A Gépjármű Adatbusz Hálózatok Fejlődése és Működése
A ’70-es évektől kezdődően az elektronika fokozatosan átvette a gépjárműegységek vezérlését, majd irányítását. A kezdeti analóg, majd hibrid vezérlőket kiváltották a tisztán digitális, mikroprocesszoros rendszerek, melyek már a működési hibák tárolására alkalmas memóriát is tartalmaztak.
A hibatárak kiolvasásakor kapott adatok nagymértékben segítették a szervizmunkát, elsősorban az elektronikus rendszerek működését kevésbé ismerő szakemberek számára. Az elektronika folyamatos térnyerésével és felügyeleti területének kiterjedésével párhuzamosan, egyre többrétűbb és részletesebb adathozzáférésre és hibatárolásra volt szükség, sőt a környezetvédelmi előírások szigorításakor az összes környezetszennyezést okozó hiba eltárolása (OBD II; EOBD) kötelezővé vált.
A kezdeti kommunikációs rendszerek: K-vonal és fejlődése
Az egyes vezérlőkészülékek meghatározott adataihoz (pl.: a hibatárhoz, élőadatokhoz stb.) történő hozzáférést egy külön erre a célra szolgáló K-vonalon lehet megvalósítani, melyre minden vezérlőt rákapcsoltak. Az adatátviteli összeköttetés, a kiolvasó ún. rendszerteszter (szkenner) és a jármű irányítóegységei között, a diagnosztikai csatlakozón keresztül jön létre. Az ilyen kapcsolatot (ebben a vonatkozásban) offboard kapcsolatnak, míg a vezérlők közötti belső kapcsolatot onboard kapcsolatnak nevezik.
A K-vonal kétirányú kapcsolatot létesít a diagnosztikai készülék és a jármű belső hálózatán lévő vezérlők között egy szabványosított protokoll (ISO 9141, később ISO 9141-2) segítségével. Miután újabb és újabb területek kerültek elektronikus felügyelet alá, a diagnosztikai protokoll fejlesztése is folytatódott, így jutottak el a mérföldkövet jelentő „Keyword protocol 2000” megjelölésű változathoz, mely ISO 14230 szabványként azonosítható. A diagnosztikai kapcsolat felhasználása már jó ideje túlnőtt eredeti szerepkörén, hiszen pl.: a vezérlők flash programozására is alkalmassá vált.
A buszrendszerek kialakulása és a CAN-busz
Miután a vezérlőkészülékek száma folyamatosan növekedett, felmerült az igény olyan belső kommunikációs hálózat létrehozására, mely egy buszrendszeren keresztül az összes vezérlő adatcseréjét képes ellátni. Ismeretes, hogy meglehetősen sokféle buszrendszer született, de a csupán diagnosztikai célokat szolgáló egyvezetékes „ősi” K-vonalas buszrendszer (a folyamatos protokollmódosításokkal), a maga területén még sokáig kitartott.
Kárbejelentés Aegon biztosítónál
Harminc évvel ezelőtt, amikor az Intel segítségével elkezdték fejleszteni a CAN-busz technológiát a Boschnál, persze még az volt a cél, hogy kevesebb dróttal, megbízhatóbban lehessen elosztani az információt az autóban.
CAN busz ismertetése - Egy egyszerű bevezetés [v1.0 | 2019]
A CAN-busz (Controller Area Network) egy járműbusz-szabvány rendszer, amely lehetővé teszi a kommunikációt több elektronikus vezérlőegység (ECU) között központi számítógép használata nélkül. Az ECU-k olyan elektronikus alkatrészek a járművekben, amelyek figyelik, vezérlik és megosztják a különböző járműrendszerekből, például motorokból, fékekből, légzsákokból és sebességváltókból származó adatokat. A CAN-busz az alapfelszereltség része: Minden modern járműben, beleértve az autókat, tehergépkocsikat, buszokat, hajókat, elektromos járművek (EV) akkumulátorait, építőipari gépeket, mezőgazdasági berendezéseket és ipari automatizálási rendszereket.
