Rodzaje magistrali danych

Poszczególne samochodowe układy elektroniczne mają różne wymagania w zakresie wymiany danych, ich ilości, szybkości ich transmisji, stawianych priorytetów, a także środków stosowanych do zabezpieczania danych, jak i rozpoznawania usterek. W zależności od wymagań stosowane są obecnie w pojazdach różne magistrale danych, czyli połączenia dwóch lub więcej urządzeń zawierających układy mikroprocesorowe, służące właśnie do transmisji i rozdziału danych. W magistralach transmisji danych charakterystyczną rzeczą jest fakt, iż każdy podłączony do niej sterownik może wysyłać swoje komunikaty, które będą odebrane przez pozostałe urządzenia znajdujące się w sieci transmisji. Najwyższe wymagania mają magistrale transmisji danych łączące sterowniki w układzie przenoszenia napędu. Najmniejsze natomiast w układach nadwozia i komfortu jazdy. W praktyce wykorzystuje się kilka różnych rodzajów magistrali transmisji danych. Ich stosowanie uzależnione jest od rodzaju struktury magistrali i od wymaganej prędkości transmisji danych. W zależności od struktury magistrale transmisji danych możemy podzielić na:
- gwiaździste – kilka urządzeń podłączonych jest do jednostki centralnej, koordynującej ich pracę i wzajemne przesyłanie informacji między nimi. Tego typu struktura sieci transmisji danych ma zastosowanie przy łączeniu sterowników i modułów w elektronicznych układach nadwoziowych lub sterowników z nastawnikami. Przy tym rozwiązaniu jednostka centralna jest z reguły dość mocno obciążona. Struktura ta jest najczęściej wykorzystywana w układach elektronicznych nadwozia i odpowiedzialnych za moduły komfortu, ze względu na stosunkowo niewielką ilość przesyłanych danych i niezbyt duże wymagania odnośnie szybkości, a także pewności przesyłania danych. Wadą rozwiązania jest fakt, iż w przypadku wystąpienia awarii jednostki centralnej przesyłanie danych w całej strukturze jest już dalej niemożliwe;
- pierścieniowe – kilka do kilkunastu sterowników może być podłączonych szeregowo w ramach tej samej magistrali zawartej w formie okręgu. Dane przesłane z jednego elementów magistrali powracają do niego. Tego typu struktura stosowana jest w przypadku układów, w których wymagana jest duża szybkość i pewność transmisji danych. Tego typu struktura bardzo rzadko wykorzystywana jest do transmisji danych w elektronicznych układach pojazdów samochodowych;
- linearne – sterowniki połączone są szeregowo do jednej magistrali danych. W strukturze tego typu odpowiednie oprogramowanie i układy wejścia-wyjścia zawarte w sterownikach gwarantują koordynację wysyłanych i odbieranych komunikatów, w ten sposób, że zawsze tylko jeden element magistrali może wysyłać informację, jednak wszystkie pozostałe mogą jednocześnie otrzymywać wysłany komunikat. Ten rodzaj struktury sieci transmisji danych umożliwia połączenie 32 elementów w zastosowaniach standardowych i aż 128 w zastosowaniach specjalnych. Zapewnia ona dużą niezawodność sieci, ponieważ nawet awaria któregoś elementu magistrali nie uniemożliwia przepływu komunikatów pomiędzy pozostałymi urządzeniami. Ze względu na dużą szybkość transmisji i niezawodność ta konstrukcja wykorzystywana jest w sieciach obsługujących sterowniki jednostki napędowej (przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej), skrzyni biegów oraz układów odpowiedzialnych za dynamikę, bezpieczeństwo i komfort jazdy.

Poza strukturą magistrali danych, bardzo istotnym wyróżnikiem stosowanych w praktyce systemów przesyłania danych jest szybkość transmisji, której jednostką jest bod (bd). Jest to liczba bitów (binary digit – najmniejsza jednostka pamięci, która może zawierać tylko wartość 0 lub 1) przesłanych w ciągu jednej sekundy. Zróżnicowanie szybkości przesyłania danych w elektronicznych układach stosowanych w pojazdach samochodowych jest dość spore i zawiera się pomiędzy wartościami 9600 bd (przy magistrali o małej szybkości) a 1 mln bd (przy magistrali o dużej szybkości). W układach, w których nie jest wymagana znaczna szybkość transmisji danych, czyli w układach nadwozia i odpowiedzialnych za komfort jazdy znajdują praktyczne zastosowanie magistrale małej szybkości. Natomiast magistrale charakteryzujące się znacznymi szybkościami transmisji wykorzystywane są w układach, w których ta szybkość ma istotne znaczenie, czyli w układach elektronicznych ciągu przenoszenia napędu. W układach tych wymagane jest przesyłanie informacji w czasie rzeczywistym (real-time processing), tzn. w takim, w którym zbiegają się zdarzenia wraz z jednoczesną rejestracją danych, ich wprowadzenia i opracowania. Istotne jest, aby komunikacja odbywała się w taki sposób, aby nadążyć za zmianami parametrów poszczególnych urządzeń. Ma to znaczenie zwłaszcza w procesie przygotowywania składu i spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Wymagana szybkość transmisji wynika z faktu, iż między dwoma impulsami zapłonu istnieje odstęp czasowy rzędu kilku milisekund. W związku z tym układ musi pracować w czasie rzeczywistym, czyli takim, aby przesyłać dane potrzebne do obliczenia wyprzedzenia zapłonu w czasie jeszcze krótszym, aby dane te jeszcze mogłyby być uwzględnione już w obliczeniach następnego impulsu zapłonu. W pojazdach samochodowych, w zależności od układu, znajdują zastosowanie magistrale o różnych prędkościach transmisji danych. Zachodzi więc konieczność stworzenia warunków wymiany informacji między nimi. W tym celu stosowany jest procesor, który przekształca dane z jednej sieci danych do drugiej o odmiennej organizacji, czyli tzw. bramka (gateway). Transmisja danych w magistrali odbywa się szeregowo w uporządkowanej kolejności jedna za drugą. Dane przesyłane są dwukierunkowo, tzn. są wysyłane jednym przewodem w obu kierunkach. W związku z tym do komunikacji i przesyłania danych w magistrali praktycznie wystarcza jeden przewód. Ich ilość jest jednak uzależniona od rodzaju obsługiwanego przez magistralę układu w pojeździe. Zastosowanie drugiego przewodu służy do kompensacji elektrycznych i magnetycznych błędów, czyli do zmniejszenia promieniowania zakłócającego, wysyłanego przez układ podczas transmisji danych, wywołanego przez transmisję nisko- i wysokonapięciowych sygnałów (low i high), będących nośnikiem wszelkich informacji w układzie. Wówczas w drugim przewodzie prąd płynie w przeciwnym kierunku i ma przeciwnie skierowane zmiany progu. Drugi przewód stosowany jest zwłaszcza w układach, w których jest wymagana znaczna szybkość transmisji danych oraz duża niezawodność w przesyłaniu informacji. Zdarza się niekiedy, że prowadzony jest również i trzeci przewód. Jego zadaniem jest zmniejszenie promieniowania zakłócającego i jest on prowadzony jako ekran przewodów transmisyjnych.