"Po prvé, zameranie sa na jednoduchú výmenu správ zameraných na diagnostiku, potom monitorovanie a reguláciu úrovne znečisťujúcich látok emitovaných vozidlom. Potom s cieľom obmedziť pravdepodobnosť počtu porúch obmedzením počtu káble Napokon, komunikačné protokoly používané v motorových vozidlách neustále prechádzajú procesom vývoja podobným tým, ktoré používajú veľké nadnárodné spoločnosti v oblasti informačných technológií"
ÚVOD
V polovici 70. rokov sa niektorí výrobcovia „odvážili“použiť elektronické systémy na kontrolu a diagnostiku porúch vozidiel. Ďalším krokom bolo zvýšenie bezpečnosti vodičov a cestujúcich a prispôsobenie funkčnosti vozidla prostredníctvom väčšieho počtu komunikačných portov, pričom v tomto prípade možno identifikovať dva hlavné trendy vo vývoji komunikačných sietí. Ide o multiplexné pripojenia, ako aj vylepšené komfortné systémy podporujúce multimediálnu integráciu s používateľmi.
OD ZAČIATKOV
Mnohé automobilové systémy boli pred rokmi prepojené jedným medeným vodičom. Prudký nárast počtu systémov a neustála komunikácia medzi riadiacimi modulmi si vyžadovali výrazné vylepšenia. Zložitosť si však vyžiadala nový koncept prepojenia systémov. Dnes väčšina ECU (Electronic Control Unit) odosiela a prijíma dôležité informácie prostredníctvom komunikačných sietí.
Aj pri neustálom úsilí inžinierstva je prenosová rýchlosť automobilových komunikačných dát stále oveľa nižšia v porovnaní s typickou počítačovou sieťou.
Ani vysoká rýchlosť siete CAN, niečo okolo 01 Mbps, sa nedá porovnať s rýchlosťou okolo 01 Gbps, čo je primeraná rýchlosť pre široko používané počítačové siete.
CAN (SIEŤ OBLASTI OVLÁDAČA)
Protokol CAN bol navrhnutý spoločnosťou Bosch v polovici osemdesiatych rokov minulého storočia na prepojenie riadiacich systémov vo vozidlách, aby sa zjednodušila kabeláž. V roku 1986 Bosch oficiálne oznámil vývoj diferencovaného komunikačného systému medzi elektronickými riadiacimi jednotkami (ECU) v automobiloch Mercedes.
V roku 1987 sa objavili prvé integrované obvody pre CAN vyrábané spoločnosťami Intel a Philips, ktoré sa stali medzinárodným štandardom prostredníctvom normy ISO 11898. CAN je synchrónny sériový komunikačný protokol používaný na prepojenie distribuovaných zariadení. Sieť je „Multi-Master“, to znamená, že všetky uzly sa môžu stať hlavnými a v ostatných podriadenými a všetko závisí od situácie, ktorú vyžaduje systém.
CAN používa mechanizmus prístupu k médiu CSMA/DCR (Carrier Sense Multi-Access / Deterministic Collision Resolution), čo znamená, že každý uzol pred odoslaním informácií do siete „pozorne skontroluje“, čo cez neho prechádza, a ak je nakoniec k dispozícii, odošle správy. Aby sa predišlo kolízii, algoritmus kontroluje zbernicu analýzou priorít správ. Ak sa zistí existencia dvoch uzlov vysielajúcich súčasne, menej dôležitá správa ukončí svoj prenos a ten s vyššou prioritou bude pokračovať v odosielaní správy až do konca. Priorita správy je určená jedinečnými identifikátormi, ktoré môžu mať dĺžku 11 alebo 29 bitov a ktoré tiež určujú vnútornú prioritu správy tým, že súťažia s ostatnými o prístup k zbernici.
LIN (LOCAL INTERCONNECT SIEŤ)
LIN je komunikačný protokol navrhnutý spoločnosťami Volkswagen, Audi, BMW, Daimler Chrysler a Volvo. Jeho cieľom je lacný otvorený štandard pre komunikačnú sieť v automobile, kde nie je potrebná rýchlosť protokolu CAN.
Protokol LIN nevykonáva len prenos údajov, ale vedie aj ostatné systémy a ponúka im podmienky na to, aby konali v harmónii a s úplnou účinnosťou. Táto sieť bola implementovaná za účelom podpory protokolu CAN, hlavne kvôli jej nízkej cene v situáciách, kedy je prenosová rýchlosť nízka. Aplikácie, ktoré využívajú sieťovú technológiu LIN, sú v podstate: elektrické okná, centrálne zamykanie dverí, osvetlenie, klimatizácia, dažďový senzor, regulácia sedadiel, medzi inými, ktoré vyžadujú nízky výpočtový výkon a komunikačné zdroje. V týchto systémoch je použitie LIN z hľadiska nákladov vhodnejšie ako použitie CAN. Protokol je otvorený a bol uvedený na trh v polovici roku 2000. Komunikačná rýchlosť môže dosiahnuť iba 19,2 kbit/s, čo je viac než dosť napríklad pre komfortné systémy.
