A közúti járművek elektromos rendszerei, kommunikációs hálózatai

Átírás

1 A közúti járművek elektromos rendszerei, kommunikációs hálózatai Dr. Szalay Zsolt Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék 1

2 Egy személygépkocsi elektromos rendszere 1974-ben 2 2

3 Egy személygépkocsi elektromos rendszere 2004-ben elektromos alkatrész 61 vezérlőegység (ECU) 3 CAN busz 35 vezérlőegység Kb jel 250 CAN üzenet Optikai busz 3 3

4 Egy személygépkocsi elektromos rendszere Hány sor szoftver forráskódót tartalmaznak? Lockheed F-22 Raptor fighter 2 million LOC* Boeing 787 Dreamliner 7 million LOC* 4 High-end passenger car 100 million LOC** 4

5 Rendszerek összehasonlítása Hány sor szoftver forráskódót tartalmaznak? 5 *Forrás: Car Software: 100M Lines of Code and Counting 5

6 Járműelektronikai trendek Közúti járművek elektronika tartalma 6 6

7 Autóipari kommunikáció 7

8 Vezérlőegységek hálózata ECU Electronic Control Unit 8 8

9 Információcsere Multiplex kommunikáció 9 9

10 Információcsere Multiplex kommunikáció Ha egyszerre több ember beszél, akkor nem értjük, hogy mit mondanak. Ha a beszédjüket egy szabály határozza meg, akkor mindegyik mondanivalóját meg lehet hallgatni. Műszaki értelemben multiplex kommunikációról beszélünk, ha egy szabály szerint viszünk véghez sok párbeszédet. Más szavakkal ez egy lehetséges párbeszédi metódus számítógépek között. Gépkocsiknál a multiplex kommunikáció digitális kommunikáció útján zajlik

11 Digitális kommunikáció Analóg jel Ha a hőmérséklet érzékelő ellenállásának értéke változik, akkor az izzó erősebben vagy gyengébben világít. Más szavakkal az izzóra adott feszültség folyamatosan változik. Ezt a feszültségváltozást az analóg jelek váltják 11 ki. 11

12 Digitális kommunikáció Digitális jel Az izzó ki- vagy bekapcsol annak függvényében hogy a tranzisztor (kapcsoló) be/vagy ki van kapcsolva. Más szavakkal az izzóra jutó feszültség nulla vagy tápfeszültség lesz. Ezt a feszültséget a digitális jelek határozzák 12 meg. 12

13 Digitális kommunikáció Bináris adategységek Bit A bit az információ alapegysége A bitet bináris számmal lehet kifejezni és értéke 0 vagy 1. Byte Nyolc bit egy bájt (byte) 13 13

14 Digitális kommunikáció Bináris adatátvitel Logikai szintek számábrázolása 2-es számrendszer 16-os számrendszer Adatátvitel binárisan Kettes számrendszerbe történő átváltás 14 14

15 Digitális kommunikáció Bináris adatátvitel típusok Soros kommunikációnál több adatot egy kommunikációs csatornán egymás után lehet közvetíteni. Párhuzamos kommunikációnál egy adatot közvetítünk egy kommunikációs csatornán. A soros kommunikáció előnye, hogy kevés kommunikációs vonalon többféle jelet lehet továbbítani. 15 A multiplex kommunikáció a soros kommunikáció egy fajtája. 15

16 Digitális kommunikáció A soros kommunikáció fajtái Szinkron kommunikáció A szinkron-kommunikációnál két kommunikációs vonal szükséges, egy az órajelhez és egy az adathoz. Aszinkron kommunikáció Ha az adat 1-ről 0-ra, vagy 0- ról 1-re változik, akkor élváltás keletkezik a kommunikációs sorban. Minden élnél a fogadó oldal órája újraállítódik

