Pe măsură ce vehiculele moderne au devenit tot mai conectate și mai dependente de sistemele electronice, adoptarea Ethernet pentru automobile a crescut constant în cadrul platformelor OEM. În prezent, Ethernet a devenit unul dintre protocoalele de rețea preeminente pentru instalațiile cablate de la bord, susținând o gamă largă de funcționalități, inclusiv diagnosticare, infotainment, navigație și comunicație. Într-adevăr, caracteristicile tehnice, precum ratele mari de transfer de date, scalabilitatea și latența redusă, demonstrează că Ethernet pentru automobile are șanse mari de a-și asigura prezența pe vehiculele de generație viitoare. Dar tehnologia nu stă niciodată pe loc – iar inginerii caută mereu modalități de a dezvolta rețelele Ethernet pentru a se asigura că acestea sunt pregătite pentru viitor.
Acest articol prezintă ascensiunea și evoluția Ethernet pentru automobile și analizează caracteristicile și beneficiile uneia dintre cele mai recente variante ale sale, 10BASE-T1S, pentru arhitecturile zonale emergente ale automobilelor. În continuare, articolul analizează configurația unei rețele tipice 10BASE-T1S pentru automobile și modul în care pot fi utilizate bobinele de mod comun și varistoarele de la TDK pentru a oferi acestor instalații protecția robustă și fiabilă de care au nevoie.
Cum și-a găsit Ethernet-ul drumul către automobil
Pe măsură ce numărul și viteza unităților de control electronic (ECU) din automobile au crescut, industria auto a înțeles că rețelele tradiționale, cum ar fi Controller Area Network (CAN), care o deserviseră bine până atunci, erau împinse dincolo de limitele lățimii de bandă. La mijlocul anilor 2000, producătorii de automobile au început să investigheze protocolul Ethernet de încredere ca opțiune de conectivitate a datelor, iar în 2016, IEEE a publicat primul standard Ethernet pentru automobile 100BASE-T1 în documentul său IEE802.3bw. Alături de IEEE lucrează One-Pair Ether-Net (OPEN) Alliance Inc., o alianță industrială deschisă, non-profit, formată, în principal, din furnizori de tehnologie și din industria auto, ai căror membri colaborează pentru a încuraja adoptarea pe scară largă a rețelelor bazate pe Ethernet în aplicațiile de rețele auto și pentru a dezvolta noi standarde și specificații de testare.
Deși există asemănări între Ethernet-ul tradițional (10/100 BASE-T) și vărul său din domeniul auto, există și unele diferențe. Ambele versiuni utilizează cabluri UTP, care au două fire de cupru torsadate pentru a reduce radiațiile electromagnetice și diafonia cu alte cabluri și componente, atenuând în același timp interferențele provenite din alte surse. Pe de altă parte, rețeaua Ethernet tradițională utilizează două perechi de fire: O pereche transportă semnalul transmis într-o direcție, în timp ce cealaltă transportă semnalul recepționat în direcția opusă. În schimb, Ethernet pentru autovehicule utilizează o singură pereche de fire – SPE (Single-pair Ethernet) – pentru transmisie și recepție, prin urmare, cablurile sunt mai ușoare și mai puțin costisitoare. Această pereche este, de asemenea, “echilibrată”, transportând pe fiecare fir semnale egale ca mărime, dar cu polaritate opusă. Ethernet este specificat pentru o lungime maximă a cablului de 100 de metri, în timp ce Ethernet pentru automobile este specificat pentru o lungime maximă de numai 15 metri, o distanță mult mai relevantă pentru dimensiunea și anvergura unui vehicul.
Figura 1: Rețeaua Ethernet pentru automobile este implementată, de obicei, ca o rețea cu comutație. (Sursa: TDK)
O altă diferență esențială o reprezintă conectorul RJ45 utilizat în calculatoare, care era prea mare pentru aplicațiile auto și a fost înlocuit. Cu toate acestea, încă nu s-a convenit asupra unui tip de conector standard. Standardele vechi folosesc codificarea Multi-Level Transmit (MLT-3), care trece prin trei niveluri de tensiune pentru a codifica biții pe un cablu. În schimb, Ethernet pentru automobile folosește modulația impulsurilor în amplitudine (PAM – Pulse Amplitude Modulation) pentru a codifica biții folosind tensiuni cu amplitudini diferite, ceea ce permite trimiterea mai multor biți la fiecare transmisie. Combinarea acestei scheme cu alte tehnici de codificare reduce frecvența de transmisie, contribuind la reducerea interferențelor electromagnetice (EMI) și a diafoniei. Versiunea de 100 Mb/s IEEE802.3bw a standardului Ethernet a fost adoptată pe scară largă în aplicațiile auto peer-to-peer cu comutație, după cum se arată în figura 1.