A CAN-busz rendszerek működése
A CAN-busz rendszerek úgy viselkednek, mint az emberi test idegrendszere. Az ECU-k az emberi test részeihez hasonlíthatók, amelyek össze vannak kapcsolva egymással egy járműben. Számos ECU rendelkezhet olyan adatokkal, amelyeket meg kell osztani a hálózat más részeivel. Lehetővé teszi, hogy az ECU-k, mint például a motorok, a blokkolásgátló fékrendszer/ABS, a légzsákok, a sebességtartó automatika, az elektronikus üzemanyag-befecskendezés, az automata sebességváltó és az akkumulátorrendszerek központi számítógép nélkül kommunikáljanak egymással.
Lényegében előkészíti és közvetíti az adatokat, többek között az érzékelőadatokat a teljes CAN-busz hálózaton belül. Az adatokat ezt követően minden ECU megkapja - ezután pedig az egyes ECU-k eldöntik, hogy fogadják vagy figyelmen kívül hagyják az adatokat. Kétféle típusú üzenet létezik a hálózaton: címzett, point to point, illetve broadcast, vagyis mindenkinek szóló információ. Az adatátviteli sebesség az Iveco esetében 62,5 és 250 kbit/sec között mozog, ami azt jelenti, hogy nagyságrendileg ezer-kétezer információt lehet másodpercenként közölni, mivel egy üzenet száz-kétszáz bitből áll.
A többi egység pedig figyel: ha kell neki az infó, köszöni, megkapja, vagy egyszerűen elereszti a füle mellett. Majd ha neki van közölnivalója, szót kér, és elmondja a magáét, fontossági sorrendben. Ez volna a Controller Area Network, amit magyarra általában területi irányító hálózatnak szoktak fordítani. A buszt meg kicsit erőltetetten úgy lehetne magyarázni, hogy megy a körjárat, az egyes vezérlőegységek pedig a megállók, ahol vagy felszáll egy információcsomag, vagy nem. Egy-egy busz viszont mindössze két vezetékből áll, összesodorva, mert úgy kevésbé érzékeny a zavarokra.
A DEKRA kárbejelentő nyomtatványa
A CAN-keret típusai
Az ECU-k CAN-hálózaton belül folytatott kommunikációja CAN-kereteken keresztül történik. Négy különböző típusú CAN-keret létezik:
- Adatkeret - az egyetlen keret a tényleges adatátvitelhez
- Hibakeret - a hibák észlelésére szolgáló csomópontokat tartalmaz
- Túlcsorduláskeret - akkor jelez, amikor késés észlelhető az adat- és távoli keret között
- Távoli keret - olyan keret, amely adatokat kér egy konkrét azonosítótól
A CAN-busz története és fejlődése
A Controller Area Network protokollt eredetileg a Bosch fejlesztette ki 1983-ban, és 1986-ban mutatták be hivatalosan a Society of Automotive Engineers (SAE) detroiti kongresszusán. A technológiát először a Mercedes-Benz vezette be a sorozatgyártású járművekben 1991-ben. Azóta a CAN-busz a járműkommunikáció gerincévé vált, és a szabványt folyamatosan finomítják az ISO 11898 előírásai szerint. A CAN FD (Flexible Data-rate) 2012-es bevezetése jelentős fejlődést jelentett, gyorsabb adatátviteli sebességet és nagyobb adatcsomag-kapacitást kínálva, ugyanakkor kompatibilis maradt a klasszikus CAN-nal is.
A kábelrengetegtől a komplex hálózatokig
Nem is olyan régen még csak azért volt kábelköteg az autóban, hogy világítson, dudáljon, és kurblizás nélkül beinduljon. Benzineseknél esetleg még a gyújtószikrához volt pár drót. Ma viszont már gagyinak számít, ha a sebességfüggően beállított hangerőt nem veszi le a rádió, amikor beszélni szeretnénk a Bluetooth-os kihangosítóval. Ahhoz, hogy az ABS és a motorvezérlő elektronika megbízható működése mellett a fedélzeti számítógép is tizedre pontos fogyasztási adatokkal szolgálja ki a sofőrt, komoly információáramlásra van szükség. Egy 7-es BMW szintű autóban akár kilencven vezérlőegység is lehet. Ebből egy a motorvezérlő, egy az ABS, de külön dobozkája van a műszeregységnek, a klímának, még a vezetőajtónak is. Ezeket, meg persze a tucatnyi gombocskát, érzékelőt, hangulatvilágítást több kilométer kábel köti össze - egy 2007-es Audi Q7-esben konkrétan hat.