17 Nyílt rendszerek összekapcsolása ISO 7498/OSI 7 szintű rétegrendszer 7. Alkalmazási réteg Rendszermenedzselési, alkalmazásmenedzselési funkciók 6. Megjelenítési réteg Információ ábrázolása, megjelenítése 5. Viszonyréteg Megjelenítési párbeszédek szervezése 4. Szállítási réteg Szolgáltatás optimalizálása, átlátszó átvitel 3. Hálózati réteg hálózati címek, hálózati azonosítók 2. Adatkapcsolati réteg Adattovábbítás, forgalomvezérlés 1. Fizikai réteg 17 Mechanikai, villamos eszközök 17

18 Átviteli közeg Példák fizikai rétegre Sodrott érpár UTP STP Koaxiális kábel Optikai kábel (POF) Rádióhullám 18 18

19 Hálózati topológiák Példák hálózati elrendezésekre 19 19

20 Autóipari kommunikáció Kommunikációs rendszerek csoportosítása 20 20

21 Autóipari kommunikáció Kommunikációs rendszerek csoportosítása 21 21

22 CAN Controller Area Network 22

23 CAN busz Motiváció 80-as évek eleje Megnövekedett az elektronika a gépjárművekben 2000 m hosszú, kb. 100 kg tömegű kábelek Sok opcionális felszereltség egy középkategóriás járműben is 600 különböző fajta kábelezés Busz rendszerű kommunikáció Magas szintű elektromágneses zavarvédettség Nagy megbízhatóság Valós-idejű a gyors folyamatok miatt (Gyújtás, ABS) Alacsony költség tömeggyártás esetén Bosch, Intel, Mercedes cooperation Prof. Dr. Lawrenz CAN February SAE congress Detroit 23

24 CAN busz Történelem CAN - Controller Area Network A Bosch megkezdi a CAN-busz fejlesztését A protokollt hivatalosan bemutatják az SAE kongresszusán Detroit-ban Az első CAN vezérlő áramkörök piacra kerülése (Intel és Philips) 1991 A Bosch kiadja a CAN 2.0 specifikációját ISO szabvány létrehozása a CAN kommunikációra vonatkozóan (ISO 11898) 24 24

25 CAN busz A CAN busz kommunikáció rétegszerkezete A ISO szabvány szerint a CAN a fizikai és az adatkapcsolati réteget valósítja meg CAN ISO => CAN protokoll => HS-CAN => FT-CAN SAE J2411 => SW-CAN 25 25

26 CAN busz CAN magasabb szintű protokollok (HLP) CAN által megvalósított funkciók Latin betűk az emberek közti kommunikációban Magasabb szintű protokollok Megengedett szavak, nyelvtan Alkalmazási profilok Kifejezések gyűjteménye CANopen DeviceNet SAE J1939 SDS CANKingdom SeaCAN CANaerospace 26 MilCAN 26

27 CAN busz CAN busz hálózat felépítése 27 27

28 CAN busz CAN busz csomópontok (node) felépítése Forrás: Schön András 28 28

29 CAN busz CAN busz jelszintek 29 29

30 CAN busz CAN busz jelszintek 2-vonalas differenciális átvitel Logikai szintek:

31 CAN busz CAN adatkeret felépítése 31 Forrás: Stock flight Systems 31

32 CAN busz CAN kommunikációs keretek Funkció szerint Adatkeret (Data Frame) Adatkérő Keret (Remote Frame) Hibakeret (Error Frame) Túlterhelést jelző keret (Overload Frame) Formátum szerint Standard Adatkeret (Standard Data Frame) Kiterjesztett Adatkeret (Extended Data Frame) 32 32

33 CAN busz CAN busz arbitráció Forrás: Stock flight Systems 33 33

34 CAN busz Fizikai hibák a buszon 1. CAN_H szakadása 2. CAN_L szakadása 3. CAN_H vezeték tápzárlata 4. CAN_L földzárlata 5. CAN_H vezeték földzárlata 6. CAN_L vezeték tápzárlata 7. CAN_H és CAN_L vezetékek rövidzárja 8. A CAN busz teljes szakadása 9. Lezáró ellenállás leszakadása 10. Topológiai hibák 34 34

