Postęp technologiczny i ciągły, a zarazem bardzo dynamiczny rozwój techniki motoryzacyjnej doprowadziły do błyskawicznego wprowadzania systemów i układów opartych na sterowaniu mikroprocesorowym we współczesnych konstrukcjach pojazdów samochodowych.

Poprzez wprowadzenie do konstrukcji pojazdów nowych układów zasilania silnika, systemów zwiększających bezpieczeństwo czynne i bierne, a także wszelkich modułów komfortu konieczne okazało się zastosowanie takich połączeń pomiędzy tymi wszystkimi systemami, w których mogłaby w sposób ciągły występować szybka i pewna wymiana informacji między nimi. Ze względu na ilość niezbędnych układów elektronicznych w konstrukcjach pojazdów oraz to, że poszczególne układy elektroniczne współpracują z pozostałymi systemami w sposób ciągły poprzez odbiór, przetwarzanie i przesyłanie dalej informacji do kolejnych układów lub elementów wykonawczych w czasie rzeczywistym, systemy te nie mogą już mieć tradycyjnej instalacji i okablowania, przy którym dla każdego rodzaju informacji i kierunku jej przepływu niezbędny był oddzielny przewód. Przy tak dużej liczbie układów i systemów elektronicznych powodowałoby to konieczność krzyżowania się połączeń, wzrost długości przewodów, a także złącz, doprowadzając do spadku niezawodności całego układu.

Niezbędne okazało się więc wprowadzenie rozwiązania połączeń układów umożliwiającego przesyłanie informacji i danych w zależności od konkretnych potrzeb i aktualnych wymagań w danym pojeździe. Możliwości takie dało wprowadzenie do konstrukcji pojazdów magistrali przesyłania danych, które poza znacznie wyższą niezawodnością i wystarczająco dużą szybkością przesyłania znacznych ilości informacji zapewniają również zdecydowanie mniejszy wpływ niesprzyjających warunków mikroklimatycznych i wibracji oddziałujących na przewody. Wprowadzenie w pojazdach magistrali (sieci transmisji danych) ograniczyło w znaczny sposób ciężar całości niezbędnego dotychczas okablowania i złącz, a także i zajmowanej przestrzeni. Magistrala danych w samochodzie jest po prostu siecią komputerową, która łączy różne urządzenia sterujące za pomocą wiązki składającej się z dwóch lub trzech przewodów. Do transmisji danych wykorzystywane mogą być zarówno przewody elektryczne, jak i światłowody. Zaletą stosowania magistrali transmisji danych jest stosowanie sygnałów cyfrowych przesyłania informacji opartych na dwóch poziomach napięć odpowiadających sygnałom logicznym „0” i „1”, odpornych na wpływ zewnętrznych pól elektromagnetycznych, mających charakter analogowy. Przesyłanie sygnałów cyfrowych zapobiega także opóźnieniom w transmisji. Teoretycznie do przesyłania informacji w magistrali wystarczyłby właściwie jeden przewód, ponieważ transmisja danych odbywa się szeregowo, w odpowiedniej, uporządkowanej kolejności (jedna za drugą).

W praktyce dane są jednak przesyłane jednocześnie dwoma przewodami ze zmianą potencjału, co zabezpiecza transmisję przed wszelkimi zakłóceniami elektromagnetycznymi. Dodatkowym zabezpieczeniem przysyłanych informacji przed zakłóceniami z zewnątrz (np. wywołanymi przez alternator lub układ zapłonowy) jest skręcenie przewodów razem, co powoduje, że suma napięć przewodów w każdej chwili pozostaje stała i nie powstają efekty pola elektrycznego.
Do magistrali danych podłączone są wszystkie moduły liczące, które dostarczają do niej i pobierają z niej wszystkie sygnały i niezbędne informacje. Dzięki zastosowanemu odpowiedniemu systemowi kodowania komunikatów dany moduł rozpoznaje, czy informacje dostarczone do magistrali są adresowane do niego, a jeśli tak, to wchodzi w stan aktywności i przetwarza otrzymane sygnały na właściwe impulsy sterujące. Dzięki wprowadzeniu magistrali transmisji danych możliwa jest wymiana między sobą informacji pomiędzy wszystkimi urządzeniami sterującymi w pojeździe. System oparty na magistrali danych posiada zdolność do szczegółowego dokumentowania i przechowywania w pamięci wadliwych sygnałów. Jest to możliwe dzięki odpowiedniej funkcji autodiagnozy. Ewentualne wykrywanie usterek w jej funkcjonowaniu sprowadza się do odczytania danych poprzez złącze diagnostyczne, które jest łącznikiem pomiędzy przyrządem diagnostycznym a centralnym modułem sterującym.

Z magistralą danych połączone są wymienniki informacji, czyli tzw. węzły. Są nimi zarówno nadajniki, jak i odbiorniki informacji. Do współpracy wymiennika z magistralą danych niezbędne jest:
- połączenie – złącze;
- układ łączący elektryczny – dopasowujący poziomy i strukturę sygnałów elektrycznych do ogólnych wymagań obowiązujących w magistrali;
- układ sterowania wymianą danych – generujący sygnały potrzebne do wprowadzania komunikatu do magistrali i do odbioru z niej komunikatu;
- układ łączący wewnętrzny – do połączenia układu sterowania wymianą danych z obsługiwanym sterownikiem funkcjonalnym lub źródłami sygnałów dochodzących do węzła.