Ebben a korszakban ezek között szó szerint több szálon működött a kommunikáció. Az autó haladási sebességét például a három felsorolt egységnek mind tudnia kellett, ezért behúztak egy-egy jelvezetéket a három modulhoz, amelyek lehettek például a kesztyűtartóban, a hátsó ülés alatt és a motortérben. Ugyanígy kellett egy drót a fordulatszámnak, a gázpedálállásnak, a motorhőmérsékletnek, és még néhány paraméternek. Az alrendszerek szaporodtak, jöttek a légzsákmodulok, digitklímák és hasonlók, a kábelrengeteg pedig kezdett kezelhetetlenné válni. Minden csatlakozó potenciális kontakthiba, minden vezeték bezárlatosodhat, és ha egy autó szűk tíz négyzetméterén több mint ezer sokpólusú csatlakozó van, el tudjuk képzelni, mennyire megbízható az egy jel - egy drót rendszer. Talán pont az E32 leánykori néven futó 7-es BMW volt az 1986-ban, amelyikben először megjelent a CAN-busz. Az autó különböző vezérlőegységeit, amiből már tucatnyi volt akkor is, húsz-harminc jelvezeték helyett két összesodort dróttal kötötték össze, amelyen viszont sokkal intenzívebb eszmecsere zajlott.
CAN-busz diagnosztika: K-vonal és a modern megoldások
Az elmúlt évtizedben azonban egyre többen sürgették, hogy a szinte minden járműben használt CAN-rendszert tegyék alkalmassá diagnosztikai feladatok ellátására (azaz offboard kommunikációra) is. Mivel a CAN-rendszer fejlesztése a mai napig folyamatos, gondoljunk csak a kis sebességű, hibatoleráns (ISO 11898-3) változatra vagy TT-CAN (ISO 11898-4) megoldásra, megvizsgálták a K-vonali átvitelhez fejlesztett diagnosztikai protokoll változatokat, és a korábban említett ISO 14230 alapján elkészítették a CAN-diagnosztikai protokollt (ISO 15765), melynek ismeretében a „kiokosított” diagnosztikai műszer komplett vizsgálatot képes a járműhálózat vezérlőinél a CAN-busz segítségével elvégezni.
A Járműmérnöki Képzés részletei
A rövid bevezető után vizsgáljuk meg, hogy az egyes járműgyártók milyen lehetőségek közül választhatnak, az OBD-csatlakozón keresztül elérhető CAN-buszos diagnosztika kialakítására. A cikk megírása abból az egyszerűnek tűnő kérdésből indult el, hogy az OBD-csatlakozó CAN-kivezető pontjai között egy multiméterrel a lezáró ellenállásokkal rendelkező CAN-vezeték névleges ellenállásértéke kimérhető-e.
Különböző CAN-busz diagnosztikai kialakítások
A következőkben bemutatjuk a diagnosztikai rendszerek különböző konfigurációit a járművekben.
1. Gateway alapú diagnosztika K-vonallal
Az 1. ábra még azt a „konzervatívnak” számító megoldást tünteti fel, ahol a jármű hajtáslánc-vezérlését megvalósító nagy sebességű CAN-busz és a karosszériakomfort oldalt kiszolgáló kis sebességű CAN-busz, valamint a diagnosztikai célokat szolgáló K-vonal, egy Gateway segítségével kapcsolódik egymáshoz. Ebben az elrendezésben a Gateway „lefordítja” a teszter adatkérő protokollját CAN-protokollra, majd a választ visszafordítja a teszter, illetve a kezelő által értelmezhető formába. A megoldás előnyeként említhető, hogy az egyes vezérlők felfűzése a K-vonalra megszűnik, és ez adott kábelmennyiség megtakarítását eredményezi, ugyanakkor a Gateway vagy a CAN-hálózat meghibásodása a diagnosztikai kiolvasást meghiúsíthatja. A kizárólag K-vonali csatlakozással rendelkező diagnosztikai műszerek ennél a kiépítésnél még jól használhatók, hiszen ahogy ez az ábrából kitűnik, a K-vonal belső ere továbbra is a diagnosztikai csatlakozó 7-es lábára kapcsolódik.