NETWORK BYTEFLIGHT
Sieť „ByteFlight“zaviedla BMW v roku 1996 a neskôr ju spoločne vyvinuli BMW, ELMOS, Infineon, Motorola a Tyco EC. Hlavná aplikácia tejto siete je v systémoch kritických z hľadiska bezpečnosti, v ktorých je sieť CAN aj dnes dominantná. Prenosové médium využívané touto sieťou je plastové optické vlákno s dĺžkou až 100 metrov rozprestretými naprieč vozidlami. Jeho hlavné aplikácie sa týkajú systémov airbagov a predpínačov bezpečnostných pásov. Tým, že umožňuje prenosové rýchlosti rádovo 10 MB/s, táto technológia sa dnes používa v niektorých automobilových zariadeniach a tiež v letectve.
FLEXRAY NETWORK
Protokol Flexray je propagovaný ako ďalší trend v automobilových sieťach, ktorý vyžaduje vysokorýchlostné dátové zbernice, ktoré sú kľúčové pre distribuovaný riadiaci systém. Počet zariadení v automobile exponenciálne narastá a s tým sa zvyšuje aj množstvo správ. To znamená, že protokol musí mať dostatočnú šírku pásma na efektívne zásobovanie všetkých systémov.
FlexRay má šírku pásma 20-krát väčšiu ako CAN, čo je deterministické správanie a odolné voči chybám, pretože má dve prenosové linky, a ak jedna z nich chýba, druhá môže prevziať všetku nevyhnutnú správu. To znamená, že včas a spoľahlivo prenáša správy do bezpečnostných aplikácií. Systém Flexray je viac než len komunikačný protokol, obsahuje aj špecifikácie pre vysokorýchlostné prenosy a definície hardvérových a softvérových rozhraní medzi komponentmi uzla FlexRay.
Menej všadeprítomné, ale rovnako dôležité technológie
Niektoré technológie prenosu údajov, ktoré sa používali v nedávnej minulosti; veľká väčšina zostáva široko užitočná:
Safe-by-Wire
Toto je sieť Master/Slave so širokým využitím v systémoch airbagov. V tom čase sa ukázalo, že siete CAN a LIN neboli považované za úplne bezpečné v špecifických otázkach, ako sú airbagy a ABS. Má podobnosť so sieťami CAN a podporuje rýchlosti 150 kbps.
MI – Motorola InterConnect
Jeho podobnosť so sieťou LIN môže zmiasť tých najskúsenejších v tejto oblasti. Toto je ďalšia nízkonákladová sieť typu master/slave, ktorá je však navrhnutá na ovládanie inteligentných senzorov integrovaných do komfortných zariadení vozidla, ale nemožno ju porovnávať ako okamžitú náhradu za protokol LIN.
DSI – Rozhranie distribuovaného systému
Sieť DSI, tiež typu master/slave, ako aj Safe-by-Wire, sa používa v niektorých systémoch airbagov, pretože podporuje rýchlosť 150 kbps.
TTP (Time Triggered Protocol)
Protokol TTP bol vyvinutý v 80. rokoch 20. storočia Technickou univerzitou vo Viedni kvôli túžbe po úplne európskom projekte, na ktorom sa dokonca podieľal aj Daimler Chrysler. V roku 1998, po dokončení projektu, vývoj technológie pokračoval a jej implementácia začala v roku 2002. TTP bol vyvinutý ako akési dvojča Flexray, s podobnými vlastnosťami, avšak TTP je na rozdiel od Flexray open source. Fyzické médium používané TTP je krútená dvojlinka a umožňuje rýchlosť až 25 Mbp/s. V kritických bezpečnostných aplikáciách využíva jeho Byteflight (alebo vysokorýchlostné reakcie) protokol TDMA [Time Division Multiple Access] na prístup k médiu a umožňuje rýchlosť až 10 Mbp/s. A to všetko sa môže uskutočniť cez skrútené páry drôtov alebo optických vlákien. BMW je jediným výrobcom automobilov, ktorý sa stále podieľa na vývoji tohto protokolu.
ZIGBEE DATA NETWORK
ZigBee je nízkonákladová, energeticky náročná bezdrôtová sieť, ktorej funkciou je pomáhať pri prevádzke senzorov a ovládacích zariadení. Táto sieť sa používa na monitorovanie a riadenie situácií, ktoré nevyžadujú veľkú šírku pásma.
