Шина, накачанная электронами

Традиционная проводка шаг за шагом сдает позиции, и на смену километровым жгутам приходят электронные цифровые шины данных. Одна из самых распространенных – CAN (Controller Area Network – сеть контроллеров).

РОЖДЕННАЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Большинство цифровых шин пришли из компьютерной отрасли, однако CAN – исключение. Ее изначально разрабатывали для автомобилей и уж потом стали использовать в других областях.

Все началось в 80-х годах прошлого века в Германии, в недрах инженерного отдела компании «Бош». Уже в 1986 году готовый продукт показали на выставке SAE в Детройте. Кстати, тогда имя этой шины было Automotive Serial Controller Area Network (автомобильная последовательная сеть контроллеров).

Новинкой заинтересовались автогиганты и производители микропроцессорного обеспечения. Сначала компания «Интел» еще на стадии разработки CAN предложила свои услуги по выпуску микрочипов для контроллеров. Потом к делу подключились другие производители электроники – «Филипс», «Сименс», «Нек» и «Моторола». Сегодня CAN-компоненты выпускает множество фирм по всему миру.

Преимущества CAN-шины перед классической схемой электрооборудования очевидны. Например, удешевление сборки на конвейере. Кроме того, CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя компонентов. Универсальная проводка подойдет и для разных комплектаций одного автомобиля – дополнительные устройства просто подключаются к нужным разъемам.

Цифровая передача данных значительно надежнее обычной аналоговой – шина лучше защищена от помех, контакты надежнее изолированы от внешних воздействий. Представьте, чем обернется окислившийся или просто «слабый» контакт в цепи подушки безопасности или электроусилителя руля.

Под новые стандарты подстраиваются и сторонние производители дополнительного оборудования. Например, в напичканной электроникой иномарке подключить противоугонную систему по старинке, врезавшись в цепь, порой просто невозможно. Поэтому выпускают специальные адаптеры для автомобилей разных марок.

В 2002 году тольяттинская компания «Технополис» совместно со столичной «Альтоникой» попытались адаптировать CAN-шину для отечественных моделей, представив вариант интерфейсной системы управления (ИСУ) для «Лады-110». По некоторым признакам (например, напряжению 42 В) можно предположить, что в основе лежит немецкая технология и импортная элементная база. Но разработка пока не прижилась. Возможно, более современная электронная начинка появится на перспективных моделях.

АРБИТРАЖНЫЙ СУД

[caption id="attachment_193446" align="aligncenter" width="150" caption="CAN-шина в электромеханических тормозах БМВ:

1 – блок управления; 2 – электронная педаль газа; 3 – аккумулятор;

4 – исполнительный механизм и датчик вращения колеса;

5 – шина данных; 6 – питающий провод.

"]

[/caption]CAN-шина относится к типу последовательных шин. Данные передаются бит за битом, из них складываются так называемые кадры – основные информационные единицы. Для последовательной передачи нужно минимальное количество проводников. Чаще всего используют двухпроводную витую пару или однопроводное соединение, где функцию второго проводника, как в обычной автомобильной электросхеме, выполняет кузов («масса»). Проводником могут служить также радиоканал, инфракрасное излучение или оптоволокно. В результате запутанная схема с толстенными жгутами и многочисленными подключениями уступает место единственному проводу со стандартными разъемами.

CAN – мультимастерная шина, то есть без центрального управляющего устройства. Все подключаемые электронные блоки (или контроллеры) равноправны – любой имеет доступ к передаваемым данным и может сам передавать. Контроллеры отслеживают информацию по принципу «слушаю всех», то есть каждый читает все проходящие по шине кадры, но принимает лишь адресованные ему данные. Например, блок управления климатической установкой пропустит мимо «ушей» ненужные сигналы от датчика уровня топлива или ABS, а считает только необходимые сведения о температуре забортного воздуха, охлаждающей жидкости, оборотах двигателя и т.д.

Другой принцип общения на шине позаимствован из компьютерных сетей и называется «один говорит – остальные слушают». Единовременно передавать данные может только один контроллер. Если вмешивается еще кто-то, конфликт разрешает служба арбитража. Работает она по такому алгоритму. Каждый из контроллеров сравнивает бит, передаваемый на шину, с битом другого блока управления. Если значения этих битов равны, то оба контроллера переходят к сличению следующей пары. И так до тех пор, пока биты не будут отличаться. Приоритет получает тот контроллер, который пытался передать логический ноль – другой блок управления ждет, пока шина не освободится.

МЕТРЫ И БИТЫ

Теоретически шину можно сделать любой длины и разместить на ней сколько угодно контроллеров. Однако на практике ограничивают и то, и другое. Первое связано с тем, что скорость распространения сигналов не бесконечна, а все электронные блоки должны получать информацию одновременно. Поэтому быстродействующие шины делают короткими – длиной не более 10 м, чтобы получить предельную скорость 2 Мбит/с.

Нет смысла и вешать на одну шину много контроллеров (обычно не более 64). Целесообразнее проложить несколько независимых цепей, ведь не все системы требуют максимального быстродействия CAN. Например, в новом «Опеле-Вектра» установлены три шины, работающие с разными скоростями. Жизненно важные устройства и системы (ABS, ESP и блок управления двигателем) подключаются к скоростной магистрали с пропускной способностью 500 кбит/с. Менее быстрые и важные приборы (радио, монитор на центральной консоли, система навигации и кондиционирования) завязаны на другую шину со скоростью 95,2 кбит/с. Для остальных «медленных» устройств (дверных замков, систем освещения, стеклоподъемников) отвели третью шину с «модемной» скоростью – 33,3 кбит/с.

Электроника стремительно дешевеет – скоро цифровые устройства и шины появятся на всех автомобилях. Обычная проводка будет встречаться только на олдтаймерах. А если в разговоре встретится слово «шина», наверное, понадобится уточнение – наполненная воздухом или электронами?

Каждый день в мире производится более 100 000 блоков ABS и почти половина из них с CAN-интерфейсом.

В 1999 году фирма «Бош» выпустила миллионный модуль ESP с CAN-интерфейсом.

В 1999 году на автомобиле «Мерседес-Бенц» S-класса появилась первая в мире система пуска двигателя без ключа Keyless Go, которая использовала CAN-интерфейс для связи с блоком управления.

В том же году фирма «Хелла» встроила в свою продукцию более 15 миллионов CAN-чипов. Кстати, стоп-сигнал, изменяющий яркость в зависимости от нажатия на педаль, требует надежной связи с тормозной системой и ABS – ее идеально обеспечит CAN-шина.