Dla producentów samochodów – znaczenia nabiera przepustowość, przepustowość… i jeszcze raz przepustowość
Aby obniżyć stopień złożoności i przygotować się na wzrastającą w szybkim tempie liczbę funkcji urządzeń elektronicznych, konstruktorzy samochodów poszukują coraz szybszych i efektywniejszych rozwiązań architektury elektrycznej samochodu „Przepływ w rurociągu” jest pojęciem z zakresu hydrauliki, dość luźno kojarzącym się z mikroprocesorami i oprogramowaniem. Ale zapewne już w następnym dziesięcioleciu pojęcie to zostanie przetłumaczone na terminy z dziedziny elektroniki, w miarę jak producenci samochodów ostro zderzą się z problemami obliczeniowymi: krótko mówiąc, wyzwanie to będzie polegało na „wepchnięciu” dziesiątków milionów bitów danych w ciągu sekundy do elektronicznej „rury”, pozwalając na „rozmowy” mikroprocesorów ze sobą i w rezultacie na sprawne działanie hamulców, przepustnic, radioodbiorników, odtwarzaczy płyt kompaktowych CD, blokad drzwi, podnośników szyb, silników, skrzyń biegów, silników foteli, ogrzewania, układów klimatyzacyjnych, wycieraczek, poduszek powietrznych, telefonów komórkowych, układów kierownicy i innych niezliczonych urządzeń, wśród nich – układów, w których zawieszenie się jakiegoś pakietu danych może spowodować niezadziałanie hamulców, a w konsekwencji – niejeden śmiertelny wypadek.
Aby to zrealizować, producenci samochodów zamierzają złożyć zapotrzebowanie na wielką, elektroniczną „rurę danych”, o przepustowości przewyższającej 1 Mbit/s – taka bowiem przepustowość oferowana jest w dzisiejszym rozwiązaniu, o nazwie: magistrala CAN1 i, być może, także we wchodzącym obecnie rozwiązaniu, czyli magistrali FlexRay – o przepustowości 20 Mbit/s. A zatem producenci samochodów potrzebują magistrali zdolnej do przełknięcia milionów – a może nawet miliardów – bitów danych w ciągu sekundy i mogącej oddać te bity z powrotem, do ich właściwej lokalizacji. Nikt nie wie tego na pewno, ale kilku perspektywicznie myślących konstruktorów sądzi, że przemysł samochodowy powinien już teraz zacząć rozważać przepustowości sięgające powyżej 100 Mbit/s.
– W perspektywie krótkoterminowej wciąż postrzegamy CAN jako wiodącą magistralę danych w samochodach, ale myśląc w kategoriach bardziej odległych czasowo, będziemy potrzebowali czegoś o znacznie większej przepustowości – twierdzi Hans De Regt, dyrektor do spraw marketingu w Philips Semiconductors’ Automotive Business Line2. Rzeczywiście, potrzeby obliczeniowe są prawie nieograniczone, nie tylko ze względu na zwyczajną ilość danych do przetworzenia, ale przede wszystkim ze względu na konieczność stworzenia mikroprocesorom możliwości komunikowania się ze sobą. Konstruktorzy przewidują nadejście dnia, kiedy czujniki radarowe, analizujące sytuację przed samochodem, porozumieją się z układem hamulcowym i poduszkami powietrznymi, kiedy telefony komórkowe porozumieją się z radiem albo wycieraczki szyby uruchamiane czujnikiem deszczu powiadomią o jego nadejściu moduł elektroniczny, odpowiedzialny za zapobieganie blokowaniu hamulców (ABS).
Urzeczywistnienie tych pomysłów wymaga oczywiście bardziej scentralizowanego systemu. Już bowiem nie wystarczy odosobniona kontrola pojedynczego systemu, realizowana przez jego własny, wyspecjalizowany i wyizolowany mikrosterownik. – Zamierzamy spojrzeć całościowo na pojazd i potraktować go jako jeden wielki system – mówi Pat Jordan, dyrektor inżynierii systemowej w firmie Motorola Corp’s Global Software Group. – Natomiast dzisiejsze rozwiązania architektury magistrali danych nie są wystarczające, aby podołać temu zagadnieniu – dodaje.