Existencia niekoľkých komunikačných protokolov spôsobila vysokú mieru nekompatibility medzi nimi. Dá sa povedať, že väčšinu týchto problémov vyriešila technológia Flexray. Stále však existovali potrebné úpravy a v decembri 2004 ZigBee Alliance (so 120 spolupracujúcimi spoločnosťami) vyvinula dokonalý protokol na riešenie takýchto rozdielov. S rýchlosťou 250 kbp má tendenciu byť silným trendom prijatým v oblasti sieťových senzorov, monitorovacích a riadiacich systémov pre klimatizačné, vykurovacie a chladiace moduly.
NAJVIAC (DOPRAVA SYSTÉMOV ORIENTOVANÝCH NA MÉDIÁ)
MOST (Media Oriented Systems Transport) je sieťový protokol na pripojenie multimediálnych zariadení v automobiloch. Veľkou výhodou oproti iným technológiám je fakt, že dokáže prenášať obrovské množstvo dát, a to všetko cez optické vlákna, dosahujúce rýchlosť 150 Mbp/s s dĺžkou vlákna až 20 metrov, no v blízkej budúcnosti bude inžinierstvo poskytovať rýchlosti rýchlosťou až 500 Mbps. Špecifikácia MOST definuje všetkých sedem vrstiev modelu ISO/OSI. VÄČŠINA sietí môže podporovať až šesťdesiatštyri prepojených zariadení.
OPTICKÉ SIGNÁLY – PRINCÍPY OPTICKEJ KOMUNIKÁCIE
V roku 1870 John Tyndall objavil, že by bolo možné prenášať svetlo krivočiarymi a priamočiarymi dráhami, to znamená, že naznačil zakrivenie svetla. Najprv pomocou nádoby s vodou vo vnútri overil šírenie svetla pozdĺž nádoby, pričom na jeden koniec použil svetelný lúč a na druhom konci overil rovnaký signál. Už v roku 1910 bola dokázaná možnosť prestupu svetla cez priehľadné materiály, ale v krátkych priestoroch, teda veľmi vysoký útlm.
V roku 1966 bolo na prenos svetla implantované sklolaminát s povlakom okolo seba a tu prichádza termín „embryo“z optických vlákien. Ale až v sedemdesiatych rokoch sa táto technológia začala brať vážne a bolo naznačené jej využitie na prenos informácií. Niečo, čo fungovalo, takže inžinierstvo, aby to zdokonalilo.
Táto technológia umožňuje použiť druh „Plug and Play“, ktorý umožňuje veľmi jednoduché pridávanie a odoberanie zariadení. Vysielače sú diódy vyžarujúce svetlo (LED) všeobecne 650 nm (nanometrov), s výkonom od 0,1 do 0,75 MW a sú priamo modulované. Prijímače sú založené na PIN fotodiódach. To znamená, že prijímajú signály, konvertujú ich do elektronickej podoby v každom zariadení a potom sa prenášajú do celého kruhu. Prenosový signál pre všetky zariadenia je synchronizovaný „Hlavnými hodinami“, ktoré riadia sieť. Sieť vyžaduje dáta synchronizované rýchlosťou 25 Mbit/s pre video aplikácie a spracováva asynchrónne dáta rýchlosťou 14,4 Mbit/s. Vyhradené riadenie pre každý z podporovaných kanálov vyžaduje 700 kbit/s. Spolu so sieťou MOST sa zúčastňujú aj ďalšie protokoly:
D2B – domáca digitálna zbernica
Vyvinutá konzorciom optických čipov je optická komunikačná sieť, ktorá poskytuje vysokú rýchlosť 20 Mbps. D2B sa používa v niektorých modeloch Mercedes Benz.
MML BUS
Toto je „Mega-futuristická“vízia „Delphi Automotive Systems“. Takáto sieť idealizuje niekoľko funkcií súčasne, ako napríklad: prístup k satelitným snímkam, internet a virtuálna navigácia, diagnostika a automatizované riadenie vozidiel, okrem iného zariadenia, ktoré sú na dnešnú dobu možno neskutočné. Všetky tieto funkcie budú možné len vďaka sérii technológií integrovaných do samotného vozidla.
IDB-1394
IDB-1394 je IEEE 1394 Automotive Standard pre multimediálne aplikácie, vyvinutý spoločne IDB Forum a 1394 Trade Association. Táto architektúra umožňuje pripojiť zariadenie k samotnému vozidlu a interagovať s jeho prevádzkovými aplikáciami. Táto sieť podporuje prenosovú rýchlosť 100, 200 alebo 400 Mbps cez krútenú dvojlinku FOP (Plastic Optical Fiber) s maximálnym počtom 63 uzlov a je vážnym konkurentom technológie MOST. Všetky analógové signály sú pred prenosom konvertované na digitálne signály.