35 CAN busz Hibadetektálás és javítás A CAN protokoll többféle hibadetektálási funkcióval biztosítja a kommunikáció megbízhatóságát. Az üzenetben található CRC Javítási funkció (amit újraküldéssel old meg) Ha hibát észlel a rendszer és nem javul a javítás után sem, akkor leáll a kommunikáció. Ezt az állapotot Bus off -nak (lekapcsolódás a buszról) nevezik

36 További kommunikációs rendszerek 36

37 Autóipari kommunikáció Kommunikációs hálózatok bővülése 37 37

38 LIN Összefoglaló LIN Local Interconnect Network 1999 Megalakul a LIN konzorcium (BMW, DaimlerChrysler, Audi, Volvo, Motorola, VW, Volcano) Cél: Kommunikáció kevésbé összetett hálózatok számára, ahol a CAN hálózat drága 2002 Az első LIN specifikáció kiadása, LIN V LIN V

39 MOST Összefoglaló MOST Multimedia Oriented Systems Transport 2000 A BMW és a DaimlerChrysler vezetésével létrejön a konzorcium (, Motorola, Philips) Cél: Autóipari audio, video, navigáció és telekommunikációs hálózat létrehozása 2004 MOST V2.3 specifikáció kiadása (MOST25) 2008 MOST MOST Publikáció 5 Gb/s MOST 39 39

40 FrexRay Összefoglaló Nagysebességű (10 Mbit/s hibatűrő üzemmódban) Szinkron és aszinkron fedélzeti kommunikáció Biztonságkritikus (Az adatátviteli megbízhatósága elsődleges) Determinisztikus (idő vezérelt) Redundáns (Fail-operational) adatátvitel 40 40

41 CAN FD busz Összefoglaló CAN FD - Controller Area Network Flexible Data-rate A Bosch megkezdi a CAN FD fejlesztését Adatátviteli sebesség már nem limitált 1 Mb/s-ban Adattartalom nem limitált 8 byte-ban hanem 64 byte lehet Ha csak egy csomópont ad akkor a bit ráta megemelhető Arbitrációs fázis - topológiához kötött bit ráta Adat fázis - kötetlen bit ráta 41 41

42 Bluetooth Autóipari alkalmazások Tilos a mobiltelefonok kihangosító nélküli használata gépjárművekben CWG (Car Working Group) Hands-Free Profile (HFP) Phonebook Access Profile (PBAP) SIM Access Profile (SAP) 2005 HFP V1.5 Akkumulátor töltöttségi státusz Kimenő és fogadott hívások kezelése Hozzáférés a mobiltelefon telefonkönyvéhez Újrahívás Hangerőszabályozás 42

43 OPEN Alliance OABR - BroadR-Reach Ethernet Technology OPEN One Pair Ethernet Network Simultaneous access to in-vehicle systems over a single UTP cable Infotainment Automated driver assistance On board-diagnostics 43 43

44 LVDS LVDS Low Voltage Differential Signalling Compatibility with low supply voltages Low interference radiation, high interference immunity FPD-link - Flat Panel Display - link Simple cabling and termination Up to 2-3 Gb/s 44 44

45 WAVE WAVE Wireless Access in Vehicular Environments p - enhancements of (Wi-Fi) To support Intelligent Transportation Systems (ITS) applications V2X communication Vehicle to Vehicle V2V Vehicle to Infrasructure V2I Vehicle to Pedestrian V2P ITS band of 5.9 GHz ( GHz) Europe - ETSI ITS-G

46 Járműszimulátor fejlesztése a BME-n 46 46

47 Közúti járművek kiberbiztonsága Vehicle Cyber Security Challenges addressed in RECAR Liability how to program responsibility and liability into vehicles? Transparency of data handling and data access modes Privacy how to guarantee protection of personal data? Cyber Security how to prevent misuse of intelligent functions?

48 Köszönöm a megtisztelő figyelmet! Dr. SZALAY Zsolt, egyetemi docens zsolt.szalay@gjt.bme.hu Tel.: