KURZUS: Járművillamosság és elektronika 2.

MODUL: IV. modul: Gépjárművek kommunikációs rendszerei

10. lecke: Gépjárművek buszhálózatai

| A lecke tanulásának a célja: A gépjárművekben alkalmazott kommunikációs buszrendszerek létrejöttének okai, csoportosítása, felépítése, működése, alkalmazási területeinek megismerése.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatóknak ismerniük kell a gépjárművekben alkalmazott kommunikációs buszrendszerek szerepét, felhasználási területeit és működésének alapjait. A teljes megértéshez az ajánlott irodalom elolvasása szükséges.
Dr. Fodor Dénes, Dr. Szalay Zsolt: Autóipari kommunikációs rendszerek Dr. Bokor József, Dr. Gáspár Péter: Járműfedélzeti kommunikáció Dr. Kováts Miklós, Dr. Szalay Zsolt: Gépjárművek buszhálózatai (Maróti kiadó)
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 120 perc szükséges.
Gépjárművek buszrendszerei
Az autóipari kommunikációs protokollok osztályozása
A járműelektronika fejlődése az utóbbi évtizedekben egyre több új, elektronikusan támogatott funkció megjelenését eredményezte. A szakemberek elvileg két út közül választhattak, vagy megpróbálják az egyes részterületekért felelős vezérlők funkcióit egyetlen központi vezérlő számítógépben egyesíteni és ezzel legalább a közöttük szükséges külső villamos kapcsolatokat megspórolni, vagy a sok-sok kábelér helyett minél kevesebb, lehetőleg egyetlen összeköttetést (buszvonalat) használni a szükségszerűen soros formátumba rendezendő információk továbbítására. Először a korszerű motormenedzsment, majd az aktív és passzív biztonsági elektronika, végül a karosszéria, a komfort és a kommunikáció vezérlői jelentek meg a járművekben.
A SAE (Society of Automotive Engineers) ajánlására az autóipari alkalmazásokat a következő osztályokba sorolták:
A osztályú alkalmazások: a karosszéria-elektronika olyan kevésbé intelligens eszközeinek kommunikációja, mint pl. kapcsolók, fényszórók, tükörbeállítás, ülés pozicionálás, elektromos ablakemelő, központi zár stb. Az átviendő üzenetek ebben az esetben általában igen rövidek, a ciklusidejük pedig hosszú, így az ilyen információk sávszélesség-igénye alacsony, általában 20 Kb/s alatti. A vezetékezés is egyszerű: pl. egy szál a jelnek, egy a földelésnek, így a csomópontok összekötésének költsége alacsony. B osztályú alkalmazások: magasabb szintű információk cseréjére szolgálnak, pl. információátvitel a műszerfal, vagy a légkondicionáló vezérlése felé. 100 Kb/s-os átviteli sebesség a felső határ. C osztályú alkalmazások: valós idejű információátvitel, 1-10 ms-os ciklusidővel, és 1ms-nál rövidebb késleltetéssel. Az üzenetek általában 1 vagy néhány bájtosak. A sávszélesség-igény 1Mbit/s. Alkalmazási területek lehetnek például a motorvezérlés, váltómű, vagy menetstabilizáló rendszer kommunikációja. D osztályú alkalmazások: ebben az esetben nagyobb mennyiségű adat továbbítására van szükség, az adatblokkok mérete elérheti a néhány kbyte-ot is, mint pl. a hangrendszer, telefon vagy GPS kommunikációja során. Ekkor általában csak néhány csomópont van összeköttetésben egymással, és információcserére csak viszonylag ritkán van szükség. Az igényelt sávszélesség 1Mbit/s és 10Mbit/s között mozog.
Buszhálózatok főbb típusai:
CAN (Bosch) VAN (PSA csoport) FlexRay TTCAN MOST LIN Bluetooth
Buszrendszerek összehasonlítása
1. ábra
Hálózati kapcsolat az egyes buszrendszerek között
A járművön kialakított, különféle átviteli sebességű és protokollú rendszerek között átjárható kapcsolatot kell kialakítani, amelyet a következő típusú eszközök biztosítanak:
Super Gateway: Központi kapcsolóegység, mely képes a különböző típusú hálózatokból érkező adatokat egy másik típusú hálózat számára fogadhatóvá alakítani és akár telekommunikációs egységgel (GSM, UMTS, Bluetooth, WLAN) is képes kapcsolatot tartani. Bridge: Egyszerű Gateway eszköz. Két különböző típusú hálózat adatait képes egymás számára fogadhatóvá alakítani Gateway Firewall: A járműves kommunikáció biztonságát növeli. Az adatok továbbítása az egyes hálózatok között csak jogosultsággal lehetséges. Repeater: Ismétlő készülékek, az egyes vezetékszakaszok közé iktatott jelerősítők, amelyek alkalmazása esetén hosszabb vezetékek alkalmazhatóak (pl. vontató jármű és vontatott jármű között)
Buszrendszerek alkalmazási területei gépjárművekben
2. ábra
Hálózati hozzáférési módszerek
Hálózati hozzáférési módszerek
3. ábra
Hálózati topológiák a buszrendszerekben
A kommunikációs hálózatokban az egyes eszközök különböző módon és elrendezésben kapcsolódhatnak egymáshoz:
Busz topológia: Az egyes vezérlőegységek párhuzamosan csatlakoznak a buszvezetékhez, minden résztvevő "lát" minden adatot a buszon. A buszrendszer felülvizsgálata és az átvitt információk zavarvizsgálata minden vezérlőegységben megtörténik. Nagyszámú résztvevő lehetséges. Előnyök: A hálózat egyes résztvevőinek kiesése nem okozza a buszrendszer működésképtelenségét. Egyszerű a kábelezés és a hálózat bővítése. Hátrányok: Az átviteli közeg kiesése megbénítja a teljes buszvonal működését. Korlátozott az átviteli közeg hossza, ezáltal az egyes állomások egymástól nem lehetnek túlzottan távol Csillag topológia: A résztvevők sugarasan csatlakoznak a rendszer központi egységéhez, ami egy Gateway lesz. Jellemzően karosszéria- és komfort-elektronikai alkalmazásoknál használják. A központi vezérlőegység hálózati csomópontként vagy masterként funkcionál, innen történik az egységek irányítása, működésük koordinálása. Az egyes egységek közvetlen címzést kapnak. Előnyök: A hálózat egyes résztvevőinek kiesése, a központi egység kivételével, nem okozza a buszrendszer működésképtelenségét. Az egyes átviteli közegek kiesése nem okozza a buszrendszer teljes működésképtelenségét. Hátrányok: A központi vezérlőegység kiesésével a teljes buszrendszer működésképtelenné válik. Gyűrű topológia: Az adatátvitel legnagyobb biztonsági, illetve gyorsasági követelményeinél alkalmazzák. Gépjárművek esetében általában optikai kábelekből épül fel az átviteli közeg. Nagy adatátviteli sebesség, multimédiás alkalmazások (pl.: audio, telefon, navigáció, videó). Előnyök: Valamennyi résztvevő erős elemként működik. A térbeli elhelyezkedés nagy kiterjedésű lehet. Hátrányok: Egyirányú gyűrűnél már egyetlen résztvevő, vagy az átviteli közeg kiesése megbénítja a kommunikációt a hálózaton. Lánc topológia: Egy valamely pontján megszakított gyűrűnek tekinthető. Egyoldalú Gateway (jelerősítés funkció, repeater). Előnyök: Egyszerű felépítés. Hátrányok: Szakadás esetén az egyes részegységek működhetnek, de a teljes hálózat működésképtelenné válik.
Hálózati topológiák
4. ábra
Buszrendszerek tipikus alkalmazási területei gépjárművekben
5. ábra
LIN
A járműipari hálózatok elterjedésével rengeteg - jellemzően egy gyártóhoz köthető - UART alapú kommunikációs megoldás és protokoll fejlődött ki egymással párhuzamosan, ám ezek csak speciális esetben, vagy egyáltalán nem voltak egymással kompatibilisek. A szabványosítás iránti igény ezen a terülten is hamar felmerült, miután a szabványos soros kommunikáció egyszerűbbé és olcsóbbá teszi a tervezést, illetve a gyártást, és átjárhatóságot biztosít. E célból jött létre a Local Interconnect Consortium az Audi, BMW, DaimlerChrysler, Volkswagen és Volvo, mint autóipari gyártók, illetve a Volcano Technologies és Motorola, mint autóipari elektronikai gyártók összefogásával.
A LIN busz főbb tulajdonságai a következők:
Egy Master (mester), több Slave (szolga) koncepció (Master egység által vezérelt) Alacsony költségű UART alapú integrált áramköri megoldás, egyszerű állapotgép alapú működés Automatikus szinkronizáció kvarc oszcillátor nélkül (önszinkronizáció az üzeneteken keresztül) Determinisztikus jelátvitel előre számítható jelterjedési idővel Alacsony költségű egyvezetékes kommunikáció 20kbit/s sebesség Jel érzékelésen alapuló interakció Újrakonfigurálhatóság Maximum 16 résztvevő lehet egy hálózaton (1 Master (ID 0) és 15 Slave (ID 1-15)) Rendszerint alrendszerekként működnek a magasabb szintű buszrendszerekhez csatlakoztatva Gatewayeken keresztül Komfort- és karosszéria-elektronika a fő alkalmazási terület (pl.: központi zár, lopás elleni védelem, klíma vezérlés, fényszórók elektronikája, generátor feszültség szabályzás)
Példa egy LIN klaszterre
6. ábra
Egy LIN klaszter egy mester és több szolga folyamatból áll. A mester csomópont mind mester, mind szolga feladatokat is ellát, míg a többi csomópont csak szolga folyamatokat végez. Azt, hogy a csomagok (keretek) mikor kerülnek továbbításra a buszon, a mester folyamat dönti el, a kerethez tartozó adatokat pedig a szolga folyamatok szolgáltatják. Szolga folyamat a LIN buszon nem kezdeményezhet kommunikációt.
A kommunikáció menete:
A Master vezérli a buszrendszert az egyes Slave eszközök lekérdezésével Minden Slave egységnek saját címe van előre programozottan Minden node megkap minden üzenetet a hálózaton, de csak a megcímzett eszköz(ök) válaszolhat(nak) A Slave egységek csak a Master felszólítására adhatnak választ (küldhetnek üzenetet a buszra) vissza, vagy valamely Slave egységnek
Üzenetkeretek
Egy adatkeret a mesterfolyamat által szolgáltatott fejlécből (header) és a szolgafolyamat által szolgáltatott válaszból (response) áll. A fejléc break szignálból, szinkronizációs mezőből, és keretazonosítóból áll. A keret azonosítója egyértelműen definiálja a keretet. Az a szolgafolyamat, amely a keretazonosító alapján a válasz szolgáltatására kötelezett, "kitölti" a keretet a válasszal, amely adatmezőből, és ellenőrzőösszegből (checksum) áll. Az a szolgafolyamat, akinek a keretazonosító alapján az adatok szólnak ellenőrzi a checksum-ot, és kiolvassa az adatokat.
