Większość potencjalnych usterek związanych z instalacją elektryczną pojazdu dotyczy uszkodzeń przewodów elektrycznych oraz ich styków. Ograniczenie liczby połączeń stykowych i długości przewodów znajdujących się w instalacji pojazdu znacznie wpłynie na poprawę niezawodności sieci elektrycznej pojazdu. Sieci transmisji danych mają na celu ograniczenie liczby przewodów w instalacji elektrycznej pojazdu.

Połączenie układów elektrycznych pojazdu w sieć za pomocą systemów transmisji danych przynosi znaczące korzyści, np. wzrost niezawodności układów elektrycznych, zmniejszenie masy pojazdu, uproszczenie budowy układów elektrycznych, ograniczenie zakłóceń elektromagnetycznych, tzw. kompatybilność elektromagnetyczną, wzrost ekonomiczności produkcyjnej, możliwość wykorzystania tych samych elementów pomiarowych w wielu układach, łatwość wprowadzania zmian w procesie sterowania (wymiana oprogramowania), możliwość pełnego wykorzystania możliwych funkcji układu, szybszą transmisję danych między elementami pomiarowymi a sterownikami, możliwość wprowadzenia funkcji wzajemnego nadzorowania układów (samodiagnozy), zwiększenie integracji układów, możliwość transmisji wyłącznie w sposób cyfrowy (brak konieczności przekształcania sygnałów analogowych na cyfrowe).

Producenci pojazdów w wielu przypadkach stosują różne rozwiązania konstrukcyjne, co stwarza odmienne wymagania w stosunku do wymiany danych między elektronicznymi układami pojazdu. Ten zakres działalności przemysłu samochodowego wymusił konieczność wprowadzenia różnych odmian sieci transmisji danych, które nazywamy magistralami danych. Współczesne systemy transmisji danych pracują z różnymi szybkościami transmisji i według określonych standardów (protokołów transmisji), dlatego konieczne stało się wprowadzenie odpowiedniego połączenia umożliwiającego wymianę danych między tymi systemami. Połączenie międzysystemowe stanowią bramy (ang. gateways). Są to procesory, które w wyniku translacji danych na inny format umożliwiają dopasowywanie informacji do danego systemu zarządzającego siecią transmisyjną. Obecnie najszybszym systemem transmisji danych w samochodzie jest magistrala MOST, wykorzystywana głównie do połączeń urządzeń multimedialnych, np. systemu audio-wideo, która pracuje z szybkością transmisji danych do 22,4 Mb/s.

Rodzaje samochodowych systemów transmisji danych

Współczesne rozwiązania sieci transmisji danych umożliwiają modyfikację podstawowych układów sieciowych w tzw. sieci o strukturze hybrydowej. Klasyfikacja ogólna wyróżnia trzy podstawowe typy sieci transmisji danych: liniowe (szeregowe), pierścieniowe i gwiaździste.

Strukturę liniową charakteryzują krótkie połączenia międzywęzłowe w stosunku do linii wieloprzewodowej. Struktura sieciowa transmisji liniowej umożliwia podłączenie wielu odosobnionych układów. Urządzenia sterujące podłączone do sieci transmisyjnej przesyłają informacje (zbiory danych) bez adresata odbioru, przekaz zawiera jedynie informację o rodzaju i zawartości danych. W sieci transmisyjnej liniowej każdy abonent (sterownik) ma identyczne uprawnienia dostępu do magistrali. Oznacza to, że zbiory danych mogą być przesyłane w każdej chwili z odpowiednim indeksem priorytetu. Ustalenie odpowiedniego priorytetu przekazu informacji ma na celu zagwarantowanie płynności przepływu informacji. Taki stan ma zapobiec jednoczesnemu przesyłowi danych z różnych urządzeń sterujących. Kolejność ta wynika z zaprogramowania ciągu przekazu. Na podstawie przypisanych indeksów do zbiorów danych przez sekcje podejmowana jest decyzja, czy informacja jest istotna i ma zostać zapisana w pamięci operacyjnej PROM w celu dalszego przetworzenia, czy ma być zignorowana.