POCHOPENIE SÚČASNOSTI JE TAJOMSTVO BUDÚCNOSTI
Komunikačné protokoly používané v motorových vozidlách prešli procesom vývoja podobným tým, ktoré používajú veľké nadnárodné IT spoločnosti. Automobilový komunikačný systém prebiehal v niekoľkých fázach.
Po prvé, zameranie sa na jednoduchú výmenu správ zameraných na diagnostiku, potom monitorovanie a reguláciu úrovne znečisťujúcich látok emitovaných vozidlom. Ďalším cieľom bolo obmedziť pravdepodobnosť počtu porúch obmedzením počtu káblov.
Ďalším krokom bolo zvýšenie bezpečnosti vodičov a pasažierov a prispôsobenie funkčnosti vozidla prostredníctvom väčšieho počtu komunikačných portov a v tomto prípade možno identifikovať dva hlavné trendy vo vývoji komunikačných sietí.
Neštandardizácia komunikačných sietí vozidiel je prekážkou, ktorá bráni väčšej efektívnosti, pokiaľ ide o schopnosti dosahované superpočítačovými sieťami, ktoré sú schopné vykonávať rôzne funkcie, od odosielania a prijímania správ až po multimediálnu interakciu s používateľom automobilu.
Nakoniec, zvyčajné protokoly sa stávajú neefektívnymi vzhľadom na niekoľko aplikácií, ktoré už nie sú nadbytočným vybavením, ale výhodami, ktoré majú ľuďom uľahčiť každodenný život.
V súčasnosti existuje niekoľko komunikačných protokolov, každý vhodný pre určité typy systémov a podľa požiadaviek výrobcov. Medzi najpoužívanejšie protokoly patria okrem iného LIN, CAN, MOST. Pre systémy, kde množstvo káblov neprevláda, slúžia protokoly LIN vynikajúco, pretože sa dajú ľahko implementovať a sú nákladovo efektívne, čo znamená dobré dôvody pre výrobcov automobilov.
Pre systémy s potrebami štruktúrovanej kabeláže sa používa sieť CAN, pre systémy, v ktorých je potreba vysokých rýchlostí, sa používa sieť MOST a pre bezdrôtové aplikácie sa používajú bezdrôtové systémy.
To všetko je však možné len vďaka bránam, ktoré umožňujú interakciu informácií, skrátka konvertujú rôzne protokoly a podporujú vzájomné porozumenie medzi nimi všetkými.
Flexray je vážnym kandidátom na nahradenie sietí CAN. Sieť MOST, hoci v súčasnosti najpoužívanejší protokol v multimediálnych systémoch, by mohla ustúpiť protokolu 1394.
Nakoniec je logické myslieť si, že Zigbee má tendenciu byť protokolom, ktorý bude vykonávať bezdrôtovú komunikáciu a medzi senzormi a ovládačmi. To by znížilo celkovú telesnú hmotnosť a ušetrilo materiál.
Nakoniec je zrejmé, že budúcnosť nám ponúka vozidlá iba s jedným protokolom a že tento uspokojuje potreby rôznych systémov a prináša väčší pokoj pre vývojárov a profesionálov zodpovedných za výtvory. Okrem extrémnej spokojnosti výrobcov, ktorí budú schopní ponúkať produkty nespochybniteľnej kvality, za extrémne nižšie náklady ako sú tie súčasné, a, samozrejme, zákazníkov, ktorí uvažujú s tým najlepším v technológii.
Skupina |
Autobusový systém |
Dátumová sadzba |
Štruktúra |
| Hlavné | D-Bus (diagnostický autobus) | 10,5/115 kbit/s | Lineárne, Single-Wire |
| Hlavné | K-CAN (Body Bus) | 100 kbit/s | Lineárne, dvojdrôtové |
| Hlavné | PT-CAN (Powertrain-CAN) | 500 kbit/s | Lineárne, dvojdrôtové |
| Hlavné | F-CAN (CAN podvozok) | 500 kbit/s | Lineárne, dvojdrôtové |
| Hlavné | MOST | 22,5 kbit/s | Prsteň, vláknová optika |
| Hlavné | K-Bus (Body Bus) | 9,6 kbit/s | Lineárne, Single-Wire |
| Hlavné | K-Bus (Protokol Body Bus) | 9,6 kbit/s | Lineárne, Single-Wire |
| Hlavné | LIN-Bus (Local Interconnect Network Bus) | 9,6/19,2 kbit/s | Lineárne, Single-Wire |
| Hlavné | BBSD (Bit Serial Data Interface) | 9,6 kbit/s | Lineárne, Single-Wire |
