Передача данных в сети автомобилей
Рассмотрены такие темы как: Общие сведения о передаче данных, Параллельная передача данных, Побитная передача данных, Технология создания битов, Кадр данных и протокол, Протоколы передачи, Классификация методов последовательной передачи данных, Методы управления доступом к сети, Конфигурации сети, Классификация по скорости передачи данных, Синхронная передача данных, Асинхронная передача данных, Линия К, Шина CAN, Передача данных по шине CAN, Схема «монтажное И»/кадр данных, Арбитраж, Низкоскоростная шина CAN в автомобиле OPIRUS, Шина LIN, Кадр данных LIN, Коммуникационная система Carnival/Sedona (VQ), Поиск неисправностей с системе передачи данных автомобиля, Ремонт жгута проводов шины CAN.
- Передача данных в сети автомобилей
- Screenshot_1.jpg (106.76 КБ) 161 просмотр
Общие сведения о передаче данных
- Общие сведения о передаче данных
- Screenshot_2.jpg (209.89 КБ) 160 просмотров
В общем смысле коммуникация (или передача данных) предполагает обмен информацией. Хорошо известно, как происходит коммуникация между людьми. Она включает кодирование, передачу и декодирование осмысленных сообщений с помощью языка. В мире существует множество различных языков. Помимо языковых коммуникаций между людьми существуют и другие способы коммуникаций. Коммуникации происходят также между электрическими приборами, например, электронными блоками управления для обмена данными. Передача данных между несколькими компьютерами осуществляется посредством сети.
При передаче данных между компьютерами в рамках сети используется некий общий язык (правила передачи данных), называемый протоколом. Более подробное описание протокола будет приведено далее. Независимо от способа передачи данных сетевые системы могут иметь различную топологию, такую как кольцо, звезда или шина.
Параллельная передача данных
- Схема параллельной передачи данных с бортовой сети автомобилей
- Screenshot_3.jpg (211.55 КБ) 156 просмотров
До настоящего времени большинство систем взаимодействовали друг с другом посредством специально предназначенных для этой цели проводов, т. е. для передачи каждого типа сигнала использовался отдельный провод. Требования обеспечения безопасности, комфортности и охраны окружающей среды приводят к необходимости расширения взаимодействия отдельных систем (блоков управления). А для этого необходимо все больше проводов и разъемов. Например, для обеспечения надлежащего управления антиблокировочной и антипробуксовочной системой блок управления ABS/TCS должен обмениваться данными с блоком управления двигателем. По мере роста количества систем и объемов информации возникает несколько проблем. Увеличение количества проводов приводит к росту стоимости, провода занимают все больше места, а кроме того, вследствие большого количества разъемов повышается вероятность отсутствия контакта или ненадежного контакта. Поскольку электрическая начинка современных автомобилей становится все более сложной, необходимость объединения устройств в сеть становится еще очевиднее. Например, некоторые автомобили класса «люкс» содержат более 5 км проводов весом около 100 кг. А количество разъемов становится просто пугающим с точки зрения надежности. Чтобы справиться со всеми этими проблемами, в настоящее время применяется последовательная передача данных. Поскольку в этом случае количество соединительных проводов значительно меньше требуемого количества сигналов, данные передаются последовательно в виде пакетов данных.
Побитная передача данных
- Схема Побитная передача данных
- Screenshot_4.jpg (299.87 КБ) 156 просмотров
При пакетной передаче данных необходимо обмениваться данными по частям с использованием цифровых сигналов или, говоря техническим языком, побитно. В традиционной системе каждый элемент информации передается непосредственно с одного ЭБУ на другой по отдельным проводам через выделенные контакты. При последовательной передаче данных информация преобразуется в биты, представляющие собой логические (цифровые) сигналы. Такие сигналы имеют только два состояния: включено или выключено, 1 или 0, длинный или короткий и т. д. Один сигнал с двумя возможными состояниями представляет собой минимальную единицу информации и называется битом (двоичная единица информации). В виде последовательности битов можно передавать любые данные. В примере выше состояние переключателей «выключено, включено, включено, выключено» преобразовано в последовательность битов 0110 и передано по сети. После получения пакет битов 0110 преобразуется обратно в сведения о состоянии переключателей, при этом 0 означает выключенное состояние, а 1 — включенное. Поскольку между блоками управления происходит обмен большим объемом данных, необходимо выделить определенное количество бит для передачи требуемой информации между различными системами. Посмотрим, сколько информации можно передать с помощью определенного количества бит. В качестве примера рассмотрим передачу сведений о температуре. Один бит позволяет передать только два различных значения, 2 бита — 4 значения, а 3 бита — уже 8 значений. Каждый дополнительный бит удваивает количество информации. Поскольку между блоками управления происходит обмен большим объемом данных, необходимо выделить определенное количество бит для передачи требуемой информации между различными системами. Посмотрим, сколько информации можно передать с помощью определенного количества бит. Чтобы лучше уяснить принцип, воспользуемся таблицей 7-битных кодов ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и преобразуем сообщение, представленное в битах, в понятное слово. Получаем, что последовательность битов 0001001101000100110010000101 соответствует слову HELP. Кроме того, можно использовать эту таблицу для обратного преобразования. Например, слову END соответствует последовательность 101000101110010010001.