Strukturę pierścieniową wyróżnia model konstrukcyjny, tzn. każdy węzeł jest połączony bezpośrednio z dwoma sąsiednimi, w wyniku czego tworzy się zamknięty obwód w kształcie pierścienia. W sieci pierścieniowej zbiory danych są przesyłane wyłącznie w jednym kierunku. Każdy węzeł stanowi stację. Jeżeli dany zbiór nie jest przeznaczony do stacji sąsiedniej, to dane są wzmacniane, poddawane regeneracji i przesyłane do stacji przeznaczenia. W wyniku powrotu danych podlegających transmisji między stacjami do punktu pierwotnego, z którego zostały wysłane, dane są usuwane. Strukturę pierścieniową wykorzystujemy do przesyłu danych o określonym priorytecie bezpieczeństwa i szybkości transmisji, w związku z tym taką sieć tworzymy wyłącznie z przewodów światłowodowych. Struktura pierścieniowa ze względu na szybkość transmisji danych jest stosowana w urządzeniach multimedialnych, np. w nawigacji satelitarnej.

Transmisja danych w sieci o strukturze gwiaździstej odbywa się bez nadawania indeksów priorytetów. Oznacza to, że abonent jest bezpośrednio połączony z układem sterującym. W strukturze gwiaździstej występuje określony węzeł nadrzędny, do którego są podłączone pozostałe węzły podległe. Sieć gwiaździsta jest układem typu master–slave.

Magistrala CAN

Magistrala danych CAN (ang. Controller Area Network) to technologia opracowana na potrzeby techniki samochodowej. Umożliwia podłączenie wszystkich sterowników w sieć transmisji danych (niezależnie od ich liczby) oraz transmisję dużej ilości danych za pomocą dwóch przewodów. Zastosowanie magistrali danych pozwala na uzyskanie znaczących korzyści:

• ograniczenie udziału błędu w wyniku stałej kontroli wysyłanych informacji przez jednostki sterujące i dodatkowe
• zabezpieczenia w protokołach danych,
• szybką transmisję danych między jednostkami sterującymi,
• mniejszą objętość i masę elektronicznych jednostek sterujących i złączy wtykowych,
• zmniejszenie liczby elementów pomiarowych (czujników) w wyniku wielokrotnego wykorzystania jednego sygnału,
• normalizację magistrali CAN, która determinuje wymianę danych między sterownikami różnych producentów,
• rozszerzenie protokołu danych następujące za pomocą wymiany oprogramowania.

Transmisja danych magistralą CAN odbywa się za pomocą jednostek sterujących w zależności od struktury sieci. W magistrali CAN poszczególne jednostki sterujące przesyłają dane do głównego obwodu magistrali, sterowniki składowe dokonują oceny, czy informacja cząstkowa zbioru danych jest potrzebna dla danego układu, czy można ją zignorować. Sterowniki wymieniają dane między sobą w sposób inteligentny, umożliwiając wielokrotne wykorzystanie jednego sygnału dla różnych jednostek sterujących.

