Communication intra-véhicule : CAN, FlexRay et MOST
CAN, FlexRay et MOST sont tous des protocoles de communication automobile utilisés pour connecter des unités de contrôle électronique (ECU), des unités de commande de transmission (TCU) et des modules de commande de carrosserie (BCM) dans les véhicules :
CAN Un protocole basé sur des messages qui a été initialement conçu pour économiser du cuivre en multipliant le câblage électrique dans les voitures. CAN a une bande passante d'environ 125 kbps.
FlexRay Un protocole de communication série déterministe, tolérant aux pannes et à haute vitesse capable de transférer des données à des vitesses allant jusqu'à 10 Mbits par seconde sur deux fils torsadés. FlexRay est souvent utilisé dans des applications critiques pour la sécurité, telles que les modules de transmission. Les charges utiles FlexRay, ou trames de données, peuvent atteindre 127 mots (254 octets), soit plus de 30 fois la longueur des charges utiles CAN.
MOST Une norme de bus pour les réseaux multimédias de véhicule qui permet le transfert d'audio, de vidéo et de données de haute qualité. MOST est disponible en trois vitesses de transmission : MOST25, MOST50 et MOST150.
Le CAN (Controller Area Network) est actuellement le réseau embarqué le plus utilisé. Cependant, avec le développement continu des véhicules autonomes et des technologies associées, il existe une forte demande pour une plus grande bande passante et une meilleure connectivité. Dans ce document, nous décrivons brièvement le CAN et d'autres options de connectivité véhiculaire, y compris le CAN sans fil, MOST, FlexRay et l'Ethernet automobile.
Bus CAN : quelques principes fondamentaux
Au sens large, le bus CAN (Controller Area Network-bus) est en réalité un ensemble de normes qui permettent à différents dispositifs de communiquer entre eux. Il s'agit d'un système de bus série asynchrone (décalé dans le temps), développé en 1983 par Robert Bosch GmbH dans le but d'interconnecter les unités de contrôle électronique (ECU) des véhicules à moteur.
Le CAN a été divisé en plusieurs couches, suivant le modèle ISO/OSI afin d'obtenir flexibilité et transparence de conception. Pour la communication pratique, le bus CAN utilise deux fils dédiés : CAN low et CAN high, par lesquels le contrôleur CAN est connecté à tous les composants du réseau. CAN permet de remplacer un câblage assez complexe par un bus à deux fils. CAN utilise un signal différentiel, ce qui le rend plus résistant au bruit, avec deux états logiques : récessif et dominant. De nos jours, le bus CAN est utilisé pratiquement partout, des machines à café aux la gestion de flotte et applications spatiales. Nous décrivons brièvement ci-après les principes de fonctionnement du bus CAN.
Le protocole de communication CAN ISO-11898:2003 explique comment l'information est transmise entre les dispositifs d'un réseau en se basant sur un modèle Open Systems Interconnection (OSI) présenté comme un ensemble de couches sur la figure ci-dessous. Les deux couches les plus basses du modèle OSI/ISO à sept couches sont les couches physique et liaison de données. La couche physique définit la communication entre les dispositifs connectés par le média physique.
La couche Data-Link, entre autres, s'occupe également d'organiser les bits en trames et inclut deux protocoles : le CAN classique (première utilisation remontant à 1988) et le CAN FD (lancé en 2012).
La couche application est essentiellement une couche utilisateur final et fournit l'accès aux ressources du réseau. Il existe deux types de formats de message/trame : standard et étendu. Ils diffèrent uniquement par la longueur de l'identifiant : le standard est de 11 bits, tandis que l'étendu est de 29 bits.
Une structure de message standard peut être divisée en 8 parties comme montré sur la figure ci-dessous. Ces parties sont : Start of Frame (SOF - le début de la transmission de trame), CAN-ID (identifiant de trame, identification de la priorité du message), Remote Transmission Request (RTR, indique si un nœud demande des données à un autre nœud ou envoie des données), Control (informe de la longueur des données en octets), Data (les valeurs de données réelles qui doivent être mises à l'échelle/converties), The Cyclic Redundancy Check (CRC, garantissant l'intégrité des données), ACK (accusé de réception, indique si les données sont reçues correctement) et EOF (End of Frame) qui marque la fin du message/trame CAN.
Le bus CAN utilise une forme inversée de logique avec deux états : dominant et récessif. La figure ci-dessus montre un diagramme d'entrée-sortie simplifié d'un transceiver CAN : flux de bits allant vers/depuis un contrôleur CAN et/ou un microcontrôleur. Lorsque le contrôleur envoie un flux de bits, ceux-ci sont complétés et placés sur la ligne CANH.
