Datakommunikation i fordon Björn Saete Datateknik Jonas Sjöquist 790211-6677 Datavetenskap
Datakommunikation i fordon En växande trend inom fordonsindustrin är att mekaniken ersätts av elektronik, en modern bil kan idag innehålla ett 30-tal olika mikroprocessorbaserde elektronikboxar, dessa boxar kallas för ECU:er (Electronic Control Unit). Dessa ECU:er hanterar alltifrån elfönsterhissar till motorstryrning och antisladdsystem. Förutom att ersätta mekaniska funktioner styr elektroniken även en rad underhållnings- och informationsfunktioner i våra fordon. Nedan presenteras en översikt av några av de vanligaste protokollen som används inom fordonsindustrin idag för att få dessa system att kommunicera i ett nätverk. En lite längre beskrivning av de olika protokollen följer sedan. Översikt SAE J1850 J1850 kom till efter ett samarbete mellan Ford, GM och DaimlerChrysler. 1994 blev J1850 antaget av SAE (Society of Automotive Engineers) som standard protokoll för klass B nätverk. Klass B nätverk är en av SAE:s tre olika klasser för nätverk i fordon, klass B stödjer datahastigheter på upp till 100 KB/s. Idag används J1850 för diagnostik och data överföring. LIN LIN är ett billigt seriellt kommunnikationsprotokoll, baserat på ett master/slave koncept som är avsett för distribuerade system i fordon. Systemet är konstruerat för att koppla samman noder med låga kommunikationsbehov och är inte avsett att ersätta avancerade nätverk som CAN. CAN CAN-standarden (Controller Area Network) är ett protokoll som beskriver en entrådig, seriell busskommunikation. CAN lanserades officiellt 1986, men först 1993 introducerades det som ISO-standard. 1992 rullade den första serieproducerade bilen som uttnyttjade CAN från Mercedes fabriker. CAN har idag ett starkt stöd och används idag i princip av alla fordonstillverkare, både inom persontrafik och transportsektorn. Dessutom används CAN för många olika tillämpningar inom områden såsom tågtrafik, medicin och automation. MOST Informationssamhällets framväxt har ställt helt nya marknadskrav på fordonsindustrin under senare år. Telefon, CD, ipod, TV, DVD och navigation är bara några exempel på informations-, kommunikations- och underhållsrelaterade system som går att få levereade i nya bilar om man vill ha dem. Dessa system ställer stora krav vad det gäller bandbredd, dessutom är de flesta systemen tillbehör som beställs i efterhand eller optioner som byggs in i bilen då den produceras. Dessa problemställningar drev industrin in i den process som till slut ledde fram till Media Oriented System Transport - MOST.
SAE J1850 J1850 är framtaget av SAE (Society of Automotivve Engineers) och används huvudsakligen i amerikanska biler. Varje nod i J1850 nätverket kan sända på lika villkor, J1850 är masterless. Varje nod har en unik fysisk adress och en funktionell. Med hjälp av en funktionell adress kan ett meddelande sändas till flera noder på samma gång, flera noder kan ha samma funktionella adress. J1850 stöder två olika moduleringsalternativ, ett 41.6 Kbit/sek PWM (Pulse Width Modulation) och ett 10.4 Kbit/sek VPW (Variable Pulse Width) alternativ. Arbitrering J1850 ger nätverksallokering till varje nod genom arbitrering. J1850 bussen är en asynkron, master-less, peer-to-peer protokoll som ger lika nätverksacess för varje nod. En sändande nod broadcastar sitt meddelande, detta innebär att inte enbart andra noder hör meddelandet, den sändande noden hör sitt eget meddelande. Eftersom J1850 är asynkront tvingas alla sändande noder bestämma när en sändning kan börja, och de kan inte använda sig av förutbestämd tid mellan meddelandena. J1850 använder CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Resolution) för arbitreringen. När en nod vill sända lyssnar den först på bussen så att den är i idle läge