W skład magistrali CAN wchodzą: nadajnik-odbiornik (transceiver), urządzenie kontrolne (controller), dwa przewody magistrali danych oraz dwie końcówki magistrali danych. Elementy magistrali danych aż do jej przewodów znajdują się w sterownikach. Nadajnik-odbiornik magistrali danych przekształca dane z urządzenia kontrolnego magistrali CAN w sygnały elektryczne i przesyła je do magistrali danych. Nadajnik-odbiornik magistrali danych dodatkowo odbiera dane i przekształca je na potrzeby układu kontrolnego magistrali CAN. Układ kontrolny magistrali danych CAN odbiera dane z mikrokomputera sterownika, przygotowuje je i przekazuje dalej magistralą CAN do nadajnika-odbiornika magistrali CAN. Magistrala CAN umożliwia transmisję dwukierunkową, dlatego postępując analogicznie układ kontrolny magistrali CAN odbiera dane z nadajnika-odbiornika magistrali CAN, przygotowuje je i przesyła do mikrokomputera sterownika. Zakończenie magistrali danych w wyniku własnych właściwości rezystancyjnych zapobiega niepożądanym zjawiskom odbicia danych jako echo lub zafałszowaniu informacji. Transmisja danych w magistrali CAN przebiega cyfrowo, z użyciem przewodów miedzianych CAN-high i CAN-low. Prędkość maksymalna transmisji danych wynosi 1000 Kb/s, w zależności od systemu. Standardowo prędkość transmisji danych w pojazdach koncernu VAG ograniczono do 500 Kb/s. System magistrali danych CAN dzielimy na trzy systemy z powodu wymagań co do prędkości przesyłania sygnałów i powtarzającej się pojemności danych: magistralę CAN systemu komfortu (100 Kb/s), magistralę CAN systemu Infotainment (100 Kb/s), magistralę CAN napędu (500 Kb/s).

Zadaniem magistrali CAN jest transmisja w określonych odstępach czasu protokołów danych, składających się z następujących po sobie bitów. W zależności od pola danych zmienia się liczba bitów protokołu. Bitem nazywamy jednostkę informacji o dwóch wartościach: „1” i „0”. Protokół danych dzielimy na siedem zakresów i jest on identyczny dla obu przewodów magistrali CAN. Zakresy protokołu danych określają pola: początku, statusu, sprawdzania, danych, zabezpieczenia, potwierdzenia i końca. Bit o wartości 0 V odpowiada wartości „0” i jest definiowany jako wartość wyższa, bit o wartości 5 V odpowiada wartości „1”, stanowiąc wartość niższą. W ramach podziału priorytetów każdemu protokołowi danych w polu statusu przypisuje się jedenastobitowy kod indentyfikacyjny. Najwyższy priorytet mają protokoły danych związane z bezpieczeństwem. W celu uniknięcia zakłóceń wynikających głównie z oddziaływań elektromagnetycznych transmisji danych w magistrali CAN dwa składowe przewody z impedancją końcową skręcamy ze sobą. W każdym z przewodów składowych napięcie względem drugiego jest przeciwstawne, co zapobiega dodatkowo promieniowaniu zakłócającemu. Gdy na przewodzie pierwszym występuje napięcie 5 V, na drugim wartość 0 V, układ znajduje się w stanie rezystywnym. W momencie włączenia na przewodzie pierwszym następuje spadek napięcia z wartości 5 V do 1 V, a na drugim wzrost z 0 V do 4 V. Mówimy wówczas, że układ przechodzi w stan dominujący. Przewód drugi w momencie przejścia ze stanu rezystywnego do dominującego zwiększa swoje napięcie. Nazywamy go CAN-high. W pierwszym przewodzie podczas przejścia następuje spadek napięcia o wartość 4 V. Przewód ten nazywamy CAN-low.

Magistrala LIN

Magistrala LIN (ang. Local Interconnect Network) pełni funkcję lokalnej sieci transmisji danych. Jest rozwiązaniem prostszym i tańszym niż w przypadku magistrali CAN. Transmisja danych między jednostkami sterującymi systemu magistrali LIN następuje przez komputer sterujący za pomocą magistrali CAN.

