Сетевая структура автотранспортного средства?

В настоящее время под термином "сетевая структура транспортного средства" подразумеваются не только различные системы проводов или шинной проводки, но и сами БУ, а также правила коммуникации и необходимое программное обеспечение.

Скорость передачи данных имеет определенные границы. Прежде всего, совершенный сигнал прямоугольной формы возможен только теоретически. На практике, по причине таких эффектов, как инерция, самоиндукция и электромагнитное излучение, мы получаем скорее трапециевидное протекание сигнала.

Расстояние между передатчиком и приемником играет большую роль. Так как сопротивление проводника увеличивается с его длинной, сила сигнала постепенно уменьшается.

Кроме того, сигнал изменяется из-за электромагнитного излучения. Для обеспечения качества сигнала было бы необходимо высокое напряжение. Это увеличило бы, в свою очередь, потребление мощности, а также излучение. Кроме того, увеличение напряжения привело бы к уменьшению скорости в связи с инерцией.

Для интерпретации сигнала приемопередатчик с функцией приема данных ориентируется на определенное предельное напряжение. Если сигнал в момент приема превышает или не достигает соответствующего предельного напряжения, то он определяется как 0 или 1.

Если шина выполнена в качестве однопроводной линии, то, несмотря на то, что она дешевая и простая, скорость передачи данных в ней ограничена. Так как сигнал измеряется по отношению к массе транспортного средства, он относительно сильно подвержен воздействию помех. Необходима высокая мощность для передачи этого сигнала.

На двухпроводных линиях сигнал передается как разность напряжений между обеими проводами. Благодаря этому происходит сильное демпфирование помех. Таким образом, напряжение уменьшается, а скорость передачи данных увеличивается. Но с другой стороны, двухпроводные линии дороже и сложнее.

Световоды невосприимчивы к электромагнитным эффектам. Поэтому возможны предельно высокие скорости передачи данных. Однако свет может поступать и выходить только на плоскостях сечения провода. Если с одной стороны провода находится источник света для посылания сигнала, то с другой стороны должен находиться светочувствительный элемент с функцией приема сигнала. Передача сигнала в этом случае является однонаправленной, т.е. она возможна только в одну сторону. Для передачи сигнала в обратную сторону необходим второй провод, а в каждом приемопередатчике – источник света и элемент с функцией приема сигнала.

Передача данных при помощи радиосвязи делает совершенно ненужными наличие электропроводов, соединяющих приемопередатчики. Но надежность передачи данных здесь весьма ограничена. Различные устройства создают друг другу помехи. Скорость передачи данных здесь не выше, чем в электронных шинах.

Шинные системы подразделяются на различные классы, прежде всего с точки зрения возможных скоростей передачи данных. Для классификации важную роль играет также надежность передачи данных.

Обозначения классов не следует путать с обозначениями CAN-шин. Эти обозначения сначала были связаны друг с другом, но затем велись произвольно.

Классификация шин передачи данных представлена в таблице.

В классе диагностики допускаются очень низкие скорости передачи данных. Надежность передачи данных не имеет особого значения. В случае появления ошибок передача данных производится повторно.

Так называемый класс А может быть немного быстрее, но используется он только для некритических заданий, таких как сигнал стеклоподъемника или простые сигналы переключателей.

В классе B шинные системы достигают уже значительных скоростей. Эти шины используются в автомобилестроении главным образом в электронных системах обеспечения комфорта.

Шины класса C могут отличаться высокой скоростью и надежностью передачи данных. Они используются в области трансмиссии и электроники ходовой части транспортных средств.

Для критических с точки зрения надежности заданий используются шины класса C+. При передаче данных в тормозных системах и системах рулевого управления потеря данных недопустима, кроме того, эти данные должны передаваться очень быстро.

Шины класса мультимедиа возглавляют классификацию в разряде скорости передачи данных. Этого требует огромный объем данных для аудио- и видеосистем. Надежность передачи здесь не является критическим параметром.

Существуют различные возможности для соединения БУ, так называемые топологии. Самое простое соединение – это соединение двух устройств на концах электропровода. Такое соединение называют поузловым, т. е. от одного узла к другому, или соединение “Peer to Peer“. Часто встречается соединение несколько устройств. Шина на концах, как правило, должна быть закрыта резисторами, чтобы воспрепятствовать отражению сигнала.

При соединении звездой главный узел отдельно соединяется с другими устройствами. Если узел представляет собой только соединение проводов, так называемый распределитель потенциалов, то в случае соединения звездой речь идет практически только об очень коротком плоском проводе.

Если же главный узел является блоком управления с вводами для периферийных устройств, то речь идет об нескольких поузловых соединениях.

Соединения кольцом применяются, например, при использовании световодов в качестве среды передачи данных. Если каждое устройство передает принятые световые импульсы дальше, все приборы могут “общаться“ между собой. В таком случае речь идет практически о замкнутой цепи однонаправленных поузловых соединений.

Возможные способы соединения БУ представлены на рисунке

Рис. Способы соединения БУ

При коммуникации между БУ передача лишь самих данных недостаточна. Необходима также информация о том, какое значение имеют передаваемые данные или от какого датчика эти данные исходят, какой они имеют приоритет, нужно ли их передавать другим БУ.