2. Gateway és dedikált CAN-diagnosztikai hálózat
A 2. ábrán olyan megoldást láthatunk, melynél a Gateway, alapfeladatként továbbra is megoldja a két eltérő sebességű CAN-hálózat közötti belső információcserét, de a diagnosztikai csatlakozó felé egy harmadik fajta, csak a CAN-diagnosztikai protokollt (ISO 15765) használó hálózattal csatlakozik. Mivel a diagnosztikai teszter ismeri a szükséges protokollt, elküldi a kérést és értelmezi a választ, a különböző sebességű és buszfeszültséget használó rendszerjellemzőkre történő „fordítás” és „visszafordítás” továbbra is a Gateway feladata.
Első pillantásra úgy tűnhet, hogy az ábrán látható megoldásnál a diagnosztikai csatlakozó 6 és 14 lábai között (CAN-H; CAN-L) megmérhető a belső hálózat lezáró ellenállásainak értéke vagy a vonali feszültségek, hiszen a megadott lábakon roncsolás nélkül hozzáférhetünk a CAN-buszhoz, ez súlyos tévedés! Mivel a Gateway fizikailag szétválasztja, szoftveresen pedig összeköti a rá csatlakozó hálózatokat, az említett pontokon a belső hálózatokhoz fizikailag nem lehet hozzáférni, tehát sem a kis, sem a nagy sebességű CAN-rendszer említett adatait nem tudjuk kimérni! Amennyiben a diagnosztikai csatlakozóhoz nem kapcsolunk tesztert, az említett vonalak üresjáratban vannak, és rajtuk semmiféle adatmozgás nem tapasztalható.
3. Közvetlen hozzáférés a CAN-hálózatokhoz
A 3. ábra azt a változatot mutatja, amikor úgy a nagy sebességű CAN (6 és 14), mint a kis sebességű CAN (3 és 11) hálózat a diagnosztikai csatlakozó adott pontjaira közvetlenül kivezetett. Ennél a megoldásnál, a CAN-diagnosztikai programot használó teszter olyan kialakítású, melynél megválasztható, hogy melyik sebességű CAN-rendszerhez csatlakozzon. Az ilyen kialakításnál még olyan adatok is kiolvashatók az adott rendszerből, melyek a korábban bemutatott megoldásoknál nem érhetők el, azaz egy részletesebb, mélyebb diagnosztika végezhető. Ehhez természetesen a tesz-ternek ismernie kell a tervezők által használt CAN-mátrix adatait, hogy ezeket a kezelő által értelmezhető formába alakíthassa. Az ábrán látható megoldás diagnosztikai csatlakozójánál már valóban hozzáférhetők az egyes CAN-hálózatok vonalai, de a mérésekre vonatkozó szigorú szabályokat továbbra is be kell tartani.
4. Egyetlen CAN-hálózat (pl. Suzuki SX4)
Több járműgyártó is alkalmaz olyan megoldást, melynél csak egyetlen, általában nagy sebességű CAN-hálózatot használ, és erről üzemel a hajtáslánc, valamint a karosszériakomfort köre is. Erre a kialakításra mutat példát a Suzuki SX4 Can-hálózata (4. ábra). A diagnosztikai csatlakozón keresztül a gyújtás levétele és kellő idő, legalább 5 perc eltelte után a hálózat ellenállása kimérhető, melynek névleges értéke 60 ohm. Az ilyen kialakításoknál előfordul (bár állítólag 2008-tól már nem javasolt ez a változat), hogy a direkt kommunikációt biztosító K-vonal is kivezetésre kerül (7 láb), aminek feltétlen előnye, hogy a diagnosztika akkor is elvégezhető, ha az egyetlen, közös feladatot ellátó CAN-hálózat meghibásodik.
5. Relével megszakított CAN-hozzáférés
Végezetül az 5. ábrán egy olyan megoldás látható, mely a 3. ábrán mutatotthoz nagyon hasonló. Itt is kivezetik mindkét CAN-hálózatot a diagnosztikai csatlakozó korábban megadott pontjaira, de nem közvetlenül. Ugyanis egy relé érintkezőinek segítségével, talán éppen a közvetlen hozzáférés megakadályozása céljából, megszakítják a vonalakat, melyek csak akkor kapcsolódnak a diagnosztikai csatlakozóhoz, ha a csatlakoztatott teszter ezt a korábbi, de a rendszeren belüli vezérlőkkel összeköttetésben nem lévő K-vonal vezérlésével engedélyezi. Itt tehát a K-vonal már nem használható diagnosztizáláshoz, csupán relévezérlési feladatokat lát el. Természetesen a csatlakozó 7 pontjáról teszter nélkül is vezérelhetjük a relét, így mérési célból hozzáférhetünk a buszvonalakhoz, de mindenkor megfelelő óvatossággal kell eljárni.
