Шинные системы в автомобилях BMW

SIP фрагмент

Шина K-CAN
Oбъединение в сеть компонентов общего электрооборудования автомобиля

Шина MOST
Объединение в сеть информационных и коммуникационных компонентов

Шина byteflight
Разработанная специально для системы пассивной безопасности шинная система

Шина PT-CAN
Объединение в сеть компонентов трансмиссии

 

Структуры шин

Шинные системы имеют структурные отличия. Возможны, например, структуры в виде цепи, кольцевые и в виде звезды. На профессиональном языке они также называются топологией сети. Говорят, например, о кольцевой или звездообразной топологии. Связанные через шину друг с другом датчики и блоки управления называются абонентами шины. Стрелками указанно направление прохождения сигналов.

Название "шина" происходит из компьютерной технологии. Между структурными элементами, представленными микропроцессором, запоминающим устройством (RAM и ROM), а также устройством ввода /вывода, электрические сигналы передаются параллельно. Используемые для этого связанные друг с другом провода обозначаются понятием "шина".

Параллельная, то есть одновременная передача данных обеспечивает высокую скорость передачи, но в то же время требует большого количества проводов. Для любой передаваемой параллельно информационной единицы необходим кабель.

В автомобилях данные между задающими устройствами передаются по шинам последовательно, т.е., друг за другом. Благодаря этому сокращается количество проводов.

Если передача данных осуществляется в обоих направлениях, то ее называют "двунаправленной" передачей данных. Данная форма передачи используется в большинстве шинных систем автомобилей. Двунаправленная передача данных впервые была использована BMW на модели E31. Шинная система была названа шиной I-Bus - "инструментальная шина" - и связала в сеть небольшое количество блоков управления. С тех пор создание сетей на автомобилях BMW непрерывно развивалось.

* * *

Информация или данные, передаваемые по шине, называют "сообщениями". Эти сообщения в принципе построены по одной общей схеме.

Так называемый "идентификатор" является важной областью в передней части сообщения. Он содержит информацию о виде содержания, о важности сообщения и указывает, для какого получателя оно предназначено.

Поле данных сообщения содержит собственно данные, передаваемые в сообщении.

При помощи так называемой "контрольной суммы" проверяется, правильно ли было передано сообщение. Для этого используются различные методы сравнения и расчета.

Вся информация, содержащаяся в сообщении, передается в виде так называемых "битов" или "байтов". "Бит" является при этом минимальной единицей информации и представляет собой определенное состояние: "1" или "0", "Вкл" или "Выкл" либо "Да" или "Нет". Итак, если бит передаваемого сообщения имеет значение "1", то в исполнительном блоке управления вследствие этого может быть вызвана совершенно определенная реакция. Например, может быть включена подсветка дисплея. Путем комбинации множества битов составляется сообщение. Блок из 8 битов для представления знака называют "байт".

Коммуникацию при помощи битов и байтов можно сравнить с передачей сигналов азбуки Морзе. В азбуке Морзе также есть два "значения", из которых может состоять знак: "точка" или "тире". Путем комбинации обоих этих значений в азбуке Морзе отображается слово. Похожее происходит и при передаче данных. "Информация" представляется определенной последовательностью битов. В азбуке Морзе сигнал SOS передается в виде последовательности из трех точек, трех тире и снова трех точек. Теперь составьте этот сигнал из соответствующих значений битов, перетаскивая их при помощи мышки. При этом в качестве "точки" используйте бит со значением "0".

. . . _ _ _ . . .

000 111 000

 

Синхронная и асинхронная передача данных

При последовательной передаче данных в том виде, в каком она используется в шинных системах автомобилей, применяются два различных метода передачи. Один из методов является "синхронной" передачей данных. При данном виде передачи данных необходим тактовый сигнал, задающий "такт" для передачи. Одновременно, т.е., "синхронно", с каждым тактовым импульсом передается бит данных.

