Автомобильные модули управления кузовом (BCM) присутствуют во всех современных транспортных средствах для обеспечения функций комфорта, безопасности и освещения (рисунок ниже). За последние несколько лет они быстро трансформировались благодаря растущему числу функций, желанию заменить предохранители и реле, увеличенным требованиям к полосе пропускания для автомобильных сетей и требованиям к размеру, предъявляемым к производителям оригинального оборудования (OEM).
В этой статье рассматривается эволюция сетей в BCM, влияние различных архитектур транспортных средств на автомобильные сети, а также общие сетевые интерфейсы и требования.
Архитектура современного автомобиля
Растущие нагрузки на кузов автомобиля создали проблемы с управлением, нагрузкой и сетью. Некоторые решения контролируют нагрузки от одного центрального модуля; другие контролируют каждую нагрузку или подмножество нагрузок локально. Это создает ряд возможных архитектур транспортных средств.
Архитектура домена кузова автомобиля объединяет большинство функций кузова в один большой модуль центрального управления, включая центральный шлюз для маршрутизации сообщений (рисунок ниже). Кроме того, для централизованной архитектуры часто требуется большое количество шин управления с низкой и средней полосой пропускания, таких как локальная межсоединительная сеть (LIN) и локальная сеть контроллера (CAN). Становится общепринятым иметь более дюжины сетей LIN и более восьми сетей CAN в централизованном приложении BCM-plus-gateway.
Также часто встречаются такие интерфейсы, как Ethernet, используемые в качестве интерфейса с высокой пропускной способностью в централизованных модулях шлюза BCM-plus. Ethernet позволяет распределять большие объемы данных вокруг транспортного средства между различными контроллерами домена или внешними инструментами.
Другие архитектуры домена кузова децентрализуют домен кузова автомобиля с несколькими меньшими распределенными модулями управления кузовом вокруг транспортного средства. Например, в архитектуре с тремя BCM (рисунок ниже) один BCM размещается в задней части транспортного средства, второй идет в центре транспортного средства, а третий — в передней части транспортного средства. Размещение нескольких модулей вокруг автомобиля позволяет расположить их ближе к входам, требующим контроля, и нагрузкам, которые необходимо контролировать. Это часто может привести к упрощению электропроводки, когда между модулями управления используются только питание и сеть.
Обрабатывая меньшее количество входов и меньшее количество данных, эти модули также могут быть проще как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения сети, так как содержат только один регулятор и один интерфейс, такой как LIN или CAN.
Заполнение и депопуляция интегральных схем приемопередатчиков и использование одиночных, двойных и четырехканальных приемопередатчиков для оптимизации размера решения масштабирует количество интерфейсов на BCM, чтобы их можно было использовать на разных автомобильных платформах или уровнях комплектации.
Автомобильные интерфейсы
Чтобы оптимизировать сложность и стоимость сетевых подключений в автомобиле, за эти годы был разработан ряд интерфейсов.
LIN
В ответ на постоянно растущую интеграцию небольших электронных функций комфорта в автомобилях первый стандарт LIN был выпущен в 1999 году. Идея заключалась в том, чтобы предложить однопроводный недорогой низкоскоростной интерфейс, который можно было бы реализовать на небольшом микроконтроллере с простым универсальным периферийным асинхронным приемником-передатчиком (рисунок ниже).
LIN предназначен для приложений человеко-машинного интерфейса, где задержка порядка десятков миллисекунд более чем допустима. Главный модуль отвечает за опрос состояния каждого ведомого устройства в сети по заранее заданному расписанию. С одним центральным (главным) узлом в сети, обрабатывающим все планирование, синхронизацию и хронометрирование, ведомые устройства могут быть настолько дешевыми, насколько это возможно. Магистральные сети опроса с несколькими ведомыми устройствами снижают общую стоимость системы. Однако задержка для обработки события может составлять максимум времени, необходимого для выполнения всего расписания.
