З появою великої кількості пристроїв, якими найчастіше необхідно взаємопов'язано керувати, стала рости потреба в створенні відповідних засобів управління. І такі кошти, промислові мережі, на початку 1980-х років з'явилися. Працюючи з використанням цифрових технологій, вони дозволили зменшити фізичний обсяг коштів передачі даних, передавати складні сигнали, підвищити надійність системи і швидкість реакції на подію і синхронізувати взаємодія всередині кожної з них. Відносно автомобільної індустрії можна сказати наступне: крім спрощення технології складання автомобілів з мультиплексна системами тільки на проводці вдається заощадити
Будь-яка промислова мережа, в тому числі автомобільна, являє собою сукупність датчиків, виконавчих механізмів, обчислювальних пристроїв і органів управління, об'єднаних системою передачі даних і взаємодіючих за правилами, які задаються протоколом. Він - центральний елемент, що визначає характеристики і можливості пов'язаних їм систем.
SAE розділяє автомобільні мережі на три класи - А, В і С, що відрізняються швидкістю передачі даних і областями застосування (табл. 1). Причому до мереж класу С пред'являються особливо жорсткі вимоги, оскільки вони по одному каналу зв'язку обслуговують найбільш відповідальні системи автомобіля, а передаються по ним повідомлення можуть бути як періодичними, так і випадковими. Такі мережі повинні бути не тільки надійними, але і забезпечувати можливість розстановки пріоритетів різними повідомленнями, сигналізувати про помилки в передачі керуючих сигналів, мати швидкість реакції на важливе повідомлення певної тривалості, бути захищеними від зовнішніх впливів.
Автомобільні системи, незалежно від їх класу, в принципі, можуть виконуватися (і виконуються) за однією з трьох топологічних схем (способів об'єднання пристроїв) мереж: "зірка", "кільце" і "шина". Розглянемо їх.
"Зірка". В даній схемі є центральний вузол, пов'язаний з кожним пристроєм системи окремим каналом зв'язку. Тобто для зв'язку двох або більше таких пристроїв необхідно, щоб інформація пройшла через "центр". Плюс у схеми один - Простота протоколів обміну інформацією. Але недоліків, на жаль, набагато більше, і вони явно перекривають цей плюс. У їх числі: великий час затримки і кількість проводів; обмежене число комутованих пристроїв, низька надійність через наявність центрального вузла. Тому схема використовується рідко.
Клас Швидкість передачі Область застосування
мережі даних
А 10 Кбіт / с Системи комфорту
В 10-125 Кбіт / с Самодиагностика
З 125 Кбіт / с-1 Мбіт / с Системи управління двига-
телем, гальмами, коробкою
передач, АБС і т. д.
"Кільце". У цій схемі всі пристрої рівноправні, так як послідовно об'єднані в кільце. Значить, що передаються сигнали повинні проходити за кількома ланкам. Звідси випливають і недоліки схеми: втрата працездатності при розриві ланцюга або виході з ладу одного пристрою; велика затримка і її збільшення при додаванні нового ланки.
Схема "шина" дозволяє функціонувати пристроїв в загальному середовищі передачі даних, використовуючи трансляцію передачу; не вимагає доопрацювань системи при підключенні додаткових пристроїв; в ній можлива реалізація будь-якого типу доступу до середовища передачі даних, а час їх передачі невелика. Найважливіше завдання протоколу тут - вирішення питань доступу в середу передачі даних.
Як бачимо, для автомобіля краще саме ця схема: вона економить дроти, забезпечує високу надійність системи управління.
Схема "шина" реалізує доступ трьох типів: основний вузол за певними правилами опитує дочірні вузли; отримавши від синхронизирующего пакета сигнал, відправляє дані тому дочірньому вузлу, який відповідає отриманому від пакета сигналу; отримавши сигнал від дочірнього вузла, відкриває останньому доступ в мережу.
