Общие сведения о передаче данных

 

В общем смысле коммуникация (или передача данных) предполагает обмен информацией. Хорошо известно, как происходит коммуникация между людьми. Она включает кодирование, передачу и декодирование осмысленных сообщений с помощью языка. В мире существует множество различных языков. Помимо языковых коммуникаций между людьми существуют и другие способы коммуникаций. Коммуникации происходят также между электрическими приборами, например, электронными блоками управления для обмена данными. Передача данных между несколькими компьютерами осуществляется посредством сети.

При передаче данных между компьютерами в рамках сети используется некий общий язык (правила передачи данных), называемый протоколом. Более подробное описание протокола будет приведено далее. Независимо от способа передачи данных сетевые системы могут иметь различную топологию, такую как кольцо, звезда или шина.

 

Параллельная передача данных

 

До настоящего времени большинство систем взаимодействовали друг с другом посредством специально предназначенных для этой цели проводов, т. е. для передачи каждого типа сигнала использовался отдельный провод. Требования обеспечения безопасности, комфортности и охраны окружающей среды приводят к необходимости расширения взаимодействия отдельных систем (блоков управления). А для этого необходимо все больше проводов и разъемов. Например, для обеспечения надлежащего управления антиблокировочной и антипробуксовочной системой блок управления ABS/TCS должен обмениваться данными с блоком управления двигателем. По мере роста количества систем и объемов информации возникает несколько проблем. Увеличение количества проводов приводит к росту стоимости, провода занимают все больше места, а кроме того, вследствие большого количества разъемов повышается вероятность отсутствия контакта или ненадежного контакта. Поскольку электрическая начинка современных автомобилей становится все более сложной, необходимость объединения устройств в сеть становится еще очевиднее. Например, некоторые автомобили класса «люкс» содержат более 5 км проводов весом около 100 кг. А количество разъемов становится просто пугающим с точки зрения надежности. Чтобы справиться со всеми этими проблемами, в настоящее время применяется последовательная передача данных. Поскольку в этом случае количество соединительных проводов значительно меньше требуемого количества сигналов, данные передаются последовательно в виде пакетов данных.

 

Побитная передача данных

 

При пакетной передаче данных необходимо обмениваться данными по частям с использованием цифровых сигналов или, говоря техническим языком, побитно. В традиционной системе каждый элемент информации передается непосредственно с одного ЭБУ на другой по отдельным проводам через выделенные контакты. При последовательной передаче данных информация преобразуется в биты, представляющие собой логические (цифровые) сигналы. Такие сигналы имеют только два состояния: включено или выключено, 1 или 0, длинный или короткий и т. д. Один сигнал с двумя возможными состояниями представляет собой минимальную единицу информации и называется битом (двоичная единица информации). В виде последовательности битов можно передавать любые данные. В примере выше состояние переключателей

«выключено, включено, включено, выключено» преобразовано в последовательность битов 0110 и передано по сети. После получения пакет битов 0110 преобразуется обратно в сведения о состоянии переключателей, при этом 0 означает выключенное состояние, а 1 — включенное. Поскольку между блоками управления происходит обмен большим объемом данных, необходимо выделить определенное количество бит для передачи требуемой информации между различными системами. Посмотрим, сколько информации можно передать с помощью определенного количества бит. В качестве примера рассмотрим передачу сведений о температуре. Один бит позволяет передать только два различных значения, 2 бита — 4 значения, а 3 бита — уже 8 значений. Каждый дополнительный бит удваивает количество информации. Поскольку между блоками управления происходит обмен большим объемом данных, необходимо выделить определенное количество бит для передачи требуемой информации между различными системами. Посмотрим, сколько информации можно передать с помощью определенного количества бит. Чтобы лучше уяснить принцип, воспользуемся таблицей 7-битных кодов ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и преобразуем сообщение, представленное в битах, в понятное слово. Получаем, что последовательность битов 0001001101000100110010000101 соответствует слову HELP. Кроме того, можно использовать эту таблицу для обратного преобразования. Например, слову END соответствует последовательность 101000101110010010001.

