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Multiplexage et gestion des bus de données
editRevue technique en Mécanique Essence crée par Steele le 07 mai 2008.
Pour tous les véhicules de motorisation Sans niveau

Fiche modifiée : 05 mars 2009
Tags: bus,multiplexage,transfert,donnees,protocole,can,ike,lkm,ihk ...


Comprendre les bus de données BMW

CAN bus, IP bus, multiplexage? tous ces termes, pourtant barbares, ne vous semblent pas étrangers ? C'est normal, puisque votre BMW est concernée. Faisons le point sur toutes les technologies de câblage et de communications entre les divers systèmes embarqués de nos autos préférées.
Depuis une vingtaine d'années, au fil des progrès de l'électronique et de l'informatique, le câblage électrique des véhicules automobiles a connu une véritable révolution dans la manière de collecter et corriger les données de fonctionnement du groupe motopropulseur ?notamment pour limiter la pollution induite par les moteurs à explosion-, mais aussi dans l'approche de la gestion des fonctions de confort.
Ces câblages de plus en plus denses avaient atteint leurs limites en termes de longueurs, mais aussi de poids embarqué dans le véhicule -le cuivre fait partie des métaux les plus denses-. En outre le cours des métaux utilisés ne cessait de croître. Il est donc devenu impératif de revoir les méthodes d'acquisition et d'action sur tous les organes des véhicules en tirant parti des progrès des technologies électroniques et informatiques. L'idée était de faire transiter sur un seul canal toutes les informations, en codant chacune d'elles, afin que chaque circuit présent puisse les reconnaître sans équivoque, et les traiter.
Le multiplexage était né et, compte tenu de ses performances -traitement ultra rapide de l'information numérisée- et de sa grande marge de progression ?les fréquences de fonctionnement augmentant très rapidement-, il a été logiquement envisagé de lui confier la gestion de l'ensemble des fonctions embarquées comme la régulation de vitesse, l'éclairage, le contrôle des distances dans les man?uvres de stationnement, les diverses mémoires de position du volant et des sièges, et d'autres encore.
Le multiplexage est une solution élégante et efficace pour réduire le nombre de câbles susceptibles d'altérer la fiabilité dans le temps, et donc d'augmenter les coûts d'entretien. Au lieu d'être reliés entre eux par du câblage, les calculateurs sont connectés à un bus de données. Les unités centrales reçoivent des données de plusieurs capteurs commandant différents actionneurs. Un même message (température d'eau, régime moteur) peut transiter par plusieurs fils, qui ne passent pas eux-mêmes dans les mêmes calculateurs. Leurs paramètres sont transmis sous forme de données binaires aux boîtiers concernés. Le multiplexage divise ainsi par cinq le nombre de fils et de connecteurs.
D'autre part, parce que le câblage le plus long ne comporte que 3 fils qui rejoignent le bus qui permettra de les interconnecter à l'ensemble du véhicule, et notamment à la prise de diagnostic, les boîtiers peuvent être placés au plus près du lieu de leurs actions (par exemple dans les
portes), les longueurs de câbles de plus forte section vers les actionneurs et moteurs sont ainsi réduites au strict nécessaire.
Les avantages de cette technologie sont multiples : diagnostic facilité par la circulation de l'information, centralisée et partagée, flexibilité de la configuration du système et apparition de nouvelles fonctions.
A bord d'une automobile, on doit différencier deux natures de signaux. Les échanges d'informations entre calculateurs d'une part, pour une prise en compte rapide (par exemple l'information de changement de vitesse sur boîte automatique, adressée au calculateur de contrôle moteur) et les circulations d'informations entre composants de commande et de puissance d'autre part, ne nécessitant pas un traitement immédiat, mais devant rester inférieures au temps de perception du conducteur (par exemple la commande des phares ou de l'essuie-glace arrière).
Pour répondre à ces besoins, plusieurs bus ou réseaux de communication sont employés. Un réseau haute vitesse pour les échanges inter systèmes. Un ou plusieurs réseaux basse vitesse pour les échanges d'informations des composants sans traitement immédiat : bus carrosserie, et bus confort.
Le multiplexage fait son apparition chez BMW en juillet 1989 sur la 850 Ci (E31). Il fait merveille pour gérer les deux bancs de 6 cylindres chacun. Il équipera ensuite les modèles les plus luxueux : série 7 (E32 et E38) à partir de mars 94 et série 5 (E39) à partir de décembre 95, avant d'être étendu à toute la gamme (mars 1998).


Cette magnifique voiture multiplexée a été conçue il y a presque 20 ans !

Multiplexage : définition
Le multiplexage est un système permettant de faire transiter de nombreux signaux sur le même canal de transmission.
La destination des informations est généralement gérée par un code qui permettra au module destinataire de reconnaître les données qui lui sont destinées.
Le canal de circulation des données -qui peut être un câble ou un support (circuit imprimé)- est appelé BUS d'informations.


