Электрическая система современных автомобилей включает в себя большое количество электронных модулей, отвечающих за реализацию самых разнообразных функций. Обмен данными между модулями происходит с помощью компьютерных сетей, работающих по различным протоколам.
Сегодня мы сделаем краткий обзор развития коммуникационных технологий в автомобилях Вольво.
В 1947 году инженеры американской компании Bell Telephone изобрели первый транзистор, а в 1969 году Вольво начинает использовать электронную систему управления впрыском топлива D-Jetronic фирмы Bosch для двигателя B20E на автомобилях моделей P1800E и 142GL. Это была аналоговая система, не оборудованная ни вычислительным процессором, ни памятью, ни обратной связью.
В 1971 году компанией Intel был разработан первый микропроцессор, и в 1981 году Volvo впервые применяет цифровую электронную систему управления впрыском топлива (LH-Jetronic) на двигателе B21F для 240-ой модели.
С появлением цифровых электронных систем управления становится возможным осуществлять обмен данными между различными модулями управления, а также считывать определенную информацию с целями диагностики. В 1984 году Вольво впервые использовала функцию считывания диагностических кодов неисправности с помощью мигающего светодиода на системе управления зажиганием EZ-102K.
Изначально, как для обмена информацией между модулями управления, так и для диагностики использовался, так называемый, параллельный способ передачи данных. Т.е. каждый модуль имел отдельный диагностический выход, а для передачи каждого вида информации между модулями управления использовался отдельный провод.
Примером такого диагностического протокола являлся Volvo Diagnos 1 (соответствовал стандарту OBD I), который позволял работать с разными модулями управления вставляя штырек в соответствующее гнездо.
На следующем рисунке условно показан обмен данными между модулем управления двигателем Motronic 4.4 и модулем управления автоматической коробкой передач AW 50-42 на автомобиле S70 1997 модельного года. Для передачи информации о положении дроссельной заслонки, нагрузке, запросе на снижение крутящего момента при переключении передач и т.д. использовались отдельные провода. Причем каждый сигнал мог отображаться в «своем» формате (амплитуда, частота и т.п.).
Естественно, что с ростом количества электронных модулей в автомобиле и с увеличением объемов передаваемой информации параллельный способ передачи данных быстро перестал быть актуальным (количество проводов необходимо было бы увеличивать в геометрической прогресии).
Поэтому, постепенно стал осуществляться переход к последовательному способу передачи информации, когда по одному проводу последовательно могут передаваться разные пакеты данных (такой тип связи еще называют мультиплексной). Наряду с очевидными преимуществами (снижение числа проводов), такой способ имеет и свои недостатки (необходимо значительное увеличение скорости передачи данных, что увеличивает стоимость и снижает помехозащищенность, а при повреждении проводника, теряется вся информация, которая по нему передается).
Считается, что Вольво впервые использовала последовательную мультиплексную связь в 1986 году для реализации работы панели приборов на модели 480, где 64 отдельных элемента управлялись по четырем проводам.
Для целей диагностики последовательная связь стала использоваться с 1996 года, когда вступили в силу требования OBD II.
Различные модули управления, подсоединенные параллельно к одному проводу, были связаны с диагностическим разъемом (вывод 7) по так называемой шине K-line (скорость передачи данных до 10,4 кбит/сек). Шина позволяет осуществлять коммуникацию в двух направлениях (т.е. передавать данные от модулей управления на диагностический прибор, а также передавать запросы от прибора к модулям управления, например, для активации компонентов). В разъеме OBD II также было предусмотрено место для выхода диагностической шины L-line (вывод 15), которая позволяла передавать данные только в одном направлении и использовалась не всеми производителями. На автомобилях Вольво шина K-line использовалась для диагностических целей до 2004 модельного года включительно. На современных автомобилях (платформы SPA и CMA) шина K-line продолжает использоваться для связи между антенным модулем MAM (Multiband Antenna Module) или TCAM (Telematics and Connectivity Antenna Module) и центральным электронным модулем CEM (Central Electrical Module).
Аналогичный K-line, но более современный способ коммуникации между модулями управления стал использоваться на автомобилях Вольво начиная с платформы P2. Изначально это была шина Volcano Lite (до 2004 года), а затем LIN (Local Interconnect Network). Из-за относительно низкой скорости передачи данных (до 19,2 кбит/сек) шина используется для обмена небольшими объемами информации между основными и подчиненными модулями управления. Участков с коммуникацией LIN на автомобилях современных платформ SPA и CMA может быть более двадцати.
