Ethernet в авто: надежда на унификацию

Активное использование электроники в автомобилях началось еще в середине прошлого века, и с тех пор число электронных компонентов стремительно увеличивается. На смену все большему числу механических систем приходят электронные (например, вместо карбюраторов применяются инжекторные системы подачи топлива с электронным управлением), разрабатывается множество новых устройств, делающих передвижение на авто более удобным и безопасным. ABS, ESP, EPS, климат-контроль, круиз-контроль и т. д. — все это электроника. В автомобилях топ-уровня насчитывается до сотни различных электронных устройств.

Раньше электронные компоненты подключались «своими» проводами, что требовало огромного числа кабелей и разъемов. Это не только увеличивало вес автомобиля и снижало надежность (чем больше разнотипных разъемов, тем выше вероятность плохого соединения), но и усложняло техническое обслуживание автомобиля и его модернизацию (например, подключение сигнализации). Цветовая кодировка проводов разнилась не только от производителя к производителю и от модели к модели, но и в зависимости от года выпуска одной и той же модели.

Важным шагом по упрощению и унификации автомобильной проводки стала разработка шины CAN, которая и сегодня наиболее часто используется в автомобилях (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Переход к общей шине вместо «индивидуального» подключения электроники к соответствующим контроллерам.

НАДЕЖНАЯ CAN

Работу над созданием сети контроллеров (Controller Area Network, CAN) начала в 1983 году компания Robert Bosch GmbH при участии специалистов Mercedes-Benz, а широкой общественности результат был представлен в 1986 году на конгрессе Сообщества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE) в Детройте. Эта шинная технология не предполагает наличия центрального мастера, а доступ к среде передачи предоставляется на основании приоритета сообщения. Приоритет определяется не каким-то специальным идентификатором, а содержанием сообщения. Контент служит и для идентификации получателя сообщения (адреса узлов, что типично для шинных технологий, в данном случае не применяются).

В 1987 году появились первые микросхемы с реализацией CAN: сначала их предложила компания Intel, а затем — Philips Semiconductors. В 90-е годы выпуском микросхем CAN занялись Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductors), Motorola, NEC и другие компании.

Начиная с 1992 года Mercedes-Benz использует технологию CAN в своих легковых автомобилях топ-уровня. Первым делом она была задействована для подключения элементов управления двигателем. Соответствующий контроллер (Engine Control Module, ECM) собирает со специальных датчиков большой объем информации (о положении и частоте вращения коленчатого вала, температуре охлаждающей жидкости, положении дроссельной заслонки, скорости автомобиля и пр.) и на ее основании управляет подачей топлива, системой зажигания, регулятором холостого хода, вентилятором системы охлаждения, другими процессами и устройствами. Затем Mercedes-Benz стала использовать CAN для подключения различной бортовой электроники, служащей прежде всего для повышения комфорта водителя и пассажиров (bode electronics). Это средства управления дверьми, зеркалами, освещением, регулировка сидений, климат-контроль и пр. При этом применялись две отдельные шины CAN, которые могли соединяться с помощью специального шлюза.

Вслед за компанией из Штутгарта технологию CAN стали применять и другие автопроизводители, такие как BMW, Fiat, Renault, Saab, Volkswagen, Volvo и др. Согласно имеющимся данным, при переводе на шину CAN легендарного купе BMW 850 его вес удалось уменьшить на 50 кг — за счет сокращения общей длины кабелей и количества разъемов.

В начале 90-х годов были инициированы работы по стандартизации технологии CAN. Помимо предложения Bosch, свою технологию Vehicle Area Network (VAN) представила группа французских производителей автомобилей (PSA Peugeot Citroën и Renault). Стандарты ISO на технологию CAN (ISO 11898) были опубликованы в 1993 году. Технология VAN специфицирована в стандарте ISO 11519-3 (скорость до 125 Кбит/с), выпущенном годом позже, но в итоге она не получила столь широкого распространения, как CAN. К сожалению, стандарт CAN, равно как и его последующие варианты и дополнения, является неполным, поэтому для гарантии совместимости различных продуктов рекомендуется тестировать их на соответствие референсной модели Bosch.