Поскольку существуют ведущий и ведомый модули, некоторые ключевые функции трансивера будут зависеть от роли трансивера в сети. Например, большинство ведомых модулей должны реагировать на сигнал пробуждения LIN, передаваемый по шине. Для этого может потребоваться маломощный следящий приемник и выходной контакт блокировки (INH) для включения и отключения локального регулятора. Это позволило бы ведомым узлам находиться в состоянии минимального энергопотребления, при этом только трансивер контролирует шину LIN и снижает ток питания системы, когда заживание автомобиля выключено.
С другой стороны, ведущий модуль LIN отвечает за передачу сигнала пробуждения и, следовательно, не требует маломощного сигнала пробуждения и выходного контакта INH. Контроллеры блока управления кузовом часто подключаются к большому количеству кластеров LIN, что требует много ведущих трансиверов LIN. Для приложений BCM, подобных этому, важно иметь семейства приемопередатчиков с одно-, двух- и четырехъядерными устройствами, чтобы легко масштабировать проекты под оптимальные размеры.
Чтобы получить одобрения OEM, другие важные функции включают в себя способность обрабатывать радиочастотную помехоустойчивость, переходные и электростатические разряды, а также иметь низкий уровень излучения. В зависимости от типа автомобиля вам также могут потребоваться различные защиты от сбоев и перенапряжений на шине передачи данных. Например, для 12-вольтовых легковых автомобилей требуется защита от перенапряжения шин до 40 В, а для 24-вольтных коммерческих автомобилей, таких как тягачи с полуприцепами и автобусы, требуется защита от перенапряжений до 60 В или более.
CAN
CAN начал разрабатываться в 1980-х годах и продолжает развиваться до сих пор. CAN, используемый производителями во всем мире, является испытанным стандартом распределенной последовательной двухпроводной дифференциальной сети, разработанным для автомобильных и промышленных применений. Дифференциальная топология приводит к более устойчивому интерфейсу, который менее восприимчив к радиочастотным помехам и имеет более низкие излучения благодаря сбалансированной дифференциальной сигнализации (рисунок ниже).
CAN — это протокол с несколькими ведущими элементами и с неразрушающим, побитовым арбитражем. Любой узел CAN в сети может получить доступ к шине, когда он находится в режиме ожидания; если несколько узлов пытаются сделать это одновременно, сообщение с более высоким приоритетом выиграет арбитраж без каких-либо ошибок в передачи данных. Другие важные функции стандарта CAN включают проверку ошибок, локализацию ошибок и синхронизацию времени.
Классический CAN, в настоящее время часто упоминается в качестве исходного стандарта CAN 11898 Международной организации по стандартизации (ISO), имеет максимальную скорость передачи данных 1 Мбит / с и максимальную полезную нагрузку данных 8 байтов. Как и в случае шины LIN, ключевым отличием являются защита от сбоев, защита переходных процессов, электромагнитная совместимость (EMC) и варианты комплектации.
CAN с гибкой скоростью передачи данных
Продолжая тенденцию увеличения пропускной способности для автомобильных сетей, в 2012 году CAN in Automation (CiA) предложила обновить стандарт CAN, чтобы обеспечить более высокие скорости передачи данных и большие размеры полезной нагрузки. Теперь известные как CAN с гибкой скоростью передачи данных (CAN FD), обновления были утверждены в новых версиях стандарта ISO 11898.
CAN FD вносит три основных изменения в стандарт CAN:
- Максимальная скорость передачи данных увеличилась с 1 Мбит / с до 5 Мбит / с.
- Максимальный размер полезной нагрузки увеличен с 8 байт до 64 байт данных.
- Обновлены алгоритмы проверки циклическим избыточным кодом.
CAN FD по-прежнему обратно совместим с классическим CAN (рисунок ниже). Это имеет преимущества увеличенной скорости передачи данных и размера полезной нагрузки.
Для использования этих преимуществ требуются новые контроллеры CAN FD для обработки обновленного протокола и новые приемопередатчики CAN FD для удовлетворения более строгих требований физического уровня. Тем не менее, увеличение пропускной способности в 5 раз и значительно меньшие эффективные издержки при увеличении полезной нагрузки привели к тому, что производители по всему миру быстро внедрили CAN FD.