Среднее напряжение в сети LIN при передаче данных составляет 7-8 В (при замере относительно массы).
При замене подчиненных модулей в сетях LIN, как правило, не требуется загрузка программного обеспечения с помощью VIDA. Однако, в некоторых случаях это делать необходимо, например, при замене блокиратора рулевой колонки SCL (Steering Column Lock).
Необходимость обмена значительными объемами данных между большим количеством модулей управления привела к появлению новых стандартов для более производительных коммуникационных сетей. В автомобильной промышленности широкое распространение получили сети CAN (Controller Area Network). Данное решение было предложено компанией Bosch в 1986 году. Для передачи сообщений в этих сетях Вольво использует протокол VOLCANO.
Вольво впервые использовала сетевую коммуникацию CAN на автомобилях S/V70 1997 модельного года для обмена данными между модулем управления MSA 15.7 дизельного двигателя D5252T и модулем управления автоматической коробкой передач AW 50-42.
Согласно стандарту одинаковые сообщения с разными уровнями напряжения передаются по двум скрученным проводникам (CAN H и CAN L), что приводит к уменьшению результирующего электромагнитного поля вокруг проводов и, соответственно, к повышению помехозащищенности.
Широкое распространение передача данных с использованием стандарта CAN получила с появлением платформы P2. Модули управления были объединены в две сети: высокоскоростную (HS CAN, скорость передачи данных 500 кбит/с) и низкоскоростную (LS CAN, скорость передачи данных 125 кбит/с). На автомобилях платформы P3 низкоскоростной участок сети называется среднескоростным. Взаимное соединение высоко- и низкоскоростной цепи обеспечивается центральным электронным модулем (CEM), который переключает скорость передачи данных между сторонами сети на высокую или низкую.
Среднее напряжение при передаче данных составляет в сети CAN H примерно 2,8 В, в сети CAN L – примерно 2,3 В (при замере относительно массы).
Пример организации сетевой коммуникации автомобиля S80 1999 модельного года:
Принцип построения сетевой архитектуры автомобилей платформ P1 и P3 во многом аналогичен платформе P2.
В сетях CAN модули управления отправляют сообщения согласно определенной системе приоритетов. Это означает, что при одновременном «желании» нескольких модулей отправить свое сообщение, первым будет отправлено сообщение с наивысшим приоритетом. В результате, некоторые сообщения могут быть отправлены с задержкой. Решением, которое позволяет сократить такие задержки, является создание отдельных участков сети CAN, обмен сообщениями в которых происходит независимо друг от друга. Например, на автомобилях платформы P3, кроме деления сети на высокоскоростной и среднескоростной участки, по отдельному каналу происходит обмен данными между модулем управления системой предупреждения столкновений FSM и модулем переднего высокочастотного радара FLR. Также по отдельной ветке происходит коммуникация между центральным электронным модулем CEM, модулем камеры заднего вида PAC и модулями задних радаров SODL и SODR системы распознавания объектов в «мертвой» зоне BLIS.
Чем больше в автомобиле электронных модулей и чем интенсивнее происходит обмен данными, тем большее количество отдельных участков сети CAN необходимо организовать. Например, в автомобилях платформы SPA 2022 модельного года таких участков уже одиннадцать.
В результате, производительность сетевых технологий CAN и LIN уже не позволяла обеспечивать требуемое в современных автомобилях быстродействие при обмене огромным количеством данных.
Следующим этапом развития автомобильной сетевой архитектуры стало использование технологии, разработанной консорциумом FlexRay (входили компании NXP, BMW, Daimler, Bosch, General Motors и Volkswagen) в 2004-м году. Эта сеть с максимальной скоростью передачи данных до 10 Мбит/с объединяет несколько контроллеров, называемых Domain Masters, к которым, в свою очередь подсоединены участки сети CAN. Пример такой коммуникации для автомобиля XC90 2016 модельного года показан на рисунке ниже.