Первоначально в спецификации Bosch CAN, которая легла в основу стандарта ISO 11898-1, физический уровень не был определен. Впоследствии наибольшее распространение получили два его варианта: высокоскоростной CAN (ISO 11898-2, SAE J2284) и низкоскоростной (ISO 11898-3). Оба работают по витой паре, но если первый обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с, то второй — до 125 Кбит/с. Зато низкоскоростной вариант предусматривает возможность резервирования — то есть сохранение возможности передачи в случае частичного повреждения проводки. Высокоскоростной вариант CAN обычно применяют в системах управления двигателем, трансмиссией, коробкой передач — то есть для обеспечения эффективного функционирования основных узлов автомобиля (powertrain). А низкоскоростной — для бортовой электроники (body electronics).

LIN И FLEXRAY

Для ряда устройств пропускная способность даже низкоскоростной шины CAN является избыточной. Она не нужна там, где требуется лишь передать входные воздействия, получить ответную реакцию и проконтролировать состояние. Такие задачи возникают при управлении дверными замками, стеклоочистителями, стеклоподъемниками, электролюком, получении данных от датчиков дождя, света и пр.

В конце 90-х группой из пяти автопроизводителей (BMW, Volkswagen, Audi Group, Volvo Cars, Mercedes-Benz) при поддержке компаний Volcano Automotive Group и Motorola была инициирована разработка менее скоростной и дорогой (по сравнению с CAN) шинной технологии, получившей название Local Interconnection Network (LIN). В качестве физической среды передачи в системах LIN используется один провод, а максимальная скорость передачи данных составляет всего 20 Кбит/с.

Почти одновременно с созданием низкоскоростной и дешевой технологии LIN ряд автопроизводителей осознали потребность в более скоростной (опять-таки по сравнению с CAN) технологии передачи данных. Таковой стала FlexRay, появившаяся благодаря усилиям BMW (ее коммуникационная система Byteflight была положена в основу FlexRay) и DaimlerChrysler. В сентябре 2000 года эти компании совместно с Freescale и Philips образовали организацию FlexRay Consortium, нацеленную на продвижение одноименной технологии.

FlexRay обеспечивает скорость до 10 Мбит/с, то есть в 10 раз больше, чем CAN, и может работать как по электрической (витая пара), так и по оптической среде передачи. Для повышения отказоустойчивости эта технология предполагает использование двух линий передачи. Одно из главных приложений, на которое изначально ориентировали FlexRay ее разработчики, — системы, получившие в англоязычной литературе наименование X-by-Wire (или Drive-by-Wire).

Речь идет о замене механической и/или гидравлической связи между органами управления водителя (руль, педали…) и двигателем, колесами, тормозными колодками и пр. на электрическую связь (см. Рисунок 2). Вместо «X» в X-by-Wire можно подставить названия различных систем автомобиля, например «Brake», «Steer» или «Park», что означает соответственно управление тормозами, рулежкой или парковкой «по проводам». В настоящее время в серийных автомобилях применяются системы, где принцип X-by-Wire реализован лишь частично: это антиблокировочная система, электронный контроль устойчивости, электронное управление тягой и торможением в гибридных автомобилях, помощь при парковке. Однако переход к электронной цифровой системе управления автомобилем считается очень перспективным: только представьте авто без рулевой колонки и педалей в полу — какой простор для проектировщиков салонов!

Рисунок 2. Системы X-by-Wire (или Drive-by-Wire) предполагают замену механической и/или гидравлической связи между органами управления (руль, педали…) и двигателем, колесами, тормозными колодками и пр. на электрическую связь.

На рисунке 3 приведен пример использования в авто трех описанных выше технологий: CAN, LIN и FlexRay.

Рисунок 3. Пример использования в автомобиле технологий CAN, LIN и FlexRay.

ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВИДЕО

Тенденция развития современных автомобилей — увеличение числа видеосистем. А для передачи видео, особенно в высоком разрешении, даже мегабитных скоростей FlexRay может оказаться маловато. Поэтому для обслуживания этих систем были предложены другие технологии, в первую очередь LVDS и MOST (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Характеристики основных сетевых технологий, используемых в автомобилях.