Перші два типи доступу називаються централізованими, третій - децентралізованим. Він особливо ефективний, оскільки не витрачається час на "холості" опитування, т. Е. Забезпечується миттєве реагування на високопріоритетних повідомлення.
Фізично CAN є послідовним асинхронну шину, дані якої передаються або по кручений парі, або по оптоволокну, або по радіоканалу. Шина - мультімастерная, т. Е. Управляти нею можуть відразу кілька пристроїв. Теоретично число приєднуються до неї пристроїв не отранічено. Швидкість передачі даних задається програмно (не більше 1 Мбіт / с).
В даний час діє специфікацією для протоколу CAN служить "CAN Soecjfication version 2,0", що складається з двох частин - А і В, перша з них описує обмін даними по мережі з використанням 11-бітного ідентифікатора, а друга - 29-бітного. І якщо вузол CAN підтримує обмін даними тільки з використанням 11-бітного ідентифікатора, не виказуючи при цьому помилки на обмін даними з використанням 29-бітного ідентифікатора, то його позначають "CAN2.0A Active, CAN2.0В Passive"; якщо з використанням і 11 -бітний, і 29-бітного ідентифікаторів, то "CAN2.0B Active".
Існують також і вузли, які підтримують обмін даними з використанням тільки 11-бітного ідентифікатора, а при виявленні в мережі даних з 29-бітовим ідентифікатором видають помилку. Але на автомобілях встановлюють, само собою, тільки узгоджені системи. Вони працюють в двох мережах, що мають різні (250 і 125 Кбіт / с) швидкості передачі даних. Перші обслуговують основні системи управління (двигун, автоматична коробка передач, АБС і т. Д.), Другі - системи допоміжні (склопідйомники, освітлення та ін.).
Мережа CAN складається з вузлів з власними тактовими генераторами. Будь її вузол посилає повідомлення всім системам, приєднаним до шини, а одержувачі вирішують, чи стосується дане повідомлення до них. Для цього передбачена апаратна реалізація фільтрації повідомлень.
Протокол CAN має виключно розвиненою системою виявлення і сигналізації помилок, що включає порозрядному контроль, пряме заповнення бітового потоку, перевірку пакета повідомлень CRC-полиномом, контроль форми пакета повідомлень, підтвердження вірного прийому пакета даних. У підсумку загальна ймовірність невиявлення помилки не перевищує 4,7 • 10-11. Крім того, наявна система арбітражу протоколу CAN виключає втрату інформації і часу при "зіткненнях" на шині.
Як відомо, можливі два основних способи роботи протоколу - щодо подій і тимчасовим мітках. У CAN реалізований саме перший спосіб. Однак ЄС одночасно фінансував і програму дослідження за другим способом - комунікаційному протоколу для високонадійних застосувань ТТР ( "тимчасово-пусковий" протокол). Над ним працювали "ДаймлерКрайслер", "Брітіш Аеропак", ФІАТ, "Форд", "Мареллі", "Бош", "Вольво" і Віденський технічний університет. В результаті була розроблена архітектура ТТА, яка визнана ефективною для критичних з безпеки систем (автомобільних, залізничних, авіаційних).
Архітектури систем на основі протоколів ТТР і CAN, в общем-то, подібні. Обидві системи розпадаються на ряд підсистем (кластерів), т. Е. Розподілених комп'ютерних систем, і набори вузлів, об'єднаних послідовним каналом. Для виконання функцій, які неможливо реалізувати на одному вузлі (таких, як точна координація роботи двигуна, гальм і ін.), Вузли обмінюються повідомленнями через послідовний комунікаційний канал.
Кожен вузол, в свою чергу, складається з трьох елементів - комп'ютера, комунікаційного контролера і підсистеми введення-виведення для зв'язку з датчиками і елементами управління. Всі ці елементи пов'язані між собою двома інтерфейсами - комунікаційним інтерфейсом мережі (CNI) між комп'ютером і комунікаційним контролером і керованим інтерфейсом об'єкта (COI) між комп'ютером і підсистемою введення-виведення процесу.
