Без да се правят съществени промени в E/E архитектурата на автомобила, единственият оставащ подход за намаляване на теглото е да се отдалечим от медното окабеляване към по-леките алтернативи. Днес алуминиевата сплав с висока якост е една от използваните алтернативи, но фокусирането единствено върху намаляването на теглото на съществуващия кабелен сноп само временно решава този проблем.

Тежката реалност е, че голяма част от данните, прехвърлени от превозното средство, могат да бъдат транспортирани чрез обикновена високоскоростна усукана двойка. Функции като задни камери за паркиране често изискват специално окабеляване за правилна връзка от точка до точка с електронния контролен блок (ECU). Такива решения от точка до точка просто служат за осигуряване на желана характеристика на потреблението по начин, който отговаря на подходящо ниво на цената, вместо да предлагат технологично решение, което може да бъде разширено, за да поддържа широк спектър от нужди за пренос на данни. превозно средство.

ethernet

Това ли е Ethernet отговорът?

Ethernet като технология отдавна се счита за алтернатива. Неговата повсеместност е такава, че човек се пита защо Ethernet не е интегриран в автомобила, а не защо трябва да бъде интегриран. Това е добре разбрано, то е вградено в широк спектър от микроконтролери (MCU) и устройства на системата върху чипа (SoC) и има богат софтуер, наличен както за търговски, така и за отворен код. Освен това инженерната общност вече разполага с обширни познания по отношение на нейното прилагане и спазване на разпоредбите.

Тъй като в автомобила се генерират все повече данни в подкрепа на усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS) и автономно шофиране, Ethernet изглежда е очевидният избор за пренасяне на данни от радари, LiDAR и множеството камери, които такива системи изискват. Със сигурност изискването за честотна лента е изпълнено. За съжаление класическият Ethernet се проваля, когато става въпрос за поддръжка на приложения с критични за времето или нужди от сигурност, тъй като в мрежата няма механизми за чувствителни към времето мрежи, оформяне на трафика или синхронизация на времето. За да се изпълнят тези изисквания, е необходимо да се направят промени в долните слоеве на модела OSI.

Допълнителни проблеми възникват при проверка на окабеляване и сигнализация. Ethernet, както е внедрен в домове и търговски сгради, ако използвате CAT5e окабеляване, използвате два от четирите чифта кабели за еднопосочен пренос на данни в неекраниран кабел. Очевидно това няма да подобри теглото на проводника. Ако съществуващата технология просто се сведе до една неекранирана усукана двойка, полученото решение няма да отговаря на съществуващите изисквания за електромагнитни смущения (EMI).

Автомобилни Ethernet, AVB и TSN

За да направят Ethernet готов за автомобили, различни работни групи разработват стандарти, за да отговорят на нуждите на автомобилната индустрия. На физическо ниво е дефиниран физически интерфейс с пълен дуплекс от 100 Mbit/s, който може да работи по неекранирано окабеляване на усукани двойки. Наречен 100BASE-T1, което го отличава от 100BASE-T, той е описан в стандарта IEEE 802.3bw. Той използва PAM-3, 3-степенна сигнализация със скорост на предаване на данни 66,67 Ms символи/s и може да достигне дължини от 15 m или 40 m, ако е защитен. Интерфейс от 1000 Mbit/s, известен като 1000BASE-T1, е покрит от IEEE 802.3bp. Резултатът е две степени на скорост, които позволяват свръхвисока скорост на основата за данни между ключовите ECU и по-рентабилен, но все пак високоскоростен интерфейс за крайните възли (Фигура 1).

Фигура 1: Информационно-развлекателните решения могат да преминат от МОСТ, базирана на пръстен мрежа, към комутирана мрежа, базирана на Automotive Ethernet (Ethernet за автомобили).

За по-прости функции и опции за комфорт, като прозорци, околно осветление и електрически седалки, традиционните мрежи в автомобила като LIN, CAN и CAN-FD ще продължат да играят жизненоважна роля отвъд крайните възли, поддържащи 100BASE.

Що се отнася до транспортирането на аудио или видео данни за развлечение в автомобила, е важно да се работи в рамките на определени латентности и да се запазва честотна лента в мрежата. Работната група за свързване на аудио и видео (AVB) разработи набор от стандарти, които осигуряват тези функции. Много от тези промени засягат слой 2. IEEE 802.1Qav, който е отговорен за определяне на правилата, които гарантират, че аудио/видео (AV) мостове позволяват на AV предаванията да преминават през мрежата в рамките на определен срок. Той управлява оформянето на трафика, като гарантира, че мрежата не е затрупана от изблици на трафик. IEEE 802.1Qat гарантира ресурс от край до край, необходим за подпомагане на прехвърлянето на поток от данни и осигуряване на качество на услугата (QoS).

Предлагат се допълнителни подобрения, които осигуряват синхронизация на времето между възлите в мрежата (IEEE 802.1AS) и процедури, които гарантират, че множество възли представят данните си едновременно (IEEE 1722). Това е важно в приложение, където едно главно устройство разпределя аудио данни за изход към два или повече възли на високоговорители.

Въпреки че стандартите AVB обхващат резервиране на честотна лента и фиксирана латентност, има и други случаи на използване, при които се изискват дори по-кратки латентности. Такъв е случаят, когато управлението със затворен цикъл се осъществява чрез Ethernet интерфейса. Стандартите на Network Sensitive Network (TSN) разглеждат тези проблеми. Те включват IEEE 802.1Qbv-2015, който осигурява дефинирани времеви прозорци за осигуряване на латентности от край до край чрез блокиране на трафика с нисък приоритет.

И накрая, като се имат предвид изцяло електрическите задвижващи системи на бъдещето, стандартът IEEE 802.3az2010 за енергийно ефективен Ethernet (EEE) осигурява механизми за задържане на възлите, оставяйки приемащите вериги в режим, който позволява получаването на съобщение за активиране.

Автомобилен Ethernet като периферно или като самостоятелно решение

„Ethernet Automotive“ ще бъде намерен в едно от трите ясни пространства за приложения; голямото централно ECU в основата на данните, домейн контролера или приложението на краен възел. В първите два случая Automotive Ethernet е идеално реализиран с помощта на подходящо периферно устройство, което да допълни избрания високопроизводителен SoC. Третият случай обикновено е домейнът на по-малък 32-битов MCU, който може да преодолее разликата между цена и достатъчна производителност.

С представянето на TC9562 има едночипово решение, което може да поддържа както периферна функционалност, така и работа като самостоятелен автомобилен Ethernet възел (Фигура 2). Големите SoC се поддържат чрез интерфейса PCI express (PCIe) и включват поддръжка на режим L1 с ниска мощност, когато е необходимо. Осигурени са и 6 канала на DMA, които могат да се използват за автоматично филтриране на входящите данни според IP адреса и прехвърлянето им в DRAM на хоста SoC (Фигура 3). Ethernet MAC поддържа всички често срещани медийни независими интерфейси (MII), включително гигабитов сериен (SGMII).

Фигура 2 - Блокова диаграма на TC9562, показваща широката гама от периферни устройства, автомобилна Ethernet MAC и ARM Cortex-M3.

Фигура 3: TC9562 може, чрез DMA, да прехвърля данни от конкретни устройства директно към хост SoC DRAM, без процесорът на SoC да се намесва.

Освен това устройството може да се използва и като самостоятелно решение за Ethernet възел, използвайки интегрирания процесор Arm Cortex-M3. Работейки до 187,5 MHz и с достъп до до 320 kB памет, това го прави идеален за внедряване на аудио усилватели, аудио системи и взаимодействие с клетъчни мрежови модеми (Фигура 4). В допълнение към общите серийни интерфейси, като двата UART, I2C и SPI, периферното устройство QSPI осигурява интерфейс за зареждане на устройството. Интерфейсът TDM/I2S осигурява пълен дуплекс TDM порт с поддръжка на множество потоци, който функционира като главен часовник (TDM/I2S) или подчинен часовник (само TDM), който поддържа 24-битов аудио до 192 kHz.

Фигура 4: TC9562 може да се използва за внедряване на пълен аудио възел като част от информационно-развлекателна система, включително аудио изход и вход за микрофон за изпълнение на шумопотискане.

Обобщение

След цялата упорита работа на съветите и консултативните комитети, Ethernet беше разширен, за да отговори на суровите изисквания на автомобилните мрежи. С много честотна лента, гарантирани латентности и поддръжка за определяне на времето за показване, тази ветеранска технология отново е съживена и готова за възникващите изисквания на ADAS и автономното шофиране. TC9562 се справя с предизвикателствата в мрежите в автомобила, като предлага на разработчиците персонализирано решение за по-опростени, оптимизирани от разходите възли, които имат по-ограничена функционалност, като аудио усилватели, както и компактно решение, което отговаря на изискванията на по-големи ECU, изискващи автомобилни Поддръжка на Ethernet във връзка с избрания SoC.