Видеосистемы в автомобиле можно разделить на две большие группы. Одна из них служит для развлечения пассажиров — например, на вмонтированные в подголовники передних кресел мониторы подается контент с проигрывателя DVD или даже Blu-Ray. Другая — для оказания помощи водителю (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS). В них используются как видеокамеры, так и различные радары. Сегодня они применяются в основном для оказания помощи при парковке. В будущем камеры могут заменить зеркала заднего и бокового вида, а интеллект видеосистемы позволит реализовать такие функции, как предупреждение о выезде за пределы полосы движения, распознавание дорожных знаков, обнаружение и классификация объектов и т. д.

Один из вариантов, предлагаемых для передачи мультимедиа в авто, — широко используемая в компьютерных системах технология Low-Voltage Differential Signaling (LVDS). Разработанная еще в 1994 году, она обеспечивает высокоскоростную передачу на небольшие расстояния, обычно до 10 м (в зависимости от качества кабеля и требуемой скорости). Стандарт на LVDS — ANSI/TIA/EIA-644-A — определяет максимальную скорость 655 Мбит/с при работе по витой паре, но имеющиеся решения поддерживают гигабитные скорости — 1–3 Гбит/с. LVDS используется в таких компьютерных шинах, как HyperTransport, FireWire, USB 3.0, PCI Express, DVI, Serial ATA и RapidIO. Один из существенных недостатков для его применения в автомобилях состоит в относительно больших размерах кабелей и разъемов.

Другой вариант — специально разработанная для автомобилей в конце 90-х годов (среди инициаторов опять-таки — BMW и DaimlerChrysler) технология Media Oriented Systems Transport (MOST). Ее первый вариант (MOST25) предполагал использование только оптической среды передачи — пластикового волокна (POF), а максимальная скорость составляла

25 Мбит/с. Оптика достаточно компактна и не подвержена негативному влиянию внешних электромагнитных воздействий, что чрезвычайно важно для работы сети внутри авто. Последующие варианты — MOST50 и MOST150 — поддерживают скорости 50 и 150 Мбит/с, как следует из обозначений. Хотя оптика остается основным транспортом, эти варианты допускают применение и электрической среды передачи (коаксиальный кабель), что позволяет реализовать удаленную подачу электропитания. Основная топология сети MOST — типичное для оптики кольцо или двойное кольцо.

Для подключения систем мультимедиа MOST применяется в автомобилях начиная с 2001 года. Объединение 8 каналов MOST150 позволяет уже сегодня реализовать пропускную способность 1,2 Гбит/с. Планы же у разработчиков грандиозные — ведутся работы над вариантом MOST с пропускной способностью 5 Гбит/с. Скорее всего, для этого будет применяться уже обычное (стеклянное) волокно, используемое в телекоммуникационных системах.

По задумкам руководителей организации MOST Cooperation, образованной компаниями Audi, BMW, Daimler, HARMAN и Microchip Technology, именно MOST станет основой единой сети в автомобилях. Для этого, в частности, уже реализована возможность передачи по сети MOST трафика Ethernet (Ethernet over MOST).

ПОЧЕМУ ETHERNET

Интерес автопроизводителей к Ethernet понятен — это доминирующая сетевая технология в мире передачи данных. За сорок лет своего развития она доказала, что является оптимальным решением для широкого круга приложений. Более того, различные дополнения позволили приспособить Ethernet для большого числа новых областей — например, алгоритмы AVB сделали ее эффективным транспортом для подключения аудиовизуального оборудования (то есть для задач, за решение которых в мире автомобилей отвечает MOST). Наконец, Ethernet лежит в основе внешних телекоммуникационных сетей, а также, в лице своего беспроводного варианта (Wi-Fi), активно применяется для выхода в Интернет различных пользовательских гаджетов. Поскольку бортовые сети внутри автомобиля должны будут активно взаимодействовать с внешними сетями и обеспечивать максимально простое подключение пользовательских гаджетов, поддержка Ethernet крайне желательна. Всё это прекрасно понимают апологеты MOST, а потому и реализовали алгоритм Ethernet over MOST.

А что, если пойти по другому пути: не приспосабливать существующие в автомобильном мире сетевые технологии под Ethernet, а использовать саму Ethernet в качестве единой бортовой сети в авто? Ясно, что для этого Ethernet придется немного адаптировать, но, учитывая гибкость этой технологии, данная задача не выглядит неразрешимой. Инициатором здесь выступила компания Broadcom Corporation, которая совместно с NXP Semiconductors, Freescale Semiconductor и Harman International при поддержке BMW и Hyundai Motor Company сформировала организацию OPEN Alliance. Аббревиатура OPEN в данном случае расшифровывается как «One-Pair Ether-Net», что описывает главную задачу — разработать протокол Ethernet, функционирующий по одной витой паре, что чрезвычайно важно для автомобильной отрасли, где размер и вес проводки имеют критическое значение.