Комп'ютер вузла містить ЦПУ, пам'ять, годинник реального часу і власну операційну систему, а також прикладне програмне забезпечення. Він приймає і передає дані від і в CNI і COI, виконує додатки реального часу в задані тимчасові інтервали.
Комунікаційний контролер в разі протоколу ТТР утворений комунікаційним каналом і сукупністю керованих часом комунікаційних контролерів кластера, кожен з яких тримає в пам'яті диспетчер-таблицю, що визначає в яку точку дане повідомлення надіслано або в якій точці очікується його отримання. Комунікаційний же контролер CAN, керований подіями, такої таблиці не має, так як передача повідомлення ініціюється командою з комп'ютера вузла.
Приклад змісту "Вентиль прикритий" Вентиль відкритий на 60 * "
повідомлення на 5 * "
Характер Після возникно- Періодично, через заданою
посилок вения події ні інтервали часу
Управління у Переривання, дзв Вибірки, що викликаються
часу ванне возникно- ходом часу
веніем події
Обробка в при- Черга і заміна Нова версія замінює
емніке (поглинання) при попередню, поглинання
читанні при читанні немає
Наслідки по- Втрата сінхроні- Недоступність поточної
тери повідомлення зації станів інформації про поточний з-
відправника і стоянні на час інтервалу
приймача вибірки
Призначення комунікаційної системи - передавати (в масштабі реального часу) повідомлення або про значення параметра (змінної стану, наприклад, швидкості), або про виникнення події від вузла-передавача одному або декільком вузлам-приймачів цього кластера. Повідомлення складається з трьох частин: імені змінної стану або події; спостережуваного значення змінної стану; часу спостереження змінної стану або події. Ключове місце в ньому займає значення змінної стану або події. Причому, повідомлення може не містити значення часу, тоді це значення приймається за фактом прийому повідомлення.
Як бачимо, протоколи CAN і ТТА базуються на поняттях "подія" і "стан". Різницю між ними ілюструє табл. 2. Але слід мати на увазі, що в ряді випадків інформацію про новий стан можна упаковувати в повідомлення про подію, яка надсилається тільки при зміні стану.
Отже, протокол CAN є комунікаційна система, керована повідомленнями, які надсилаються, якщо комп'ютер вузла запитує передачу повідомлення і канал не зайнятий. Але якщо інші вузли в даний конкретний момент часу теж хочуть послати повідомлення, то воно надсилається з найбільшим пріоритетом.
Протокол ТТР - система, керована часом. Доступ до фізичної середовищі управляється безконфліктної стратегією ТDМА (розділений у часі множинний доступ). Кожен вузол отримує унікальний тимчасовий слот в циклі TDMA. Кожен контролер ТТР містить таблицю диспетчеризації (список дискриптор повідомлень, MEDI) з інформацією про те, який вузол має право послати і яке повідомлення в конкретний момент часу, два дубльованих каналу комунікації - для того щоб не допустити можливу втрату інформації.
Система, заснована на протоколі ТТР, підкуповує величиною можливого потоку даних (до 4 Мбіт / с), надійністю (за рахунок дублювання комунікаційного каналу) і строгим регламентом роботи в часі, який дозволяє заздалегідь визначити властивості системи. Ймовірно, що майбутнє саме за цією системою: вона, як передбачається, буде керувати всіма життєвими функціями автомобілів (електронним кермом, акселератором, гальмами і іншими високопріоритетними пристроями). Це особливо актуально в світлі того, що протягом останніх років демонструються численні концептуальні автомобілі і навіть ходові макети, які не мають механічних зв'язків між органами управління та виконавчими механізмами. Однак на сучасному етапі розвитку поки ще можливий тільки частковий мул'тіплекс, коли мережева схема складається з набору елементів, які включають датчики і пристрої, підключені до розподільного пристрою за допомогою дротів.