La ligne CANL est toujours le complément de CANH. Le CAN doit surveiller à la fois ce qui se trouve actuellement sur le bus et ce qu'il envoie. Pour les applications, les deux extrémités du bus CAN doivent être terminées puisque n'importe quel nœud du bus peut transmettre des données.
Chaque extrémité du lien possède une résistance de terminaison égale à l'impédance caractéristique du câble. Habituellement, la valeur recommandée pour les résistances de terminaison est de 120 Ω (dans une plage de 100 Ω - 130 Ω). Il ne devrait pas y avoir plus de deux résistances de terminaison dans le réseau, car des terminaisons supplémentaires imposent une charge supplémentaire aux pilotes.
La figure ci-dessous montre un bus de test CAN. Les nœuds de la figure pourraient en principe envoyer des messages depuis une technologie de détection intelligente et un contrôleur de moteur. Une application typique pourrait être par exemple un capteur de température.
La figure ci-dessous montre un bus de test CAN. Les nœuds de la figure pourraient en principe envoyer des messages depuis une technologie de détection intelligente et un contrôleur de moteur. Une application typique pourrait être par exemple un capteur de température.
Si un autre nœud capteur doit envoyer un message simultanément, l'arbitrage garantit que le message est envoyé. Par exemple, le nœud A termine l'envoi de son message tandis que les nœuds B et C accusent réception d'un message correctement reçu. Les nœuds B et C commencent ensuite l'arbitrage et si le nœud C remporte l'arbitrage, il envoie un message. Les nœuds A et B accusent réception du message du nœud C, puis le nœud B poursuit l'envoi de son message.
La polarité inverse de l'entrée et de la sortie du pilote sur le bus doit être gardée à l'esprit. Le bus CAN est aujourd'hui largement répandu dans les voitures. Il est présent dans pratiquement tous les véhicules fabriqués. Les voitures dans le monde moderne sont essentiellement un produit du marché mondial, donc tous les véhicules ont tendance à avoir un bus CAN. L'accès au bus CAN se fait via le port OBD, qui est présenté sur une figure ci-dessous ainsi qu'un exemple d'une résistance de terminaison 120Ω, soudée sur le connecteur DB9 avec le câblage CAN, situé dans le boîtier shell DB9.
Pour câbler le port OBD à un appareil CAN DB9, il faut un câble qui peut être soit acheté soit fabriqué. Pour en fabriquer un soi-même, une prise D-sub 9 broches (femelle) et une fiche OBD (mâle) sont nécessaires. La prise DB9 doit correspondre à la fiche de l'appareil CAN.
Un exemple de câblage OBD vers DB9 CAN incluant une résistance de terminaison optionnelle est également montré sur les schémas ci-dessous.
Pour construire un réseau de capteurs, interfacer un bus CAN et visualiser les signaux CAN des véhicules, il existe de nombreuses options. Divers microcontrôleurs prennent actuellement en charge le protocole CAN et peuvent être interfacés au CAN via une puce transceiver CAN.
Des solutions comme Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad et Arduino existent également et peuvent s'interfacer au CAN au moyen de quelques modules complémentaires. Le réseau de communication CAN dans les véhicules modernes peut fournir un volume de données énorme qui peut être utilisé dans la gestion de flotte pour augmenter la sécurité du conducteur, réduire les dépenses globales, améliorer les processus de maintenance et soutenir la responsabilité environnementale.
L'activation des données du bus CAN offre aux propriétaires de flottes diverses opportunités d'accéder à différentes informations, y compris la consommation de carburant, les relevés d'odomètre, les tours par minute, la position de l'accélérateur, la charge/ couple du moteur, la température du moteur et le niveau de carburant.
CAN est actuellement le réseau embarqué le plus utilisé. Cependant, avec le développement continu des véhicules autonomes et technologie connexe, il existe une forte demande pour une plus grande bande passante et une meilleure connectivité. Ci-après nous décrivons brièvement quelques autres options de connectivité véhiculaire, y compris le CAN sans fil, MOST, FlexRay et l'Ethernet automobile.
CAN sans fil
Le CAN sur une paire torsadée de fils de cuivre est devenu une norme ISO en 1994. La demande croissante d'une connectivité accrue conduit au développement de technologies alternatives et complémentaires. Par exemple, certaines options de transmission CAN sans fil reposent sur des normes radio basées sur des protocoles telles que WLAN ou Bluetooth.
Dans un tel scénario, les données CAN à l'émetteur doivent être converties au protocole sans fil et réinitialisées dans le récepteur. Une transmission transparente et en temps réel au sens du réseau CAN n'est pas possible de cette manière. La connexion radio fonctionne donc comme une passerelle entre deux réseaux CAN.
