Этой статьи бы не было, если бы не случайность. Совсем недавно у меня в семье появился второй славный представитель семейства VAG. Вместе с этим пришло осознание, что пора как минимум обзавестись сканером ошибок и нормальной документацией на автомобиль. И если первое решилось довольно просто, то со вторым пришлось поступить немного необычно. Я решил воспользоваться древней версией приложения ElsaWin (дилерское ПО), в котором есть наиболее детальная и полная информация.
Однако когда я принялся изучать все, что выдала мне программа, то наткнулся на весьма необычный пункт, касающийся диагностики и восстановления оптоволокна. Тут у меня случился небольшой когнитивный диссонанс — оптика в машине, которой стукнуло 23 года. Поэтому решил копнуть глубже и разобраться, действительно ли это вообще есть в моих автомобилях. Заваривайте кофе и добро пожаловать под кат.
Эволюция оптических стандартов
Конец 80-х и начало 90-х — время, когда индустрия консьюмерской электроники уже вполне освоила новую оптическую среду передачи данных. Ее основой было дешевое пластиковое оптоволокно (POF) с диаметром жилы 1 мм. Все интерфейсы того времени работали на обычных некогерентных LED-светодиодах видимого диапазона. Это позволяло значительно экономить — не было необходимости использовать драйвер со стабилизацией порогового тока (как для лазерных диодов) или сложной юстировки с прецизионной сборкой.
Корпорация Toshiba в те годы создала стандарт соединения TOSLINK, который изначально разрабатывался для передачи аудиопотоков. Другие две крупные компании (Sony и Philips) разработали стандарт для передачи цифрового звука S/PDIF, дошедший до наших дней и присутствующий почти в каждом современном телевизоре или AV-ресивере.
Помимо обычной аудиотехники, инженеры Philips пошли дальше и разработали стандарт DDB (Domestic Digital Bus, часто обозначался как D2B) для применения в автомобильной промышленности. Идея была проста и гениальна — соединить разные компоненты мультимедийных и информационных систем при помощи оптического волокна, что позволит передавать данные с гораздо большей скоростью, а также полностью исключить электромагнитные наводки.
Первой такую шину внедрила Mercedes-Benz в поколениях W210 (E-Class) и W220 (S-Class), значительно переработав оригинальный стандарт. Причиной была вполне конкретная проблема. Существующая высокоскоростная цифровая шина CAN-C позволяла передавать данные со скоростью 500 Кбит/с. Она проектировалась под управляющий трафик (ECU, ABS, ESP и так далее). Если попытаться приспособить ее под передачу аудиопотока с CD-качеством, то он «съест» весь канал целиком. А теперь представьте, что у вас есть еще радио, CD-чейнджер, навигация и телефон. Тут нужна значительно более быстрая шина для иного класса трафика.
D2B в 11 раз превосходил CAN-C по скорости, что позволяло повесить на него всю инфотейнмент-систему автомобиля. Интересной особенностью было то, что шина была гибридной, объединяя в себе оптику и медь:
Здесь вместе работают две топологии — кольцо и звезда. Чтобы в кольце был сигнал, каждый узел должен держать активный оптический передатчик, приемник и часть логики, которая способна распознать активность на линии. Однако если вся эта сеть будет постоянно работать, то автомобильный аккумулятор сядет достаточно быстро. А если кольцо «погасить», то само по себе оно не сможет «проснуться» — в оптоволокне попросту нет дежурного сигнала, способного разбудить блоки.
Так что инженеры решили вместе с оптическим кольцом положить простой медный провод, работающий в роли будильника. Все узлы шины соединены им параллельно. Когда мастер-узел (чаще всего головное устройство) получает cигнал о пробуждении, инициатором которого может быть, к примеру, поворот ключа или открытие двери, он подает на этот провод короткий (80 мс) электрический импульс. Все узлы, которые этот сигнал получили, активируют оптические передатчики, и кольцо оживает.
Если же узел не ответил после нескольких последовательных сигналов пробуждения, мастер фиксирует обрыв кольца и пишет в диагностические коды неисправностей про потерю связи. Так что если ранним зимним утром после холодного запуска на старом Mercedes не работает мультимедиа, вполне возможно, проблема как раз в этом самом оптическом кольце. Если хотя бы один узел не проснулся, вся система остается в спящем состоянии, а следовательно, и обмена данными между ними нет.