LIN üzenetkeret felépítése
7. ábra
A keret a fejléccel, a break jel lefutó élével kezdődik. Ezt értelemszerűen mindig a mester folyamat generálja. A break jel legalább 13 bithossz hosszúságú. A break lezárása felfutó éllel történik. Ezután következik a szinkronizációs mező, amely egy 0x55 (bin 01010101) byte átvitelét jelenti. Ezután következik az azonosító mező, amely 10 bit hosszúságú és a vezérlő, valamint az üzenet azonosítóját tartalmazza. Egy keret egytől nyolc byte-ig terjedő adatot szállíthat, de a keret hossza előre definiált kell, hogy legyen. A LIN keret utolsó eleme az ellenőrzőösszeg (CRC).
Egy keretben két típusú adat kerülhet továbbításra: jel vagy diagnosztikai üzenet.
LIN fizikai kialakítása
LIN master és slave egységek a buszon
8. ábra
A bitek megfelelő továbbításához szükséges, hogy a jelek feszültségszintje a megfelelő legyen. A buszon a domináns jel a 0, míg a recesszív jel a logikai 1.
Feszültségszintek a LIN buszon
9. ábra
CAN
CAN a Controller Area Network - irányítóegységek helyi hálózata - elnevezésből képzett mozaikszó.
A CAN busz főbb tulajdonságai a következők:
Bosch által kifejlesztett hálózati kommunikációs protokoll. Magas integráltságú, soros adatkommunikációs busz. Egy hálózaton max. 32 vezérlőegység lehet. Alkalmazási területek: Gyors, közel valós idejű adatátvitel a hajtáslánc elemeinél (motor, hajtómű, futómű, fékek) Kommunikációs hálózatok a karosszéria területén (pl.: komfort-elektronika) Kétféle átviteli sebesség tartomány: Low Speed CAN: 10...125 kbit/s High Speed CAN: 250 kbit/s...1 Mbit/s A 2.0 verziótól 2.0A normál (11 bit azonosító) és 2.0B kibővített (29 bit azonosító) üzenet keretű változatok Multi-master elv szerint működik, vagyis az összes vezérlőegység egyenértékű, egyiknek sincs prioritása a másik felett. A busz rendszerben az egyes üzenetek prioritásának meghatározása az üzenetek tartalma alapján történik, melyet az üzenetek azonosítója tartalmaz, ezt a fontosság szerinti sorra vételi folyamatot nevezzük arbitrálásnak Az üzenetek címzés nélkül kerülnek a buszra, amelyet az üzenetek tartalma pótol (tartalom orientált adattovábbítás) A hálózaton lévő összes egység egyszerre fogadja a hálózatra kerülő üzeneteket (broadcasting) és eldönti, hogy az információ halmazból mire van szüksége, és vagy felhasználja, vagy ignorálja azt NRZ kódolás használata Megbízhatóan működik elektromágneses zajjal terhelt környezetben A prioritáson alapuló arbitrálás bizonyos hátrányait az ún. idővezérléssel kiegészített TT CAN (Time Triggered) kommunikációs rendszer már kiküszöböli (biztonságkritikus alkalmazások)
Fizikailag a CAN rendszer egy kétvezetékes aszimmetrikus buszt jelent, erre csatlakoznak az állomások soros vonalon. A vezeték sodrott érpár, mely lehet árnyékolt vagy árnyékolatlan is.
CAN busz átviteli közegének kialakítása
10. ábra
A CAN kontrollert egy adóvevő (transceiver) áramkör illeszti a buszra, mely a kontroller TTL szintű jeleit alakítja át a busz differenciális jeleire. A transceiver másik fontos feladata, hogy a buszon lévő állomások között huzalozott ÉS kapcsolatot hozzon létre. Ennek az ütközések elkerülésében van döntő szerepe. A hozzáférés a buszhoz CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) technológiával történik. Inaktív állapotban minden egységnek (node) figyelnie kell a hálózatot (Carrier Sense), mielőtt üzenetet próbálna küldeni arra, mivel minden egység azonos lehetőséggel rendelkezik (Multiple Access) üzenet küldésére. Ha két node azonos időpontban indít üzenetküldést, akkor az ütközés veszélyét észlelik (Collision Detection) az egyes egységek.
CAN csomópont felépítése és csatlakozása a buszra
11. ábra
A busz impedancia-illesztéséről lezárásokkal kell gondoskodni, ennek szabványos értéke RL=120 Ω . Ez a fizikai felépítés legfeljebb 1 Mbit/s adatátviteli sebességet tesz lehetővé. Az adott rendszer sebességét természetesen korlátozza a busz hossza és a transceiverek késleltetése.
Példa CAN busz alkalmazására gépjárműben
12. ábra
Arbitráció
Az adatok valós idejű feldolgozásához elengedhetetlen az üzenetek igen gyors továbbítása. Ehhez nem csak egy nagysebességű fizikai adatút szükséges, hanem gyors buszallokálás is, főleg amikor több csomópont akarja egyszerre megszerezni a buszt. Hogy éppen melyik CAN csomópont használhatja a buszt üzenetei elküldésére, azt az arbitráció folyamata hivatott eldönteni. Ennek kulcsa a huzalozott-ÉS megvalósítás. A huzalozott-ÉS logika mechanizmusának megfelelően a domináns szint a logikai 0-nak, a recesszív szint a logikai 1-nek felel meg. A domináns bit felülírja a recesszív bitet, de ez fordítva nem teljesül. Azok a csomópontok, amelyek elvesztik az arbitrációt, megszakítják a saját üzenetük küldését és automatikusan fogadóivá válnak annak az üzenetnek, amelynek a legnagyobb a prioritása a buszért való versenyben. A megszakított üzenetek újraküldését addig nem kezdhetik meg a csomópontok, amíg a busz újra szabaddá nem válik. A busz akkor tekinthető szabadnak, ha az Üzenetek utáni szünetet nem szakította meg domináns bit. A prioritást az üzenetazonosító határozza meg, oly módon, hogy az minél kisebb bináris szám, annál nagyobb az üzenet prioritása.