Magistrala LIN jest jednoprzewodową siecią transmisji danych. Przewód magistrali LIN nie wymaga ekranowania. Transmisja danych w magistrali LIN odbywa się zgodnie z zasadą master–slave, co oznacza, że jednostka sterująca nadrzędna (master), np. wyposażenia nadwozia, zarządza urządzeniami podrzędnymi (slave). W systemie magistrali LIN transmisja danych jest możliwa przez komputer nadrzędny (master) z maksymalnie 16 komputerami sterującymi (węzłami) podrzędnymi (slave). Komputer sterujący połączony z magistralą CAN nazywamy komputerem nadrzędnym (master) magistrali LIN. Komputer sterujący przesyła nagłówki informacji, kontroluje transfer danych i jego szybkość, dokonuje translacji między komputerami sterującymi lokalnym systemem magistrali LIN a magistralą CAN, diagnozuje komputery sterujące (slave) magistrali LIN. Do komputerów podrzędnych (slave) magistrali LIN można zaliczyć wszystkie obiekty pełniące funkcję komputera sterującego, np. czujniki ze zintegrowaną elektroniką umożliwiającą ocenę wartości mierzonych. Komputery podrzędne pełnią funkcję węzła podrzędnego magistrali danych LIN i mają indywidualny adres. Transmisja danych następuje w formie sygnału cyfrowego. Komputery sterujące otrzymują dane będące zadaniem cyfrowym w formie sygnału danych magistrali LIN przez komputer sterujący. Zintegrowanie czujników pomiarowych z elementami wykonawczymi pozwala na rzeczywistą ocenę ich stanu przez komputer nadrzędny. W wyniku tych działań komputer sterujący może w ramach wprowadzonych danych wzorcowych porównać stan rzeczywisty elementu wykonawczego ze stanem wymaganym. Szybkość transmisji danych jest ustalana za pomocą oprogramowania komputera sterującego w magistrali danych LIN i mieści się w przedziale 1–20 Kb/s. Po przerwie synchronicznej, podczas której następuje dostrojenie wszystkich urządzeń podrzędnych, jednostka sterująca wysyła cyklicznie nagłówek (header). Nagłówek ten dzieli się na cztery części: przerwa synchronizacji, ograniczenie synchronizacji, pole synchronizacji i pole identyfikacji. Po nagłówku następuje treść zbioru informacji (komunikat) response field, który stanowi informację z odpowiedzią od komputera sterującego (slave) lub rozkazem komputera sterującego (master) do jednego z komputerów sterujących (slave). W zależności od identyfikatora komputery sterujące (slave), będące węzłami podrzędnymi w stosunku do komputera sterującego (master), wykorzystują przesłane dane do wykonywania powierzonych im funkcji. Każdy komputer sterujący (slave) ma funkcję diagnozy własnej. Diagnoza systemu rozpoczyna się przez podanie komendy (słowa adresowego) z komputera sterującego (master) magistrali LIN. Po podaniu komendy komputery sterujące (slave) dokonują transmisji danych o diagnozie przez magistralę LIN do komputera sterującego (master).

Magistrala MOST

Magistrala MOST (ang. Media Oriented System Transport) stanowi optyczną magistralę danych. Za pomocą magistrali MOST zbiory informacji są przekazywane do określonego elementu pasywnego, zorientowane według adresów. Magistrala MOST w pewnych obszarach miała zastąpić magistralę CAN, szczególnie tam, gdzie wymagamy dużej szybkości transmisji danych, np. w systemach multimedialnych. Aplikacje multimedialne wymagają transferu danych z szybkością 14–15 Mb/s. Magistrala MOST z założenia ma strukturę pierścieniową, z ustaloną kolejnością jednostek sterujących. Przykładowa sieć MOST o strukturze pierścieniowej może zawierać:

• urządzenia multimedialne: tuner TV, wzmacniacz audio, system nawigacji satelitarnej, wyświetlacz centralny MMI,
• zmieniarkę CD, tuner radiowy, sterownik telematyki i wiele innych,
• urządzenie gateway, pośredniczące w transferze danych między różnymi sieciami oraz nadzorujące system samodiagnozy magistrali MOST.