Кстати, именно поэтому на многих зарубежных маркетплейсах до сих пор популярны кабели типа optical loop. Ведь если, например, продиагностировать, на каком узле кольцо оборвалось, то нужна прямая оптическая перемычка. Ее как раз и можно купить за 5–7 евро. Подключаете вместо блока, и если все заработало, то виновник найден.
Король умер. Да здравствует король!
Новый стандарт D2B прожил яркую, но короткую жизнь. Буквально сразу с выходом в серию консорциум производителей, в которые входила BMW, DaimlerChrysler, Harman/Becker и OASIS Silicon Systems, начал совместную работу над новым стандартом MOST (Media Oriented Systems Transport). Его задачей было радикально увеличить скорость и количество узлов в сети.
Если D2B мог разогнаться до 5,6 Мбит/с, то выход стандарта MOST уже в первой реализации позволил достичь 25 Мбит/c, а количество узлов увеличилось вдвое, до 64. Физическая среда передачи данных осталась той же — красный LED-диод 650 нм, пластиковое оптоволокно (POF) с отдельной медной линией для пробуждения. Скорости теперь было достаточно, чтобы одновременно гонять несжатый аудиопоток от CD-чейнджера, вести разговор по громкой связи и отдавать команды управления.
Но самым главным скрытым нововведением стала подготовка к тотальному переходу на IP-инфотейнмент. Несмотря на то, что по спецификации были возможны построения виртуальных топологий, например звезда или резервирование кольца, на практике я не нашел никаких упоминаний об использовании. Все-таки MOST проектировался не для управления критическими функциями, вроде тормозов, рулевого управления или подушек безопасности, а для работы с мультимедиа.
С архитектурной точки зрения MOST принципиально отличался от той же D2B- или CAN-шины тем, что в нем появилось понятие функциональных блоков (FBlocks). Теперь это не физические устройства, а условные роли, которые узел может играть в сети. В стандарте D2B каждый девайс занимал строго отведенное ему место и порядок. Никакого автоматического определения. Установили дополнительный девайс — добро пожаловать к дилеру на кодирование. Мастер-узел не пытается искать компоненты — он ожидает их в конкретном слоте.
С появлением MOST вместо вендор-специфической схемы координации появилась открытая библиотека FBlock Library. Это публичный документ, требования которого должен соблюдать каждый производитель железа.
Предположим, вы поставили в автомобиль усилитель для аудиосистемы. Вне зависимости от вендора это будет все тот же блок 0x22 (AudioAmplifier) с одним и тем же набором функций. Если бы условный Bose захотел сделать совместимое с D2B устройство, ему бы пришлось реверсить проприетарный протокол Mercedes. Тут же никаких проблем — стандарт открытый. Правда, был неприятный момент — Data Link layer до 2008 года был проприетарным, и лишь потом SMSC (бывшая OASIS) и Harman/Becker открыли его лицензирование на royalty-bearing-основе.
Еще одним козырем стало динамическое обнаружение. Это чем-то похоже на Plug&Play, только для автомобильных устройств. Мастер-узел при каждом поднятии кольца опрашивает все доступные блоки и собирает их в таблицу — кто и где находится. Это значительно удобнее, ведь не требует от владельца автомобиля ехать к дилеру и платить за то, чтобы новое устройство заработало.
Фактически MOST из быстрой шины превратился в настоящую сеть, пускай и со специфичной топологией и транспортом. К тому же он заложил основу для будущей модернизации, которая не заставила себя долго ждать. С выходом стандарта MOST50 в 2007 году пропускная способность была удвоена, а также впервые разрешен физический уровень не по POF, а по обычной витой паре.
Бегство от оптики
Где логика? Да все просто — к этому времени оптика в автомобиле стала казаться неудобным и более дорогим решением. Наводки, разумеется, никуда не делись, однако технологии не стояли на месте и медь сильно поумнела. Если обычный CAN не имел какой-либо обработки сигнала, то в стандартах Automotive Ethernet 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) и 1000Base-T1 (IEEE 802.3bp) появилось множество механизмов подавления помех в реальном времени.
К тому же практика использования пластиковых оптических кабелей в автомобилях вскрыла ряд проблем, которые стали мешать владельцам и сервисным центрам. Прежде всего — жесткие требования по радиусу изгиба (25 мм минимум) и защите самого кабеля. Даже небольшого усилия сверх нормы хватало, чтобы вывести его из строя, что приводило к полному отключению кольца.
Со временем POF деградирует, чему способствуют постоянные температурные циклы. Пластик мутнеет и становится проблемой классических «холодных стартов без звука» на старых автомобилях. Да и «на коленке» такой кабель не починить — нужен как минимум специальный скалыватель, который реально достать только у дилера. Плюс упомянутый гибрид — вместе с оптикой все равно приходилось прокладывать дополнительную медь для пробуждения — почему бы тогда не делать все на меди.
Неочевидным моментом стала и скорость. Да, со временем вышел стандарт MOST150, позволявший гонять 150 Мбит/с, однако это фактически предел для обычного красного LED-диода на 650 нм. Без перехода на когерентные источники света разогнаться выше было бы проблематично, в то время как витая пара уже могла дать 1 Гбит/c (и 10 Гбит/c в обозримом будущем).
Время шло, и менялись не только требования к скорости, но и сама архитектура автомобилей. Вместо плоской сети с десятками ECU на одной шине применяется зонально-доменная. По всей машине расставлено несколько мощных Ethernet-контроллеров, собирающих «грязные» сигналы с датчиков по коротким жгутам, а далее отправляющих их уже по чистому экранированному Ethernet с высокой скоростью.
Оптика выжила лишь только в премиальном сегменте — некоторые S-class и Audi A8 сохранили совместимость с MOST150 для взаимодействия с легаси-усилителями. Однако в массовом сегменте ее заменили на медь.
Оптическая эволюция
К 2020 году история оптики в автомобилях пошла на новый виток. Оказалось, что на скорости более 10 Гбит/c применять медь нецелесообразно, особенно на электромобилях и гибридах, где наводок стало в разы больше. Инверторы с SiC-ключами переключаются на частотах в десятки килогерц при сотнях ампер. Это настоящий ЭМИ-апокалипсис в то время, когда трафик внутри машины катастрофически вырос.
В современном автомобиле по магистрали летают видеопотоки с десятка камер высокого разрешения, точки LIDAR-облаков, а также данные с фронтальных и угловых радаров. Такое уже не укладывается в 1 Гбит/c, а 10 Гбит/c по меди на практике требует экранирования, потребляет много энергии и выглядит уже не так привлекательно. Так что автопроизводители задумались и решили откопать стюардессу возродить использование оптики, но уже на стеклянном волокне и с VCSEL-лазерами.
Так появился стандарт IEEE 802.3cz, описывающий мультигигабитные (до 50 Гбит/c) сети в автомобилях, используя оптическое волокно в качестве транспорта. Теперь это не просто быстрая мультимедийная шина, а основная магистраль между контроллерами зон и центральным вычислительным устройством. Витую пару при этом убирать не будут — она останется работать в качестве транспорта последней мили внутри зон. Совместимости с MOST уже не будет — стандарт мертв окончательно и воскрешению не подлежит.
Таким образом, четверти века хватило, чтобы инженеры сбежали с меди на POF-оптику, успешно на нее вернулись, когда скорости стало не хватать, а сейчас вновь рассматривают оптоволокно в качестве backbone. История в очередной раз продемонстрировала цикличность.
Заключение
Ну а что же с оптикой в твоем «жуке», спросите вы? А ее там нет и никогда не было. Я облазил оба автомобиля и не нашел ничего похожего на MOST-кабель. Стандартный жгут от головного устройства до CD-чейнджера — обычная медная разводка без какой-либо оптической экзотики. Чего, на самом деле, и стоило ожидать.
Та документация, которую ElsaWin мне продемонстрировала, — побочный эффект архитектуры приложения. Фильтрация даже по конкретному автомобилю включила в себя технологию, реализованную в Volkswagen Phaeton. Именно в таких машинах MOST жил по-настоящему. Программа попросту вывалила мне все, что есть про шины той эпохи, включая диагностику оптического кольца, которого в New Beetle так никогда и не появилось.
Благодаря этой случайной находке мне удалось погрузиться в историю разработки высокоскоростных шин данных для автомобильной промышленности. Наверное, за это я и люблю старую документацию — она порой не отвечает на те вопросы, которые я ей задаю, однако подкидывает значительно более интересные факты, иногда приводящие к целому расследованию. Ну а потом даже к статье на Хабр.
На этом все. Подписывайтесь на блог МТС, чтобы не пропустить выход новых статей, а я, пожалуй, пойду и дальше изучать внутренности New Beetle. Впереди снятие «головы» и замена прокладки ГБЦ. Но это уже совсем другая история.