Τεχνική Εκπαίδευση Ψηφιακές Επικοινωνίες Παναγιώτης Γεώργιζας BEng Cybernetics with Automotive Electronics MSc Embedded Systems Engineering
Θέματα που θα αναλυθούν Στόχοι του σεμιναρίου Λίγη Θεωρία για την παράλληλη επικοινωνία Λίγη Θεωρία για την σειριακή επικοινωνία Σειριακές VS Παράλληλες επικοινωνίες Τοπολογίες δικτύων Σειριακά πρωτόκολλα επικοινωνίας στην αυτοκίνηση Ερωτήσεις - Παρατηρήσεις Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 2
Στόχοι του σεμιναρίου Να κάνει σαφές ποιές επικοινωνίες είναι παράλληλες, ποιές σειριακές και γιατί. Να απομυθοποιήσει τις σειριακές επικοινωνίες και να τις κάνει κατανοητές και προσβάσιμες για τους τεχνικούς οχημάτων. Να παρουσιάσει συνοπτικά τα πιο γνωστά πρωτοκολλά σειριακών επικοινωνιών που χρησιμοποιούνται στην αυτοκίνηση σήμερα. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 3
Αναλογική - Ψηφιακή Επικοινωνία Για να γίνει εύκολα κατανοητή η διαφορά αυτών των δύο θεωρούμε ότι έχουμε δύο συσκευές που επικοινωνούν μεταξύ τους, στέλνοντας σήματά η μία στην άλλη 0 ως 12V. Αναλογική επικοινωνία Οι συσκευές επικοινωνούν αναλογικά όταν το σήμα επικοινωνίας παίρνει όλες τις τάσεις από τα 0V ως τα 12V του παραδείγματος. Ψηφιακή επικοινωνία Οι συσκευές επικοινωνούν ψηφιακά όταν το σήμα επικοινωνίας παίρνει μόνο δύο διακριτές τιμές, π.χ 0V και 12V. Αυτές οι τάσεις αναπαριστούν τα bit. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 4
Παράλληλη Επικοινωνία Tί είναι παράλληλη επικοινωνία; Είναι μια μορφή επικοινωνίας κατά την οποία μεταδίδονται δεδομένα χρησιμοποιώντας παράλληλα ηλεκτρονικά μονοπάτια (παράλληλους αγωγούς), ένα μονοπάτι για την μεταφορά κάθε διαφορετικού δεδομένου. Στις ψηφιακές επικοινωνίες αυτά τα δεδομένα ονομάζονται Bit. Μία ομάδα οκτώ(8) bit ονομάζεται Byte. Αρκετά συχνά οι παράλληλοι δίαυλοι επικοινωνίας είναι 8-bit, δηλαδή έχουν 8 παράλληλές γραμμές για μεταφορά bit. Απαραίτητη συνθήκη για να είναι μια επικοινωνία παράλληλη είναι όλα τα δεδομένα προς μεταφορά να μεταφέρονται ταυτόχρονα! Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 5
Παράλληλη Επικοινωνία Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 6
Σειριακή Επικοινωνία Tί είναι σειριακή επικοινωνία; Είναι μια μορφή επικοινωνίας κατά την οποία τα δεδομένα μπαίνουν στην σειρά, το ένα πίσω από το άλλο, και μεταδίδονται χρησιμοποιώντας μόνο ένα ηλεκτρονικό μονοπάτι (αγωγό). Στις ψηφιακές επικοινωνίες αυτά τα δεδομένα ονομάζονται Bit. Μία ομάδα οκτώ(8) bit ονομάζεται Byte. Αρκετά συχνά στους σειριακούς δίαυλους επικοινωνίας μεταφέρονται σειρές των 8-bit. Απαραίτητη συνθήκη για να είναι μια επικοινωνία σειριακή είναι τα δεδομένα προς μεταφορά να μεταφέρονται το ένα μετά το άλλο! Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 7
Σειριακή Επικοινωνία Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 8
Σειριακή Επικοινωνία Απεικόνιση του σειριακού μηνύματος με την χρήση παλμογράφου Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 9
Παράλληλη VS Σειριακή Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 10
Παράλληλη VS Σειριακή Παράλληλη Σειριακή Ταχύτητα Πιο γρήγορη από την σειριακή Πιο αργή από την παράλληλη Μέγιστο μήκος αγωγού Μικρότερο από της σειριακής Μεγαλύτερο από της παράλληλης Κόστος Φτηνότερο για κοντινές αποστάσεις Φτηνότερο για μακρινές αποστάσεις Ανίχνευση σφαλμάτων Προστασία από θορύβους ΌΧΙ ΌΧΙ ΝΑΙ Μερικές φορές ΝΑΙ Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 11
Τι σημαίνει CAN-Bus; Είναι μια νέα έκδοση του CAN που χρησιμοποιήτε στα λεωφορεία; Η λέξη BUS μας επισημαίνει τον τρόπο διασύνδεσης των σειριακών συσκευών, δηλαδή την τοπολογία του δικτύου τους. Οι τοπολογίες Bus και Star περιγράφονται παρακάτω. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 12
Η τοπολογία Bus χρησιμοποιεί ένα κοινό κορμό (backbone) για να συνδέσει όλες τις συσκευές. Όταν μια συσκευή επιθυμεί να επικοινωνήσει με μια άλλη, εκπέμπει το μήνυμα μέσα στον κεντρικό αυτόν αγωγό. Όλες οι συσκευές το λαμβάνουν και το φιλτράρουν. Αν το μήνυμα είναι για αυτές ενεργούν, ειδάλλως το παραβλέπουν. Τοπολογίες Δικτύων Star είναι η ποιό κοινή τοπολογία στα δίκτυα υπολογιστών. Χρησιμοποιεί μία κεντρική συσκευή για να συνδέσει όλες τις συσκευές. Όταν μια συσκευή επιθυμεί να επικοινωνήσει με μια άλλη, εκπέμπει το μήνυμα στην κεντρική. Η κεντρική συσκευή αναμεταδίδει το μήνυμα προς όλες τις συσκευές. Οι συσκευές το λαμβάνουν και το φιλτράρουν. Αν το μήνυμα είναι για αυτές ενεργούν, ειδάλλως το παραβλέπουν. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 13
CAN BUS Τυπικό παράδειγμα 1 δικτύου CAN τοπολογίας BUS Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 14
CAN BUS Τυπικό παράδειγμα 2 δικτύου CAN τοπολογίας BUS Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 15
Τι είναι LIN; Σειριακά Πρωτόκολλα : LIN Το LIN είναι σύντμηση του Local Interconnect Network (Τοπική Διασύνδεση Δικτύου) είναι ένα σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας ιδιαίτερα κατάλληλο για τη δικτύωση των αισθητήρων και των ενεργοποιητών εντός ενός υποσυστήματος. Τι ξεχωριστό έχει το LIN; Είναι εύκολα υλοποιήσιμο μέσω των υπαρχόντων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, πράγμα που κάνει την υλοποίησή του ιδιαιτέρα φτηνή. Κίνητρο για την ανάπτυξη του ήταν η μείωση του κόστους των δικτύων των οχημάτων. Είναι πιο πολύ μια ιδέα για την βελτίωση της χρήσης του υπάρχοντος υλικού παρά ένας εντελώς νέος σειριακός δίαυλος. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 16
Χαρακτηριστικά του LIN : Σειριακά Πρωτόκολλα : LIN Χαμηλό κόστος υλοποίησης που βασίζεται σε κοινά UART* που έχουν οι μικροελεγκτές που χρησιμοποιούνται στα υποσυστήματα και πολλές φορές μένουν ανεκμετάλλευτα. Ταχύτητα έως 20 Kbps (Kilo bit per second) Εγγυάται τη διαλειτουργικότητα των κόμβων του δικτυού από την άποψη του υλικού και λογισμικού, καθώς και μια προβλέψιμη συμπεριφορά EMC** Επιλογή μήκος των μηνυμάτων με 2, 4 η 8 byte Χρήση μόνο ενός καλωδίου για την επικοινωνία του δικτύου Ανίχνευση λαθών μέσω Checksum*** *USART = Universal Asynchronous Receiver Transmitter = Γενικός Ασύγχρονος Λήπτης Πομπός. **EMC = Electromagnetic Compatibility = Ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα. Δεν αλληλεπιδρά με τις υπόλοιπες ηλεκτρονικές συσκευές. ***Checksum = Αλγόριθμος επαλήθευσης της ακεραιότητας της πληροφορίας. Επιτρέπει την ανίχνευση μηνυμάτων που αλλοιώθηκαν κατά την μετάδοση τους. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 17
Σειριακά Πρωτόκολλα : CAN Τι είναι CAN; Το CAN είναι σύντμηση του Controller Area Network ( Ελεγκτής Δικτυακής Περιοχής) και δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα άλλο σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας. Γιατί όλο ακούμε για CAN και όχι για άλλα πρωτόκολλα; Αν ήσασταν Ηλεκτρολόγοι Μηχανικοί μάλλον θα ακούγατε για I2C, SPI, Microwire, RS232, RS485, κ.τ.λ. Αν ήσασταν Μηχανικοί Η/Υ μάλλον θα ακούγατε για USB, Firewire, SATA, SCSI, PCI Express, κ.τ.λ. Ως Τεχνικοί Οχημάτων το ποιο πιθανό είναι να ακούτε για ISO9141-2 / ISO14230 (KWP2000), J1850 (PWM & VPW), ISO15765 (CAN), LIN, FlexRay, κ.τ.λ. Από πότε χρησιμοποιείτε το πρωτόκολλο CAN; Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων δεν είχαν άδεια να το χρησιμοποιήσουν πριν το 2003. Επιπλέον, από το 2008 και μετά οι κατασκευαστές είναι υποχρεωμένοι να υποστηρίζουν τα οχήματα τους το πρωτόκολλο CAN. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει ποιό πρωτόκολλο χρησιμοποιεί ο κάθε κατασκευαστής. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 18