innan den sänder. Om bussen är upptagen väntar noden med att sända tills det nuvarande meddelandet är sänt. Detta är Carrier sense delen. Multiple Access betyder att mer än en nod kan börja sända samtidigt, eftersom en sändande nod kan höra sitt eget meddelande när det sänds kan den avgöra om den har förlorat arbitreringen eller inte. Om en sändande hör en hög signal när den sänder en låg vet den att den har förlorat arbitreringen och börjar ta emot meddelandet som sänds. Detta är Collision Resolution delen. Arbiteringen sker under hela meddelandet, och eftersom den segrade noden har sänt höga signaler på bussen då den vunnit är bevaras integriteten på meddelandet. Frame layout SOF Header Data field CRC EOD Optional IFR data field Optional CRC IFS Message frame, Max 12 bytes EOF IFS En J1850 frame består utav skiljesymboler och data bytes. Den maximala frame storleken är 12 bytes, skiljesymboler exkluderat. Första delen är header, här finns bland annat information om vilken/vilka noder som är mottagare, om svar (In-Frame Response) skall skickas eller inte. Sedan kommer datafältet, den sista byten i datafältet är en CRC-byte. Om In-Frame Response är begärt kommer mottagande noder börja sända sina svar efter EOD (End of Data) symbolen. In-Frame Response kan se ut på flera olika sätt, antingen kan det vara en byte ifrån en nod, en byte ifrån flera noder eller flera byte ifrån en nod. In-Frame Response tillsammans med datan inte överstiga 12 bytes. 2 1 0 1 2
Nätverket kan max vara 35 meter långt, maximalt antal noder är 32 stycken. Använder man sig av VPW metoden för att koda bitinformationen erhåller man en av de lägst strålande kodningsscheman som finns.
Local Interconnect Network (LIN) Lin, utvecklat av LIN Consortium är speciellt framtaget för kostnadseffektiv kommunikation mellan olika enheter i ett fordon. Exempel på enheter är dörrar, ratt, säten, klimatanläggningar, regnsensorer, fönsterhissar och ljus. LIN används där bandbredden och mångsidigheten i CAN inte behövs. Ett LIN nätverk består av en LIN Master och ett antal LIN Slaves. I ett aktivt LIN-nätverk initierar LIN Master all kommunikation, LIN Master skickar en header bestående av synkroniseringsuppehåll, en synkronersingsbyte och en identifierare för meddelandet till en slav. När en slav mottagit header börjar den skicka ett svar, svaret kan vara två, fyra eller åtta data bytes och en checksum byte. Header och svarsdelen utgör ett meddelande. Meddelandet skickas sedan ut för att mottagas av någon enhet. Synkroniseringsmekanismen är en speciell finess hos LIN, denna mekanism ger möjlighet till klockning av slavnoder utan behov av kristalloscillatorer eller keramiska resonatorer. Om ett meddelande skall accepteras bestäms av enheterna själva (reciever-selective system). Detta gör det möjligt för ett meddelande att bli mottaget av en, flera eller alla enheter. Endast ett medellande skickas på nätveket vid en given punkt, så det behövs ingen mekanism för att hantera kollisioner, det är omöjligt att kollisioner inträffar. Felhantering LIN protokollet erbjuder två mekanismer för att upptäcka sändningsfel, paritet och checksummor. Felaktiga medellande ses som osända, upptäckta fel sparas i en särskild enhet och kan läsas av LIN Master. Fel är inte signalerade av protokollet, om ett kommunikationsfel uppstår beror felhanteringen på system kraven och måste tas hand om i applikationslagret. Begränsningar Nya noder kan läggas till eller tas bort från nätverket utan att hård- eller mjukvara måste modifieras, men att ha för många noder kan påverka hastigheten och bör undvikas. Antalet noder på ett nätverk är begränsat till 16 stycken och längden till 40 meter. LIN protokollet är specifierat för datahastigheter från 1 Kbit/sek upp till maxhastigheten på 20 Kbit/sek.