Технология создания битов
- Технология создания битов в сети передачи данных автомобиля.
- Screenshot_5.jpg (207.26 КБ) 156 просмотров
В сущности, для передачи данных можно использовать любой метод, который позволяет создавать два различных состояния сигнала. В автомобилях для представления двоичных цифр 1 и 0 чаще всего применяются два различных уровня напряжения, но это не является обязательным требованием. Например, в некоторых системах для передачи данных используются световые сигналы: свет включен = 1, свет выключен = 0. Кроме того, можно использовать длительность сигнала. В этом случае кратковременный импульс может представлять 1, а более длительный сигнал — 0. Условия, которые представляют 0 или 1, можно выбрать произвольно. Например, напряжение 12 В может соответствовать 1, а 0 В — 0. Но можно сделать и наоборот, т. е. 12 В = 0, а 0 В = 1. В большинстве случаев для передачи данных используются сигналы высокого или низкого напряжения. Давайте рассмотрим, как это реализуется технически. Для упрощения понимания в примере ниже используется источник питания, резистор, простой выключатель и индикатор напряжения. Если все выключатели разомкнуты, на все индикаторы напряжение подается через резистор. Каждый индикатор будет обнаруживать на линии передачи данных напряжение 12 В, которое представляет единицу. На рисунке справа один выключатель замкнут, он замыкает резистор на «массу». Поэтому напряжение на шине упадет до 0 В, что соответствует 0. На самом деле в микросхемах используются транзисторы, но общий принцип остается таким же. В сетевой системе возможны два различных состояния бита: он может иметь приоритет (и называется в этом случае доминантным) или не имеет приоритета (и называется рецессивным). Это означает, что доминантный бит подавляет рецессивный. Доминантный уровень используется для обеспечения приоритета сигнала важных сообщений. При широтно-импульсной модуляции (PWM) состояние бита определяется различными уровнями напряжения импульса. Такой способ применяется наиболее часто.
При переменной широтно-импульсной модуляции (VPW) состояние бита определяется длительностью импульса, а не уровнем напряжения.
Кадр данных и протокол
- Схема кадра данных и протоколов передачи данных в автомобиле.
- Screenshot_6.jpg (322.41 КБ) 153 просмотра
Очевидно, что для обеспечения надлежащего обмена данными между различными устройствами недостаточно только уметь создавать последовательности битов. Необходимы и другие правила. Сравните два предложения на слайде. Несмотря на одинаковое содержимое обоих предложений, второе предложение значительно удобнее читать. Как вы увидели на примере простого предложения, для упрощения понимания важно знать, где начинается или заканчивается сообщение. В битовых последовательностях изменение начальной точки или длины пакета данных приведет к изменению всего сообщения. Если определенное сообщение состоит из 10 бит и начинается с первого бита последовательности, приведенной на слайде, получим следующее сообщение: 1101011000. Если первые 2 бита относятся к предыдущему сообщению, а новое сообщение начинается с бита 3, получим сообщение 0101100011. Это сообщение совершенно отлично от предыдущего. Поэтому блоки управления должны знать, где находятся начальная и конечная точки сообщения. Доступное место от начала до конца одного сообщения называется кадром данных. Кадр данных определяет не только начальную и конечную точки сообщения, но также и структуру сообщения. В примере на слайде показана типичная структура кадра данных, состоящего из заголовка, полей данных и конца сообщения. Заголовок может содержать такую информацию, как адрес отправителя, адрес получателя, приоритет сообщения и стартовый бит. Поля данных содержат фактическую передаваемую информацию. В различных системах кадр данных может содержать одно или несколько полей данных. Блок конца сообщения может содержать контрольное поле для проверки правильности передачи и стоповый бит. Структура кадра данных зависит от конкретной сети и протокола.
