Le multiplexage

Depuis le début des années quatre-vingt, de nombreux systèmes électroniques ont fait leur apparition dans le domaine de l'automobile, selon trois grandes étapes successives :

� la seconde période, pendant laquelle quelques systèmes commençaient à communiquer entre eux;

� enfin, la dernière époque où tout le monde doit communiquer avec tout le monde, et ce en temps réel.

Début 1981, quelques grandes sociétés automobiles s'intéressèrent à des systèmes de communication fonctionnant en temps réel entre différents microcontrôleurs, concernant notamment le contrôle moteur, la transmission automatique et l'anti-patinage.

En 1983, le leader allemand d'équipements automobile Robert Bosch Gmbh pris la décision de développer un protocole de communication orienté vers des systèmes distribués fonctionnant en temps réel et satisfaisant à toutes ses propres exigences.

En 1985, le géant américain Intel, puis Philips et Siemens se lancent dans la fabrication de circuits intégrés. Depuis, d'autres fabricants leur ont emboîté le pas (Motorola, National Semiconductors, Texas Instruments, MHS, etc.)

Au printemps 1986, la première communication concernant le bus CAN fût réalisée.

Enfin, au milieu de l'année 1987, la réalité prit la forme des premiers siliciums fonctionnels ; puis, en 1991, une première voiture (allemande) haut de gamme équipée de cinq Electronic Central Units (ECU) et d'un bus CAN fonctionnant à 500 kb/s sortit des chaînes de production.

Ce fut alors l'arrivée de nombreux bus de même type, soit aux USA, soit au japon, soit en France (bus VAN - supporté par un GIE composé principalement de PSA et Renault).

À partir de 1994, le constructeur Citroën commercialise des véhicules multiplexés (XM) comportant 24 nœuds et mettant en œuvre le protocole VAN.

Les normes antipollution, la sécurité ainsi que le confort des utilisateurs entraînent une augmentation constante des fonctions électroniques présentes dans nos véhicules : climatisation, navigation, ABS, radar, EOBD¹… Ainsi que bon nombre d’informations qui peuvent être utilisées par les systèmes.

Un véhicule haut de gamme nécessite environ 40 kg de faisceau pour une longueur de plus de deux kilomètres et 1 800 interconnections.

Le multiplexage permet la mise en commun et l’échange d’informations entre les systèmes.

Circuit bleu
Circuit rouge
Circuit jaune
Circuit vert

: CAN (moteur, transmission, suspension et direction)
: VAN (carrosserie : portes avant, toit ouvrant, alarme et FAP)
: VAN (carrosserie : commandes au volant, airbag et divers)
: VAN (confort : radio, GPS, climatisation,...)

Un circuit électronique dispose, comme pour un relais, d’un circuit de commande et de puissance.

� l’interrogation du système par des outils de diagnostic (paramètres entrées/sorties, activation sortie, lecture/effacement des défauts…);

� la possibilité d’activer/désactiver des fonctions initialement prévues par le constructeur;

Le multiplexage consiste à faire circuler plusieurs informations entre divers équipements électriques avec le moins de fils possible. Ceci implique que les informations soient :

On appelle Bus le circuit électrique véhiculant les informations multiplexées. Sur la majorité des véhicules multiplexés, le bus est constitué de deux fils. Chaque fil porte une appellation différente suivant le type de multiplexage :

Dans les deux cas, ces deux informations sont complémentaires : quand l’un est à un niveau haut, l’autre est à un niveau bas.Cette stratégie de câblage permet d’éliminer une partie des parasites (entrants et sortants de la paire).

Un signal analogique est un signal dont l’amplitude évolue dans le temps. Il provient souvent d’un capteur, comme par exemple le potentiomètre papillon.

Le signal fourni par le potentiomètre est un signal analogique. On peut dire qu’il « ressemble » à ce qu’il mesure.

Un signal numérique est un signal dont l’amplitude ne prend que deux valeurs : tension, pas tension.

Il représente souvent l’état électrique d’un interrupteur: fermé, ouvert.

La numération binaire (base deux) a pour base le nombre deux. Elle n'a que deux chiffres, le zéro et l'unité.

La numération décimale (base dix) a pour base le nombre dix. Elle utilise dix chiffres, de zéro à neuf.

Quelle que soit la base utilisée, un nombre se compose d'un ou plusieurs chiffres. Chaque chiffre d'un nombre occupe un rang dans ce nombre (on appelle souvent ce rang le poids du chiffre). En base « dix », le rang = 0 « de poids faible » (celui qui se trouve à droite du nombre) est l'unité, le rang suivant représente les dizaines, le troisième les centaines, et ainsi de suite. Le chiffre ayant le poids « le plus fort » se trouve complètement à gauche du nombre.

