Jednym z najważniejszych układów we współczesnych samochodach jest sieć transmisji danych pomiędzy podzespołami. Dawno temu zrezygnowano z budowania pojazdów w oparciu o analogowy model przesyłania sygnałów. Dotyczy to zarówno sterowania prostymi odbiornikami, jak i kontrolowania układów najważniejszych z punktu widzenia bezpieczeństwa jazdy.

Wprowadzenie modelu cyfrowego przyniosło znaczące korzyści, między innymi redukcję liczby błędów, zmniejszenie masy pojazdu (mniej kabli), redukcję kosztów produkcji (mniej miedzi). Ten trend będzie się utrzymywał – zwłaszcza teraz, w okresie intensywnego rozwoju internetu rzeczy. Jeśli założymy, że współczesne pojazdy mają się dostosowywać do przyzwyczajeń kierowców i pasażerów, warunków atmosferycznych, stylu jazdy, natężenia ruchu itp., musimy przyjąć, że będzie się zwiększała liczba czujników i układów wykonawczych, które muszą wymieniać między sobą dane w czasie rzeczywistym.

W rezultacie wzrasta zapotrzebowanie na pasmo i szybkość transmisji danych, a pożądane są możliwie najmniejsze opóźnienia oraz pewność komunikacji, gwarantowana przy pomocy mechanizmów wykrywania i korekcji błędów.

Systemy transmisji danych

Systemy transmisji danych w pojeździe można omawiać na różnych poziomach. Skoncentrujmy się na najbardziej podstawowym, czyli na warstwie fizycznej. To określenie pochodzi ze świata IT i oznacza parametry fizyczne sygnału oraz medium wykorzystywanego do przesyłania danych oraz sposób połączenia tym medium urządzeń wysyłających i odbierających dane. Kolejna warstwa modelu sieci pokładowej to protokół komunikacyjny, czyli zestaw reguł, według których powstają i są odczytywane komunikaty wysyłane z poszczególnych urządzeń. Następna, wyższa warstwa opisuje sposób obsługi danych przez oprogramowanie zainstalowane na poszczególnych sterownikach.

Dane pomiędzy urządzeniami sterowanymi elektronicznie mogą być przesyłane za pomocą sygnałów elektrycznych, optycznych lub radiowych. W praktyce spotyka się różne ich kombinacje, ale zazwyczaj w takim przypadku mamy do czynienia z kilkoma różnymi sieciami transmisji danych o osobnym przeznaczeniu. Sygnały – w zależności od ich rodzaju – mogą być przesyłane za pośrednictwem materiału przewodzącego prąd elektryczny (najczęściej jest nim miedź), ośrodka przenoszącego światło (najczęściej cienkie włókna szklane) oraz za pomocą fal radiowych, które nie wymagają obecności żadnego ośrodka (mogą się rozchodzić w próżni.)

Historycznie najwcześniej pojawiły się instalacje wykonane z izolowanych przewodów miedzianych. Eksperymenty z innymi, tańszymi materiałami (np. aluminium) zakończyły się niepowodzeniem ze względu na problemy z wykonywaniem trwałych, odpornych na czynniki mechaniczne połączeń. Kable z żyłami miedzianymi wykorzystywano od początku motoryzacji (i nadal się wykorzystuje) zarówno do przesyłania sygnałów, jak i do dostarczania energii (z akumulatora, alternatora itp.).

Połączenia służące do zasilania przewodzą prąd o dużym natężeniu i muszą być wykonane z miedzi o większym przekroju. Kable sygnałowe mogą mieć mniejszy przekrój, ale powinny być chronione przed wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Najczęściej rozwiązuje się ten problem, owijając żyły sygnałowe ekranem z przewodzącego prąd materiału. Połączenie takiego ekranu z masą gwarantuje, że jeśli pod wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego wyindukuje się prąd, zostanie on zwarty do masy i nie będzie wpływał na sygnał użyteczny przesyłany przewodami. Do pewnego momentu przesyłanie sygnału było jednoznaczne z dostarczeniem energii do zasilania urządzenia. Chcąc włączyć silnik wycieraczek, trzeba było wcisnąć przycisk, który zamykał obwód zasilający i dostarczał energię elektryczną do silnika.