Вторым возможным методом является "асинхронная" передача данных. Данный метод работает без тактового сигнала. Для того чтобы исполнительное устройство могло распознать, что данные отправлены, сообщению предшествует так называемый "стартовый бит". "Стоповый бит" обозначет конец сообщения.

 

Первая шинная система BMW под обозначением шина "I-Bus" была использована на модели E31. При этом "I" является сокращением от "инструментальная". Шина I-Bus была очень простой шиной и служила для объединения в сеть небольшого количества блоков управления. На современных автомобилях BMW шина I-Bus больше не используется. Ее принцип, тем не менее, вновь находит себе применение в шине "K-Bus" на современных автомобилях BMW.

Шина K-Bus в основном используется для объединения в сеть компонентов общего электрооборудования автомобиля, например, комбинации приборов и блока переключателей LSZ.

Речь идет об однопроводной шине с двунаправленной передачей данных, т.е., с передачей данных в обоих направлениях. По причине однопроводной конструкции шинная система не обеспечивает достаточной надежности. Шина K-Bus по своей конструкции и способу передачи данных соответствует своей предшественнице, шине I-Bus. Для передачи данных в шине K-Bus имеется только одна линия. Поэтому данные могут либо только отправляться, либо только приниматься. Абонент шины K-Bus, таким образом, либо только отсылает данные, либо только принимает их. Данные пересылаются асинхронно, т.е., для передачи данных тактовый сигнал не задается. Каждый блок управления - будь то передающее или принимающее устройство - использует собственный тактовый генератор.

По мере увеличения количества электроники в автомобилях возникла потребность в шинных системах с более высокой производительностью. Одной из таких систем является так называемая шина CAN. "Controller Area Network" (сеть зоны обслуживания контроллера), сокращенно "CAN", была разработана в 1981 году фирмами Bosch и Intel и с начала девяностых годов активно используется в автомобилях. На BMW шинные системы CAN используются преимущественно для объединения в сеть компонентов общего электрооборудования и электроники и компонентов трансмиссии.

Шина CAN базируется на структуре в виде цепи. Число "узлов", т.е., абонентов шины на сеть, не ограничивается протоколом CAN, а зависит только лишь от производительности используемых конструктивных элементов. Шинная система CAN используется для того, чтобы объединить в сеть блоки управления. В качестве соединений между абонентами в шинной системе используются витые двухпроводные кабели.

Рабочая скорость блоков управления в шине CAN зависит от мощности их процессоров. Это является одной из основных причин того, почему в автомобилях имеются различные шинные системы, например, для электроники систем обеспечения комфорта, которой достаточно более низкой скорости шины, и для систем безопасности и электроники двигателя, которые требуют более высоких скоростей шины.

Теоретически скорость передачи данных в шинных системах CAN может составлять от 10 Кбит/с до 1 Мбит/с. В автомобилях BMW скорость передачи данных для шины CAN тем не менее установлена на уровне 100 Кбитt/с, чтобы гарантировать надежную передачу сигнала при высокой электромагнитной совместимости и низкой восприимчивости к помехам. Для обеспечения быстрой передачи данных в системах безопасности скорость передачи данных в шине PT-CAN поднята до 500 Кбит/с благодаря использованию сопротивления оконечной нагрузки и разнице уровней. Шина CAN является так называемой "шиной с несколькими задающими устройствами". Это означает, что все абоненты равноправны. Каждый абонент шины является задающим устройством и может отправлять сообщения. Нажмите мышкой на один из абонентов шины в этой шинной системе CAN и понаблюдайте, что произойдет, когда он отправит сообщение. Когда один из абонентов шины CAN в качестве задающего устройства находится в режиме отправки и отправляет сообщение, все другие абоненты считывают его из шины. По окончании сообщения шина вновь свободна. Другие абоненты шины теперь могут отправлять "послания" по шине. Абонент, отсылающий теперь сообщение, перенимает тем самым функцию задающего устройства. Все другие узлы в шине "читают" его сообщение. Такой ход коммуникационного процесса в шине CAN называется "управлением по ситуации". Блок управления, который хочет отправить сообщение, дает поручение относящемуся к нему контроллеру шины CAN. Контроллер шины CAN отсылает сообщение, как только шина освобождается.

На BMW первая шина CAN была использована на модели E32. Она служила для объединения в сеть систем управления двигателя и коробки передач. Впоследствии шинные системы CAN на автомобилях BMW получили дальнейшее развитие. Для определенных областей при этом были созданы самостоятельные варианты шины CAN. На BMW E60, например, сегодня установлены варианты: шина K-CAN, шина PT-CAN и шина F-CAN.

Шина K-CAN (шина CAN кузова) объединяет в сеть компоненты общего электрооборудования автомобиля и передает информацию в кузовной зоне. Скорость передачи шины K-CAN составляет 100 Кбит/с.

Шина PT-CAN (шина CAN двигателя и трансмиссии) используется в зоне привода. Сокращение "PT" обозначает при этом "Powertrain", английское обозначение силовой передачи. Скорость передачи составляет 500 Кбит/с. Шина PT-CAN оснащена дополнительной линией для вывода из режима ожидания, через которую переводятся в активный режим подключенные блоки управления.

Шина F-CAN (шина CAN ходовой части) передает данные в области ходовой части. Скорость передачи составляет 500 Кбит/с

LIN является сокращением "Local Interconnect Network" (локальная коммуникационная сеть). Шинная система позволяет при низких затратах объединить в сеть датчики и исполнительные механизмы в тех местах автомобиля, в которых ширина полосы пропускания и многофункциональность других шинных систем, например, CAN и byteflight, не требуются. На автомобилях BMW шина LIN используется в качестве шинной подсистемы в подчинении шины CAN главным образом для объединения в сеть температурных датчиков и датчиков влажности, а также исполнительных механизмов, например, в климатической системе и системе адаптивного освещения поворотов, а также между модулем двери со стороны водителя и блоком выключателей двери водителя. Примером шинной системы LIN является адаптивное освещение поворотов. при этом блок управления системы адаптивного освещения поворотов шинной подсистемы LIN. является Задающим устройством шины LIN.

Максимальная скорость передачи данных в шинных системах LIN составляет 19,2 Кбитt/с. Передача данных происходит двунаправленным образом по однопроводной линии. Шина объединяет в сеть задающее устройство с несколькими исполнительными устройствами.

Интерфейс передачи данных последовательным бинарным кодом, сокращенно BSD, представляет собой простую под шину. Передача данных осуществляется через линейную однопроводную линию со скоростью 9,6 Кбит/с. Через интерфейс передачи данных последовательным бинарным кодом в автомобилях BMW объединяются в сеть, например, генератор, цифровой блок управления двигателя и интеллектуальный датчик аккумуляторной батареи IBS.

Интерфейс передачи данных последовательным бинарным кодом служит в основном для цифровой коммуникации между устройствами обработки данных. Данные передаются побитово в последовательном порядке через одну единственную линию. Преимуществами BSD являются низкий уровень затрат и низкая стоимость прокладки кабеля.

Шина CAN базируется на шинной структуре в виде цепи. Абоненты связаны двухпроводной линией.
Речь идет о шине с несколькими задающими устройствами, т.е., каждый участник является задающим устройством и может отправлять сообщения.

 

Все более высокие требования к скорости передачи данных и все большие объемы данных привели к созданию более производительных шинных систем на основе световодов.

Луч света за одну секунду преодолевает расстояние около 300 000 километров. Это примерно соответствует расстоянию от Земли до Луны. Невероятная скорость, максимально возможная скорость в нашей Вселенной.
Эта высокая скорость света и используется при передаче данных с помощью световодов. При этом данные передаются в виде световых волн по кабелю из стекловолокна или синтетического материала.
Подлежащий передаче сигнал при помощи преобразователя преобразуется в световое излучение. Мощность излучения при этом соответствует временным колебаниям входящего электрического сигнала.

После передачи световой сигнал снова преобразуется в электрический сигнал.
Наряду с высокой скоростью передачи данных и передачей больших объемов данных световоды имеют целый ряд других преимуществ.
Они нечувствительны к электромагнитным воздействиям, легче по сравнению с медными проводами и занимают меньше места при монтаже. Используемые на BMW световоды исключительно из синтетических материалов кроме того практически невосприимчивы к воздействию пыли, недороги и легко поддаются обработке.

Сердцевина волокна состоит из специального синтетического материала с высокой оптической проводимостью. Волокна также обозначаются и как POF. Данное сокращение соответствует "Plastic Optical Fiber" = пластиковый оптоволоконный кабель.

Термином "кладдинг" обозначают изготавливаемую методом каширования оболочку световода. Она препятствует выхождению света из световода при его прохождении. На пограничной поверхности между сердцевиной волокна и кладдингом свет на основании различных коэффициентов преломления материалов отражается и проходит по стекловолокну.

Сердцевина волокна состоит из специального синтетического материала с высокой оптической проводимостью. Волокна также обозначаются и как POF. Данное сокращение соответствует "Plastic Optical Fiber" = пластиковый оптоволоконный кабель.

Для защиты световод заключен в мягкую оплетку. На автомобилях BMW данная мягкая оплетка для шины byteflight имеет желтый цвет, для шины MOST - зеленый.

Эффективность передачи световодов может быть снижена вследствие неправильного обращения с ними.

При обращении со световодами нельзя превышать минимальный разрешенный радиус сгиба в 50 мм. Это примерно соответствует диаметру банки из-под безалкогольного напитка. При слишком сильном перегибе потери света негативно влияют на эффективность передачи.

Непременно избегать мест сдавливания, например, из-за слишком сильно натянутого бандажа пучка кабелей. Вседствие сдавливания деформируется поперечное сечение световода, образуются потери при передаче.

Ни в коем случае нельзя перегибать световоды при монтаже. Вследствие этого будут повреждены кладдинг и сердцевина волокна. Свет на месте перегиба будет рассеиваться, передача сигнала будет прервана с серьезными последствиями.

При обращении со световодами нельзя превышать минимальный разрешенный радиус сгиба в 50 мм. Это примерно соответствует диаметру банки из-под безалкогольного напитка. При слишком сильном перегибе потери света негативно влияют на эффективность передачи.

Непременно избегать мест сдавливания, например, из-за слишком сильно натянутого бандажа пучка кабелей. Вследствие сдавливания деформируется поперечное сечение световода, образуются потери при передаче.

Все более высокие требования к скорости передачи данных и надежности в системах безопасности сделали BMW одним из лидеров в сфере магистральных систем на световодах. Магистральная система byteflight была разработана BMW совместно с фирмами Motorola, Elmos и Infineon. Первый раз она была использована на BMW в модели E65. Шина вyteflight использует для передачи данных между абонентами шины световод из синтетического материала. Благодаря передаче данных в виде световых волн можно передавать большие объемы даных с высокой скоростью. Скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с.

В зависимости от комплектации автомобиля магистральная система byteflight может включать до 11 блоков управления и одного задающего блока управления. Эти компоненты связаны друг с другом при помощи шины со структурой в форме звезды.

Благодаря высокой скорости передачи данных шинная система byteflight особенно подходит для передачи "особо срочных" данных. Поэтому на автомобилях BMW шина byteflight используется для системы безопасности ISIS - на модели E65 – и ASE - на моделях E60, E63 и E85. Другие преимущества шины byteflight заключаются в простоте объединения в сеть и в ее высокой надежности. Кроме того, системы вyteflight можно без труда расширять. В интеллектуальной интегрированной системе безопасности ISIS на модели E65 задающим устройством шины byteflight является информационный модуль системы безопасности SIM. На новых модельных рядах BMW, например, на E63, задающее устройство шины byteflight интегрировано в модуль межсетевого интерфейса и системы безопасности SGM, представляющий собой комбинацию модулей центрального межсетевого интерфейса ZGM и SIM. Особым состоянием системы byteflight является режим сигнализации, устанавливаемый задающим устройством шины при наличии соответствующей информации от датчиков. В режиме сигнализации система готова к включению сигнализации и немедленному срабатыванию всех компонентов системы безопасности. В режиме сигнализации синхронизирующий импульс системы укорачивается с примерно 3 мс до примерно 2 мс.

Шинная система MOST разрабатывается с 1998 года объединением MOST Cooperation. BMW оказал решающее влияние на научные разработки и ускорил их.

MOST является сокращением от "Media Oriented Systems Transport" - "системный протокол передачи с ориентацией на мультимедиа". Данное обозначение позволяет определить, что шинная система создана для передачи мультимедийных данных.

Шина MOST обладает очень высокой пропускной способностью при передаче данных - до 22,5 Мбит/с. Тем самым шина MOST подходит для передачи аудио- и видеоданных в режиме реального времени.

Информационные и развлекательные системы могут работать параллельно, не мешая друг другу. Поэтому через шину MOST в сеть объединяются прежде всего мультимедийные компоненты. В автомобилях BMW шина MOST используется для объединения в сеть Hifi-, видео-, телекоммуникационных и навигационных компонентов.

По правовым причинам в связи с защитой от копирования для передачи видеоданных в формате DVD используется еще и дополнительная линия RGB.

Другие преимущества MOST заключаются в высокой гибкости шинной системы, низкой стоимости благодаря низким затратам при прокладке кабеля, и в стандарте Plug&Play системы Еще одно преимущество MOST заключается в высокой надежности шинной системы при неисправностях отдельных участников шины.

Если выходит из строя прибор в кольце MOST, то шинная система останется работоспособной благодаря короткозамыкающей перемычке, через которую данные передаются далее в обход неисправного прибора. При выходе же из строя световода между приборами вся шинная система MOST не способна к функционированию.

В шинной системе MOST, как и в шине byteflight, для передачи данных используется световод из синтетического материала.

Как и в шине byteflight, данные передаются в виде световых волн по световоду. Благодаря этому можно передавать большие объемы данных с высокой скоростью. таким образом Максимальная скорость передачи данных по шине MOST возможна до 22,5 Мбит/с.

Для передачи по световоду электрические сигналы блоков управления преобразуются в оптические.

В шине MOST это происходит на выходе каждого блока управления благодаря оптическому передающему устройству, так называемому "оптическому преобразователю". На входе световые сигналы вновь преобразуются в электрические. Это происходит в оптическом приемнике, обозначаемом как "оптический ресивер". Дополнительную информацию по компонентам "оптический преобразователь" и "оптический ресивер" Вы найдете в информационном разделе.

В шинной системе MOST могут одновременно передаваться синхронные и асинхронные данные. Для этих данных в составе сообщения по шине MOST резервируются соответствующие поля.
Длина этих полей может изменяться в соответствии с тем, какие данные предстоит передать. Размер полей задается переменной величиной, определяющей соотношение обоих полей.
Синхронное поле сообщения в шине MOST предназначено прежде всего для данных, передаваемых в режиме реального времени, таких, как аудио- и видеоданныe или информации датчиков. Тактовая частота составляет 44,1 КГц и соответствует тем самым частоте, используемой в формате Audio CD. Поэтому передача может осуществляться в виде непрерывного потока данных.
В асинхронном поле передаются системные сообщения и другие асинхронные данные, например, графические данные навигационной системы.
Вместе с синхронными и асинхронными данными в соответствующей области сообщения также передаются адресные данные, которые указывают, для какого адресата предназначены данные. Дополнительную информацию по сообщениям в шине MOST Вы найдете в информационном разделе.

 

Какой абонент может передавать сообщения в шине MOST и когда, определяется так же, как и в шине CAN, при помощи метода "арбитрирования".
При этом сообщения подразделяются по степени их важности. Им присваивается приоритет, устанавливающий последовательность их передачи.

 

bmw3s для m-power.ru (C) Moscow

BMW M-Power в России (все серии)