Egyéb járműhálózati protokollok
Mára már nem elég a multiméter, a laptop a minimum az autóelektromossági műhelyben. A korszerű autókban több ilyen járat is van persze egy fejlettebb járműben, gyorsabbak és lassabbak, attól függően, hogy mekkora az adatmennyiség. Nem csak CAN-buszon beszélgetnek, hanem jött a LIN, a FlexRay és a MOST, amit kifejezetten a szórakoztató, multimédiás alkalmazásokhoz fejlesztettek, hiszen ma már az adja el az autót, hogy mennyire könnyű párosítani a telefont, és milyen részletgazdag a navigáció.
A következő táblázat összefoglalja a leggyakoribb járműhálózati protokollok jellemzőit:
| Protokoll | Főbb jellemzők | Tipikus alkalmazás | Maximális sebesség |
|---|---|---|---|
| CAN (Controller Area Network) | Robusztus, valós idejű, több mester, differenciális jelzés | Kritikus rendszerek (motor, ABS, légzsák), általános járműkommunikáció | 1 Mb/s (klasszikus), 5 Mb/s (CAN FD) |
| LIN (Local Interconnect Network) | Egyszerűbb, olcsóbb, egy mester, egyvezetékes | Nem kritikus rendszerek (ablakemelő, ülésállítás, világítás) | 19,2 kbit/s |
| MOST (Media Oriented Systems Transport) | Nagy sávszélességű, optikai szálon, plug and play | Multimédiás és szórakoztató rendszerek (audio, video) | 150 Mbit/s |
| FlexRay | Nagyobb adatsebesség, determinisztikus időzítés, hibatűrő, idővezérelt | Fejlett biztonsági rendszerek (adaptív lengéscsillapítók), vezetéstámogató rendszerek | 10 Mbit/s |
| K-vonal (ISO 9141, KWP 2000) | Egyvezetékes, diagnosztikai, soros kommunikáció | Korai diagnosztikai rendszerek, vezérlők flash programozása | ~10,4 kbit/s |
LIN- és egyéb szub-busz rendszerek
Elsőként a LIN (Local Interconnect Network) jelent meg az ezredforduló környékén. Ez egy relatív lassú, max 19,2 kbit sebességű helyi busz, amely egy master és legfeljebb tizenhat slave egységből állhat. A LIN (Local Interconnect Network) egy egyszerűbb, olcsóbb protokoll, amelyet a nem kritikus fontosságú rendszerekben, például az ablakvezérlő- és az ülésállító-rendszerekben használnak.
Idővezérelt kommunikációs rendszerek
A MOST (Media Oriented Systems Transport) egy audio és video streamelésére alkalmas hálózat, általában optikai szálon vezetik. 150 Mbit/s sebességre képes, plug and play rendszerű. FlexRay-nek hívják a legújabb szabványt, amelynek szintén a bajorok az úttörői. Ezt a 2006-os X5-ösben alkalmazták először, amelyben az adaptív lengéscsillapítókhoz kellett ez az idővezérelt busz. Később, a 2008-as 7-esben már teljes hálózatot szőttek belőle. A FlexRay nagyobb adatsebességet és determinisztikus időzítést kínál, így ideális a fejlett biztonsági és elektronikus rendszerekhez.
A buszrendszerek jövője és alkalmazási területei
A jövőben a CAN-technológia még fontosabb szerepet fog játszani, mivel a járművek egyre inkább összekapcsolódnak és önállóvá válnak. A protokoll folyamatosan fejlődik az Ethernet-alapú architektúrákba való zökkenőmentes integráció érdekében, ami lehetővé teszi a kifinomultabb Vehicle-to-Everything (V2X) kommunikációt. Mivel az elektromos járművek és az autonóm vezetési rendszerek nagyobb sávszélességet és összetettebb adatcserét igényelnek, a CAN továbbfejlesztett verzióit úgy fejlesztik, hogy együtt éljenek az újabb protokollokkal, miközben megőrzik azt a megbízhatóságot és a költséghatékonyságot, ami iparági szabvánnyá tette ezt a technológiát.