Az arbitrálás folyamata
13. ábra
Jelszintek a CAN buszon
A bitszint meghatározása a CAN_High és a CAN_Low vezetékek feszültségszintkülönbségei alapján történik.
High-Speed és Low-Speed CAN jelszintjei a buszon
14. ábra
Mivel a bitszintet a rendszer a feszültségkülönbségből határozza meg (differenciális buszrendszer), ezért elektromágneses interferencia ellen - amely mind a két feszültségszintre egyformán hat - védve van a hálózat. A vezeték árnyékolásával a külső zavarások hatása tovább csökkenthető.
Differenciális adatátvitel jelentősége
15. ábra
CAN üzenetkeret felépítése
16. ábra
Üzenetkeretek felépítése
SOF (Üzenet kezdete bit): A buszvonal alaphelyzetben magas (1) szinten van és amennyiben valamelyik résztvevő használni kívánja, azzal kezdi az adást, hogy a vonalat alacsony, azaz (0) szintre húzza. Ennek hatására a többiek elkezdik figyelni a vonalat és egyúttal saját órajelük összeszinkronizálását is megkezdik az éppen adó egységgel. Arbitrációs mező: A buszhasználat jogosultságának eldöntésére szolgál az ún. arbitrációs mező. Az itt található 11+1 bit (CAN 2.0A), vagy 11+2+18+1 bit (CAN 2.0B) mindenkori értéke dönti el a jogosultságot, mégpedig úgy, hogy minél kisebb ez a számérték, annál nagyobb a buszhasználati prioritás. Vezérlési mező: RTR (Üzenetküldés kérő bit): ha adattovábbítás van, akkor ez 0, míg ha kérelem, akkor 1 értékű. A domináns 0 értéknek, tehát az adattovábbításnak van magasabb prioritása. IDE (Azonosító kiterjesztés bit): CAN 2.0A (domináns 0 értékű) és CAN 2.0B (recesszív 1 értékű) között tesz különbséget, 11 vagy 29 bit azonosító hosszat jelöl. DLC (Adathossz kódja): A következő négy bit az adathossz kódja, ami az adatmezőben található adat bájtjainak a számát adja meg. Adatmező: Ebben bájtokban összefogott adatbitek találhatók, mégpedig úgy, hogy számuk rugalmasan változhat, azaz 0-8 bájt (0-64 bitet) tartalmazó adatmezők fordulhatnak elő. A változó hosszúságú adatmező, az egész üzenet hosszát is megváltoztatja, hiszen egy adatkérés nyilván 0 adatbájtot tartalmaz, így az ilyen üzenet lényegesen (éppen 64 bitidővel) rövidebb, mint a teljes, 8 adatbájtot kihasználó adattovábbítás, ezért az üzenetek átviteléhez szükséges idő is változik az adatmező hosszának függvényében. CRC mező: A következő, 15+1 bitet tartalmazó mező a ciklikus redundancia vizsgálathoz szükséges kódot (CRC) tartalmazza, amit mindig az adó képez, az üzenet előre rögzített mezőinek bitképe alapján. A hibajelzésre kiválóan, de hibajavításra már kevésbé használható CRC. ACK (Nyugtázó bit): A következő ún. nyugtázó mező 1+1 bitből áll és arra szolgál, hogy a vett üzenet hibás vagy hibátlan voltát visszajelezze az üzenetet küldőnek. Jelzőfunkciója csak az elsőnek van, a második bit mindig recesszív és csupán a nyugtázó mező végét jelzi. Ha bármelyik eszköz hibátlannak tartja az üzenetet, akkor az első bitet 1-es értékről átírja 0-ra, azaz dominánsra. Hibás üzenet esetén a vevő recesszív állapotban hagyja, és a küldő megpróbálja újra küldeni az üzenetet. EOF (Üzenet vége mező): Az üzenet keretformátuma egy üzenet vége mezővel záródik, ami 7 recesszív bitet tartalmaz, erről ismeri fel a mindenkori vevő, hogy az üzenet véget ért. Ebben a mezőben a bitbeültetési szabályt nem érvényesítik.
Bitbeültetés
Az NRZ kódolás miatt a busz jelszintje az átvitt információtól függően hosszabb időre változatlanul domináns illetve recesszív maradhat. Ebben az esetben is szükség van a szinkronizáció fenntartására. A küldő csomópont öt egymást követő azonos értékű küldendő bit után automatikusan beszúr egy ellentétes értékű bitet, amelyet a fogadó csomópontok az üzenet feldolgozása előtt automatikusan kivesznek. Fontos megemlíteni, hogy a bitbeszúrás módszere bizonyos mezőkre érvényesek, azaz a kommunikáció során nem minden esetben jelent/jelez hibát, ha ötnél több azonos jelszint jelenik meg a CAN buszon
Bitbeültetés folyamata
17. ábra
CAN üzenet fajták
Data Frame - Adattartalmú üzenetek átvitele (RTR bit domináns), az adattovábbítás előnyt élvez a buszon. Remote Frame - Adattartalmú üzenetek igénye (RTR bit recesszív, nincs adattartalom). Error Frame - Hibaüzenet, amely egymást követő 6 domináns bit buszra küldését jelenti az üzenetküldési folyamat bármely szakaszában. A bitbeültetési szabály miatt ezt észlelik a vevők. Amennyiben több vevő is "egyetért" a hibajelzéssel, akkor beültetnek még egy hibajelzést az üzenetbe, ezért a hibaüzenet minimum 6 és maximum 12 domináns bitet tartalmazhat, majd 8 recesszív bittel zárul. Overload Frame - Túlterheltséget jelző üzenet, csak az üzenet keretek között fenntartott időben indítható. 6 domináns bitet juttat a buszra, majd ezt az üzenetet is 8 recesszív bit zárja.
Flexray
Az ún. X-by-Wire "vezeték általi" (elektromos vezérlés, hagyományos mechanikus helyett) technológiák alkalmazására lett kifejlesztve, például kormányzás/fékezés megvalósítására mechanikus/hidraulikus eszközök nélkül.
A FlexRay protokoll egyedülálló módon egy "idő-triggerelt" protokoll, amely lehetőséget biztosít determinisztikus adatok kiszámítható időn belüli (mikroszekundum pontossággal) fogadására, de emellett a CAN-hez hasonlóan dinamikus, eseményvezérelt adatok kezelésére is képes. A FlexRay ezt a hibrid működést, azaz a statikus és dinamikus keretek továbbítását egy előre beállított kommunikációs ciklussal valósítja meg, amely egy előre meghatározott helyet biztosít a statikus és dinamikus adatoknak. Ezt a helyet a hálózattal együtt kell konfigurálnia a hálózat tervezőjének. Míg a CAN csomópontoknak csak arra van szükségük a kommunikációhoz, hogy ismerjék a megfelelő átviteli sebességet, addig a FlexRay csomópontoknak ismerniük kell az összes hálózati elem konfigurációját ahhoz, kommunikálni tudjanak.
A Flexray busz főbb tulajdonságai a következők:
Nagy adatátviteli sebesség (csatornánként 10 Mbit/s) Biztonságkritikus vezérlés követelményeit teljesíti (real-time működés, redundancia) Max. 64 részvevő lehet egy buszon TDMA (Time Division Multiple Access) - idővezérelt elven működik, amely biztosítja a küldött és fogadott információk sérthetetlenségét, de szervezésbeli nehézségeket okoz Gyors, determinisztikus és hibatűrő rendszer (nincs arbitráció) Két csatornás működés, egyenként 10 Mbit/s-os sebességgel. Elsősorban a két csatornát ugyanarra a célra használják (redundancia), de szükség esetén a sávszélesség növelése is elérhető különböző adatokat juttatva a két csatornára A kommunikációs ciklus statikus és dinamikus időszeletekből áll. A statikus rész vezérlőegységekhez van rendelve (meghatározott időben adhatnak), míg a dinamikus rész a fennmaradó sávszélességen akár multimédiás célokat is ki tud elégíteni. Pont-pont, csillag, busz topológiák, vagy ezek ötvözésével hibrid topológiák is lehetségesek
Kétcsatornás Flexray hálózat
18. ábra
A FlexRay busz végeit ellenállásokkal le kell zárni (100 Ohm), és ezt elég csak a busz végein lévő eszközöknél megtenni. A differenciális adatátvitelnek megfelelően a BP-vel (busz plusz) jelöljük a pozitív busz feszültséget, és BM-mel (busz mínusz) a negatívat. A "Bus Driver" (BD) elnevezésű egységek az ECU-k FlexRay meghajtó részeit reprezentálják.
Lezáró ellenállások elhelyezése egy pont-pont hálózaton
19. ábra
A FlexRay kommunikációs modul megadja a lehetőséget, hogy akár két csatornát is kiszolgáljunk. Ezzel megnövelhetjük a sávszélességet, vagy javíthatjuk a rendszer hibatűrő képességét.
Kétcsatornás Flexray topológia
20. ábra
Flexray vezérlőegység felépítése:
Host controller: Közli a buszvédelemmel, hogy mely időkeretek vannak lefoglalva a vezérlő számára Communication Controller: A hálózati protokollok átalakítása, betartása Bus Guardian: Biztosítja, hogy a vezérlő csak a számára biztosított időkeretben küldhessen adatokat (adatütközések elkerülése kettős buszvédelemmel) Bus Driver (Transceiver): adatok küldése a buszra és fogadása a buszról A buszon min. 2 Sync Node funkcióval ellátott vezérlőegység biztosítja a szinkronizálást Sync Frame keretek segítségével
Flexray vezérlőegység felépítése
21. ábra
Működési módjai:
BD_Normal: A BD normál módban fogadhat vagy küldhet adatfolyamot a buszon. BD_Standby: Ez egy alacsony energia felvételű készenléti mód, melyben a Bus Driver nem képes adatot küldeni és fogadni a buszról, de detektálni tudja az un. Wake-Up (ébresztési) eseményeket. BD_Sleep: Megegyezik az előbb leírt készenléti móddal. De itt a Bus Driver kimenetén Sleep jelzés jelenik meg. BD_Receive_Only: ebben az állapotban csak fogadni tudunk adatot, továbbítani nem lehetséges.
Jelszintek a Flexray hálózaton
22. ábra
Flexray vezérlőegység energiagazdálkodása
23. ábra
Hozzáférés a hálózathoz
A FlexRay protokoll közeghozzáférés vezérlése ismétlődő kommunikációs ciklusokon alapul. Egy kommunikációs cikluson belül kétféle módon érhető el a közeg. Az egyik a statikus időosztásos többszörös hozzáférés, míg a másik az ún. "minislot" alapú megoldás.
Flexray kommunikációs ciklusok felépítése
24. ábra
A közeghozzáférés legmagasabb szintjén a kommunikációs ciklus áll, amely a következő részeket tartalmazza:
statikus szegmens (static segment), dinamikus szegmens (dynamic segment) szimbólum ablak (symbol window) hálózati holtidő (network idle time).
Az egyes szegmensek a következő szinten időrésekre (slot) vannak osztva, amelyek egy-egy eszköz számára vannak fenntartva és minden egyes hálózati eszköznél szinkronban vannak egymással.
A statikus szegmens szolgál a determinisztikus, szinkronizált adatküldésre, míg a dinamikus szegmens a CAN-hez hasonló esemény-alapú adatok küldésére használható, üzenet prioritás szerint. A szimbólum ablak hálózat karbantartási és vezérlési jelzésékre használatos, például a hálózat indítása során. Végül a holtidő az óraszinkronizálásra van fenntartva, ilyenkor nincs adatküldés.
Adatformátum
A FlexRay protokoll használata során az eszközök keretekbe foglalják a küldendő információt. A szabvány szerint egy adatkeret a következő 3 részből kell álljon:
Fejléc (Header Segment): 5 bájtból áll, amely tartalmazza a státusz biteket, a keret azonosítóját, az hasznos bájtok számát, valamint egy CRC ellenőrző kódot. Hasznos adat (Payload Segment): 0-254 bájtot tartalmazhat. Az adatnak két bájtos szavakból (word) kell állnia, tehát csak páros számú bájt méretű lehet. Az adatok indexálása a fejléc szegmens után, nulla indexeléssel kezdődik. Az hasznos adat védelméről a keret végén (Trailer Segment) lévő 24-bites CRC gondoskodik. Lezárás (Trailer Segment): A FlexRay keret végén található szegmens egy mezőt tartalmaz, amely egy 24bites CRC az egész keretre (Header Segment + Payload Segment), annak összes mezőjét beleértve.
Flexray üzenet keret felépítése
25. ábra
MOST
A MOST egy speciálisan a gépjárművek számára kifejlesztett kommunikációs technológia, a multimédiás adatok továbbítására. Magának a MOST névnek a jelentése (Media Oriented System Transport) is erre utal. A MOST buszon video-, és hang jelek, navigációs adatok, és más szolgáltatások mellett vezérlő jelek is átvihetők. Az adattovábbítás optikai szálon történik.
A MOST hálózat főbb tulajdonságai a következők:
25, 50 Mbps vagy 150 Mbps + kiegészítő aszinkron vezérlőcsatorna 700 kbps TDMA hálózati hozzáférés szinkron átvitelnél, CSMA/CS aszinkron átvitelnél Minden egységhez tartozik egy cím (küldő és fogadó címként egyaránt) Optikai kábel (vagy csavart érpár) Gyűrű, csillag, fa struktúra egyaránt használható (gyűrű az elterjedt) Maximum 64 db résztvevő lehet egy hálózatban Timing Master vezérlőegység folyamatosan küldi a szinkron üzeneteket Hang- és képátvitel valós idejű működtetése lehetséges Elektromágneses zavarokra érzéketlen FlexRay-hez hasonló energiagazdálkodás A Master vezérlőegység általában maga a központi kezelő és kijelző egység, tárolja a gyűrűben található Slave egységek számát és sorrendjét, és az ütemadó feladatokat is ellátja (Timing Master), tartja a kapcsolatot más hálózatokkal (Gateway funkció) Az adatok továbbítása 44,1 kHz frekvencián történik A továbbítandó adatok felkészítését és ellenőrzését a transceiver és a controller végzi Egyirányú adattovábbítás A vezérlő csatorna adminisztratív adatok, pl. az átviteli csatornák lefoglalása és szabaddá tétele, céljára szolgál Az alkalmazott fény hullámhossza 650 nm (vörös)
A hálózat fizikai felépítése
A MOST hálózat egy gyűrű struktúrájú buszrendszer, ami annyit jelen, hogy az adat mindig csak egy irányba folyik. Ezáltal bármilyen adattovábbításra csak akkor van mód, amennyiben a teljes kör megfelelően működik. Tehát bármilyen meghibásodás történik a gyűrűn belül, az a teljes rendszer működését lehetetlenné teszi.
Tipikus MOST egységek a gépjárművekben
26. ábra
A MOST busz egy műanyag száloptikán keresztül kommunikál, ami színes külső borítással rendelkezik, amit általában egy, a megtörést akadályozó vékony fekete gégecsővel burkolnak. A pulzáló fény hullámhossza 650 nm, tehát a piros színű látható fény tartományába esik. A kommunikációhoz minden egyes MOST eszköznek szüksége van egy optikai adóra, és egy optikai vevőre. Mivel minden MOST eszköz egy adóból, és egy vevőből épül fel, ezért maga a MOST kábel is minden esetben 2 optikai vezetőből épül fel, amelyből az egyik a vevőhöz kapcsolódik, a másik pedig az adóhoz.
Optikai kábel felépítése
27. ábra
Adatátvitel
A kommunikáció egy gyűrű struktúrán keresztül történik, és tekinthetjük úgy, hogy a MOST a különálló komponensekből alkot egy központi egységet, ezáltal nemcsak egy hagyományos értelemben vett hálózat, hanem egy integrált technológia, amely lehetővé teszi a vezérlést is. Az adatátvitel úgy történik, hogy a vezérlőegység elektromos jelét optikai jellé alakítjuk a belső LED adó modullal, és a fényjelet az optikai szálba vezetjük. A kábelen található fényvisszaverő burkolat megakadályozza, hogy a fény kiléphessen a magból, így az kénytelen rajta keresztül haladni. A külső burkolat, és a fényvisszaverő fekete színe megakadályozza, hogy külső fény szennyezze a jelet. Ezután a vevő modul fotódiódája a fényt elektromos jellé alakítja vissza, és ezt továbbítja a másik vezérlőhöz.