CAN CAN, Controller Area Network, utvecklades ursprungligen för bilindustrin av Bosch i början av 80-talet. Det är ett seriellt buss-system med halv duplex och erbjuder två olika möjligheter till kommunikation. Sändning av ett meddeland samt förfrågan att få ett meddelande. Alla andra service som feldetektering och återsändning av förlorade meddelanden m.m är osynligt för användaren och sköts automatiskt av CAN-kontrollern. CAN hanterar Data-Link-lagret i OSI-modellen och kan därför gämföras med hur vi människor använder ett alfabete. Användaren av ett CAN-nätverk måste själv bestämma vilket protokoll som ska användas för de högre nivåerna. All trafik på nätverket är s.k. broadcast, dvs. ett meddelande som skickas kan tas emot av alla noder. Dessa noder avgör sedan individuellt om meddelandet var till dem eller inte. Flera noder kan agera bus-master vilket leder till högre redundans. Även om en nod går ner kan nätverket fortfarande fungera. CAN var från början avsett för bilindustrin men idag används det inom många andra områden. Exempel på dessa är tåg, flygplan, hissar, fabriker och I medicinska instrument. CAN i bilar I Europa har CAN länge varit den ledande tekniken för IVI (In-Vehicle Network) för motorstyrning, kontroll av dörrar, tak och fönster, luftkonditionering samt för multimedia. För det sistnämnda har MOST som också beskrivs i denna rapport blivit ett starkt alternativ. På senare tid har även biltillverkare i USA och mellanöstern börjat implementera CAN i sina bilar. Beroende på vilka krav man har har dessa nätverk överföringshastigheter på omkring 125kbps upp till 500kbps. Flera olika nätverk kopplas samman via gateways där ickekritiska tillämpningar är kopplade till den långsammare och billigare delen. Protokoll Varje meddelande som skickas har ett unikt meddelande-id och skickas till alla noder på nätverket. Detta ID definierar innehåll och också prioritet. Det går enkelt att lägga till nya noder till ett nätverk utan att göra några förändringar i existerande hård och mjukvara så länge som de endast agerar mottagare. För att lägga till sändare måste bl.a prioriteringsordningar göras om, se nedan. I realtidstillämpningar kan det skilja mycket i hur snabbt ett meddelande behöver levereras. Data för motorstyrning behöver till exempel uppdateras betydligt oftare än motortemperatur. Meddelanden har därmed olika prioritet beroende på vilken typ de är. Det bestäms av dess ID och de med lägst värde har högst prioritet. Detta bestäms under systemdesignfasen och kan ej ändras dynamiskt. CAN protokollet stödjer två olika typer av format på meddelandet (frame) där den enda egentliga skillnaden är längden på identifieraren. De två typerna heter CAN base frame och CAN extended frame. Ett meddelande (frame) börjar med en SOF-bit följt av ett Arbitration -fält. Detta består av medelandets ID samt RTR-biten som visar om det är ett meddelande som innehåller data
eller en förfrågan efter data. Därefter kommer fält som innehåller information om vilket format, base eller extended, meddelandet är i. Själva datafältet som följer kan innehålla upp till 8 bytes. För att kunna detektera fel finns sedan ett CRC-fält och Acknowledge. Det fysiska lagret Baskravet för att kunna skicka ett CAN-meddelande och för att noderna ska kunna konkurrera om bus-access är möjligheten för det fysiska mediet att kunna representera en dominant och en recessiv bit. Det är möjligt för optiska och elektriska medium. Det fysiska medium som är vanligast förekommande i ett CAN-nätverk är en differentiellt driven tvåtråds ledare med gemensam jord. I fordon används även enkelledare, speciellt för tillämpningar som inte behöver hög överföringshastighet. Arbete har gjorts för att försöka använda kablar för nätspänning även för CAN.
