Внутрифирменная связь в автомобиле: CAN, FlexRay и MOST

CAN, FlexRay и MOST — это автомобильные протоколы связи, используемые для соединения электронных блоков управления (ECU), блоков управления трансмиссией (TCU) и блоков управления кузовом (BCM) в транспортных средствах:

CAN Протокол на основе сообщений, который изначально был разработан для экономии меди путем мультиплексирования электрической проводки в автомобилях. CAN имеет пропускную способность около 125 кбит/с.
FlexRay Высокоскоростной, отказоустойчивый и детерминированный последовательный протокол связи, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с по двум витым парам. FlexRay часто используется в критичных для безопасности применениях, таких как модули силовой передачи. Полезная нагрузка FlexRay, или кадры данных, может достигать 127 слов (254 байта), что более чем в 30 раз превышает длину полезной нагрузки CAN.
MOST Шинный стандарт для мультимедийных сетей в транспортных средствах, обеспечивающий передачу высококачественного аудио, видео и данных. MOST доступен в трех скоростных вариантах передачи: MOST25, MOST50 и MOST150.

CAN (Controller Area Network) в настоящее время является наиболее широко используемой сетью внутри автомобиля. Однако с непрерывным развитием автономных транспортных средств и сопутствующих технологий наблюдается высокий спрос на большую пропускную способность и подключаемость. В этом документе мы кратко описываем CAN и другие варианты подключения в транспортном средстве, включая беспроводной CAN, MOST, FlexRay и Automotive Ethernet.

CAN-шина: некоторые принципы работы

В широком смысле CAN-bus (Controller Area Network-bus) фактически представляет собой набор стандартов, которые позволяют различным устройствам обмениваться данными. Это асинхронная (со смещением по времени) последовательная шинная система, разработанная в 1983 году компанией Robert Bosch GmbH с целью объединения электронных блоков управления (ECU) в автомобилях.

CAN был разделен на различные уровни в соответствии с моделью ISO/OSI для обеспечения гибкости и прозрачности проектирования. На практике для связи CAN-шина использует две выделенные линии: CAN low и CAN high, посредством которых CAN-контроллер подключается ко всем компонентам сети. CAN позволяет заменить довольно сложную проводку двухпроводной шиной. CAN использует дифференциальный сигнал, что повышает его помехоустойчивость, и имеет два логических состояния: recessive и dominant. В настоящее время CAN-шина используется практически повсеместно — от кофемашин до операций управления автопарком и космических приложений. Ниже мы кратко описываем принципы работы CAN-шины.

Протокол связи CAN ISO-11898:2003 объясняет, как информация передается между устройствами в сети на основе модели Open Systems Interconnection (OSI), представленной в виде набора уровней на рисунке ниже. Два нижних уровня семиуровневой модели OSI/ISO — это физический и канальный уровни. Физический уровень определяет связь между устройствами, соединенными посредством физического носителя.

Канальный уровень помимо прочего занимается организацией битов в кадры и включает два протокола: классический CAN (первое применение датируется 1988 годом) и CAN FD (введен в 2012 году).

Прикладной уровень по сути является уровнем конечного пользователя и предоставляет доступ к ресурсам сети. Существует два типа форматов сообщений/кадров: стандартный и расширенный. Они отличаются друг от друга только длиной идентификатора — стандартный имеет 11 бит, а расширенный — 29 бит.

Стандартная структура сообщения может быть разделена на 8 частей, как показано на рисунке ниже. Эти части: Start of Frame (SOF — начало передачи кадра), CAN-ID (идентификатор кадра, определяющий приоритет сообщения), Remote Transmission Request (RTR, указывает, запрашивает ли узел данные у другого узла или отправляет данные), Control (содержит информацию о длине данных в байтах), Data (фактические значения данных, которые затем требуется масштабировать/преобразовать), The Cyclic Redundancy Check (CRC, обеспечивающий целостность данных), ACK (подтверждение, указывает, корректно ли приняты данные) и EOF (End of Frame), который обозначает конец CAN-сообщения/кадра.

CAN-шина использует инвертированную форму логики с двумя состояниями: dominant и recessive. На рисунке выше показана упрощенная схема входа-выхода CAN-трансивера: поток битов, поступающий в/из CAN-контроллера и/или микроконтроллера. Когда контроллер отправляет поток битов, они инвертируются и помещаются на линию CANH.

Линия CANL всегда является дополнением к CANH. CAN должен контролировать как текущее состояние шины, так и то, что он сам передает. Для корректной работы оба конца CAN-шины должны быть завершены, поскольку любой узел на шине может передавать данные.

На каждом конце линии находится резистор терминирования, равный волновому сопротивлению кабеля. Обычно рекомендованное значение терминирующих резисторов — 120 Ω (в диапазоне 100 Ω — 130 Ω). В сети не должно быть более двух терминирующих резисторов, так как дополнительные терминаторы создают дополнительную нагрузку на драйверы.

На рисунке ниже показана тестовая CAN-шина. Узлы на рисунке в принципе могут отправлять сообщения от интеллектуальных датчиков и контроллера двигателя. Типичным применением может быть, например, датчик температуры.

Если другой сенсорный узел должен отправить сообщение одновременно, арбитраж обеспечивает отправку сообщения. Например, узел A завершает отправку своего сообщения, в то время как узлы B и C подтверждают корректный прием сообщения. Узлы B и C затем начинают арбитраж, и если узел C выигрывает арбитраж, он отправляет сообщение. Узлы A и B подтверждают сообщение от узла C, и затем узел B продолжает отправку своего сообщения.

Следует учитывать противоположную полярность входа и выхода драйвера на шине. В настоящее время CAN-шина широко распространена в автомобилях. Она присутствует практически во всех выпускаемых транспортных средствах. Автомобили в современном мире по сути являются продуктом глобального рынка, поэтому практически все автомобили имеют CAN-шину. Доступ к CAN-шине осуществляется через OBD-порт, который показан на рисунке ниже вместе с примером 120Ω терминирующего резистора, припаянного к разъему DB9 с проводкой CAN, размещенному в корпусе DB9.

Для проводки OBD-порта к устройству CAN DB9 требуется кабель, который можно либо приобрести, либо изготовить самостоятельно. Для самостоятельного изготовления требуется 9-контактный D-sub разъем (гнездо) и OBD-вилка (штекер). Разъем DB9 должен соответствовать вилке для CAN-устройства.

Пример проводки OBD-вилки к DB9 CAN с опциональным терминирующим резистором также показан на схемах ниже.

Для создания сенсорной сети, интерфейса к CAN-шине и просмотра CAN-сигналов из автомобилей существует множество вариантов. Различные микроконтроллеры в настоящее время поддерживают протокол CAN и могут подключаться к CAN посредством CAN-трансиверного чипа.

Также существуют решения, такие как Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad и Arduino, которые могут взаимодействовать с CAN посредством дополнительных модулей. Сеть обмена CAN в современных автомобилях может предоставлять огромный объем данных, который можно использовать операций управления автопарком для повышения безопасности водителя, снижения общих затрат, улучшения процессов технического обслуживания и поддержки экологической ответственности.

Включение данных CAN-шины предоставляет владельцам автопарков различные возможности доступа к информации, включая расход топлива, показания одометра, обороты двигателя, положение дроссельной заслонки, нагрузку/крутящий момент двигателя, температуру двигателя и уровень топлива.

CAN в настоящее время является наиболее широко используемой сетью внутри транспортного средства. Однако с непрерывным развитием автономных автомобилей и сопутствующих технологий, существует высокий спрос на большую пропускную способность и подключаемость. Далее мы кратко описываем некоторые другие варианты подключения в транспортном средстве, включая беспроводной CAN, MOST, FlexRay и Automotive Ethernet.

Беспроводной CAN

CAN по витой паре медных проводов стал стандартом ISO в 1994 году. Растущий спрос на повышенную подключаемость стимулирует развитие альтернативных и дополняющих технологий. Например, некоторые варианты беспроводной передачи CAN опираются на радиостандарты, основанные на протоколах, такие как WLAN или Bluetooth.

В таком сценарии данные CAN в передатчике должны быть преобразованы в беспроводной протокол и восстановлены в приемнике. Прозрачная и реального времени передача в смысле сети CAN таким образом невозможна. Радиосоединение функционирует как шлюз между двумя CAN-сетями.

