Autovehiculele reflectă de mult timp complexitatea și inovația lumii în ansamblu. În prezent, vehiculele moderne sunt platforme de calcul de înaltă performanță care procesează cantități uriașe de date și funcționează, în esență, ca niște centre de date pe roți. Acestea controlează numeroase subsisteme care fac schimb de informații pentru a atinge niveluri ridicate de automatizare și interacționează cu lumea fizică prin intermediul unei game largi de senzori și actuatoare.
Inițial, aceste subsisteme utilizau tehnologii de comunicație optimizate pentru funcții specifice, în cadrul așa-numitelor arhitecturi hardware specifice domeniului. Această abordare necesita mai multe magistrale dedicate diferitelor aplicații pentru transferul datelor între domenii și implicit calculatoare de tip gateway care să traducă informațiile între diverse arhitecturi hardware. Având de gestionat până la 20 de standarde de rețea, producătorii auto au căutat o soluție mai simplă, bazată pe o platformă comună pentru infrastructura lor de comunicații.
Tranziția către arhitecturi zonale bazate pe Ethernet
Industria auto trece în prezent de la arhitecturile de rețea tradiționale la o singură magistrală principală bazată pe Ethernet. Tranziția permite împărțirea vehiculului în “zone” care pot interacționa mai ușor cu o platformă de calcul centralizată prin intermediul unei rețele Ethernet bazate pe IP, disponibilă la nivelul întregului vehicul. În colaborare cu IEEE, producătorii auto au contribuit la definirea unui strat fizic care necesită doar o singură pereche echilibrată de conductoare, în locul celor două sau patru perechi utilizate în mod obișnuit în instalațiile Ethernet convenționale. Figura 1 ilustrează tranziția de la arhitecturi hardware specifice domeniului la o arhitectură zonală cu o platformă de calcul centralizată.
Figura 1: Megatendința în domeniul rețelelor: de la o arhitectură specifică domeniului la una zonală. (Sursă: Microchip)
Această tranziție către arhitecturi zonale bazate pe Ethernet reprezintă un progres semnificativ în proiectarea și funcționarea automobilelor. Prin adoptarea unei singure tehnologii de comunicație, producătorii auto pot simplifica rețeaua internă a vehiculului, reducând complexitatea și costurile asociate menținerii mai multor standarde de comunicație. Această abordare simplificată îmbunătățește performanța vehiculului și deschide calea către funcții și capabilități mai avansate.
Avantajele unui cadru comun de date
Un cadru unificat de date permite definirea prin software a sistemelor și funcțiilor vehiculului, reducând latența și complexitatea. Pe fondul cerințelor de securitate tot mai stricte, mecanismele standardizate pot autentifica participanții la rețea și cripta informațiile atunci când este necesar. Magistralele de comunicație utilizate anterior nu dispuneau de funcții de securitate și necesitau abordări diferite pentru contracararea amenințărilor.
Beneficiile unui cadru comun de date depășesc însă aspectele legate de securitate și eficiență. Prin standardizarea protocoalelor de comunicație din interiorul vehiculului, producătorii auto pot integra mai ușor noi tehnologii și funcții. Această flexibilitate este esențială pe măsură ce industria auto evoluează prin progresele înregistrate în domeniul conducerii autonome, al vehiculelor electrice (EV) și al tehnologiilor pentru vehicule conectate. Un cadru comun de date permite integrarea fără dificultăți a acestor inovații în arhitectura vehiculului, oferind o experiență de conducere mai coerentă și mai unitară.
Actualizări software simplificate
Utilizarea unei rețele comune simplifică actualizările software, permițând proiectanților să folosească o singură abordare în loc să definească metode diferite pentru diverse legături de date. Această simplificare reprezintă un avantaj major pentru industria auto. Pe măsură ce vehiculele devin tot mai dependente de software, necesitatea unor actualizări și îmbunătățiri periodice capătă o importanță tot mai mare. O infrastructură de rețea comună permite actualizări over-the-air (OTA), oferind producătorilor auto posibilitatea de a introduce funcții noi, de a remedia erorile și de a îmbunătăți performanța fără a fi necesară o vizită la reprezentanță. Această abordare îmbunătățește experiența clientului și reduce costurile de întreținere și perioadele de indisponibilitate.
Ethernet 10BASE-T1S: O punte între lumea digitală și cea fizică
Ethernet, un concept care există de 50 de ani și ale cărui specificații IEEE® au fost publicate în urmă cu 40 de ani, a fost utilizat în principal pentru transferul unor cantități mari de date între calculatoare. Cu toate acestea, interfața dintre lumea calculatoarelor digitale și lumea fizică a autovehiculelor a rămas dependentă de hardware și specifică fiecărui domeniu. Pentru a depăși această limitare a fost dezvoltat Ethernet 10BASE-T1S.
Figura 2: Arhitecturi zonale vs. arhitecturi de domeniu. (Sursă: Microchip)
Ethernet 10BASE-T1S utilizează o magistrală multidrop bazată pe o singură pereche de conductoare care servește drept magistrală principală. Senzorii și actuatoarele se conectează direct la aceasta, eliminând necesitatea utilizării switch-urilor Ethernet pentru conectarea mai multor dispozitive. Atunci când datele trebuie transmise către interconexiuni cu viteze mai mari, este suficient un switch simplu prevăzut cu un port 10BASE-T1S și alte porturi de viteză superioară. Nu sunt necesare gateway-uri speciale de conversie deoarece toate dispozitivele dintr-o rețea Ethernet utilizează același format al cadrelor Ethernet.
Dezvoltarea Ethernet 10BASE-T1S marchează o etapă importantă în evoluția rețelelor auto. Prin furnizarea unei modalități standardizate și eficiente de conectare a senzorilor și actuatoarelor, această tehnologie creează o punte între lumea digitală și cea fizică. Ea permite procesarea datelor și comunicația în timp real, astfel încât vehiculul să poată răspunde mai rapid și mai precis la schimbarea condițiilor de funcționare. Ethernet 10BASE-T1S permite sistemelor vehiculului să funcționeze împreună fără probleme. Figura 2 ilustrează acest concept.
Sistem demonstrativ pentru o aplicație auto
Figura 3: Sistem demonstrativ cu senzori și actuatoare multiple. (Sursă: Microchip)
Pentru a prezenta utilizarea practică a Ethernet 10BASE-T1S, Microchip Technology a dezvoltat un sistem demonstrativ care ilustrează modul în care această tehnologie poate conecta diferiți senzori și actuatoare din interiorul unui vehicul. Sistemul include senzori de presiune, proximitate, lumină și alte tipuri de senzori care captează date din mediul fizic, procesate ulterior de o platformă de calcul centralizată. Informațiile rezultate sunt utilizate pentru a controla motoare, ventilatoare, sisteme de iluminat și afișaje care, la rândul lor, interacționează cu lumea fizică. Un videoclip al demonstrației este disponibil pe YouTube la adresa https://youtu.be/nD1c3eLYp7M. Figura 3 prezintă sistemul demonstrativ.
Această configurație evidențiază versatilitatea Ethernet 10BASE-T1S și potențialul tehnologiei de a simplifica proiectarea și implementarea sistemelor de comunicație pentru vehicule. Prin utilizarea unei singure magistrale multidrop realizate cu o singură pereche de conductoare, Ethernet 10BASE-T1S elimină necesitatea switch-urilor Ethernet pentru conectarea unui număr mare de senzori și actuatoare. Pe măsură ce datele circulă prin rețea, un switch simplu prevăzut cu un port 10BASE-T1S poate asigura interfața cu conexiuni de viteză mai mare, păstrând același format al cadrelor Ethernet în întregul sistem.
Avantaje majore pentru producătorii auto
Utilizarea unui singur protocol pentru majoritatea funcțiilor aduce beneficii importante producătorilor auto, care trebuie să gestioneze mai multe standarde specifice aplicațiilor. Noile generații de automobile aduc îmbunătățiri ale sistemelor avansate de asistență la conducere (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems), necesitând adesea camere noi, radare, senzori ultrasonici și, pe viitor, sisteme lidar, precum și actualizări ale sistemelor de infotainment și navigație. Și alte componente ale autovehiculului sunt îmbunătățite treptat, uneori doar prin introducerea unor noi funcții software.
Vehiculele actuale pot avea până la 40 de cablaje electrice diferite, zeci sau chiar sute de unități electronice de control (ECU) și kilometri de fire electrice, cu o greutate totală de până la aproximativ 113 kg. Varietatea cablurilor necesare diferitelor aplicații creează, de asemenea, provocări legate de compatibilitatea electromagnetică (EMC), deoarece fiecare aplicație are propriile cerințe.
Trecerea la un singur protocol simplifică arhitectura internă a vehiculului și reduce numărul cablajelor și al unităților ECU necesare. Astfel scad atât greutatea, cât și complexitatea sistemului, în timp ce fiabilitatea și ușurința întreținerii cresc. Cu mai puține componente de gestionat, producătorii auto se pot concentra asupra îmbunătățirii performanțelor și funcțiilor vehiculului, oferind o experiență de conducere mai bună.
Pregătirea pentru cerințele viitorului
Pentru a răspunde cerințelor vehiculelor viitoare, care vor utiliza în curând câteva sute de milioane de linii de cod comparativ cu aproximativ 100 de milioane în prezent, industria trece la o arhitectură electronică/electrică (E/E) zonală bazată pe Ethernet. Această arhitectură grupează conexiunile senzorilor într-o singură legătură între gateway-ul zonal, magistrala principală și platforma centrală de calcul.
Tranziția către o arhitectură E/E zonală bazată pe Ethernet este esențială pentru gestionarea complexității tot mai mari a vehiculelor moderne. Pe măsură ce numărul de senzori, actuatoare și sisteme electronice continuă să crească, devine necesară o infrastructură de rețea scalabilă și eficientă. Ethernet oferă lățimea de bandă și flexibilitatea necesare pentru gestionarea cantităților uriașe de date generate de aceste sisteme, permițând vehiculului să funcționeze fluent și eficient.
Pe măsură ce industria evoluează, adoptarea arhitecturilor bazate pe Ethernet va avea un rol esențial în definirea viitorului tehnologiei auto și va permite vehiculelor să rămână conectate, eficiente și inovatoare. Ceea ce a început ca un concept pentru o arhitectură unificată de comunicație la nivelul vehiculului este acum aproape de a deveni realitate. Unele vehicule aflate deja pe șosele utilizează Ethernet pentru arhitectura lor IT, iar modelele echipate cu noua arhitectură zonală, extinsă până la interfața dintre lumea fizică și cea digitală, vor intra în curând în producție. Această abordare simplifică proiectarea vehiculelor și deschide noi posibilități pentru inovarea bazată pe software, deoarece funcțiile definite anterior prin hardware pot fi acum implementate și actualizate prin software.
Dincolo de industria auto: extinderea utilizării Ethernet
Avantajele Ethernet nu se limitează la industria auto. Aplicațiile industriale încep, la rândul lor, să adopte această tehnologie, impulsionate de nevoia unor soluții de comunicație mai eficiente și scalabile. Odată cu extinderea utilizării Ethernet în alte sectoare, economiile de scară vor contribui la reducerea costurilor, făcând tehnologia mai accesibilă și mai atractivă pentru o gamă mai largă de aplicații. În plus, acumularea de experiență privind structurarea și implementarea sistemelor bazate pe Ethernet va facilita dezvoltarea și utilizarea acestora în diverse industrii.
În esență, adoptarea Ethernet și, în special, a tehnologiei 10BASE-T1S reprezintă un pas esențial către apropierea lumii digitale de cea fizică în domeniul tehnologiei auto. Această soluție deschide calea către un viitor în care vehiculele vor fi mai inteligente, mai sigure și mai interconectate ca oricând și creează premisele pentru inovații într-o gamă mult mai largă de domenii.
Evoluția Ethernet de la domeniul IT către aplicațiile auto demonstrează puterea standardizării și potențialul colaborării între industrii de a accelera progresul tehnologic. Pe măsură ce industria auto continuă să evolueze, Ethernet va avea un rol esențial în dezvoltarea vehiculelor viitorului și va contribui la apariția unei noi ere a mobilității, definite prin eficiență, securitate și conectivitate.
Autor: Divizia de sisteme de infotainment auto a Microchip Technology
Glosar de termeni
10BASE-T1S — Standard Ethernet Single Pair Ethernet (SPE) pentru comunicații la 10 Mbit/s pe o singură pereche de conductoare, conceput inclusiv pentru topologii multidrop.
Arhitectură zonală — Arhitectură electronică/electrică a vehiculului în care componentele sunt grupate în funcție de poziția lor fizică și conectate prin gateway-uri zonale la o infrastructură centrală de comunicație și calcul.
Magistrală multidrop — Topologie de comunicație în care mai multe dispozitive sunt conectate la aceeași magistrală fizică.
Gateway zonal — Element de rețea care agregă comunicațiile senzorilor, actuatoarelor și altor dispozitive dintr-o anumită zonă a vehiculului și le conectează la magistrala principală.
ECU (Electronic Control Unit) — Unitate electronică de control utilizată pentru gestionarea uneia sau mai multor funcții ale unui vehicul.
ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) — Sisteme avansate de asistență la conducere care utilizează senzori, camere, radar, lidar și alte tehnologii pentru creșterea siguranței și automatizarea unor funcții de conducere.
OTA (Over-the-Air) — Metodă de distribuire și instalare de la distanță a actualizărilor software, fără conectarea fizică a vehiculului la un echipament de service.
EMC (Electromagnetic Compatibility) — Compatibilitate electromagnetică; capacitatea echipamentelor electronice de a funcționa corect în mediul electromagnetic fără a genera sau suferi interferențe inacceptabile.
Ethernet frame — Cadru Ethernet; unitatea de bază în care sunt organizate și transmise datele într-o rețea Ethernet.