Poza magistralami
Jak należało się spodziewać, nie ma jednomyślności co do tego, jak te pomysły należy realizować i czy w ogóle powinny być one realizowane. Ale wkrótce przekonanie o nieodzowności tego zadania spowszednieje. W końcu przemysł samochodowy działa z pięcioletnim wyprzedzeniem i z każdym rokiem stopień komplikacji systemów elektronicznych wzrasta do nieprzewidywalnych granic. To właśnie jest powód, dla którego konstruktorzy samochodów zaczęli mocno naciskać na stronę technologiczną, ulepszenia i standaryzację.
Aż do tego roku producenci samochodów byli ukierunkowani na FlexRay, widząc w nim potencjalne rozwiązanie problemów stwarzanych przez nieustanny wzrost skomplikowania elektroniki. W efekcie FlexRay oferuje przepustowości około dziesięciu razy większe niż magistrala CAN. Jednakże w końcu ubiegłego roku Motorola Corporation przedstawiła alternatywną koncepcję. Jest to technologia Switch Fabric3, która zapożyczyła swoją nazwę od przełączników i przekaźników telekomunikacyjnych i ma potencjalne możliwości spełnienia roli sieci samochodowej ze względu na przepustowości 100, a może nawet – zdaniem przedstawicieli firmy – 1000 razy wyższe od przepustowości CAN. – Przyjrzeliśmy się strukturze Internetu i postawiliśmy pytanie: W jaki sposób te cechy Internetu można przenieść do architektury komunikacyjnej pojazdu? – i zobaczyliśmy najbardziej optymalne rozwiązanie, którym była struktura przełącznikowa – powiedział Jordan. W istocie Switch Fabric Motoroli nie jest magistralą danych. Jest to raczej sieć połączonych ze sobą węzłów, w której każdy węzeł może „rozmawiać” z innym węzłem, ustanawiając bezpośrednią ścieżkę dostępu poprzez sieć przewodów. Jednakże koncepcja ta nie do końca pochodzi ze świata Internetu. Gigant komputerowy wymyślił adresowaną do przemysłu motoryzacyjnego koncepcję struktury rozproszonej, wykorzystującą ograniczoną liczbę węzłów, które działają jak przełączniki małych pakietów danych. Jest to przede wszystkim realizowane dzięki protokołom programowym, a także dzięki powiązaniu tych protokołów z fizycznymi warstwami innych magistrali danych, takich jak CAN lub FlexRay. Szybkość przesyłu danych, jaką osiągnięto w tym rozwiązaniu, znacznie przewyższa to wszystko, co mogą zaoferować istniejące magistrale danych, takie jak CAN, J-1850, LIN, ByteFlight czy nawet FlexRay. Na przykład rozproszona struktura przełącznikowa Motoroli w powiązaniu z fizyczną warstwą CAN może zapewnić przepustowość rzędu 1 Mbit/s dla każdego połączenia, a przy 256 połączeniach może teoretycznie zagwarantować maksymalną przepustoość 256 Mbit/s.
W rezultacie kombinacji fizycznej warstwy FlexRay z protokołem struktury przełącznikowej przepustowość wznosi się na jeszcze wyższy poziom – do około 10 Mbit na pojedyncze połączenie. Przy 200 połączeniach w siatce osiągnie się ostateczną przepustowość do 2 Gbit/s. – Cała komunikacja w strukturze przełącznikowej odbywa się w trybie punkt-punkt, a więc wszystkie połączenia mogą się komunikować ze sobą jednocześnie – twierdzi Jordan z Motoroli. – Rzecz oczywista, że nigdy nie wykorzysta się 100 procent możliwości, ale tak jest w każdej architekturze. Ważne jest, że przy zastosowaniu struktury przełącznikowej otrzymuje się znacznie wyższą przepustowość niż w przypadku CAN czy innej magistrali danych.
Nigdy więcej „małych kroczków”
Przepustowość udostępniona przez architekturę struktury przełącznikowej Motoroli jest niemal nieograniczona. W środowisku telekomunikacyjnym, gdzie struktura przełącznikowa szybko przybliża się do jej zaakceptowania, inżynierowie mówią o przepustowości 2 Terabitów na sekundę. Obecnie nikt nawet nie usiłuje powiązać tych wielkości z przemysłem samochodowym, ale konstruktorzy Motoroli potwierdzają, że ich protokół struktury przełącznikowej jest w stanie zaoferować tysiąckrotne zwiększenie przepustowości w stosunku do CAN, która obecnie jest najpowszechniejszą strukturą magistrali danych w przemyśle samochodowym. Inżynierowie Motoroli podkreślają, że ich koncepcja struktury przełącznikowej nie jest magistralą danych. – W jakiejkolwiek architekturze magistrali danych moduły na magistrali muszą mieć jednakowy priorytet dostępu – mówi Jordan. – Tak więc nieustannie jesteś ograniczony przepustowością. Specjaliści twierdzą, że konstruktorzy samochodowi zostali zmuszeni do opracowania koncepcji, ale rozwiązanie tej kwestii jest jeszcze dosyć odległe. –
Zajęcie się problemami przepustowości otaczającymi CAN jest korzystnym kierunkiem dla przemysłu samochodowego – mówi Paul Hansen, wydawca The Hansen Report on Automotive Electronics4 (www.hansenreport.com). – Ale jest to coś, czego się nie zobaczy przez 10 lub 15 lat, jeżeli w ogóle kiedykolwiek to zobaczymy. Wielu konstruktorów samochodów dowodzi, że CAN wytrzymała próbę czasu przez około dwie dekady rozwoju przemysłu samochodowego i każda nowa sieć powinna dowieść swych zalet w podobny sposób. Scott Monroe, architekt systemowy w Texas Instruments’ Mixed Signal Automotive Business Unit5 zauważa, iż wprowadzając jakąkolwiek nową sieć do pojazdu, nieuchronnie napotyka się na sprawy związane z EMC (kompatybilnością elektromagnetyczną), szczególnie przy wysokich przepustowościach. – Wszystko sprowadza się do tego, że usiłuje się transmitować dane z dużą szybkością, próbując jednocześnie nie powodować emisji elektromagnetycznych z miedzianych przewodów, ułożonych we wnętrzu samochodu – dodaje Scott. Jednakże inżynierowie Motoroli wierzą, że jest to korzystny moment, aby wziąć strukturę przełącznikową pod uwagę, szczególnie że coraz więcej producentów samochodów dostrzega wyczerpujący się potencjał CAN.
– Teraz jest pora, żeby zamiast małych kroczków rozważyć możliwości większej zmiany – mówi Jordan.
Rozwiązanie na krótko
Nieprawdopodobne jest, żeby takie wielkie zmiany zostały poczynione, zanim FlexRay znajdzie swoją drogę do pojazdów. Flex- Ray, pierwotnie pomyślany jako magistrala danych dla tak zwanych samochodowych aplikacji by-wire, był przewidziany jako metoda zapewniająca niezawodne działanie systemów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. W szczególności był on zorientowany na układy kierowania i hamulcowe by-wire, ponieważ oferował znaczną przepustowość i, co istotne, dużą tolerancję na błędy. Ma on wsparcie największych światowych producentów samochodów, wśród nich General Motors, Ford, Daimler Chrylser i BMW. FlexRay jest uważany za silnego kandydata do takich aplikacji, które są najważniejsze z punktu widzenia bezpieczeństwa.
Powodem tego jest inicjowana czasem architektura oprogramowania (w miejsce sterowanej zdarzeniami), która zawsze zapewnia lukę czasową dla istotnych informacji. W rezultacie zapewnia poziom nadmiarowości dla układu kierowniczego, hamulcowego, a także innych systemów, które nie mają naturalnej nadmiarowości układów hydraulicznych.