Le CAN sans fil basé sur une radio double mode permet aux participants CAN d'être intégrés sans fil dans un réseau CAN, augmentant la sécurité et l'utilisabilité. Cependant, un tel système nécessite des antennes spéciales qui prennent de la place et une orientation particulière limitant le rayonnement omnidirectionnel.
MOST, FlexRay et Ethernet automobile en bref
Une alternative prometteuse au CAN est l'ethernet automobile. Certaines estimations prévoient que le marché de l'ethernet automobile croîtra de plus de 21,6 % sur la période de prévision 2019-2026.
Les principaux avantages de l'ethernet pour la connectivité des véhicules sont la haute bande passante et l'efficacité des coûts. Ethernet emploie la stratégie Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Les collisions peuvent être ignorées grâce à la division dans les réseaux embarqués. Certains défis de l'ethernet automobile sont la quantité importante de bruit RF, l'incapacité à fournir une latence jusqu'à la plage des faibles microsecondes et l'absence de méthode de synchronisation du temps entre les appareils.
MOST (Media Oriented System Transport) est un système de communication série pour transmettre des données de commande, de la vidéo et de l'audio au moyen de fibre optique http://cables.It fournit un échange d'informations son et vidéo point à point avec des débits de 24,8 Mbps. MOST, créé par l'association MOST, définit les couches protocole, logiciel et matériel nécessaires pour permettre le transport efficace et à faible coût de données de commande, en temps réel et par paquets en utilisant un seul médium / couche physique. Un réseau MOST peut être schématiquement présenté sous la forme d'un anneau pouvant inclure jusqu'à 64 appareils MOST. Grâce à sa fonctionnalité plug&play, l'ajout ou la suppression d'un appareil MOST devrait être assez simple.
FlexRay, à son tour, est essentiellement une norme de réseau automobile basée sur un système de bus déterministe, tolérant aux pannes, à haut débit et flexible. Il est utilisé dans le cadre d'une topologie en étoile ou en ligne avec du cuivre ou de la fibre optique. Les configurations à double canal de FlexRay offrent une tolérance aux pannes améliorée et/ou une bande passante accrue. Les caractéristiques du réseau de communications FlexRay en font une solution favorable pour les industries automobiles de nouvelle génération.
La plupart des réseaux FlexRay de première génération emploient normalement un seul canal pour réduire les coûts de câblage, mais le développement ultérieur des applications et les exigences de sécurité induites conduiront à une utilisation accrue de deux canaux. Les facteurs limitants pour la diffusion généralisée de FlexRay sont le prix, des niveaux de tension de fonctionnement plus faibles et l'asymétrie des fronts, ce qui entraîne des défis pour l'extension de la longueur du réseau. Certaines caractéristiques clés des protocoles listés par rapport aux caractéristiques du CAN sont présentées dans le tableau ci-dessous.
La comparaison directe des protocoles de connectivité listés montre qu'il existe un compromis clair entre la bande passante et la tolérance aux pannes d'une part, et les coûts moyens et la complexité du système d'autre part. Alors que CAN et MOST restent une sorte de protocoles fondamentaux, FlexRay et Ethernet sont des solutions plus prometteuses pour satisfaire la demande croissante du marché et les applications à forte charge. Dans les véhicules modernes, ces protocoles sont souvent utilisés comme des solutions complémentaires.
Objectif des protocoles de communication embarqués
Le bus CAN est en effet une norme de connectivité véhicule bien connue et établie. Il est utilisé pour le groupe motopropulseur, le châssis, le réseau backbone et les systèmes de carrosserie. L'Ethernet, pour sa part, est couramment utilisé comme protocole de diagnostic pour les unités de commande électroniques moteur, châssis et carrosserie utilisées pour les connexions réseau.
FlexRay constitue actuellement la base du développement technologique actif dans le monde, et ses nombreuses applications incluent les systèmes de prochaine génération X-by-Wire et les systèmes backbone. MOST est une norme de bus pour les réseaux multimédias de véhicules conçue pour permettre le transfert d'audio, de vidéo et de données de haute qualité. Il permet une interconnexion facile des différents composants multimédias du véhicule.
Toutes les technologies et protocoles mentionnés ci-dessus satisfont la plupart des exigences de diagnostic et de communication multimédia pour la communication embarquée et véhicule à véhicule moderne, et pourraient être utilisés pour des systèmes de conduite autonome avancés ; cependant, l'intégration précise de toutes ces technologies tout en respectant les contraintes temps réel reste une partie difficile.
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