 

Технология создания битов

 

В сущности, для передачи данных можно использовать любой метод, который позволяет создавать два различных состояния сигнала. В автомобилях для представления двоичных цифр 1 и 0 чаще всего применяются два различных уровня напряжения, но это не является обязательным требованием. Например, в некоторых системах для передачи данных используются световые сигналы: свет включен = 1, свет выключен = 0. Кроме того, можно использовать длительность сигнала. В этом случае кратковременный импульс может представлять 1, а более длительный сигнал — 0. Условия, которые представляют 0 или 1, можно выбрать произвольно. Например, напряжение 12 В может соответствовать 1, а 0 В — 0. Но можно сделать и наоборот, т. е. 12 В = 0, а 0 В = 1. В большинстве случаев для передачи данных используются сигналы высокого или низкого напряжения. Давайте рассмотрим, как это реализуется технически. Для упрощения понимания в примере ниже используется источник питания, резистор, простой выключатель и индикатор напряжения. Если все выключатели разомкнуты, на все индикаторы напряжение подается через резистор. Каждый индикатор будет обнаруживать на линии передачи данных напряжение 12 В, которое представляет единицу. На рисунке справа один выключатель замкнут, он замыкает резистор на «массу». Поэтому напряжение на шине упадет до 0 В, что соответствует 0. На самом деле в микросхемах используются транзисторы, но общий принцип остается таким же. В сетевой системе возможны два различных состояния бита: он может иметь приоритет (и называется в этом случае доминантным) или не имеет приоритета (и называется рецессивным). Это означает, что доминантный бит подавляет рецессивный. Доминантный уровень используется для обеспечения приоритета сигнала важных сообщений. При широтно-импульсной модуляции (PWM) состояние бита определяется различными уровнями напряжения импульса. Такой способ применяется наиболее часто.

При переменной широтно-импульсной модуляции (VPW) состояние бита определяется длительностью импульса, а не уровнем напряжения.

 

Кадр данных и протокол

 

Очевидно, что для обеспечения надлежащего обмена данными между различными устройствами недостаточно только уметь создавать последовательности битов. Необходимы и другие правила. Сравните два предложения на слайде. Несмотря на одинаковое содержимое обоих предложений, второе предложение значительно удобнее читать. Как вы увидели на примере простого предложения, для упрощения понимания важно знать, где начинается или заканчивается сообщение. В битовых

последовательностях изменение начальной точки или длины пакета данных приведет к изменению всего сообщения. Если определенное сообщение состоит из 10 бит и начинается с первого бита последовательности, приведенной на слайде, получим следующее сообщение: 1101011000. Если первые 2 бита относятся к предыдущему сообщению, а новое сообщение начинается с бита 3, получим сообщение 0101100011. Это сообщение совершенно отлично от предыдущего. Поэтому блоки управления должны знать, где находятся начальная и конечная точки сообщения. Доступное место от начала до конца одного сообщения называется кадром данных. Кадр данных определяет не только начальную и конечную точки сообщения, но также и структуру сообщения. В примере на слайде показана типичная структура кадра данных, состоящего из заголовка, полей данных и конца сообщения. Заголовок может содержать такую информацию, как адрес отправителя, адрес получателя, приоритет сообщения и стартовый бит. Поля данных содержат фактическую передаваемую информацию. В различных системах кадр данных может содержать одно или несколько полей данных. Блок конца сообщения может содержать контрольное поле для проверки правильности передачи и стоповый бит. Структура кадра данных зависит от конкретной сети и протокола.

 

Протокол

 

Протокол определяет все необходимое для правильной передачи и приема данных. Он описывает не только формат кадра данных, но и способ связи (проводная или беспроводная), используемую частоту и уровень напряжения, а иногда даже и форму разъема и многое другое. Подробные сведения о сети автомобиля приведены либо в спецификациях SAE или DIN/ISO для стандартных систем, либо определяются производителем для специализированных систем. Международная организация по стандартизации (ISO) разработала модель OSI (модель взаимодействия открытых систем), в которой для точного описания любых коммуникационных сетей или систем используются 7 областей передачи данных по сети (так называемые уровни). Каждый уровень отвечает за определенный аспект передачи данных. Например, физический уровень определяет разводку проводов, используемые напряжения и т. д. В конкретной сети могут присутствовать не все уровни. Очень часто при передаче данных в автомобиле используются только уровни 1, 2 и 7.