Jednakże ostatnio konstruktorzy samochodów zaczęli widzieć większą rolę dla FlexRay, do odegrania we współczesnym pojeździe. Ich zdaniem FlexRay, jako kręgosłup, mógłby rozwiązać problemy przepustowości, które w przypadku CAN szybko osiągają granicę możliwości. Niektórzy inżynierowie z General Motors i innych firm chcieliby zastosować FlexRay do sterowania skrzynią biegów, podwoziem, poduszkami powietrznymi i układami kierowniczymi by-wire Raz jeszcze przepustowość okazuje się kluczem do takiego sposobu myślenia: podczas gdy CAN oferuje prędkość przesyłu danych mniejszą niż 1 Mbit/s, FlexRay w konfiguracji dwukanałowej oferuje 10 Mbit/s dla pojedynczego kanału, a więc dla dwóch kanałów – 20 Mbit/s. Elektronicy ze wszystkich firm podkreślają jednak, iż magistrale CAN nadal będą odgrywały dominującą rolę w architekturze elektrycznej i elektronicznej, i to jeszcze przez kilka najbliższych lat. Ich zdaniem, technologia CAN jest efektem długoletnich badań i producenci samochodów nie palą się do jej odrzucenia.
– Jeszcze przez przynajmniej dziesięć lat CAN będzie wiodącą magistralą w większości samochodów – zauważa Monroe z Texas Instruments. – Przemysł zbyt wiele zainwestował w tę infrastrukturę, aby ją tak szybko odrzucić. Większość inżynierów sądzi jednak, że przemysł samochodowy będzie stopniowo zmieniał swoje architektury elektryczne, prawdopodobnie przez stosowanie protokołów mieszanych. Jak mówią, FlexRay mógłby być przydatny w aplikacjach karoserii i podwozia, w aplikacjach LIN6, wymagających mniejszej przepustowości, takich jak blokady drzwi i podnośniki szyb, Safe-by-wire7 w poduszkach powietrznych i innych urządzeniach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. CAN w dalszym ciągu utrzymywałby swoje pole zastosowań w układach przeniesienia napędu.
Ostatecznie oczekują oni zmniejszenia się liczby węzłów i mikrosterowników. Argumentują, że w przeciwnym razie stopień komplikacji systemu wpadnie w spiralę, nad którą już nikt nie zapanuje. – Za dziesięć lat oczekujemy pojawienia się wielkich super węzłów, w których FlexRay będzie obsługiwał aplikacje wymagające dużej przepustowości, podczas gdy LIN będzie się zajmował czujnikami i uruchamianiem – twierdzi De Regt z Philips Semiconductors. – Celem jest zmniejszenie liczby węzłów i połączenie większej ilości aplikacji w pojedynczych węzłach.
Z drugiej jednak strony, większość konstruktorów samochodowych wie, że będą potrzebowali większej „rury danych”. W miarę, jak zbliżają się do przyszłościowych aplikacji, takich jak tempomat adaptacyjny, zapobieganie zderzeniom i zautomatyzowane utrzymywanie się na pasie ruchu, ilość sygnałów komunikacyjnych wewnątrz pojazdu wzrośnie dziesięciokrotnie. W takich warunkach koncepcja centralnego kręgosłupa elektrycznego – jedynego i niepodzielonego na podmagistrale i bramki – staje się coraz ważniejsza. – Nie ma sposobu, aby oprzeć architekturę całego samochodu na jednej z używanych dzisiaj konwencjonalnych magistrali – wyciąga wniosek Jordan z Motoroli. – Przy dzisiejszych magistralach czynnikiem ograniczającym jest zawsze przepustowość.
1 CAN (ang. Controller Area Network) jest seryjną koncepcją systemu typu,bus, czyli magistralą danych, opracowaną przez firmę Bosch na potrzeby układów sterowania przemysłu samochodowego.
2 Dział Elektroniki Samochodowej firmy Philips
3 Switch Fabric – struktura przełącznikowa
4 The Hansen Report on Automotive Electronics – Raport Hansena, dotyczący elektroniki samochodowej
5 Texas Instruments’ Mixed Signal Automotive Business Unit – jednostka mieszanych sygnałów samochodowych, stanowiąca część Texas Instruments
6 LIN – Local Interconnect Network – Lokalna Sieć Komunikacyjna
7 Safe-by-wire – elektroniczne systemy bezpieczeństwa