Do transferu danych jest wykorzystywany światłowód. Takie rozwiązanie gwarantuje wykluczenie możliwości wystąpienia zakłóceń w wyniku czynników elektromagnetycznych. Światłowody umożliwiają prędkość transmisji danych na poziomie 21,2 Mb/s, co zapewnia spory zapas w stosunku do wymagań współczesnych systemów multimedialnych. Wprowadzenie światłowodów jako warstwy fizycznej do transmisji danych wymusiło zastosowanie rozbudowanych systemów jednostek napędowych, skoncentrowanych na każdym z węzłów sieci. Transfer sygnałów między elementami pasywnymi jest możliwy dzięki zachodzącej w każdym z nich konwersji sygnałów świetlnych na sygnały elektryczne i odwrotnie. W praktyce oznacza to, że sterownik musi być wyposażony w fotoodbiornik (np. fototranzystor), fotonadajnik (np. diodę elektroluminescencyjną) oraz układ mikroprocesorowy. To rozwiązanie ma zasadniczą wadę. W przypadku uszkodzenia światłowodu, niesprawności jednostki sterującej lub rozłączenia złącza transmisja danych w całej sieci jest niemożliwa. W przeciwieństwie do magistrali CAN w magistrali MOST transmisja danych (sygnałów) odbywa się za pomocą impulsów świetlnych (światła podczerwonego), przechodzących przez zunifikowany przewód światłowodowy. Każdy przewód światłowodowy jest zakończony wtykiem umożliwiającym przejście światła bezpośrednio na element światłoczuły i odwrotnie. Precyzję łączenia gwarantują specjalnie dopasowany wtyk i gniazdo, a uzyskany stopień dokładności zapewnia prawidłowy i niezakłócony przebieg światła podczerwonego. Każdy przewód światłowodowy ma określoną długość, co wynika z pewnych zjawisk zachodzących bezpośrednio w przewodzie (tłumienie sygnału). Wartość tłumienia sygnału dla długości kilkumetrowego przewodu nie przekracza 3 dB. Zakres temperatury pracy jest bezpośrednio związany z użytymi materiałami, w praktyce wynosi od –40°C do +80°C. Rdzeń jest wytwarzany na bazie polimetrylanu metylu, w rzucie poprzecznym stanowi przekrój kołowy o promieniu 0,49 mm. Rdzeń jest pokrywany warstwą odbijającą polimeru fluorowego o niewielkiej grubości 0,01 mm. W celach zabezpieczających rdzeń jest otoczony dwiema warstwami ochronnymi poliamidowymi o grubości 0,25 mm i 0,4 mm oraz dodatkową warstwą zabezpieczającą (czarną karbowaną koszulką). Ze względu na zastosowany materiał ochronny światłowód w zewnętrznym ujęciu przyjmuje barwę pomarańczową, co znacząco wpływa na szybkość jego lokalizacji w sieci innych przewodów znajdujących się w instalacji elektrycznej pojazdu.

Magistrala MOST może pracować w trzech podstawowych trybach: uśpienia, gotowości i pracy. W trybie uśpienia nie wymienia żadnych danych. Stan uśpienia jest spowodowany spadkiem energii elektrycznej w układzie zasilania pojazdu w energię elektryczną, np. rozładowaniem akumulatora. W takim stanie urządzenia wchodzące w skład sieci wysyłają sygnał o możliwości przerwania pracy i przejścia w stan wyłączenia, wówczas nie ma możliwości wykonania samodiagnozy. Tryb gotowości jest aktywowany w wyniku załączenia co najmniej jednej z jednostek sterujących wchodzących w skład sieci (pierścienia magistrali MOST) za pośrednictwem urządzenia pośredniczącego gateway lub innych sieci transmisji danych. W trybie pracy wszystkie możliwe funkcji są dostępne. Taki stan zawsze jest poprzedzony trybem gotowości oraz sprawdzeniem stanu układu zasilania w energię elektryczną, tzn. sprawdzeniem stanu naładowania akumulatora lub stanu pracy silnika. Aktywacja stanu pracy odbywa się za pomocą włączenia wyświetlacza MMI lub uruchomienia któregokolwiek urządzenia multimedialnego. Transmisja danych w magistrali MOST odbywa się za pomocą specjalnych form, tzn. protokołów wysyłania odbioru informacji. Forma protokołu jest dopasowana do charakteru przesyłania danych i częstotliwości wysyłania kolejnych ramek danych (44,1 kHz). Częstotliwość ta jest określona standardem ogólnie przyjętym dla urządzeń multimedialnych odnośnie do próbkowania dźwięku. Ramka danych składa się z pola danych (bitów asynchronicznych i synchronicznych), pola startowego preamble, pola delimiter, pola kontrolnego, pola statusu i pola kontroli parzystości.