La valeur du nombre est la somme des valeurs des différents chiffres affectés de leur poids.

Pour transmettre une information électrique à distance sans être altérée (perte par conduction, parasite, effet magnétique…), cette information doit être numérisée. Car un signal numérisé est moins sensible aux perturbations tant que celles-ci ne dépassent pas un certain niveau.

Un parasite modifie principalement l’amplitude d’un signal. Dans le cas d’un signal analogique où chaque valeur de tension est interprétée par le calculateur comme un angle (potentiomètre), on voit ici que pour une même valeur de tension parasitée correspondent deux angles d’ouverture (perturbation).

Un état électrique ne prenant que deux valeurs « 0 » ou « 1 » s’appelle un Bit (Binary digit). Pour numériser un signal analogique il faut le découper (échantillonnage) et pour toute valeur de tension correspondante, la coder en bits.

Un réseau multiplexé peut être organisé avec des dispositifs maîtres ou esclaves. Cela dépend s’ils peuvent prendre l’initiative d’une communication (maître) ou seulement répondre à un maître (esclave).

Ce réseau permet à un « maître » de piloter plusieurs « esclaves », chacun ayant une tâche précise à exécuter. Les maîtres pourront dialoguer entre eux et mettre en commun des informations (maître-maîtres).

Les calculateurs échangeant régulièrement des informations entre eux sont connectés sur un bus.

Pour faciliter les échanges et ne pas surcharger le bus, un véhicule multiplexé peut disposer de plusieurs bus en fonction des équipements et accessoires.

CAN : Controller Area Networks

~ Naissance en 1980.

~ Développé par R. Bosch.

~ Première application en 1982 sur Mercedes 500 SL.

~ Vitesse maximale de transmission : 1 Mbit/s.

~ Temps de réponse : 50 ms.

VAN : Vehicule Area Networks

� Naissance en 1985/86.

� Développé par PSA/Renault.

� Première application en 1994 sur Citroën XM. ~ Vitesse maximale de transmission : 250 kbit/s. ~ Temps de réponse : 200 ms.

Sur chacun de ces fils, le signal ne peut prendre que deux niveaux « 0 » ou « 1 », les signaux étant complémentaires l’un de l’autre.

� le bus utilisé en format CAN est constitué de deux fils désignés par CAN-H (High : haut) et CAN-L (Low : bas) ; les signaux sont complémentaires l’un de l’autre mais les niveaux logiques « 0 » et « 1 » sont à des potentiels différents.

Le découpage des commandes électriques crée des segments d'informations, appelés " trame ". La trame permet de définir l'appartenance de la commande (ex. : à quel feu arrière appartient cette commande) et bien sûr son contenu (l'ampoule doit-elle être éteinte ou allumée).

La trame est en fait divisée en plusieurs parties (de 6 à 29 suivant les protocoles) : un signal de préambule, le signal du début de la commande, son appartenance, réception ou envoi, le contenu de la commande, le contrôle d'erreur, le signal de la fin de la commande et un espace.
Pour les spécialistes, voici quelques appellations de segments de trame couramment utilisées :
Start Of Frame (SOF), Remote Transmission Request (RTR), IDentifier Extension (IDE), Data Length Code (DLC), Cyclic Redundant Check (CRC), ACKnowledge (ACK), End Of Frame (EOF)" et Intermission Frame Space (IFS).

Il faut noter que, très souvent, les constructeurs ne codent pas un fil, mais deux, pour augmenter la fiabilité. Le deuxième fil reçoit des informations inversées par rapport au premier.
Le boîtier électronique, qui reçoit les informations, vérifie que les deux fils donnent des informations inversées. Si cela n'est pas le cas, l'information de la trame est rejetée.

1. Début de trame : signale aux différents équipements qu’une trame va être émise.

2. Identificateur : désigne le/les émetteur(s) de la trame et indique les priorités.

3. 3. Commande : indique la nature du message (transmission d’une information, d’un ordre ou d’une commande).

5. 5. Contrôle : permet de vérifier que les données transmises ou reçues sont correctes. Le récepteur effectue un calcul (algorithme) avec les données, le résultat est comparé avec le contrôle.

6. Acquittement : indique la bonne réception des données (message envoyé par le récepteur).

7. 7. Fin de trame : signale aux différents équipements que la trame est terminée (une nouvelle trame peut être émise).

Sur les réseaux CAN ou VAN, les trames sont envoyées à des moments précis selon les besoins de fonctionnement des systèmes.

~ Trame périodique : elle est envoyée périodiquement sur le réseau par les boîtiers (intervalles réguliers). Ex : pour PSA, toutes les 50 ms, le BSI transmet sur le champ de données les valeurs suivantes : régime moteur, vitesse véhicule, distance parcourue.