MOST vezérlőegység felépítése
28. ábra
Adatcsomagok felépítése
A MOST adatcsomagjai a többi kommunikációs szabványokhoz hasonlóan framekből épülnek fel. Ezeket a kereteket a vezérlőegységek egymásnak 44,1 kHz-es frekvenciával továbbítják. Erre a fix frekvenciára azért van szükség, mert a speciális szinkron adatokat, mint a zene, vagy video csak abban az esetben lehet megfelelően továbbítani, ha azonos időközönként érkeznek az adatcsomagok. A 44,1 kHz azért ideális ilyen szempontból, mert a CD, DVD, és a DAB (digitális rádió) szabvány szerinti mintavételezési frekvenciája pontosan 44,1 kHz.
A MOST25 esetében egy frame, ahogy már korábban említettük 64 byte-ból áll.
MOST üzenetkeretek felépítése
29. ábra
A Header rész a Master és Slave eszközök közötti szinkronizálás biztosítását, illetve az adatmező szinkron és aszinkron adattartalmának hosszát tartalmazzák.
Az adatmező a szinkron (TDMA elv szerint) és aszinkron (arbitrálás módszere szerinti) adatokat tartalmazza., amelyet a CRC hibaellenőrzés és a trailer bájtok követnek.

| Önellenőrző kérdések
1. Melyik állítások igazak a következők közül? (több jó válasz is lehetséges)
| Az A osztályba tartozó kommunikációs buszrendszerek az alacsony sebességet (20 kbit/s alatti) nyújtanak és elsősorban a karosszéria elektronika vezérlőegységei közötti kommunikációra használják őket.
| Busz topológia esetén az egyes vezérlőegységek egymással párhuzamosan csatlakoznak a buszvezetékekhez.
| A Bridge eszközök két különböző kommunikációs buszrendszer között biztosítják az átjárást.
| A buszrendszerek kialakulását a gépjárművekben megjelenő egyre nagyobb számú vezérlőegység, költséges és bonyolult kábelezés követelte meg.
2. Mit jelent a LIN-hálózatoknál alkalmazott single master-multiple slave elv?
| A hálózatban lévő vezérlőegységek egyenrangúak, mindegyik azonos jogosultsággal rendelkezik az üzenetek küldésére.
| Csak a master vezérlőegység kezdeményezhet kommunikációt a hálózaton, a slave egységek csak válaszolhatnak a master által feltett kérdésre.
| Minden vezérlőegység kezdeményezhet kommunikációt a hálózaton, de a master egységnek magasabb a prioritása.
| A master egység a szinkronizálást végzi a buszon, a slave egységek ezáltal egyenrangú egységekként, szinkronizáltan tudnak egymás között kommunikálni.
3. Melyik állítás igaz a LIN buszhálózatokra? (több jó válasz is lehetséges)
| A kommunikáció egy csavart érpáron keresztül zajlik.
| Egyvezetékes buszrendszer.
| A vezérlőegységek azonos jogosultságokkal rendelkeznek a hálózatban.
| Alacsony sebességű kommunikáció, elsősorban a karosszéria és komfort elektronikai eszközök számára kifejlesztve.
4. Mit jelent a CAN-hálózatoknál alkalmazott multi-master elv?
| Azt jelenti, hogy egyszerre több vezérlőegység rendelkezik irányító szereppel.
| Az egyes vezérlőegységek fontosságuk szerint vannak besorolva a hálózatba.
| Egy központi vezérlőegység van a hálózatban, a többi alárendelt szerepet tölt be.
| Az összes vezérlőegység egyenértékű, egyiknek sincs prioritása a másik felett.
5. Melyik üzeneteket fogadják és ellenőrzik a buszrendszer vezérlőegységei a CAN hálózaton?
| Csak az adott vezérlőegységnek küldött üzeneteket.
| Az összes elküldött üzenetet.
| A legnagyobb prioritású üzeneteket.
| Csak a master által küldött üzenetet fogadják és ellenőrzik a slave egységek.
6. Egyszerre 4 vezérlőegység próbál egyidejűleg üzenetet küldeni a CAN buszon. Mi történik ilyenkor?
| A buszvonalon adatütközés következik be.
| Mind a 4 vezérlőegység üzenete felkerül a buszra és azt fogadja és ellenőrzi minden egység.
| Csak a legmagasabb prioritású üzenet marad a buszon.
| Mind a 4 vezérlőegység üzenete felkerül a buszra, de csak a címzettek fogadják és ellenőrzik a többi egység.
7. Mire szolgál az üzenetek azonosítója (identifier)?
| A master vezérlőegység ezek alapján címzi a slave egységeket.
| Az üzenet tartalmát és prioritását jelzi.
| A buszhozzáférési jogokat vezérli.
| Az egyéb buszhálózatokkal történő kommunikáció során jelzi, hogy milyen típusú hálózatból érkezett az üzenet.
8. Mi a feladata a Transceivernek a CAN vezérlőegységben?
| A transceiver a küldendő logikai jelsorozatot buszképes feszültségjelekké alakítja, illetve fogadás esetén ugyanezt teszi fordítva.
| Üzenet fogadás során ellenőrzi annak prioritását.
| Ellenőrzi, hogy tartalmaznak-e hibát az üzenetek.
| A vezérlőegység izolált tápellátását biztosítja.
