Dla producentów samochodów – znaczenia nabiera przepustowośd, przepustowośd... i jeszcze raz przepustowośd

Aby obniżyd stopieo złożoności i przygotowad się na wzrastającą w szybkim tempie liczbę funkcji urządzeo

elektronicznych, konstruktorzy samochodów poszukują coraz szybszych i efektywniejszych rozwiązao architektury
elektrycznej samochodu „Przepływ w rurociągu” jest pojęciem z zakresu hydrauliki, dośd 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, skrzyo biegów, silników foteli, ogrzewania, układów klimatyzacyjnych, wycieraczek, poduszek
powietrznych, telefonów komórkowych, układów kierownicy i innych niezliczonych urządzeo, wśród nich – układów, w
których zawieszenie się jakiegoś pakietu danych może spowodowad niezadziałanie hamulców, a w konsekwencji –
niejeden śmiertelny wypadek.

Aby to zrealizowad, producenci samochodów zamierzają złożyd zapotrzebowanie na wielką, elektroniczną „rurę

danych”, o przepustowości przewyższającej 1 Mbit/s – taka bowiem przepustowośd oferowana jest w dzisiejszym
rozwiązaniu, o nazwie: magistrala CAN1 i, byd 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 oddad 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 zacząd rozważad 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 ilośd danych do
przetworzenia, ale przede wszystkim ze względu na koniecznośd 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 spojrzed całościowo na pojazd i potraktowad 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 podoład temu zagadnieniu – dodaje.

Poza magistralami

Jak należało się spodziewad, nie ma jednomyślności co do tego, jak te pomysły należy realizowad i czy w ogóle

powinny byd one realizowane. Ale wkrótce przekonanie o nieodzowności tego zadania spowszednieje. W koocu
przemysł samochodowy działa z pięcioletnim wyprzedzeniem i z każdym rokiem stopieo komplikacji systemów
elektronicznych wzrasta do nieprzewidywalnych granic. To właśnie jest powód, dla którego konstruktorzy samochodów
zaczęli mocno naciskad 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 koocu 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 przenieśd 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 sied
połączonych ze sobą węzłów, w której każdy węzeł może „rozmawiad” z innym węzłem, ustanawiając bezpośrednią
ścieżkę dostępu poprzez sied przewodów. Jednakże koncepcja ta nie do kooca 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. Szybkośd przesyłu danych, jaką osiągnięto w tym rozwiązaniu,
znacznie przewyższa to wszystko, co mogą zaoferowad 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 zapewnid przepustowośd rzędu 1 Mbit/s dla każdego połączenia, a przy 256 połączeniach może
teoretycznie zagwarantowad maksymalną przepustoośd 256 Mbit/s.

W rezultacie kombinacji fizycznej warstwy FlexRay z protokołem struktury przełącznikowej przepustowośd

wznosi się na jeszcze wyższy poziom – do około 10 Mbit na pojedyncze połączenie. Przy 200 połączeniach w siatce
osiągnie się ostateczną przepustowośd do 2 Gbit/s. – Cała komunikacja w strukturze przełącznikowej odbywa się w
trybie punkt-punkt, a więc wszystkie połączenia mogą się komunikowad 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 przepustowośd niż w
przypadku CAN czy innej magistrali danych.

Nigdy więcej „małych kroczków”

Przepustowośd 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 powiązad tych wielkości z
przemysłem samochodowym, ale konstruktorzy Motoroli potwierdzają, że ich protokół struktury przełącznikowej jest w
stanie zaoferowad 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 mied 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 dosyd 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 sied powinna dowieśd swych zalet w podobny sposób. Scott Monroe,
architekt systemowy w Texas Instruments’ Mixed Signal Automotive Business Unit5 zauważa, iż wprowadzając
jakąkolwiek nową sied do pojazdu, nieuchronnie napotyka się na sprawy związane z EMC (kompatybilnością
elektromagnetyczną), szczególnie przy wysokich przepustowościach. – Wszystko sprowadza się do tego, że usiłuje się
transmitowad dane z dużą szybkością, próbując jednocześnie nie powodowad emisji elektromagnetycznych z
miedzianych przewodów, ułożonych we wnętrzu samochodu – dodaje Scott. Jednakże inżynierowie Motoroli wierzą, że
jest to korzystny moment, aby wziąd strukturę przełącznikową pod uwagę, szczególnie że coraz więcej producentów
samochodów dostrzega wyczerpujący się potencjał CAN.

– Teraz jest pora, żeby zamiast małych kroczków rozważyd 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 bezpieczeostwo. W
szczególności był on zorientowany na układy kierowania i hamulcowe by-wire, ponieważ oferował znaczną
przepustowośd 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 bezpieczeostwa.

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 widzied większą rolę dla FlexRay, do odegrania we

współczesnym pojeździe. Ich zdaniem FlexRay, jako kręgosłup, mógłby rozwiązad problemy przepustowości, które w
przypadku CAN szybko osiągają granicę możliwości. Niektórzy inżynierowie z General Motors i innych firm chcieliby
zastosowad FlexRay do sterowania skrzynią biegów, podwoziem, poduszkami powietrznymi i układami kierowniczymi
by-wire Raz jeszcze przepustowośd okazuje się kluczem do takiego sposobu myślenia: podczas gdy CAN oferuje prędkośd
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 badao i producenci samochodów nie palą się do jej odrzucenia.

– Jeszcze przez przynajmniej dziesięd lat CAN będzie wiodącą magistralą w większości samochodów – zauważa

Monroe z Texas Instruments. – Przemysł zbyt wiele zainwestował w tę infrastrukturę, aby ją tak szybko odrzucid.
Większośd inżynierów sądzi jednak, że przemysł samochodowy będzie stopniowo zmieniał swoje architektury
elektryczne, prawdopodobnie przez stosowanie protokołów mieszanych. Jak mówią, FlexRay mógłby byd 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 bezpieczeostwo.
CAN w dalszym ciągu utrzymywałby swoje pole zastosowao w układach przeniesienia napędu.

Ostatecznie oczekują oni zmniejszenia się liczby węzłów i mikrosterowników. Argumentują, że w przeciwnym

razie stopieo komplikacji systemu wpadnie w spiralę, nad którą już nikt nie zapanuje. – Za dziesięd 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, większośd 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, ilośd 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 oprzed architekturę
całego samochodu na jednej z używanych dzisiaj konwencjonalnych magistrali – wyciąga wniosek Jordan z Motoroli. –
Przy dzisiejszych magistralach czynnikiem ograniczającym jest zawsze przepustowośd.

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 częśd Texas Instruments

6 LIN – Local Interconnect Network – Lokalna Sied Komunikacyjna

7 Safe-by-wire – elektroniczne systemy bezpieczeostwa