~ Trame évènementielle : elle est envoyée chaque fois que surgit un événement. Ex : demande de mise en route de l’autoradio, de la climatisation, etc.

LA GESTION DES PRIORITES

Certaines commandes demandent des vitesses de communications plus élevées que d'autres. Il est facile de comprendre que la commande du changement d'une vitesse de la transmission automatique est prioritaire sur celle qui demande une augmentation du volume de la radio.
Les vitesses de transmission, de même que les priorités, ont été classées en 4 catégories :

Classe A
La classe A est la catégorie de faible débit (inférieur à 10 K bits par seconde). Elle est utilisée pour les équipements de confort tels que la radio, l'ordinateur de bord, les sièges électriques ou la fermeture centralisée.

Classe B
La classe B regroupe les communications de débits entre 10 et 125 K bits par seconde.
Exemples d'utilisation : vitesse du véhicule ou information du tableau de bord.
Les commandes de classe B sont prioritaires sur celles de la classe A.

Classe C
La classe C, la plus utilisée, est la catégorie du haut débit, entre 125 et 1 million bits/s, soit relativement au temps réel. Elle est utilisée pour les fonctions de sécurité telles que l'ABS ou le freinage électronique, et pour les fonctions de gestion du moteur et de la transmission.
Les commandes de classe C sont prioritaires sur les précédentes.

Classe D
Cette catégorie à très haute vitesse est récente.
Elle impose l'utilisation de fibres optiques à la place des traditionnels fils en cuivre et le débit atteint 25 Mbits/s (25 000 K bits/s).
La Classe D est utilisée pour les équipements de navigation GPS par satellite et les fonctions de sécurité et de gestion du moteur et de la transmission de la classe C.

Le Bus LIN, Local Interconnect Network, a été créé par un consortium de constructeurs automobiles dont Audi, BMW, Daimler Chrysler, Volkswagen, Volvo et des fabricants de semi-conducteurs afin de générer un réseau secondaire de classe A à coût réduit fonctionnant avec le Bus CAN.

Le Bus LIN est basé sur une interface UART/SCI commun qui est standard pour la plupart des microcontrôleurs.

Il est spécifiquement utilisé pour les applications telles que les miroirs électriques, les sièges électriques, la fermeture centralisée, les lève-vitres avec ou sans fonction anti-pincement.

Plusieurs protocoles se sont développés pour adapter la technologie du multiplexage à la diffusion de systèmes multimédia. Le Bus MOST (Media Oriented Systems Transport) semble prendre l'ascendant sur ses rivaux. Ce bus prend en charge les systèmes audio, vidéo et GPS. Il est basé sur la technologie CAN.

La technologie du bus MOST fut à l'origine créée par Oasis Silicon Systems AG en coopération avec BMW, Becker Radio et DaimlerChrysler pour des applications multimédia dans l'automobile. Créé en 1997, le concept pour le développement du MOST était à l'origine une coopération informelle. Puis en 1998 la coopération fut affirmée avec 17 constructeurs automobiles et plus de 50 fournisseurs qui adoptent la technologie MOST.

Il est destiné à remplacer les imposants et onéreux câblages qui ont été utilisés en automobile pour satisfaire aux besoins de connectivité multimédia. A base de fibre optique plastique, les réseaux MOST n'offrent pas seulement des performances accrues mais sont aussi plus solides pour un coût moindre ! Parmi les applications envisagées du MOST on peut citer les projets de "TV over MOST" (télévision embarquée).

Le but du réseau MOST est de fournir à faibles frais une interface réseau capable de connecter même le plus simple des périphériques. Il supporte des appareils avec une faible "intelligence" et sans capacité de mise en mémoire tampon comme les convertisseurs Digitaux/Analogiques pour les haut parleurs mais aussi d'autres plus complexes comme les appareils DSP et leurs besoins pour des mecanismes de contrôle sophistiqués et leurs possibilités multimédia. Le MOST apporte donc une flexibilité générale maximum.

MOST est un réseau point par point en "peer to peer" (à base d'échange et de partage) qui peut être implanté sur une topologie de réseau en boucle, en étoile ou en chaînage. Les périphériques partagent différents canaux pour des transmissions de données synchrones ou asynchrones. MOST peut faire fonctionner le réseau de façon centralisée ou décentralisée : dans le premier cas un noeud central est le gestionnaire ; dans le second cas, MOST n'a besoin d'aucune gestion.

D'autres protocoles secondaires sont aussi développés pour des applications très spécifiques.

La lumière « visible » s’étend de l’infrarouge à l’ultraviolet, bornes non comprises.

