AJONEUVOVÄYLÄT H. Honkanen Ajoneuvoväylät voidaan jakaa kolmeen pääryhmään niiden käyttötarkoituksen perusteella: Runkorakenteet ja moottorin ohjaus, joka sisältää esimerkiksi kojelaudan mittarit, ohjattavat peilit, turvavyöt ja ovilukot, passiiviset turvatyynyt, lukkiutumattomat jarrut, päästöjen valvonta, voimansiirtolaitteet ja itse moottorin toimintojen ohjaus. Kehittyneisiin turvajärjestelmiin, x-by-wire, jolloin ajoneuvon hallinta tapahtuu kokonaan sähköisellä ohjauksella, luetaan puolestaan elektronisesti ohjatut ja valvotut jarrujärjestelmät, ohjauslaitteet ja muut ajajaa tukevat aktiiviset turvajärjestelmät. Viihdejärjestelmät ja kuljettajan tietojärjestelmät ovat ryhmä, johon kuuluvat radiot, nettiselaimet, tietoliikenneratkaisut, CD- ja DVD-soittimet ja muut musiikkijärjestelmät. RUNKORAKENTEET ja MOOTTORIN OHJAUS CAN-väylä ( Controller Area Network ) [ Parikaapeli ] Vanhimpiin ja pitkäikäisimpiin ajoneuvojen verkkoratkaisuihin lukeutuva CAN-väylä on edelleenkin kaikkein laajimmin hyödynnetty verkkoratkaisu. CAN on ajoneuvoväylä, joka suunniteltiin alunperin autojen hajautettujen ohjausjärjestelmien reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon, kuten moottorinohjausyksikön, ABS-jarruyksikköjen ja vaihteistonohjausyksikön väliseen kommunikointiin. CAN-väylä on usean isännän väylä, johon liitetyt solmut voivat oma-aloitteisesesti lähettää väylälle sanomansa broadcastinglähetyksenä. Jokainen väylälle lähetetty sanoma on luettavissa kaikissa solmupisteissä ja ne solmut, jotka tarvitsevat kyseisen sanoman sisältöä, ottavat sanoman vastaan. Enimmäislukumäärä voi olla jopa 200 solmua. Väylän enimmäispituus riippuu käytetystä siirtonopeudesta [ esim. nopeudella 1Mbps saavutetaan 40 m siirtoetäisyys ja 50kpbs mahdollistaa jopa 1000 m siirtoetäisyyden ]. Siirtomediana käytetään useimmiten parikaapelia. CAN-väylään liitetyt solmut lähettävät pakettinsa kehyksessä, joka alkaa solmun omalla tunnistenumerolla. [ Esimerkiksi väylään liitetyllä paineanturilla voi olla tunnistenumero 150. Solmut, jotka tarvitsevat paineanturitietoa nappaavat väylältä tunnistenumerolla 150 liikkuvat kehykset ja muut solmut suodattavat kyseiset kehykset ]. Vastaanottavien solmujen on tunnettava lähettävän solmun tunnistenumero. Mikä tahansa solmu voi myös lähettää väylälle kyselykehyksen johon pyydetty solmu vastaa. CAN-protokollassa törmäyksenhallinta perustuu yleisesti käytettyyn CSMAmenetelmään ( Carrier Sense Multiple Access ) ja datakoodaus on NRZ-pohjaista (Non Return to Zero) [ ks. erillinen luentomoniste > Digitaalitekniikkaa -> Digitaalisignaalin koodaukset ].
Bitit koodataan väylälle siten, että nollabitti on dominantti ja ykkösbitti resessiivinen. ( Lepotila 1 ) Kilpavaraus väylällä tapahtuu lähettävien solmujen bittivertailulla, eli jos samanaikaisesti yksi solmu kirjoittaa väylälle nollabitin ja toinen ykkösbitin, niin väylällä näkyy nollabitti ja ykkösbitin kirjoittanut solmu tietää menettäneensä valtuuden väylään ja lakkaa lähettämästä sanomaansa. Mikä tahansa solmu voi yrittää tiedonsiirtoa, kun väylä on vapaa. Koska sanomakehys alkaa solmun tunnistenumerolla ja kilpavaraus tapahtuu bittivertailulla, niin lähetysvuoro ratkaistaan sanoman tunnistenumeron perusteella. Sanoma, jonka tunnistenumero on pienin, pääsee väylälle ja sanomatunniste määrää siis sanoman prioriteetin. Periaatteeltaa CAN-väylä voidaan mieltää ajoneuvon sisäiseksi prosessoriverkoksi, jonka tehtävänä on tehdä solmujen tilamuuttujan kullakin hetkellä toisilleen näkyväksi. Koska kilpavaraus tehdään bitti bitiltä, tulee kaikilla solmuilla olla yhteinen käsitys bitin tilasta tietyllä hetkellä, josta seuraa, että bitin kulkuaika väyläkaapelissa ei saa olla siis liian suuri. Tämän vuoksi maksimi siirtoetäisyys ja nopeus ovat keskenään rajoittuneita. CAN on asynkroninen protokolla. CSMA-menetelmällä toimivassa CAN-väylässä ei ole taattua vasteaikaa, vaan vasteaika riippuu sanoman prioriteetista, sanoman pituudesta, siirtonopeudesta ja väyläkuormituksesta. Parhaassa tapauksessa, nolla-pituisella sanomalla ja pienellä tunnistenumerolla sanoma pääsee heti väylälle. Pahimmassa tapauksessa sanoma ei pääse koskaan väylälle. Maksimivasteaika voidaan taata ainoastaan väylän korkeimman prioriteetin sanomille ja näinollen CAN-väylä ei sellaisenaan toteuta kovaa reaaliaikavaatimusta. Pieninopeuksinen CAN-väylä voi toimia alle 125 kilobitin sekuntinopeudella esimerkiksi rungon hallintaoperaatioissa kuten penkkien ja ikkunoiden asennonohjauksessa. Nopea CAN-väylä toimii maksimissaan yhden megabitin sekuntinopeudella välittäen esimerkiksi moottorinhallintaan, jarrujen lukkiutumiseen ja vakionopeudensäätöön liittyviä reaaliaikaisia tietoja. Tyypillinen nykyauto sisältää 2 3 CAN-väylää, jotka toimivat eri nopeuksilla. CAN-tiedonsiirto on muotoutunut vakioratkaisuksi monissa ajoneuvosovelluksissa muun muassa tiedonsiirtonsa hyvän luotettavuuden ansiosta. Veneissä ja laivoissa käytettävä NMEA2000 standardi käyttää tiedonsiirtoon CAN väylää. NMEA2000 väylässä mm. liittimet ovat, autoteollisuudesta poiketen, standardisoidut. [ ks. erillinen luentomoniste > Ajoneuvoelektroniikkaa -> NMEA2000 ]. LIN ( Local Interconnect Network ) [ Yksi johdin, toisena johtimena auton maa ] Alun perin CAN-verkkoja täydentäväksi väyläksi kehitetty LIN-verkko on erittäin edullinen sarjaväylä, jota käytetään liittämään eri puolille ajoneuvoa hajautetut, rungonhallintaan liittyvät laitteet toisiinsa. LIN-väylä mahdollistaa erilaisten älyanturien ja aktiivisten toimielimien hallinnan paljon yksinkertaisemmin kuin suorituskykyisempää CAN-verkkoa käytettäessä. LIN - standardi on luovutettu vapaaseen käyttöön ilman lisenssimaksuja. LIN-väylässä tiedonsiirron signaalijohtimia on yksi ja paluujohtimena toimii auton runko. Tietoliikenne perustuu asynkroniseen UART-pohjaiseen yhden isännän ja useita orjia sisältävään verkkoarkkitehtuuriin. Kaikki liikennöinti väylällä tapahtuu isännän aloitteesta, jolloin väylälle voidaan taata worst-case läpäisyaika. Väylän orjasolmut tahdistavat kellonsa isäntään. Varsinaista sanomaa edeltää tavu, joka sisältää kuusinumeroisen sanoman tunnisteen. Tunniste kertoo sanoman tarkoituksen ja pituuden. Varsinainen sanoma voi olla joko viesti isännältä tai vastaus orjalta. LIN-isäntää voidaan käyttää ( ja usein käytetään ) liittämään LIN-verkko korkeamman tason verkkoihin. Sarjaväylän nopeus yltää 20 kilobittiin sekunnissa ja sen fyysinen siirtotie perustuu ISO 9141 standardiin. Tyypillisiä LIN-sovelluksia ovat ilmastointi, valaistus, sadeanturit, istuimet, ovilukot, ikkunat ja peilit.
IDB ( Intelligent transport system Data Bus ) [ Useita kaapelointivaihtoehtoja ] IDB-väylästä on kehitetty kaksi eri nopeuksille tarkoitettua versiota, IDB-C ja IDB- 1394. IDB-väyliä hallinnoi ja kehittää IDB Forum -yhteisö. Perinteiseen CAN-väylään perustuva IDB-C on tarkoitettu sovelluksiin, joille riittää toiminta suhteellisen vähäisellä 250 kilobitin sekuntinopeudella. IDB-1394 sen sijaan perustuu nimensä mukaisesti nopeaan IEEE-1394- eli FireWire-standardiin. Verkon nopeus yltää optisin kaapelein jopa neljänsadan megabitin sekuntinopeuksiin asti. IDB Forumin pääajatuksena on ollut se, että elektroniikkateollisuuden laajasti käyttämän Fire- Wireväylästandardin hyödyntäminen tuo mukanaan runsaasti synergiaetuja. IDB-1394 sallii nimittäin kaikkien tavallisten 1394- pohjaisten laitteiden liittämisen ajoneuvon sisäiseen verkkoon. Tätä varten on käytettävissä erityinen CCP-portti (Customer Convenience Port), joka perustuu vakioliitännästä hieman muunneltuun IEEE p1394b-liitäntään. Tärkeitä seikkoja ovat myös IDB-1394-väylän halpa lisensointi, noin 0,25 dollaria ajoneuvoa kohti, sekä käytön yleisyys, minkä ansiosta standardinmukaisten komponenttien ja laitteiden valmistajia on tarjolla runsaasti. KEHITTYNEET TURVAJÄRJESTELMÄT X-by-wire sovellukset vaativat väylältä ehdotonta luotettavuutta ja determisyyttä ( = taattua vasteaikaa ) TTCAN-väylä ( Time-Triggered Controller Area Network ) [ Parikaapeli ] CAN-standardin laajennus TTCAN puolestaan lisää yhteysjakso- eli istuntokerroksen (session layer) CAN-OSI-mallin datalinkkikerroksen ja fyysisen kerroksen päälle. TTCAN, joka käyttää CAN:in tavoin perustana ei-deterministista CSMA - törmäystenhallintamekanismia, mutta määrittelee sen päälle tahdistusmekanismin, joka pitää verkon kaikki solmut samassa ajassa. Lisäyksen avulla voidaan varmistaa, että lähetysaikavaatimukset täytetään myös väylän ollessa ruuhkainen. TTCAN tarjoaa mekanismin määritella CAN-viestit perinteisen, tapahtumapohjaisen kilpavarausmenetelmän lisäksi aikajakoisesti. TTCAN toimii siis perinteisen CAN:in tapaan asynkronisena, tapahtumapohjaisena väylänä, mutta tarvittaessa pystyy lähettämään synkronisesti tärkeät sanomat tiettynä aikana ilman törmäysvaaraa ja näin ollen taata halutuille viesteille vasteaika TTCAN:in aikajokoisuus perustuu väylän aikaisäntien (time master) määrittelemään referenssisignaaliin, jolla saavutetaan solmujen kesken yhteinen aikakäsitys väylällä. Aikaisännän lähettämän kahden referenssisignaalin väliin jäävä aikasykli voidaan jakaa kolmeen eri tyyppiseen aikaikkunaan: eksklusiiviseen-, kilpavaraus- ja vapaaseen ikkunaan. Aikajakoisesti lähetettäville viesteille, joille halutaan deterministinen vasteaika, varataan syklistä ekslusiiviset aikaikkunat. Eksklusiivisessa aikaikkunassa lähetettävälle viestille toistuu jokaisella syklikierroksella oma paikka, jolloin muilla viesteillä ei ole väylään pääsyä. Näin voidaan laskea halutuille viesteille väylällä vasteaika myös worst-case tapauksissa. Kilpavarausikkunassa voidaan väylällä lähettää spontaaneja viestejä. Järjestelmän suunnitteluvaiheessa määritellään mitkä kaikki viestit kilpailevat väyläoikeudesta kilpavaraus ratkaistaan perinteisen CAN-protokollan menetelmällä.
TTP ( Time Triggered Protocol ) [ Parikaapeli ] TTP perustuu yli 20 vuoden kehitystyöhön. Vastakohtana perinteiseen tapahtumapohjaiseen kommunikointiin, jossa solmut lähettävät vain tarvittaessa viestin väylälle ja joutuvat tällöin kilpailemaan oikeudesta käyttää väylää, TTP:ssä kaikkien solmujen jatkuva kommunikointi toteutetaan riittävällä väyläkapasiteetilla ja väylän aikajakoisuudella - kullekin solmulle varataan väylältä säännöllisin väliajoin toistuva aikasegmentti sanomien lähettämiseen. Tällöin ei väylällä voi esiintyä törmäyksiä ja sanomien kulkuajat pysyvät vakiona. TTP ei aseta varsinaisia rajoituksia väylän siirtonopeudelle, viestikehyksien pituuksille eikä kehysten jakoperusteelle. TTP-järjestelmillä voidaan saavuttaa 25Mbps kaistanleveys. Jotta TTP-protokollan sulauttaminen nykypäivänä ajoneuvoissa yleisesti käytettyihin tapahtumapohjaisiin protokolliin (esim. CAN), olisi joustavaa, tarjoaa TTP aikajakoisen moodin lisäksi mahdollisuuden käyttää osaa kaistanleveyttä tapahtumapohjaiseen kommunikointiin, esimerkkinä 10Mbps kaistaleveydeltä voidaan varata TTP-kehyksestä 5% CAN-emulointiin, jolloin saavutetaan high-speed CAN määritelmän mukainen siirtonopeus 500 kbps. FlexRay [ Tupla parikaapeli, myös valokaapeli mahdollinen ] FlexRay-väylän topologiana on joko väylä tai tähti sekä fyysisenä mediana käytetään optista kuitua tai kierrettyä parikaapelia. Väylän toimintavarmuutta on lisätty kahdennetulla väyläkaapelilla. FlexRay toimii ns. TDMA-periaatteen mukaan. Siinä jokaisella komponentilla tai tiedolla on oma aikakehyksensä, jonka aikana väylä on niiden käytettävissä. Nämä aikakehykset toistuvat tietyin välein. Se hetki, jolloin tietty tieto on väylältä saatavissa, on tarkkaan etukäteen määritetty. Komponentin tai tiedon sitominen tiettyyn aikakehykseen johtaa siihen, että väylän kaistaleveyttä ei voida hyödyntää täysin. Tästä syystä FlexRay jakautuu staattiseen ja dynaamiseen osaan. Tiedonsiirtojakson alussa on staattinen osa, jossa jokaiselle käskylle on annettu kiinteä aikakehys. Sitä seuraavassa dynaamisessa osassa jaetaan aikakehykset dynaamisesti. Pääsy väylälle on mahdollista vain tietyn lyhyen ajan (ns. minislot) sisällä. Jos tänä aikana on alettu välittää viestiä, pidennetään aikakehystä niin, että koko viesti saadaan välitettyä. Ei lähetettävät viestit varaavat väylää vain erittäin lyhyeksi ajaksi (ns. minislot). FlexRay-ratkaisussa tiedonsiirto tapahtuu kahden toisistaan erotetun kanavan avulla. Molempien kanavien maksimi tiedonsiirtonopeus on 10 megabittiä sekunnissa. Molempia kanavia voidaan hyödyntää saman tiedon välitykseen luotettavuuden lisäämiseksi, tai niillä voidaan välittää eri tietoja tiedonsiirtomäärän kaksinkertaistamiseksi. Synkronoitujen toimintojen suorittamiseksi ja tietojen siirron välisten lyhyiden aikojen hyödyntämiseksi tarvitsevat järjestelmään liitetyt komponentit yhteisen paikallisen ajan. Aikatieto välitetään staattisen tiedonsiirto-osan puitteissa. FlexRay solmu koostuu isäntäprosessorista, tiedonsiirtokontrollerista (CC eli Communication Controller) ja väyläsovittimesta (BG eli Bus Guardian). Isäntäprosessori työstää ne tiedot, jotka välitetään tiedonsiirtokontrollerin kautta. Väyläsovitin vahtii väylälle pääsyä. Isäntäprosessori informoi väyläsovitinta siitä, mihin aikajaksoihin tiedonsiirtokontrolleri on ositettu. Väyläsovitin vapauttaa tiedonsiirtokontrollerin tiedonsiirtoon määritetyn aikakehyksen mukaisesti aktivoimalla väyläajurin. Tietojen vastaanotto voi tapahtua milloin vain ilman aikakehysriippuvuutta.
VIIHDEVÄYLÄT MOST-verkko (Media Oriented System Transport) [ Valokaapeli ] MOST-verkko soveltuu useiden multimediaan suoraan tai epäsuorasti liittyvien toiminnallisten yksiköiden liittämiseen toisiinsa. Tyypillisesti kyseessä ovat autojen navigointijärjestelmät, digitaaliset radiovastaanottimet, CD- ja DVD-soittimet sekä matkapuhelimet. Lähtökohtana on muovisen optisen kuidun käyttö fyysisenä siirtoväylänä, jolloin MOST-standardi tukee jopa 224,8 megabitin sekuntinopeutta tiedonsiirrossa. Tekniikan avainsanoja ovat luotettavuus ja skaalattavuus laitetasolla. Standardiin on rakennettu tuki reaaliaikaiselle audiosignaalille sekä pakatulle videodatalle. MOST-verkko on niin sanottu synkroninen verkko, jossa kaikki laitteet tahdistetaan yhden pääkellon tuottaman aikamerkin avulla. Ratkaisu poistaa puskuroinnin tarpeen, minkä lisäksi väylään liitettävät laitteet voivat olla rakenteeltaan myös melko yksinkertaisia ja edullisia. Laitteidenvalmistajille MOST standardi asettaa erityisvaatimuksia ohjelmistojen osalta, sillä niihin sisältyvien APIen (Application Programming Interface) tulee olla kohdennetusti toteutettuja. Tästä syystä MOST-standardi sisältää perinteisen seitsenkerroksisen OSI-mallin kaikki tasot. Kaikki MOST-laitteet suunnitellaan samaa mallia käyttäen, joten niiden keskinäisen yhteensopivuuden tulisi olla taattu. D2B-rengasverkko ( Digital Data Bus ) [ Valokaapeli tai parikaapeli ] D2B-verkko on tarkoitettu digitaalisen audio- ja videodatan välittämiseen sekä muihin nopeaa synkronista tai asynkronista tiedonsiirtoa edellyttäviin sovelluksiin. Tarkemmin ottaen kysymyksessä on isokroninen eli samankestoiseen aikajakoon perustuva TDM-rengasverkko sekä siihen liittyvä protokollan kuvaus. D2B-väylän nopeus yltää 11,2 megabittiin sekunnissa ja fyysinen siirtotie voidaan toteuttaa joko optisen kaapelin tai suojaamattoman kierretyn parikaapelin (UTP) avulla.