W zależności od stawianych układom wymagań w zakresie wymiany informacji, ich ilości, szybkości ich transmisji, stawianych priorytetów, a także środków stosowanych do zabezpieczenia danych oraz rozpoznawania usterek, stosowanych jest obecnie w konstrukcjach pojazdów samochodowych kilka różnych rodzajów magistrali danych. Wymagania stawiane magistralom danych uzależnione są od rodzaju obsługiwanego układu. Wymagania najwyższe stawiane są magistralom łączącym sterowniki w układach przenoszenia napędu. Najniższe z kolei wymagania dotyczą magistrali obsługujących układy nadwozia i komfortu.
W zależności od struktury, czyli budowy, rozróżnić można kilka rodzajów magistrali transmisji danych.
- Gwiaździsta – stosowana do łączenia sterowników i modułów w układach nadwozia. W tego typu magistralach kilka urządzeń połączonych jest z jednostką centralną. Dość mocne obciążenie jednostki centralnej jest niewątpliwie wadą tego typu rozwiązania. Poza tym mankamentem tej wersji magistrali jest fakt, iż awaria jednostki centralnej całkowicie uniemożliwia przesyłanie jakiejkolwiek informacji w ramach magistrali.
- Pierścieniowa – wykorzystywana w układach wymagających wysokiej niezawodności przesyłania danych i znacznej szybkości działania. Elementy układu (sterowniki) połączone są w tego typu rozwiązaniu magistrali w formie okręgu. W tym przypadku informacja wysyłana z któregokolwiek elementu magistrali zawsze do niego wraca.
- Linearna – wykorzystywana w układach silnika, skrzyni biegów oraz systemach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. Wszystkie elementy tego typu magistrali połączone są szeregowo w sposób liniowy. Magistrala ta charakteryzuje się tym, że tylko jeden z elementów może w danej chwili wysyłać informacje, a pozostałe mogą je jedynie odbierać. Zaletą tego rozwiązania magistrali jest znaczna niezawodność działania sieci (uszkodzenie jednego elementu pozwala na dalszą pracę pozostałej części struktury).

Istotnym parametrem magistrali danych jest szybkość transmisji. Wynosi ona od 9600 bitów na sekundę do aż 1.000.000 bitów na sekundę. Wolniejsze magistrale przesyłania danych stosowane są w układach nadwozia i odpowiedzialnych za komfort jazdy. Najszybsze w działaniu magistrale wykorzystywane są w układach napędowych, w których wymagana jest szybkość przesyłania informacji w czasie rzeczywistym.
Ze względu na wykorzystywanie w ramach jednej konstrukcji pojazdu magistrali o różnych prędkościach przesyłania danych konieczna jest synchronizacja ich pracy. W tym celu stosowany jest specjalny procesor, czyli tzw. bramka gateway.
Obecnie najbardziej znanym rodzajem magistrali danych w pojazdach samochodowych jest magistrala CAN-Bus. Jest to magistrala typu linearnego. Stosowane są w niej cztery różne prędkości transmisji danych:
- do 10 kb/s – wykorzystywana do wymiany informacji w układach elektroniki nadwozia (kierunkowskazów, siłowników lusterek, centralnego zamka, świateł),
- od 30 do 40 kb/s – stosowana w układach wymagających szybszej transmisji danych (np. w układach klimatyzacji),
- od 200 do 300 kb/s – wykorzystywana przy wymianie danych w czasie rzeczywistym (układy sterowania silnikiem, przeniesienia napędu, układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo),
- od 100 kb/s do 1 Mb/s – w systemach komunikacji multimedialnej.

Do poprawnego funkcjonowania układów sterowania w magistrali CAN niezbędna jest stałość porozumiewania się wszystkich sterowników. Realizowane jest to poprzez zastosowanie odpowiedniego protokołu danych, czyli tzw. ramki danych. Zawiera ona znaczną liczbę bitów uporządkowanych w odpowiedniej kolejności. Składa się z ośmiu pól. Sygnały pojawiające się w niej dzieli się na:
- bity recesywne – o wartości logicznej „1” (high level – wysoki poziom);
- bity dominujące – o wartości logicznej „0” (low level – niski poziom).

Poprawność pracy magistrali danych CAN uzależniona jest od zsynchronizowania pracy poszczególnych węzłów, tzn. każde urządzenie sterujące musi dokładnie w tym samym czasie odczytywać i przetwarzać poziom napięcia na magistrali. Służy temu impuls, według którego będą się one mogły wyregulować. Impulsem tym jest bit zakończenia transmisji tzw. stop-bit. W celu właściwej synchronizacji pracy magistrali urządzenia sterujące odbierają takie sygnały cyklicznie.
W konstrukcjach pojazdów samochodowych stosowane są również inne rodzaje magistrali przesyłania danych, dostosowane swoim działaniem i możliwościami do konkretnych potrzeb poszczególnych układów i systemów elektronicznych. Na potrzeby nowoczesnych i bardzo wymagających urządzeń multimedialnych wprowadzono magistralę typu MOST, służącą do przesyłania sygnałów dźwiękowych oraz obrazu. Ma ona strukturę pierścieniową. Magistrala MOST wykorzystuje do przesyłania informacji przewody światłowodowe. Prędkość transmisji danych wynosi około 20 Mb/s. Innym stosowanym rodzajem sieci przesyłania danych w pojazdach samochodowych jest magistrala LIN. Przeznaczona jest do współpracy niewielkiej liczby podrzędnych czujników i elementów wykonawczych w ramach lokalnej sieci o uproszczonej strukturze z jednym sterownikiem zarządzającym. Prędkość transmisji danych w tego typu rozwiązaniu wynosi około 20 kb/s.

mgr Andrzej Kowalewski