Как и в случае классической шины CAN, в CAN FD присутствует защита от сбоев в шине, защита переходных процессов, характеристики ЭМС и опции «упаковки» по-прежнему являются ключевыми отличиями.
CAN с неполной сетью (Partial Networking)
По мере того как требования к выбросам автомобилей во всем мире становятся все более строгими, производители оборудования ищут пути снижения веса и потребления энергии. Чтобы снизить энергопотребление в масштабе всей системы, была создана третья версия CAN, CAN с частичной сетью (CAN PN).
CAN PN добавила возможность иметь поднабор активных узлов в сети CAN, позволяя другим узлам в сети оставаться в режиме пониженного энергопотребления. Это отличается от классических CAN и CAN FD, поскольку все узлы в сети либо активны, либо находятся в режиме пониженного энергопотребления.
CAN настроен по принципу широковещательной топологии: все узлы должны проверять достоверность передаваемого кадра и отвечать битом подтверждения. На практике это означает, что если один узел в сети отправляет сообщение, то каждый другой узел в сети должен проснуться и проверить это сообщение на наличие ошибок.
Разрешение узлам оставаться в режиме пониженного энергопотребления до тех пор, пока конкретные идентификаторы или полезные данные не будут транслироваться по сети, позволяет OEM-производителям создавать большое разнообразие частичных сетей. Программирование каждого узла только с важными для него сообщениями позволяет большему количеству узлов оставаться в режиме пониженного энергопотребления и, таким образом, снижает потребление тока транспортным средством.
CAN PN предъявляет те же требования, что и CAN и CAN FD, но также требует точного генератора малой мощности и встроенной цифровой логики для декодирования передаваемых сообщений CAN.
Ethernet
В отличие от LIN и CAN, стандарт Ethernet начинался как промышленный протокол и хорошо зарекомендовал себя во всем мире, прежде чем был рассмотрен для применения в автомобильных приложениях. Когда скорости передачи данных от 1 до 10 Мбит / с стало не достаточно, производители автомобилей и автомобильной электроники обратили внимание на сеть Ethernet. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) имеет семейство стандартов Ethernet, которое называется IEEE 802.3.
Желание производителей оборудования минимизировать вес и выбросы от автомобильного транспорта привело к созданию двух новых стандартов, специально предназначенных для применения в автомобилях. Использование новых схем кодирования, а также передатчиков и приемников, способных работать в дуплексном режиме, позволило сократить количество проводов с двух или четырех витых пар до одной витой пары (рисунок ниже).
Первым выпущенным автомобильным стандартом был стандарт 802.3bw, который также известен как 100Base-T1. Он получил такое название благодаря скорости передачи данных 100 Мбит / с и способности передавать данные в полнодуплексном режиме по одному неэкранированному кабелю витой пары (T1). Стандарт определяет, что приемопередатчики должны поддерживать длину передачи сигнала не менее 15 м; сегодня многие трансиверы поддерживают 30 м и более.
Чтобы еще больше увеличить пропускную способность шины еще в 10 раз, рабочая группа IEEE 802.3 ратифицировала стандарт 802.3bp в 2016 году. Этот стандарт также называется 1000Base-T1, поскольку он допускает 1000 Мбит / с по одной неэкранированной витой паре кабеля.
Одним из ограничений Ethernet является то, что это стандарт «точка к точке»; Ethernet-коммутатор на физическом уровне необходим, если одному узлу необходимо связаться с несколькими другими узлами. Но поскольку 100Base-T1 и 1000BASE-T1 подключены к шине по переменному току, напряжение защиты от сбоев не обязательно должно быть таким же высоким, как LIN и CAN. Кроме того, низкое излучение, высокая радиочастотная помехоустойчивость и возможность связи на больших расстояниях являются отличительными чертами для приемопередатчиков Ethernet.
Оставьте комментарий