1 nanomètre = 10^-9 mètre = 1/1 000 000 de millimètre, soit en fréquence la lumière s’étendant de 4 x 10¹⁴ à 8 x 10¹⁴ Hz (400 000 à 800 000 GHz).

Un rayon de lumière qui vient de l’air vers une plaque de verre selon un angle d’incidence donné va :

� pénétrer dans le verre en subissant une déviation de trajectoire, c’est le rayon réfracté;

Le rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie transmise varie en fonction de l’angle d’incidence. Il existe un angle critique.

S’il est mesuré comme indiqué sur le schéma, lorsque cet angle devient inférieur à l’angle critique, il n’y a plus de rayon réfracté et aux pertes par absorption près, la totalité du rayon incident est réfléchie.

En regardant le schéma ci-dessus, on comprend bien que plus le diamètre du cœur de la fibre sera petit, plus on minimisera les risques d’un angle d’incidence trop grand.

� le cœur est constitué de deux couches successives, à indice de réfraction de plus en plus grand. Ainsi, un rayon lumineux qui ne suit pas l’axe central de la fibre est ramené « en douceur » dans le droit chemin.

L’émetteur est le plus souvent une diode électroluminescente ou une diode laser.

Le récepteur est une photodiode (diode sensible à la lumière) ou un phototransistor.

L’émetteur convertit les impulsions électriques en signaux optiques (5 nanosecondes); le récepteur convertit les signaux optiques en impulsions électriques (5 nanosecondes).

Non. Par rapport au câble en cuivre, elle aurait même tendance à coûter beaucoup moins cher. En revanche, la connectique et les convertisseurs d’énergie électrique/lumineuse à placer aux extrémités sont très coûteux en fonction des technologies mises en œuvre.

1. La fibre optique est totalement insensible aux rayonnements électromagnétiques.

2. L’atténuation du signal est inférieure à celle d’un conducteur électrique et les distances couvertes sans nécessité d’installer des amplificateurs sont bien plus grandes.

3. La bande passante est généralement bien supérieure à celle que l’on peut obtenir avec un câble électrique.

4. Les performances atteintes sont de plusieurs centaines de mégabits par seconde.

Pas particulièrement, c’est la connectique qui peut l’être. La seule difficulté est le rayon de courbure minimum qui la rend assez peu souple d’emploi pour les installations « volantes ».

L'AVENIR

Le multiplexage a permis une réduction considérable du nombre de fils et de connexions. Mais la demande en systèmes électroniques est telle que le véhicule est peu à peu envahi par les calculateurs électroniques. En restant dans une gamme de véhicule courante, la Peugeot 607 peut héberger jusqu'à 21 calculateurs et la Peugeot 807, 29 calculateurs !

Demain, la puissance électrique de 42 volts et la technologie X-by-wire qui piloteront les équipements de freinage, suspension et direction feront que les véhicules seront gérés par plusieurs centaines de mini-calculateurs électroniques.

Le multiplexage est présenté comme une révolution technologique majeure dans l'automobile parce qu'il permet aux constructeurs d'équiper de façon fiable les véhicules d'un grand nombre d'options... Cela est vrai, mais cette évolution n'a pas été faite pour seulement satisfaire le client, mais aussi pour des questions de coût : en effet, à équipements équivalents, la fabrication d'un véhicule multiplexé revient moins cher qu'une automobile non multiplexée. La fabrication en série des calculateurs électroniques (réalisée par des équipementiers à l'étranger) est bien meilleur marché que la pose d'une quantité plus importante de fils à base de cuivre dont le prix ne cesse d'augmenter.

D'autre part, la gestion à base de calculateurs et de logiciels permet d'adapter facilement les véhicules au marché sans avoir à refaire de coûteux développements ; de même, une mise à jour logicielle (souvent opérée par les constructeurs sur les véhicules à problèmes) permet de ne plus déclarer certaines fautes en changeant tout simplement les critères de déclenchement et ainsi d'augmenter la fiabilité à moindre coût ... Simple comme un clic de souris !

~ L’emploi de lampe témoin, led ou voltmètre analogique pour contrôler une liaison multiplexée est à proscrire (générateur de défauts par consommation de courant).

~ Les liaisons multiplexées peuvent être réparées avec des manchons « Raychem ».

~ Respecter en cas de réparation la structure du faisceau (torsadé, passage d’origine…) pour conserver « l’immunité au parasite ».

~ Le multiplexage permet de relier des calculateurs (réseau de calculateur); il faut respecter des règles avant de débrancher un calculateur ou une batterie car les communications vont être interrompues (« défaut de communication »).

~ Les interventions doivent s’effectuer suivant les recommandations constructeurs (pose, dépose, paramétrage, apprentissage, réinitialisation, …).