Obecnie stosuje się inny model sterowania. Rozdzielono obwody sygnałowe i zasilające. Przycisk wysyła niskoprądowy sygnał do sterownika, który podejmuje decyzję o włączeniu zasilania silnika. Ta zmiana być może komplikuje system połączeń, ale także otwiera zupełnie nowe możliwości. Niemal każde urządzenie może być włączane na wiele sposobów: ręcznie lub automatycznie, pojedynczo albo w grupie z innymi.

Model, w którym sygnał jest przesyłany z wielu urządzeń sterujących do kontrolera osobnymi przewodami, ma kilka zalet i nieco więcej wad. Podstawową zaletą jest uproszczone poszukiwanie usterki. Jeśli zawiedzie czujnik, to wiadomo, że problemu należy szukać albo w nim, albo w przewodach łączących go z resztą instalacji. Problem polega na tym, że takich bezpośrednich połączeń musi być wiele. To oznacza dużo ciężkich i drogich przewodów oraz wiele potencjalnych przyczyn awarii: zaciski, miejsca lutowania, wtyki itp.

Zamiast wprowadzać kolejne przewody, postanowiono stworzyć osobny obwód służący wyłącznie do przesyłania sygnałów pomiędzy wszystkimi urządzeniami, które mają taką potrzebę. Tak powstały sieci, w których transmitowane są sygnały cyfrowe.

Sieci miedziane

Sieci miedziane to najstarszy, ale wciąż najbardziej popularny rodzaj sieci. Sygnał w postaci impulsów elektrycznych jest w nich przesyłany jednym lub kilkoma przewodami przypominającymi „skrętkę” znaną z komputerowych sieci LAN. Medium jest proste w obsłudze, diagnostyce i naprawie. Uszkodzone odcinki przewodów można lutować i izolować, przywracając im pełną sprawność. Nie są do tego potrzebne specjalne urządzenia (poza lutownicą). Do diagnozowania sygnałów i ciągłości połączeń wystarczą multimetr i oscyloskop (diagnoskop).

Sieci światłowodowe

Sieć światłowodowa jest wolna od wielu przypadłości sieci zbudowanych w oparciu o przewody miedziane; przede wszystkim jest odporna na zakłócenia elektromagnetyczne. W przewodzie miedzianym pod wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego indukuje się prąd, który interferuje z przesyłanym sygnałem. Potencjalnych źródeł takich interferencji jest wiele, np. niewystarczająco ekranowana instalacja wysokiego napięcia w układzie zapłonowym. Światłowód jest wykonany z włókna szklanego i przewodzi światło (na marginesie warto przypomnieć, że światło jest falą elektromagnetyczną o bardzo wysokiej częstotliwości, co sprawia, że ma szczególne właściwości).

Światłowody mogą być kłopotliwe w diagnostyce i naprawie. Ciągłości włókna nie można sprawdzić miernikiem uniwersalnym, a sygnału nie da się obejrzeć zwykłym oscyloskopem. Przewód miedziany można naprawić, lutując zerwaną żyłę, ale ze światłowodem nie da się tak postąpić. Nie oznacza to, że badanie i naprawa sieci zbudowanej na światłowodzie nie są możliwe. Po prostu potrzebny jest inny – niestety kosztowny – zestaw przyrządów pomiarowych i narzędzi. Niezbędne są także: wiedza, doświadczenie, cierpliwość i precyzja. Można je zdobyć i wypracować, choć wymaga to determinacji i inwestycji w szkolenia.

Czy warto? W przeciętnym warsztacie liczbę klientów zgłaszających problemy, które mogą wynikać z uszkodzenia sieci światłowodowej, można uznać za bliską zeru. Jednak – podobnie jak w przypadku innych nowoczesnych technologii – popularność światłowodów będzie rosła, więc warsztaty, które opanują tę technikę, za kilka lat znajdą się w sytuacji wyraźnie lepszej niż konkurencja. Światłowody są montowane przede wszystkim w droższych, luksusowych pojazdach, a ciągle niewielka konkurencja sprawia, że wycena czynności może być bardzo atrakcyjna.

Sieci bezprzewodowe

Bezprzewodowa transmisja danych w samochodach osobowych jest wykorzystywana najczęściej do nawiązania połączenia z urządzeniami przenośnymi kierowcy i pasażerów (Wi-Fi, Bluetooth), wymiany danych z serwisem i centrum powiadamiania ratunkowego (za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej). Interfejsy bezprzewodowe służą także do autoryzacji kierowcy (kluczyki bezprzewodowe).

Teoretycznie sieć bezprzewodowa powinna być doskonałym rozwiązaniem dla wszystkich urządzeń wymieniających między sobą dane. Brak medium miedzianego i światłowodów oznacza istotne oszczędności przez redukcję kosztów wytworzenia oraz masy samochodu. W rzeczywistości interfejs radiowy ma ograniczone zastosowanie. Decydują o tym: podatność na zakłócenia oraz ryzyko uzyskania zdalnego dostępu do sieci przez niepowołane osoby.

Podatność na zakłócenia (przypadkowe lub celowe) wyklucza stosowanie sieci bezprzewodowych do komunikacji pomiędzy urządzeniami, od których zależy bezpieczeństwo jazdy: poduszkami powietrznymi, układami ABS, ESR itp. Wszędzie tam, gdzie najważniejsze jest przesyłanie sygnałów w czasie rzeczywistym i niezawodnie, sieci przewodowe nie mają alternatywy.

Wykorzystanie bezprzewodowej transmisji danych do autoryzacji użytkownika przy pomocy karty bezdotykowej jest wygodne, ale wielokrotnie udowadniano jego zawodność. Jest ona podatna na przykład na zastosowanie urządzenia pośredniczącego w przesyłaniu sygnału między kartą-kluczykiem a pojazdem. Ta metoda, nazywana czasami „kradzieżą na walizkę”, jest dość powszechnie stosowana.

Jeśli chodzi o możliwość ingerencji w transmisję danych serwisowych, to zgłoszono kilka udanych prób zdalnego wprowadzenia pojazdu w tryb serwisowy i zmiany parametrów pracy niektórych układów o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa. W 2019 roku zademonstrowano włamanie umożliwiające otwarcie zamka centralnego pojazdu i zdalne uruchomienie silnika z dowolnego miejsca na świecie (o ile pojazd ma taką funkcję). Pojawiły się spekulacje na temat przejęcia kontroli nad pojazdem w ruchu przy wykorzystaniu serwomechanizmu układu automatycznego parkowania.

Trend rozwoju motoryzacji jest taki, że prędzej czy później stała i bezpośrednia transmisja danych pomiędzy pojazdami a internetem stanie się faktem, ale do tego czasu wiele musi się zmienić w zakresie bezpieczeństwa sieci bezprzewodowych.

Z punktu widzenia warsztatu diagnostyka i naprawy urządzeń sieci bezprzewodowych nie różnią się specjalnie od napraw sprzętu komputerowego wyposażonego w takie interfejsy. Uszkodzenia najczęściej dotyczą anten, przewodów łączących je z modułami radiowymi i samych modułów. Naprawa może polegać na wymianie całego podzespołu, aktualizacji wbudowanego oprogramowania (ang. firmware) albo rekonfiguracji sieci. W związku z tym, że każdy interfejs bezprzewodowy posiada własny numer seryjny, może się okazać, że po wymianie nowy podzespół trzeba będzie skonfigurować przy pomocy programu warsztatowego.

Piotr Kołaczek