Az autóipari alkalmazásokon túl a CAN-busz az ipari automatizálás, az orvosi berendezések és a repülőgépipar területén is egyre elterjedtebbé válik, ami kiválóan tükrözi sokoldalúságát és időtálló jelentőségét a mai egyre inkább összekapcsolt világban. Igaz ugyan, hogy a CAN-buszt eredetileg az autóipar számára fejlesztették ki, a használata azonban messze túlmutat a személygépkocsikon. Napjainkra a CAN-busz vált a kereskedelmi tehergépkocsik, a buszok, az építőipari berendezések, a mezőgazdasági gépek, a tengerjáró hajók és az ipari automatizálási rendszerek legelterjedtebb szabványává is. De orvosi eszközökben, az épületautomatizálásban, sőt repülőgépipari alkalmazásokban is használják.
A CAN-buszok adatkeretei számos esetben használhatók. Például járműparkkezelők számára a járműadatok naplózása létfontosságú ahhoz, hogy olyan tájékozott döntéseket hozhassanak, amelyek csökkentik az üzemanyagköltséget és javítják a járművezetői teljesítményt. A Webfleet-megoldásokat úgy tervezték, hogy a klasszikus CAN és CAN FD adatokat egyaránt hasznosítsák, biztosítva, hogy a járműparkkezelő rendszer a jövőben is lépést tudjon tartani a járműtechnológia fejlődésével.
Biztonság és diagnosztikai eszközök
A CAN-buszrendszerek védelme többrétegű megközelítést igényel. Az első védelmi vonal a fizikai biztonság - korlátozza a jármű OBD-II portjaihoz való hozzáférést, és gondoskodjon arról, hogy csak az arra jogosult személyek csatlakozhassanak a diagnosztikai berendezésekhez. Használjon titkosított kommunikációs csatornákkal és hitelesítési protokollokkal rendelkező biztonságos telematikai eszközöket. A járművek és a telematikai hardverek rendszeres firmware-frissítései segítenek az ismert biztonsági rések kijavításában. Vegye fontolóra biztonságos felhőalapú csatlakozást és hozzáférés-szabályozást biztosító járműparkkezelő megoldások használatát.
A CAN-busz adatainak eléréséhez és értelmezéséhez szüksége lesz egy CAN-busz interfészeszközre (például OBD-II adapterre vagy dedikált telematikai egységre), megfelelő szoftverre vagy felhőalapú platformra az adatok dekódolásához és megjelenítéséhez, valamint a járműgyártmányokhoz és -típusokhoz tartozó specifikus CAN-adatbázis (DBC-fájlok) ismeretére. A professzionális járműparkkezelés érdekében az integrált telematikai megoldások kiküszöbölik a CAN-adatok manuális értelmezésének összetettségét.
Összefoglalásként elmondható, hogy a kidolgozott protokoll segítségével precíz, minden igényt kielégítő diagnosztika végezhető a CAN-hálózat segítségével, ezért az újonnan gyártott gépkocsiknál a K-vonalas diagnosztika lassan már csak emlék marad. Azt azonban érdemes kihangsúlyozni, hogy mielőtt CAN-hozzáférési pontokat keresnénk a diagnosztikai csatlakozón, vegyük alaposan szemügyre a gyári kapcsolási sémát, mert csak ennek ismeretében dönthető el, hogy milyen kialakítási változattal van dolgunk.
A Webfleet telematikai megoldásai az ágazati szabványnak megfelelő biztonsági intézkedéseket, többek között titkosított adatátvitelt és biztonságos hitelesítést tartalmaznak, így segítenek megvédeni járműparkja CAN-busz adatait a jogosulatlan hozzáféréstől, miközben zökkenőmentes kapcsolatot tartanak fenn a jogszerű járműparkkezelési műveletekhez. A Webfleet plug-and-play telematikai eszközöket biztosít beépített CAN-busz csatlakoztathatósággal, amely egy intuitív irányítópulton automatikusan rögzíti, dekódolja és megjeleníti a járműadatokat.