Поэтому БУ добавляет к первоначальным данным такую информацию, как идентификационный номер или приоритетность передаваемых данных. Приемопередатчик со своей стороны также добавляет информацию, позволяющую производить окончательную передачу данных. К такой дополнительной информации относятся, например, биты синхронизации. Их импульсы дают возможность откорректировать тактовые сигналы приемника для действительно синхронной работы с передатчиком. Часто предварительно передается длина сообщения. Так приемник узнает, в какой момент закончится сообщение, а вместе с ним и передача данных. С помощью дополнительных контрольных данных приемник может установить, корректно ли было получено сообщение.

Вся эта информация и, возможно, большое количество другой информации находится в длинной цепи битов. Приемник должен знать, где и какая информация находится в этой цепи, чтобы в конечном итоге отфильтровать главные данные.

Поэтому существуют стандартизированные образцы, по которым должны структурироваться сообщения. Такой образец называют протоколом. В настоящее время используются различные протоколы для всевозможных видов применения. Приемопередатчики, работающие с разными протоколами, не будут “понимать“ друг друга.

Вид передачи данных является важным критерием для отличия шинных систем. Синхронную передачу данных можно сравнить с телефонным разговором. В то время, когда один абонент говорит, другой его внимательно слушает и старается сразу же обработать услышанную информацию. Недостатком синхронной передачи данных все же является то, что ее нельзя прервать. В момент передачи шина занята БУ и приемники остаются заблокированными до момента полной передачи сообщения. Часто после передачи данных передатчик ждет подтверждения о получении информации и начинает передачу всех данных заново, если такое подтверждение отсутствует или поступает информация об ошибочной передаче данных.

Асинхронную передачу данных можно, скорее всего, сравнить с перепиской. В этом случае передаются короткие сообщения по истечении определенного времени. Эти сообщения сначала собираются в БУ, а затем им же обрабатываются. Между сообщениями шина может быть использована другим БУ для передачи других сообщений. Благодаря этому нагрузка на шину распределяется равномерно. Таким образом, большое количество информационных данных может передаваться быстро и в полном объеме.

Для того чтобы работа приемопередатчиков оставалась ритмичной, в поток информационных данных время от времени добавляются синхронизационные импульсы. Но количество так называемых управляющих данных по сравнению с количеством информационных данных незначительно. Так называемые управляющие данные добавляются даже к совсем небольшим сообщениям, что значительно увеличивает общий объем передаваемых данных.

БУ не должны одновременно передавать данные на шину. В таких случаях сообщения уничтожаются. Этот процесс называется столкновением. Поэтому доступ к шине должен регулироваться.

При передаче данных в системе задающих и ведомых устройств роль задающего берет на себя один БУ, который становится ведущим для всех остальных ведомых БУ. Только этот БУ может самостоятельно передавать данные на шину.

В регулярных отрезках времени этот БУ посылает запросы другим блокам управления. В течение короткого промежутка времени каждый из запрашиваемых БУ имеет возможность ответить на запрос и передать сообщения. С целью прямых запросов все ведомые БУ должны быть зарегистрированы у задающего БУ. Поэтому в современных системах при использовании шины необходима фаза инициализации.

При управлении доступом на уровне протокола или передачи сообщений все БУ могут равноправно передавать данные на шину, если в данный момент не происходит передача данных.

Если два устройства одновременно начинают передавать данные, то в этот момент принимается решение, какой из них может продолжать эту операцию. Другой БУ задерживает свое сообщение. Для принятия решения может, например, послужить группа двоичных знаков вначале процесса передачи данных, которая указывает на приоритетность передачи. При этом так называемом арбитраже может произойти следующее: сообщения с низкой приоритетностью сохраняются долгое время и, в конечном счете, передаются слишком поздно. Поэтому используется управляемый арбитраж, который гарантирует своевременную передачу информации.

В каждом транспортном средстве часто используется сразу несколько шинных систем. Какая система предназначена для того или иного участка является решением, зависящим от многих факторов.

Сама среда передачи данных играет определенную роль. Стекловолокнистые кабели, например, очень легкие и позволяют высокие скорости передачи данных. Но в то же время, они очень чувствительны и их нельзя прокладывать по острым углам. Максимальная дистанция, на которой шина может работать безошибочно, является важным критерием отбора. В грузовом автомобиле, например, требуется несколько метров электропроводов для соединения БУ в передней части с БУ в задней части автомобиля. Некоторые шинные системы могут применяться только на коротких расстояниях.

Иногда соединение двух БУ между собой оказывается вполне достаточным. Какое количество БУ может обслуживать шинную систему также является важным вопросом.

Для аудио- и видеоданных, а также для систем, обеспечивающих безопасность, важным фактором является скорость передачи данных. С другой стороны, для обслуживания функций изменения положения сидений достаточной является небольшая скорость передачи данных. Шина должна учитывать эти требования. Надежность передачи данных в некоторых случаях важнее скорости их передачи. Ошибки при передаче данных в тормозной системе могут иметь фатальные последствия. С другой стороны существуют случаи применения, когда помехи и задержки по причине ошибок при передаче информационных данных не являются критическими.

Немаловажным является также и то, как система интегрируется в существующую структуру автомобиля и его технического обслуживания с точки зрения используемых протоколов, управления доступом и отношений управляющих данных к данным для пользования.