Протокол
- Фотография протокола передачи данных.
- Screenshot_7.jpg (311.4 КБ) 153 просмотра
Протокол определяет все необходимое для правильной передачи и приема данных. Он описывает не только формат кадра данных, но и способ связи (проводная или беспроводная), используемую частоту и уровень напряжения, а иногда даже и форму разъема и многое другое. Подробные сведения о сети автомобиля приведены либо в спецификациях SAE или DIN/ISO для стандартных систем, либо определяются производителем для специализированных систем. Международная организация по стандартизации (ISO) разработала модель OSI (модель взаимодействия открытых систем), в которой для точного описания любых коммуникационных сетей или систем используются 7 областей передачи данных по сети (так называемые уровни). Каждый уровень отвечает за определенный аспект передачи данных. Например, физический уровень определяет разводку проводов, используемые напряжения и т. д. В конкретной сети могут присутствовать не все уровни. Очень часто при передаче данных в автомобиле используются только уровни 1, 2 и 7.
Классификация методов последовательной передачи данных
- Классификация методов последовательной передачи данных
- Screenshot_8.jpg (257.71 КБ) 152 просмотра
Мультиплексная передача с частотным разделением: передача данных осуществляется в виде сигналов с различной частотой, что позволяет отличать их друг от друга.
Мультиплексная передача с временным разделением: передача данных осуществляется в определенный интервал времени, называемый временным кадром. Как будет показано далее, в этом случае каждому блоку управления выделяется определенный интервал времени, в течение которого он может отправлять данные. Временные кадры могут быть фиксированными и назначенными для определенных ЭБУ, которые всегда отправляют данные в одной последовательности. В этом случае сообщения отправляются постоянно, поэтому стартовые и стоповые сигналы не требуются. Вместо этого для обеспечения синхронизации всех ЭБУ требуется использовать тактовый сигнал. Поэтому такой метод называется синхронной или циклической передачей данных.
Другой метод — так называемая асинхронная передача данных. Такой метод подразумевает передачу данных только тогда, когда это необходимо. Поэтому иногда его называют передачей данных при наступлении событий. В этом случае не используются фиксированные временные кадры или тактовые сигналы. Поскольку потенциально несколько ЭБУ могут попытаться одновременно отправить сообщение, необходимо управлять доступом этих устройств к шине. Один из методов, используемых для этой цели, — концепция одного ведущего узла, в которой доступом к шине управляет один ЭБУ. Другой метод — концепция нескольких ведущих узлов, в которой каждый блок управления имеет право получать доступ к шине в любое время. В этом методе, называемом CSMA, ЭБУ проверяет наличие сообщения на сигнальной шине.
Методы управления доступом к сети
- Методы управления доступом к сети
- Screenshot_9.jpg (193.75 КБ) 151 просмотр
CSMA (Carrier Sense Multiple Access, множественный доступ с контролем несущей). Блоки управления следят за состоянием шины. Если шина свободна, блок управления начнет отправку сообщения. Если другой блок управления уже начал отправку сообщения, возможны различные варианты разрешения конфликта.
Обнаружение конфликтов и задержка повторной передачи
Например, если два блока управления попытаются одновременно отправить сообщение, возникнет конфликт. Он будет обнаружен обоими ЭБУ, и оба ЭБУ остановят отправку и возобновят попытку через некоторое время задержки, выбираемое случайным образом. Недостаток этого метода заключается в том, что за период времени между моментом обнаружения конфликта и повторной передачей может накопиться множество других сообщений, что может привести к сбою системы. Кроме того, этот метод нельзя использовать для систем обеспечения безопасности, поскольку неизвестно точное время отправки каждого сообщения.
Обнаружение и разрешение конфликтов
В этом случае протокол обеспечивает отправку сообщений с самым высоким приоритетом и задержку остальных сообщений. Такой процесс называется произвольным доступом. Сведения о приоритете входят в состав заголовка сообщения. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в разделе, посвященном шине CAN
Конфигурации сети
- Конфигурации сети передачи данных.
- Screenshot_10.jpg (184.04 КБ) 148 просмотров
Существуют две основных конфигурации локальных сетей: линейная и иерархическая. В иерархической сети в каждой точке соединения различных шин необходимо использовать так называемый шлюз. Шлюз преобразует сообщения одного протокола в другой. В иерархической системе может быть один или несколько подуровней. Основными причинами использования такой конфигурации являются сокращение расходов за счет использования более медленных и простых шин и сокращение загрузки основной шины. Как правило, подсистемы обеспечивают меньшую скорость передачи данных.