Σειριακά Πρωτόκολλα : CAN Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 19
Σειριακά Πρωτόκολλα : CAN Χαρακτηριστικά του CAN : Ταχύτητα : Από 10 Kbps (Kilo bit per second) Έως 1 Μbps (Mega bit per second) Μέγιστη απόσταση μεταξύ 2 ελεγκτών CAN: Από 1000m στα 40 Kbps Έως 40m στο 1 Mbps Κάθε μήνυμα CAN φέρει το CRC* του για την ανίχνευση λαθών Ανοχή σε ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο (noise tolerance) γιατί οι 2 γραμμές του είναι διαφορικές. Σε ταχύτητες κάτω από τα 125 Kbps αν ένα από τα 2 του καλώδια κοπεί ή βραχυκυκλώσει, θα συνεχίσει να λειτουργεί ( με μειωμένη ανοχή σε θορύβους) *CRC = Cyclic Redundancy Code = Αλγόριθμος επαλήθευσης της ακεραιότητας της πληροφορίας. Επιτρέπει την ανίχνευση μηνυμάτων που αλλοιώθηκαν κατά την μετάδοση τους. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 20
Σειριακά Πρωτόκολλα : CAN Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 21
Σειριακά Πρωτόκολλα : FlexRay Χαρακτηριστικά : 10 Mbps/channel (ανά κανάλι) Time-Triggered συμπεριφορά Απόλυτα ασφαλές (redundancy, safety, and fault-tolerance) Το πρωτόκολλο σειριακής επικοινωνίας FlexRay σχεδιάστηκε για να προσφέρει επικοινωνίες υψηλών ταχυτήτων και ασφαλείας. Το redundancy* του, πληροί όλες τις προδιαγραφές ασφαλείας έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως πέδηση-με-καλώδιο (brake-by-wire). Έχει δύο κανάλια με ταχύτητες 10 Mbps το κάθε ένα. Το FlexRay σε πρώτη φάση θα χρησιμοποιηθεί για την διασύνδεση των υπολοίπων δικτύων. Σήμερα κάθε αυτοκίνητο έχει αρκετές φορές έως και 3 δίκτυα CAN έτσι ώστε να μην δημιουργούνται προβλήματα χαμηλής ταχύτητας επικοινωνίας. Είναι πολύ πιθανό στο μέλλον να αντικατασταθούν όλα αυτά τα δίκτυα με ένα FlexRay, κάτι που θα μείωνε και το κόστος κατασκευής. * redundancy = Είναι η επανάληψη των κρίσιμων στοιχείων ενός συστήματος με σκοπό την αύξηση της αξιοπιστίας του. Σε πολλά σημαντικά για την ασφάλεια συστήματα, όπως drive-by-wire, ορισμένα τμήματα του συστήματος έλεγχου μπορεί να είναι διπλά και τριπλά και να συναποφασίζουν. Είναι απίθανο να χαλάσουν όλα την ίδια χρονική στιγμή. Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 22
Σειριακά Πρωτόκολλα : FlexRay Το FlexRay πρωτόκολλο είναι στην τελική φάση της ανάπτυξης του. Το πρώτο όχημα με FlexRay ήταν η BMW X5 του 2007, όπου χρησιμοποιήθηκε μόνο στην πνευματική ανάρτηση. Πλήρη χρήση του, αναμένεται μετά το 2008. Τα βασικά μέλη δημιουργίας του FlexRay είναι: BMW Daimler Chrysler AG General Motors Volkswagen Robert Bosch GmbH NXP Semiconductors (κομμάτι της Royal Philips Electronics) Freescale (Motorola) Οφέλη από την χρήση του πρωτοκόλλου FlexRay Απλοποίηση της αρχιτεκτονικής των δικτύων του οχήματος Αύξηση των δυνατοτήτων ελέγχου Μείωση των απαιτούμενων καλωδίων Μείωση του βάρους των δικτύων Ηλεκτρομηχανικά συστήματα (X-by-wire) μπορούν να αντικαταστήσουν πνευματικά συστήματα!!! Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 23
Σειριακά Πρωτόκολλα : FlexRay Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 24
Σύγκριση ταχυτήτων σειριακών πρωτοκόλλων οχημάτων Ταχύτητα σε Mbps 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 MOST50 MOST25 FlexRay CAN LIN MOST50 MOST25 FlexRay CAN LIN Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 25
Το μέλλον είναι πιο κοντά από όσο νομίζουμε Η τελευταία μόδα στους σειριακούς διαύλους επικοινωνίας είναι η χρήση των γραμμών τροφοδοσίας για την μετάδοση σειριακών μηνυμάτων. Οι συσκευές απλώς συνδέονται με την τροφοδοσία (+12V ή +24V). Δεν χρειάζονται άλλα έξτρα καλώδια! Οφέλη από αυτήν την τεχνολογία: Μείωση κόστους & βάρους Μείωση πολυπλοκότητας Αύξηση αξιοπιστίας Αύξηση της προσαρμοστικότητας του συστήματος Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 26
Ερωτήσεις Π.ΓΕΩΡΓΙΖΑΣ 27