Magistrala Byteflight

Magistrala Byteflight jest stosowana w układach bezpieczeństwa czynnego i biernego. Sieć Byteflight ma strukturę gwiaździstą, która umożliwia dwukierunkową komunikację. W niektórych odmianach magistrala Byteflight jest tworzona jako struktura liniowa (szeregowa), sporadycznie używana w pojazdach samochodowych. Zbiory danych (informacje) są przesyłane światłowodem z prędkością transmisji 10 Mb/s i krytycznym czasem przesyłania informacji 250 μs, co wymaga zastosowania modułów MCM (ang. multi chip module). Moduły te zawierają w obudowie lub strukturze półprzewodnikowej układy elektryczne analogowe, cyfrowe i optyczne, tj. fotoelementy zintegrowane. Magistrala Byteflight obsługuje obwody układu ESP, ABS, ASR oraz poduszek powietrznych i pasów bezpieczeństwa. W zależności od liczby węzłów składowych wyznaczamy maksymalną możliwą przepustowość. Transmisja danych w sieci Byteflight między urządzeniami bezpieczeństwa biernego i czynnego odbywa się za pomocą protokołu transmisji danych. Umożliwia dostęp wszystkim węzłom bez przyznawania priorytetu. W wyjątkowych sytuacjach sieć Byteflight zapewnia transmisję danych uznanych za ważne, z indeksem priorytetu. Protokół sieci Byteflight łączy funkcję synchronicznej i asynchronicznej transmisji danych.

Jest on dzielony na regularne cykle przesyłania informacji z przerwą synchronizacyjną generowaną przez jednostkę sterującą sieci, tzw. SYNC-master (łącznik). Przerwę wywołuje impuls odpowiadający logicznemu zeru. Impuls ten może być wywoływany przez dowolny węzeł w sieci i stanowi punkt odniesienia dla wszystkich węzłów składowych. Wyznacza on czas cyklu przesyłania informacji, który wynosi 250 μs. Przy użyciu transmisji synchronicznej informacje o najwyższym priorytecie są przesyłane jako pierwsze i zawierane w ramce. Informacje o niższym priorytecie, np. samodiagnoza, są przesyłane wyłącznie wtedy, gdy w ramce jest dla nich wolne miejsce. Każda informacja składa się z sekwencji bitów: synchronizującej startowej (6 bitów), indentyfikacyjnej ID (8 bitów), określającej długość informacji LEN (1 bit), zawierającej dane bazowe D1–D11 (12 bitów), stanowiącej pole zabezpieczające CRC (16 bitów), kończąc informację (2 bity). W zależności od liczby przesyłanych bajtów danych długość informacji wynosi 4,6–16 μs. W celu wykluczenia błędów w wyniku niepoprawnej interpretacji zazwyczaj odczytywanej jako impuls synchronizacyjny między sekwencjami bitów wprowadzamy bit startowy, który trwa ok. 100 ns. Protokół magistrali Byteflight ma funkcję w formie wskazań stanu alarmowego. Taki stan objawia się zmianą impulsów synchronizacyjnych, którą może wywołać węzeł transmitujący te impulsy. Zmiana impulsów synchronizujących w protokole magistrali Byteflight nie wpływa na transmisję danych. W przypadku wystąpienia błędów w transmisji danych informacja bazowa może zostać wysłana ponownie po następnym impulsie synchronizującym.