Беспроводной CAN на основе радиосвязи с двойным режимом позволяет участникам CAN интегрироваться в CAN-сеть беспроводным способом, повышая безопасность и удобство использования. Однако такая система требует специальных антенн, которые занимают место и требуют определенного выравнивания, что ограничивает всенаправленное излучение.

MOST, FlexRay и Automotive Ethernet в кратком изложении

Перспективной альтернативой CAN является Automotive Ethernet. По некоторым оценкам, рынок Automotive Ethernet должен вырасти более чем на 21,6% в прогнозируемый период 2019–2026 годов.

Ключевые преимущества Ethernet для подключения транспортных средств — высокая пропускная способность и экономическая эффективность. Ethernet использует стратегию Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Внутри автомобильных сетей столкновения можно игнорировать за счет сегментации. Некоторые проблемы Automotive Ethernet — значительное количество радиочастотных помех, невозможность обеспечить задержки вплоть до низких микросекундных значений и отсутствие способа синхронизации времени между устройствами.

MOST (Media Oriented System Transport) — это последовательная система связи для передачи управляющих данных, видео и аудио посредством оптоволоконных http://cables.It обеспечивает точечный обмен звуковой и видеоинформацией со скоростью 24,8 Мбит/с. MOST создано ассоциацией MOST и определяет протокол, программные и аппаратные уровни, необходимые для эффективной и недорогой передачи управляющих, реального времени и пакетных данных с использованием одного носителя/физического уровня. Сеть MOST может быть схематично представлена в виде кольца, которое может включать до 64 устройств MOST. Благодаря функциональности plug&play добавление или удаление устройства MOST должно быть довольно простым.

FlexRay, в свою очередь, по сути является автомобильным сетевым стандартом, основанным на гибкой высокоскоростной детерминированной, отказоустойчивой шине. Он используется в топологиях «звезда» или «линия» с медной проводкой или оптическим волокном. FlexRay с конфигурациями с двумя каналами обеспечивает повышенную отказоустойчивость и/или увеличенную пропускную способность. Особенности сети связи FlexRay делают её привлекательной для автомобильной промышленности следующего поколения.

Обычно сети FlexRay первого поколения используют одноканальную конфигурацию для снижения затрат на проводку, но дальнейшее развитие приложений и сопутствующие требования к безопасности приведут к увеличению использования двух каналов. Ограничивающими факторами для широкого распространения FlexRay являются цена, более низкие рабочие уровни напряжения и асимметрия фронтов, что создает сложности при увеличении длины сети. Некоторые ключевые характеристики перечисленных протоколов по сравнению с характеристиками CAN представлены в таблице ниже.

Прямое сравнение перечисленных протоколов подключения показывает, что существует явный компромисс между пропускной способностью и отказоустойчивостью с одной стороны и средними затратами и сложностью системы с другой. В то время как CAN и MOST остаются своего рода фундаментальными протоколами, FlexRay и Ethernet являются более перспективными решениями для удовлетворения растущих требований рынка и приложений с высокой нагрузкой. В современных транспортных средствах эти протоколы часто используются как дополнительные решения.

Назначение протоколов связи в транспортных средствах

CAN-шина действительно является хорошо известным и устоявшимся стандартом подключаемости транспортных средств. Она применяется для силовой передачи, шасси, магистральных сетей и систем кузова. Ethernet, в свою очередь, обычно используется как диагностический протокол для электронных блоков управления двигателем, шасси и кузова, применяемых для сетевых подключений.

FlexRay в настоящее время формирует основу для активной разработки технологий во всем мире, и его многочисленные применения включают системы следующего поколения X-by-Wire и магистральные системы. MOST — это шинный стандарт для мультимедийных сетей в транспортных средствах, предназначенный для передачи высококачественного аудио, видео и данных. Он обеспечивает простое взаимное подключение различных мультимедийных компонентов автомобиля.

Все перечисленные выше протоколы и технологии удовлетворяют большинству требований диагностики и мультимедийной связи для современных внутритранспортных и межавтомобильных коммуникаций и могут использоваться для продвинутых систем автономного вождения, однако точная интеграция всех этих технологий с соблюдением ограничений реального времени по-прежнему остается сложной задачей.

ПредыдущаяCAN и OBDII СледующаяОсновы OBD-трекеров

Последнее обновление 4 месяца назад

Это было полезно?