A közúti járművek elektromos rendszerei, kommunikációs hálózatai
Dr. Szalay Zsolt Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék
1
Egy személygépkocsi elektromos rendszere 1974-ben
2
2
2016.11.05.
Egy személygépkocsi elektromos rendszere 2004-ben – 11.136 elektromos alkatrész – 61 vezérlőegység (ECU) – 3 CAN busz • • •
35 vezérlőegység Kb. 2500 jel 250 CAN üzenet
– Optikai busz
3
3
2016.11.05.
Egy személygépkocsi elektromos rendszere Hány sor szoftver forráskódót tartalmaznak?
Lockheed F-22 Raptor fighter
2 million LOC* Boeing 787 Dreamliner 7 million LOC*
4
4
2016.11.05.
High-end passenger car 100 million LOC**
Rendszerek összehasonlítása Hány sor szoftver forráskódót tartalmaznak?
5 *Forrás: Car Software: 100M Lines of Code and Counting 5
2016.11.05.
Járműelektronikai trendek Közúti járművek elektronika tartalma
6
6
2016.11.05.
Autóipari kommunikáció
7
2016.11.05.
Vezérlőegységek hálózata ECU – Electronic Control Unit
8
8
2016.11.05.
Információcsere Multiplex kommunikáció
9
9
2016.11.05.
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. 10
10
2016.11.05.
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 11 váltják ki. 11
2016.11.05.
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 12 határozzák meg. 12
2016.11.05.
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
2016.11.05.
Digitális kommunikáció Bináris adatátvitel • Logikai szintek számábrázolása – 2-es számrendszer – 16-os számrendszer • Adatátvitel binárisan – Kettes számrendszerbe történő átváltás
14
14
2016.11.05.
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
2016.11.05.
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 0ról 1-re változik, akkor élváltás keletkezik a kommunikációs sorban. Minden élnél a fogadó oldal órája újraállítódik. 16
16
2016.11.05.
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
2016.11.05.
Átviteli közeg Példák fizikai rétegre
• Sodrott érpár – UTP – STP
• Koaxiális kábel • Optikai kábel (POF) • Rádióhullám
18
18
2016.11.05.
Hálózati topológiák Példák hálózati elrendezésekre
19
19
2016.11.05.
Autóipari kommunikáció Kommunikációs rendszerek csoportosítása
20
20
2016.11.05.
Autóipari kommunikáció Kommunikációs rendszerek csoportosítása
21
21
2016.11.05.
CAN – Controller Area Network
22
2016.11.05.
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
23
23
• • • • • • •
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 1986 February SAE congress Detroit
2016.11.05.
CAN busz Történelem
CAN - Controller Area Network 1983 - A Bosch megkezdi a CAN-busz fejlesztését 1986 - A protokollt hivatalosan bemutatják az SAE kongresszusán Detroit-ban 1987 - Az első CAN vezérlő áramkörök piacra kerülése (Intel és Philips) 1991 – A Bosch kiadja a CAN 2.0 specifikációját 1993 - ISO szabvány létrehozása a CAN kommunikációra vonatkozóan (ISO 11898)
24
24
2016.11.05.
CAN busz A CAN busz kommunikáció rétegszerkezete • A ISO 11898 szabvány szerint a CAN a fizikai és az adatkapcsolati réteget valósítja meg • CAN ISO 11898 – – – –
11898-1 => CAN protokoll 11898-2 => HS-CAN 11898-3 => FT-CAN SAE J2411 => SW-CAN
25
25
2016.11.05.
CAN busz CAN magasabb szintű protokollok (HLP) • CAN által megvalósított funkciók – Latin betűk az emberek közti kommunikációban • Magasabb szintű protokollok – Megengedett szavak, nyelvtan CANopen • Alkalmazási profilok DeviceNet – Kifejezések gyűjteménye SAE J1939 SDS CANKingdom
SeaCAN CANaerospace 26
26
2016.11.05.
MilCAN
CAN busz CAN busz hálózat felépítése
27
27
2016.11.05.
CAN busz CAN busz csomópontok (node) felépítése
Forrás: Schön András
28
28
2016.11.05.
CAN busz CAN busz jelszintek
29
29
2016.11.05.
CAN busz CAN busz jelszintek 2-vonalas differenciális átvitel
Logikai szintek: 30
30
2016.11.05.
1
0
1
CAN busz CAN adatkeret felépítése
Forrás: Stock flight Systems
31
31
2016.11.05.
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
CAN busz CAN busz arbitráció
Forrás: Stock flight Systems 33
33
2016.11.05.
CAN busz Fizikai hibák a buszon
CAN_H szakadása CAN_L szakadása CAN_H vezeték tápzárlata CAN_L földzárlata CAN_H vezeték földzárlata CAN_L vezeték tápzárlata CAN_H és CAN_L vezetékek rövidzárja 8. A CAN busz teljes szakadása 9. Lezáró ellenállás leszakadása 10. Topológiai hibák 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
34
34
2016.11.05.
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.
35
35
2016.11.05.
További kommunikációs rendszerek
36
2016.11.05.
Autóipari kommunikáció Kommunikációs hálózatok bővülése
37
37
2016.11.05.
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 V1.3 2003 – LIN V2.0
38
38
2016.11.05.
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 – MOST50 2011 – MOST150 2015 – Publikáció 5 Gb/s MOST
39
39
2016.11.05.
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
2016.11.05.
CAN FD busz Összefoglaló CAN FD - Controller Area Network Flexible Data-rate • 2011 - 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
2016.11.05.
Bluetooth Autóipari alkalmazások Tilos a mobiltelefonok kihangosító nélküli használata gépjárművekben • 2000 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
42
2016.11.05.
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
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
WAVE WAVE – Wireless Access in Vehicular Environments • 802.11 p - enhancements of 802.11 (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 (5.85-5.925 GHz) • Europe - ETSI ITS-G5
45
45
Járműszimulátor fejlesztése a BME-n
46
46
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?
https://hacktivity.com/en/hacktivity-2015/presentations/hacking-cars-in-the-style-of-stuxnet1/
47
47
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
Dr. SZALAY Zsolt, egyetemi docens email:
[email protected] Tel.: +36-1-463-1615
48