Le bus CAN
Actuellement le plus répandu des réseaux, le CAN (Controller Area Network, CAN bus en anglais) a été développé par Bosch au début des années 80. Il fait l'objet d'un standard ISO depuis 1994. Le CAN a été conçu pour l'échange de données entre des unités de contrôle électroniques dans le
véhicule.


Tous les boîtiers sont connectés sur la même interface

C'est un réseau local haute vitesse dans lequel toutes les stations raccordées ont la même priorité. Il a été conçu pour fonctionner en milieu agressif (interférences, vibrations, etc?). Il est donc parfaitement adapté à l'interfaçage des nombreux boîtiers électroniques qui équipent les
automobiles modernes.
Le protocole de communication est de type sériel, donc transitant sur une ligne de communication. Les données sont envoyées sur le réseau les unes à la suite des autres et sont disponibles pour tous les récepteurs qui y sont connectés.
Il est physiquement construit sur la base d'une paire de lignes différentielles (H et L) véhiculant exactement les mêmes informations en opposition de phase protégées par un blindage (appelé quelquefois CAN-S) afin de s'affranchir au mieux des interférences. Ce blindage a disparu depuis 1999 en raison de la configuration différentielle d'une paire de conducteurs torsadés, qui permet d'éliminer facilement les signaux parasites.
Deux résistances de terminaison de 120 ohms sont montées aux extrémités des deux lignes de communication CAN-H et CAN-L des deux boîtiers électroniques du système CAN. On peut ainsi mesurer une résistance de 60 ohms (2 fois 120 Ohms en parallèle) entre les deux lignes de communication sur le réseau des boîtiers électroniques. Les lignes peuvent être contrôlées de façon simple par la mesure de cette résistance à l'aide d'un adaptateur branché sur l'un des boîtiers électroniques.


Trois câbles suffisent pour traiter les informations

La structure du protocole du bus CAN
possède (entre autres) les propriétés suivantes
- hiérarchisation des messages.
- souplesse de configuration.
- réception de multiples sources avec synchronisation
- détections et signalisations d'erreurs.
- retransmission automatique des messages altérés dès repos.
- déconnexion automatique des noeuds défectueux.

Chaque boîtier électronique qui s'y trouve raccordé peut ainsi travailler aussi bien en émission qu'en réception. On peut donc dire que les boîtiers électroniques raccordés peuvent communiquer entre eux à travers les lignes de données et s'échanger des informations.
Tous les raccordements s'en trouvent immédiatement réduits à leur plus simple expression, puisque deux câbles sont suffisants pour traiter les données aussi complexes soient-elles. Pour simplifier la lecture, nous appellerons « n?ud » tout système ou boîtier susceptible de se raccorder à un bus.


Représentation schématique de l'interopérabilité

On peut retirer ou ajouter un noeud sans avoir besoin de procéder à aucun changement de la structure du bus. Seul le processeur chargé du traitement des données devra être « informé » de cette modification -par programmation-.
Puisque l'intérêt des fabricants est de disposer d'un seul type de faisceau électrique pour chaque modèle, les raccordements pour les boîtiers optionnels sont prévus à la construction. Ceci permet par exemple d'ajouter assez facilement des fonctions dont la voiture n'était pas équipée à l'origine.
En cas de panne d'un boîtier électronique, le bus reste pleinement disponible pour tous les autres boîtiers grâce à la structure linéaire du réseau.
Les données codées sont envoyées sur le bus sans destinataire explicite. C'est le noeud concerné qui reconnaîtra une information qui lui est destinée. Il la retire alors du bus et envoie à son tour un message d'acquittement (un peu comme on signe l'accusé de réception d'un recommandé).
L'identificateur contient aussi un code qui détermine la priorité du message.
Dans le cas où deux n?uds tenteraient d'envoyer des données au même moment sur un bus disponible, le message affecté de la priorité la plus haute serait transmis d'abord. Le protocole du bus assure dans le même temps le stockage tampon des autres données, en attente d'un traitement ultérieur.
Chaque noeud possède un système complexe de gestion des erreurs de transmission. Parce qu'il est capable de lire tous les messages présents sur le bus, il peut aussi y détecter d'éventuelles erreurs et en informer les autres n?uds, en mettant un drapeau (flag) qui correspond généralement à la mise à 1 d'un des bits particuliers de l'information transmise.
Chaque noeud peut aussi avoir besoin d'une information pour mener à bien sa tâche. Il envoie donc une requête au processeur, ou même à d'autres n?uds. Le retour d'information est alors une trame de données possédant le même identificateur que la trame de la requête initiale.
Actuellement, grâce à ce système, les boîtiers électroniques EGS, ASC/DSC, électronique numérique moteur et combiné instruments sont reliés les uns aux autres. Les signaux suivants sont échangés via le bus CAN entre les boîtiers électroniques EGS, ASC/DSC, DME et combiné d'instruments :
position de la pédale d'accélérateur
signal de charge
régime moteur
température du liquide de refroidissement moteur
signal contacteur de frein
signal de kick-down
programme de conduite
rapport de la boîte de vitesses
intervention sur le moteur
vitesses de rotation des roues
indication position du levier sélecteur et information sur le programme
indication d'anomalie commande de boîte de vitesses
kilométrage