MOST Mängden elektronisk multimediautrustning i bilar har de senaste årtiondena ökat lavinartat. Från att du för 20 år sedan på sin höjd hade en stereo i bilen finns idag dvd-spelare, mobiltelefoner, färddator, navigationssystem och mycket mer. Det är en stor fördel om alla dessa komponenter kan kommunicera med varandra. Till exempel bör volymen på stereon sänkas då ett telefonsamtal äger rum eller telefonens handsfree ska fungera via samma ljudutrustning som stereon och dvd-spelaren utnyttjar. Dessutom skall du enkelt kunna styra allt från en central plats, exempelvis en tryckkänslig skärm på instrumentbrädan. Industrin insåg på 90-talet att det var nödvändigt att arbeta fram en standard för hur enheter skall kommunicera med varandra. 1998 gick BMW AG, DaimlerChrysler AG, Harman Becker Automotive Systems GmbH och OASIS SiliconSystems AG samman och skapade MOST cooperation. Idag är det en världsvid organisation med över 80 medlemmar som använder och utvecklar tekniken. MOST Media Oriented Systems Transport MOST är i grunden ett fiberoptiskt nätverk byggt i en ringtopologi. Det är helt synkront och en timingmaster distribuerar den klocka som alla enheter anpassar sig efter. Då detta framför allt är ett nätverk för multimediaapplikationer är MOST optimerat för streaming data. Det finns både kontroll och datakanaler och kontrollkanalen används för att bestämma vilken datakanal sändaren och mottagaren skall använda. När detta är gjort kan data flöda oavbrutet och ingen mer bearbetning av paket är nödvändigt. Naturligtvis finns även effektiva mekanismer för att sända paketbaserad data asynkront till många olika mottagare, typiskt internettrafik eller data från ett navigationssystem. För att olika tillverkare lätt ska kunna utveckla nya produkter som kan kommunicera med varandra måste allt från hårdvaran upp till applikations-lagret vara väl specificerat. Så är också fallet. MOST specificerar all 7 lager i OSI referensmodell. Det gör att utvecklare kan koncentrera sig på funktionalitet och inte behöver spendera mycket tid med att förstå den underliggande teknologin. Upp till 64 enheter kan anslutas. Du har en garanterad synkron överföringshastighet på upp till 24Mbps och en variabel asynkron överföringshastighet på 14.4Mbps.
Förutom att enheter som är tillverkade enligt MOST kan kopplas in och direkt tack vare plug n play kan kommunicera med varandra kan även andra enheter som använder helt andra protokoll också utnyttja samma nätverk. Till exempel kan en PDA och en laptop kommunicera över MOST via TCP/IP som normalt utan att störa eller störas av den övriga trafiken. Applikationer Ett exempel på en mycket enkel applikation är en mikrofon och en högtalare. Microfonen kopplas via en AD-omvandlare till en MOST tranceiver. En HMI, Human Machine Interface, som är en central master i nätverket konfigurerar tranceivern för att ta emot data. Den data kan direkt streamas vidare till en annan tranceiver som är kopplad till en DA-omvandlare och vidare till en högtalare. Ett annat exempel är en videokamera som för över digital video till MOST-nätverket via en MPEG-kodare och en tranceiver. Funktionsblock Alla MOST-enheter är uppbyggda av olika funktionsblock. Ett funktionsblock är till exempel en CD-spelare. En enhet kan ha flera funktionsblock, så som en kombinerad CD-spelare/ förstärkare/radiomottagare. Förutom dessa block, som också kallas applikationer, finns ett speciellt funktionsblock, NetBlock, som hanterar funktioner som rör hela enheten. Enheten är ansluten till nätverket via en MOST Network Interface Controller, NIC. Ett funktionsblock har en eller flera funktioner. I exemplet med CD-spelaren skulle detta var stop, play, eject m.fl. För att kommunicera med ett funktionsblock anger man på applikationsnivå funktionsblocket ID, vilken funktion man vill komma åt samt vad man vill göra. Detta på formen FBlockID.FktID.OPType (Data). Varje funktionsblock har fått ett specifikt 8-bitars id. 0x26 för mikrofon, 0x34 för DVD-spelar och så vidare. Dessa block som har en bestämmd funktion måste i sig innehålla vissa specifika funktioner. Dessutom kan tillverkaren välja att lägga till ytterligare funktioner efter behov.
Systemspecifika funtionsblock finns så varje biltillverkare har möjlighet att tillsammans med underleverantörer utveckla egna applikationer utan att vara bunden av de förbestämda blocken. Det finns tre typer av funktionsblock. De som alltid kontrolleras av andra kallas slavar, de som kan interagera med användaren kallas HMI, Human Machine Interface, och de som kontrollerar andra block kallas för kontroller. Enheter består ofta av två eller alla tre typer av block. Sammanfattning MOST verkar vara mycket väl genomtänkt, har mottagits väl av marknaden och har kapacitet att bli den ledande nätverkstekniken för multimedia i fordon. Då tekniken är relativt ny kan endast framtiden avgöra hur stort genomslag den får men det ser lovande ut så här långt.