Однако со временем, и для сети FlexRay (по аналогии с CAN) появилась необходимость организовывать отдельные участки с независимым обменом данными. Например, между модулем управления системой предупреждения столкновений ASDM и модулем передней камеры FLC2, а также между вычислительным блоком автомобиля VCU1 и модулем управления тормозами BCM2.
В сетях FlexRay, как и в сетях CAN, обмен данными происходит по витой паре. При замене модулей, подключенных к сетям FlexRay и CAN требуется загрузка программного обеспечения.
Для организации упорядоченного обмена данными реализована функция "Network Management" (управление сетью), которая представляет собой базовую концепцию и механизм для реализации требований к взаимодействию между модулями управления в сетях FlexRay и CAN. Данная функция обеспечивает:
• Координацию активации и деактивации сетей
• Определение временных критериев для начала обмена данными по конкретной сети
• Определение временных критериев для активации аппаратных средств модулей управления
"Network Management" определяет, должен ли конкретный модуль управления быть активным или неактивным, используя предопределенные таблицы. Поскольку "Network Management" реализована во всех модулях, подключенных к сетям CAN и FlexRay, эта функция работает во всей сети согласованным образом. "Network Management" соответствует отраслевому стандарту AUTOSAR 4.0.3
AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) — это образованная в 2002 г. ассоциация автопроизводителей, членом которой является Volvo, в рамках которой, среди прочего, разрабатываются:
• Общая программная архитектура для модулей управления
• Программная модель, адаптированная для модулей управления
• Различные программные модели, как зависимые, так и не зависимые от аппаратного обеспечения
• Стандартизованный базовый программный интерфейс
• Программное обеспечение многократного использования, доступное для автопроизводителей, производителей аппаратного и программного обеспечения и других членов AUTOSAR
Итак, основной объем информации в современных автомобилях передается по сетям FlexRay, CAN и LIN. Однако, для некоторых задач на автомобилях платформ SPA и CMA могут использоваться отдельные участки с другими протоколами коммуникации.
Так, для передачи диагностической информации от модуля VCM (Vehicle Connectivity Module) к диагностическому разъему OBD II и от разъема OBD II к станции VIDA используется протокол Ethernet. Ethernet также используется для обмена данными между модулями VCM, IHU (Infotainment Head Unit), и TVM (Television Module).
Для коммуникации между IHU и CD-плеером используется шина USB (Universal Serial Bus).
Для обмена видеоданными между IHU и модулем камер кругового обзора WAM (Wide Angle vision Module) используется высокоскоростной интерфейс LVDS (Low Voltage Differential Signaling), который может обеспечивать скорость передачи данных до 200 Мбит/с.
Между IHU и приборной панелью DIM (Driver Information Module), а также проекционным дисплеем HUD (Head Up Display) имеются участки высокоскоростной шины APIX 2 (Automotive Pixel Link 2). Максимальная скорость передачи данных этого интерфейса составляет до 3 Гбит/с.
Отдельно надо сказать еще об одном способе обмена данными между модулями управления, это о сетевой коммуникации MOST (Media Oriented Systems Transport). В сети MOST все входящие в нее модули соединены по кольцевой схеме с помощью оптоволоконных кабелей. Впервые данное решение стали применять на автомобилях XC90 первого поколения для организации обмена данными между модулями управления, входящими в мультимедийную систему. Основными преимуществами таких сетей являются:
• более высокая скорость передачи данных, чем в сети CAN (до 150 Мбит/с)
• невозможность возникновения электрического короткого замыкания, что снижает риск повреждения модулей управления, подсоединенных к сети
• отсутствие проблем электромагнитной совместимости, оптоволоконные кабели не чувствительны к электрическим помехам от других кабелей
При этом у этих сетей имеются и значительные недостатки:
• ограничения по работе в зоне высоких температур (оптоволокно мутнеет)
• оптоволоконные кабели нельзя сильно изгибать (радиус дуги изгиба не должен быть менее 2,5 см)
• т.к. модули соединены по кольцевой схеме, обрыв кольца приводит к прекращению обмена данными
Пример организации сети MOST на автомобиле XC90 2003 м.г.
Коммуникация MOST также используется для обмена данными между модулями управления, входящими в мультимедийную систему на автомобилях платформ P1 и P3.
На автомобилях современных платформ использование оптоволоконной сети сведено к минимуму. Данный тип коммуникации сохранился только между модулями IHU и AUD.