Les autres bus
Le bus de diagnostic (bus D, ligne TXD) transmet les données entre l'outil de test et un boîtier électronique. Le choix du boîtier électronique concerné par le diagnostic se fait par l'envoi d'un télégramme de diagnostic à l'adresse du boîtier. Celui-ci peut ainsi transmettre les informations d'état et le contenu de la mémoire des défauts à la demande du testeur ou procéder à l'activation d'une sortie du boîtier électronique.
Le bus d'instrumentation (bus I) permet essentiellement le passage du flux de données des instruments et du système audio. Ainsi, les données à destination du module du Check Control, de l'ordinateur de bord, de l'écran de l'IKE (combiné d'instruments), du visuel multi informations, de la navigation, de la radio et du téléphone sont par exemple transmises sur ce bus.
Le module LKM -ou LCM- (boîtier de gestion centralisée de l'éclairage) y est également raccordé sur les modèles à haut degré d'intégration. Sur les autres versions, il est raccordé au bus K.


E39 en version ?HIGH? avec les réseaux de bus "I" et "K"


E53 avec équipement de base avec un réseau basé sur un bus "K"

Le bus de carrosserie (bus K) assure l'échange des données des télégrammes vers des destinations multiples. Par exemple, le ZKE (électronique centralisée de carrosserie) et l'IHK (électronique centralisée de chauffage et de climatisation) sont reliés au bus K. La technologie du bus K correspond pleinement à celle du bus I.
Le module de base constitue la centrale du bus de périphérie (bus P). Des modules périphériques sont disposés aux emplacements nécessitant un câblage intensif, comme par exemple dans les portes, et sont reliés entre eux par le bus P. Les fonctions ZKE sont pilotées par l'intermédiaire du bus P. Dans une telle configuration, les données en provenance du ZKE passent par le bus P en direction du module périphérique correspondant, d'où les différents composants sont activés.

Fonctions gérées par le module ZKE
éclairage intérieur
télécommande de centralisation
verrouillage centralisé
alarme antivol
antidémarrage
essuie-glace
lève-vitres
toit ouvrant
rétroviseurs
fermeture automatique assistée du hayon
servotronic (assistance de direction variable en fonction de la vitesse)

Fonctions gérées par le module IHK
chauffage
climatisation
ventilation
chauffage d'appoint (type Webasto)
Les moteurs pas à pas de l'IHK sont pilotés par le biais du bus moteur (bus M).
L'IHK envoie des télégrammes qui activent le moteur pas à pas avec l'adressage correspondant.

Conditions de réaction des boîtiers électroniques
Dès que le contact est mis sur le véhicule, tous les boîtiers électroniques sont systématiquement interrogeables par le diagnostic.
Le boîtier électronique IKE (électronique du combiné d'instruments) permet aux bus d'échanger des informations. Il comprend l'électronique nécessaire à toute la préparation des signaux et au calcul des données en provenance du combiné de planche de bord et de l'ordinateur de bord.
L'IKE est le maître des bus I et K. Pour le bus D, il sert de passerelle permettant de convertir le format des télégrammes du bus I/K au format du bus D. Il envoie et reçoit des données de tous les modules et boîtiers électroniques couplés à l'IKE par les systèmes de bus. Si la fonction de ventilation à l'arrêt est par exemple activée sur le visuel multi-informations MID, ce télégramme doit être transmis par le bus I, l'IKE et le bus K en direction de l'IHK qui exécutera alors la fonction. Dans une telle configuration, seules les données définies pour l'autre bus conformément à l'adresse sont autorisées à passer.
Le boîtier LKM (gestion des fonctions d'éclairage extérieur) d'ancienne génération qui équipait les séries 5 (E34) et 7 (E32), et qui intégrait circuits électroniques et relais, protégés par des fusibles externes, a été remplacé depuis 1994 par un autre type de boîtier sur les versions 7 (E38), puis à partir de 1995 sur les séries 5 (E39).
Le multiplexage et l'avènement des bus ont permis de gérer à la fois les commandes, la vérification de l'état des lignes et lampes, la protection et le diagnostic par ce boîtier électronique dont le nom est toujours LKM.
Il gère tous les départs d'alimentation au travers de transistors de puissance eux-mêmes protégés par des circuits périphériques de gestion, voire même de commutateurs de puissance 'intelligents' contenant tous les circuits nécessaires, qui ont rendu inutile l'utilisation de fusibles sur les départs vers les lampes.
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