Рисунок 4. В технологии BroadR-Reach Ethernet сохранен стандартный MAC-уровень, изменения затронули лишь физический уровень, который реализован на базе одной пары проводов.

Рисунок 5. Проводка с разъемом для LVDS (слева) и для BroadR-Reach Ethernet (справа).

Двухпроводная технология Ethernet получила название Broadcom BroadR-Reach Ethernet, она поддерживает скорость 100 Мбит/с и уже используется, например, в новом BMW X5. Сохранив стандартный MAC-уровень, Broadcom с партнерами лишь изменила физический (см. Рисунок 4), реализовав его на базе одной пары проводов. Как можно видеть на фото (см. Рисунок 5), соответствующая проводка и разъемы заметно меньше, чем те, что применяются в решениях LVDS (см. Рисунок 5). Кроме того, как утверждается, они значительно компактнее решений MOST.

В решении BroadR-Reach Ethernet реализована и возможность дистанционной подачи электропитания по той же витой паре, которая применяется для передачи информации (Power over BroadR-Reach Ethernet). Это позволит подключать видеокамеры и другие элементы без необходимости прокладки отдельного силового провода, что еще более снижает число необходимых кабелей (а значит, и суммарный вес проводки) в автомобиле. Технологию Power over BroadR-Reach Ethernet компания Broadcom представила для стандартизации в институт IEEE — соответствующие работы ведутся рабочей группой P802.3bu 1-Pair Power over Data Lines (PoDL), сформированной в декабре 2013 года.

Немного раньше, в июне 2013 года, IEEE созвал группу IEEE 802.3bp Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet (RTPGE) для разработки однопарного варианта технологии Gigabit Ethernet. Планируемая максимальная дальность составляет 15 м, что более чем достаточно для автомобильных систем, в которых обычно расстояние между крайними точками не превышает 3,5 м. Выход на гигабитный уровень позволит обеспечить передачу видео высокого разрешения, в том числе и без специального сжатия.

На сегодняшний день инициативу OPEN Alliance поддержали большинство ведущих автопроизводителей, включая такие компании, как Daimler AG, General Motors, Jaguar Land Rover, PSA Peugeot Citroën, Renault SA, Toyota, Volkswagen Group, Volvo Cars и др. Всего в списке поддержавших — более 140 компаний, что свидетельствует о высоком интересе к автомобильному варианту Ethernet на 100 Мбит/с. По-видимому, не меньший, а скорее еще больший интерес вызовет гигабитная технология IEEE 802.3bp.

Впереди у рабочей группы IEEE 802.3bp масса непростых задач, в том числе по обеспечению высочайшего уровня надежности в условиях высокого уровня электромагнитных помех. Но аналитики верят в успех автомобильного Ethernet. Согласно прогнозу Frost & Sullivan, к 2020 году Ethernet станет активно применяться в большинстве автомобильных приложений, для которых сегодня используются технологии CAN, FlexRay, LVDS и MOST (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Технологии, используемые для связи электронных элементов различных систем автомобиля.

Как считают аналитики этой компании, через шесть лет в лимузинах высшего класса будет насчитываться в среднем 100–120 портов Ethernet, а в более массовых авто — 50–60 портов. Общий объем таких портов в авто составит порядка 300 млн штук. Схожий прогноз дает Strategy Analysis — 120 млн узлов Ethernet.

Итак, Ethernet, похоже, на пороге завоевания еще одной области — сетей внутри автомобилей. Правда, конкурирующие решения имеют массу достоинств, но, как показывает история (например, противостояние Ethernet и ATM в территориально распределенных сетях), эта технология умеет впитывать лучшие качества конкурентов, оставаясь при этом доступной по цене. В любом случае нас ждут годы активного развития электронной «начинки» автомобилей, что повысит комфорт и безопасность передвижения. Будем надеяться, что Ethernet поможет удержать ценовую планку нововведений на приемлемом уровне.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.