оснащены хотя бы одной сетью CAN. CAN является одним из наиболее распространенных протоколов шины, используемых в легковых автомобилях. С 2000 года использование CAN в транспортных средствах быстро увеличилось с примерно 120 миллионов устройств CAN до примерно 800 миллионов устройств в 2007 году. В настоящее время эта цифра превышает десятки миллиардов устройств.
CAN и основанные на CAN протоколы более высокого уровня, такие как CANopen и DeviceNet, получают все более широкое признание среди производителей в Северной Америке, и ожидается, что эти протоколы будут широко распространены на большинстве рынков промышленной и коммерческой автоматизации. В частности, CAN будет использоваться в следующих разнообразных приложениях в течение следующих пяти-десяти лет:
•Легковые автомобили
•Автобусов
•Поездов
•Морской электроника
•Авиационная электронике
•Заводской автоматизации
•Лифтов
•Медицинском оборудовании
•Программируемых контроллеров машин
•Домашних развлекательных систем
•Бытовой технике
•Военное применение
•Космических приложения
Интересное и важное применение шины CAN почти наверняка будет в медицинской промышленности. Медицинское оборудование и устройства, такие как рентгеновские аппараты, ультразвуковые аппараты, аппараты лучевой терапии, компьютерные томографы, аппараты МРТ и т. д., могут быть спроектированы и разработаны с использованием шины CAN для своих внутренних коммуникационных структур. Такой подход упростит конструкцию машин, а также повысит их безопасность и надежность, а также упростит техническое обслуживание.
1.4 Базовая структура автомобильной системы шины CAN
Стоит взглянуть на базовую структуру автомобильной системы на основе шины CAN, прежде чем углубляться в детали и теорию протокола CAN и электроники.
С развитием шины CAN были достигнуты значительные успехи как в надежности, так и в безопасности автомобильной электроники. Как показано на рис. 1.6, в автомобиле с шиной CAN все блоки соединены друг с другом по двухпроводной шинной системе. Как вы узнаете более подробно из последующих глав, два провода шины называются CAN_LO и CAN_HI. Существует полная координация между всеми блоками, а ECU (блок управления двигателем) отвечает за управление каждым блоком, следя за тем, чтобы все блоки работали должным образом. На рис. 1.6 блоки в верхней части рисунка критичны ко времени и требуют высокого приоритета. Точно так же устройства в нижней части рисунка являются низкоскоростными некритическими устройствами, требующими более низких приоритетов.
Полную проводку и состояние автомобиля можно контролировать и опрашивать, подключив диагностический прибор через диагностический разъем, расположенный на двигателе. Этим инструментом может быть ноутбук со специальным программным обеспечением, разработанным производителем, или специальное ручное диагностическое устройство, которое можно использовать для прямой связи с ЭБУ. С помощью этого инструмента и с помощью ЭБУ можно получить информацию о состоянии каждого агрегата автомобиля. Например, мы можем легко опросить модуль подушки безопасности и проверить, правильно ли он работает.
CAN представляет собой двухпроводную шинную систему (см. рис. 1.7) с резистивными разъемами на каждом конце шины. Все блоки (или узлы, или CAN-станции) жестко подключаются к шине с помощью CAN-коннекторов (например, T-коннекторов, End-коннекторов и т. д.).
Как правило, информация поступает от различных датчиков (например, датчика температуры двигателя), расположенных в различных частях автомобиля. Как показано на рисунке 1.8, информация датчика затем передается на микроконтроллер, а затем на шину CAN через контроллер CAN и приемопередатчик. Функция приемопередатчика CAN заключается в физическом подключении к фактической шине CAN для обмена данными по шине. Контроллер CAN находится под управлением микроконтроллера и выполняет определенные функции протокола CAN.
Типичный ЭБУ показан на рис. 1.9. Этот ECU подходит для двигателей автомобилей с числом цилиндров до 6
На рис. 1.10 схематически показано, как ЭБУ (в центре рисунка) может быть подключен к другим частям автомобиля. Порт с надписью «Диагностика» используется для OBD (бортовой диагностики), где ручной терминал (сканер) или портативный компьютер может быть подключен с помощью специального разъема, и общее «здоровье» автомобиля может быть легко быть осмотрены.
1.5 Преимущества шины CAN
Основные преимущества шины CAN можно резюмировать следующим образом:
• Низкая сложность проводки
• Простая в управлении шина с витой парой
• Новые узлы можно легко добавлять и удалять
• Поломка узла не влияет на другие узлы в системе.
• Централизованное управление
• Все устройства на шине могут прочитать одно и то же сообщение
• Отказоустойчивость к электромагнитному излучению
• Эффективно справляется с ошибками
• Простота диагностики и обслуживания
1.6 Недостатки шины CAN
К недостаткам шины CAN можно отнести:
• скорость передачи данных может быть низкой в некоторых приложениях (ограничена 1 Мбит/с);
• дорого реализовать, так как требуются специальные контроллеры;
• полное отключение системы при повреждении основного магистрального провода CAN.
1.7 Основные свойства шины CAN
Шина CAN в настоящее время используется во многих различных областях, от легковых автомобилей до морской электроники, медицинской электроники, авиационной электроники и так далее. Причиной широкого признания шины CAN, возможно, является ее высокая производительность, помимо надежности, надежности и безопасности. Основные свойства шины CAN можно резюмировать ниже (детали этих свойств будут рассмотрены в следующих главах):
• Двухпроводная витая шина
• Оконечная нагрузка шины с резисторами на каждом конце
• Скорость на шине до 1 Мбит/с (при длине шины 40 м). Более высокие скорости передачи данных при меньшей длине шины
• Передача до 8 байт данных в любое время
• Сообщения, отправленные и полученные в виде кадров по четко определенному надежному протоколу
• Приоритетный доступ к шине с несколькими мастерами
• Любой узел может передавать, пока другие узлы слушают
• Арбитраж шины, если два или более узла пытаются передать данные одновременно.
• Передача сообщений широковещательного типа, при которой все узлы могут получать одно и то же сообщение.
• Нет адресов узлов. Узлы принимают или отклоняют данные на шине на основе фильтрации приема сообщений.
• Удаленный запрос данных, когда узел может запрашивать данные у другого узла.
• Обнаружение ошибок и сигнализация
• Автоматическая повторная передача сообщений, если передача не удалась (из-за арбитража шины)
• Автоматическая деактивация узлов, в которых постоянно возникают ошибки.
1.8 CANopen
CANopen — это высокоуровневый коммуникационный протокол и спецификация, основанная на более раннем протоколе CAN. CANopen был разработан для автомобильной промышленности, чтобы упростить и стандартизировать связь между различными устройствами, разработанными разными производителями. Хотя изначально он был разработан для автомобильной промышленности, он использовался в широком спектре других отраслей.
Некоторые особенности CANopen:
• До 128 узлов в одной сети CAN
• Архитектура с несколькими мастерами
• Длина шины до 5 км (сниженный битрейт на больших участках)
• Легкий высокоуровневый доступ ко всем устройствам
• Смесительные устройства разных производителей (независимость производителя)
• Синхронизация устройств
• Высокая надежность
Хотя CANopen обеспечивает управление сетью и независимость от производителя сети CAN, у него также есть недостаток, заключающийся в уменьшении пропускной способности.