9. Mekkora a high-speed CAN buszhálózat CAN-High vezetékének a nyugalmi feszültsége?
| 2,5 V
| 1 V
| 3,5 V
| 5 V
10. Melyik állítás igaz a high speed CAN buszhálózat fizikai kialakítására?
| A buszhálózat 4 vezetékes, és nem tartalmaz lezárást.
| A buszhálózat egy csavart érpárból áll, amely árnyékolt vagy árnyékolatlan lehet és 120 ?-os lezáró ellenállás van a két végén.
| A kommunikáció 1 vezetéken keresztül történik.
| A kommunikáció 2 csatornán zajlik, amelyek egy-egy csavart érpárból állnak, és 100 ?-os lezáró ellenállásokkal vannak lezárva.
11. Miért előnyös a FlexRay hálózat idővezérelt rendszere?
| Mert a nagyobb prioritású üzenetek gyorsabban célba érnek.
| Mert így nincs szükség a hálózaton lévő vezérlőegységek szinkronizálására.
| Mert ezzel a módszerrel biztosítható az adatok valós idejű (real-time) átvitele.
| Mert így másodpercenként pontosan 100 üzenet továbbítható a buszhálózaton.
12. Mi a kétcsatornás kommunikáció elsődleges célja a FlexRay hálózaton?
| A buszhálózaton történő kommunikáció zavarvédettségét növeli.
| Az üzenetek átviteli sebességét növeli.
| Nincs szükség az üzenetek címzésére a buszon történő kommunikáció során.
| A kétcsatornás kommunikáció lényege a redundancia biztosítása, ami a hibamentes adatátvitelt biztosítja.
13. Melyek a legfontosabb alkalmazási területei a FlexRay kommunikációs rendszereknek?
| A mechanikus működtető egységeket nélkülöző, ún. X-by-Wire vezérlési rendszerek.
| A karosszéria és komfort elektronikai vezérlési funkciók megvalósítása.
| Alacsony sebességű, nem valós idejű vezérlési feladatok.
| Multimédiás tartalmak továbbítása optikai kábelen keresztül.
14. Mi a lényegi különbség a FlexRay hálózaton az üzenetkeret statikus és dinamikus szegmense között?
| Az üzenetek tartalmának fontossága alapján történik meg a statikus, illetve a dinamikus szegmens igénybevételének felosztása.
| A statikus szegmensben az üzenettovábbítás szinkron üzemmódban, a dinamikus szegmensben aszinkron módban történik. Ez utóbbiban az üzenetek sorolása tartalmi fontosságuk szerint történik.
| Az üzenetkeret statikus részében történik meg a vezérlőegységek szinkronizálása és a dinamikus szegmens szolgál a tényleges üzenetküldésre- és fogadásra.
| A statikus szegmens csak adatok, a dinamikus szegmens csak multimédiás tartalmak továbbítására szolgál.
15. Mi a szerepe a FlexRay hálózatban a buszvédelemnek?
| Megakadályozza a külső forrásokból származó zavarok rendszerbe jutását.
| Megakadályozza a más típusú kommunikációs hálózatokból érkező üzenetek bejutását a FlexRay vezérlő egységbe.
| A megfelelő jelszinteket állítja elő az adatok buszra küldése, illetve fogadása esetén.
| A buszvédelem gondoskodik arról, hogy a buszvonalon ne következhessen be adatütközés.
16. Miért előnyös a FlexRay hálózat idővezérelt rendszere?
| Mert a nagyobb prioritású üzenetek gyorsabban célba érnek.
| Mert így nincs szükség a hálózaton lévő vezérlőegységek szinkronizálására.
| Mert ezzel a módszerrel biztosítható az adatok valós idejű (real-time) átvitele.
| Mert így másodpercenként pontosan 100 üzenet továbbítható a buszhálózaton.
17. Mi a fő alkalmazási területe a MOST kommunikációs rendszernek?
| Elsősorban multimédiás tartalmak továbbítására használják a gépjárművekben.
| Gyors, közel valósidejű adatátvitel a gépjármű hajtáslánc elemeinél.
| Egy költséghatékony, egyvezetékes buszhálózat a gépjármű karosszéria és komfort elektronikus rendszerei számára.
| Magas biztonsági követelményeket kívánó, redundáns adatátvitelt igénylő feladatok megvalósítása során használják elsősorban X-by-Wire rendszereknél.
18. Hogyan történik az adattovábbítás a MOST hálózaton?
| A multi-master elv szerint történik, tehát minden vezérlő egyenrangú a hálózaton.
| A vezérlőegységek csillag topológia szerint csatlakoznak a hálózathoz, a csillag közepe pedig a master egység.
| A master egység alkotja meg az üzenetkereteket és adja ki a parancsjeleket a gyűrűben lévő vezérlőegységek felé, az adattovábbítás mindig csak egy irányban történhet.
| Az adatokat redundáns módon, két csatornán kerülnek továbbításra a buszhálózaton.
19. Mi a legfontosabb előnye a digitális jelek optikai kábelen történő továbbításának?
| Az optikai kábelek szerelésénél nem kell külön előírt követelményeket betartani.
| Az optikai kábelek lényegesen olcsóbb alternatívái a rézvezetékből felépülő hálózatoknak.
| Az optikai kábel kevésbe sérülékeny a rézvezetékekhez képest.
| Nagy adatátviteli sebesség mellett sem keltenek, sem érzékelnek elektromágneses zavarokat.
20. Melyik kommunikációs buszhálózatot fejlesztették ki kifejezetten az X-by-Wire rendszerek számára?
| MOST
| CAN
| LIN
| FlexRay