Apariția 10BASE-T1S
Inițial, Ethernet a fost proiectat pentru rețele ‘multi-drop’, datele fiind transmise cu ajutorul tehnologiei CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection – acces multiplu cu detectarea purtătoarei și a coliziunii). În timp ce această tehnică de livrare îndeplinea, în cel mai fericit caz, cerințele de rețea pentru calculatoare de uz general, natura sa nedeterministă (adică livrarea datelor nu putea fi garantată într-un interval de timp specificat), cauzată de coliziunile pachetelor, a făcut ca rețelele Ethernet multi-drop să nu poată fi utilizate în aplicații în timp real, în care siguranța era primordială. Pe măsură ce mai multe caracteristici de siguranță, cum ar fi sistemele avansate de asistență a șoferului (ADAS), au fost adăugate la noile vehicule, această limitare a devenit din ce în ce mai problematică pentru industria auto, care căuta, totodată, modalități de tranziție la o nouă arhitectură zonală. Conectivitatea în arhitecturile zonale se bazează mai degrabă pe locația fizică decât pe funcție, care este utilizată în arhitecturile bazate pe domenii. Acest lucru are avantajul de a reduce numărul de unități de control electronic (ECU), ceea ce reduce dimensiunea cablajului. În plus, elimină dependența dintre hardware și software, permițând o arhitectură orientată pe servicii (SOA – Service Oriented Architecture).
Tehnologia 10BASE-T1S a fost dezvoltată pentru a răspunde cerinței de comunicații de date de mare viteză, fiabile și deterministe, în sectorul auto (și în cel industrial). A fost publicată ca IEEE 802.3cg în cadrul seriei de standarde TSN (Time-Sensitive Networking). 10BASE-T1S diferă de alte tehnologii Ethernet pentru automobile deoarece acceptă topologii multidrop în care toate nodurile sunt conectate folosind același cablu torsadat neecranat.
Deoarece implementarea bus-ului necesită doar o singură interfață Ethernet (PHY) la fiecare nod (eliminând necesitatea unui switch sau a topologiilor în stea asociate cu alte forme de Ethernet auto), este mai puțin costisitoare. Deși standardul specifică suportul pentru cel puțin opt noduri, acesta poate suporta mult mai multe noduri pe lungimi de bus de până la 25 de metri. O altă caracteristică nouă a acestui standard este evitarea coliziunii în stratul fizic (PLCA – Physical Layer Collision Avoidance), care previne coliziunea pe suportul comun al rețelei. Aceasta asigură o latență maximă deterministă în funcție de numărul de noduri de rețea și de cantitatea de date transmise. Fiecărui nod i se permite să transmită. În cazul în care nu are date de transmis, acesta transmite oportunitatea de transmisie nodului următor, permițând o utilizare mai eficientă a lățimii de bandă disponibile.
Rețelele 10BASE-T1S sunt cuplate în curent alternativ, ceea ce înseamnă că suportă, de asemenea, furnizarea de energie electrică. Acest lucru economisește cablarea și reduce dimensiunile conectorilor, sporind astfel fiabilitatea generală a rețelei. Alimentarea prin linii de date (PoDL) este deja disponibilă pentru implementările punct-la-punct, iar IEEE lucrează în prezent la standardizarea acestei caracteristici pentru topologiile multidrop. Tabelul 1 prezintă caracteristicile stratului fizic al 10BASE-T1S.
| 10BASE-T1S | |
| IEEE | IEEE 802.3cg |
| Viteza de transmisie | 10Mbps |
| Codificare | 4B/5B (DME)×2 |
| Metoda de comunicație | Transmisie half-duplex Transmisie full-duplex (opțional) |
| Topologie | Multidrop peer-to-peer |
Tabelul 1: Caracteristicile stratului fizic al 10BASE-T1S. (Sursă: TDK; reprodus de Mouser Electronics)
Protejarea rețelelor 10BASE-T1S: Provocări și soluții
Deși Ethernet oferă o robustețe excelentă a link-urilor, implementarea sa într-un mediu cu zgomot electric, cum ar fi un automobil, prezintă provocări suplimentare. Motoarele utilizate pentru a acționa vehiculele electrice (EV) sunt surse de zgomot EMI radiat sau condus. EMI și fenomenele electrice tranzitorii sunt surse de zgomot care pot avea un impact considerabil asupra transmisiei de date de mare viteză. Deși cablurile SPE cu perechi torsadate au fost proiectate pentru a reduce efectele zgomotului de mod comun, unele zgomote induse vor apărea inevitabil.
Figura 2: Protejarea nodurilor rețelei 10BASE-T1S într-o configurație multi-drop. (Sursa: TDK)
Există diferite categorii de zgomot condus și radiat. Zgomotul de mod comun apare ca un semnal suprapus pe terminalele de intrare și ieșire diferențiale și pe liniile de tensiune de alimentare pozitive și negative. Pentru a atenua zgomotul de mod comun, păstrând în același timp transmisia neîntreruptă a semnalelor diferențiale dorite, se folosesc frecvent bobine de mod comun (CMC – Common Mode Choke) compuse din două înfășurări care înconjoară un miez de ferită.
Semnalele de zgomot de mod diferențial circulă în direcții opuse și pot fi suprimate cu ajutorul unui filtru adecvat format dintr-o inductanță, un capacitor sau o bobină de mod diferențial. Descărcarea electrostatică (ESD) poate avea ca rezultat vârfuri de tensiune tranzitorii (dV/dt mare) care pot induce tensiuni înalte dăunătoare pe cabluri, deteriorând semiconductorii și alte componente. Rezistențele dependente de tensiune (varistoare) sau supresoarele de tensiune tranzitorie (TVS – Transient Voltage Suppressor) pot contribui la protecția împotriva efectelor potențial dăunătoare ale ESD. Figura 2 ilustrează modul în care o rețea tipică multi-drop 10BASE-T1S care conectează mai multe unități ECU dintr-un automobil este protejată cu ajutorul unei combinații de CMC-uri și varistoare.
Implementarea protecției SPE
Deoarece 10BASE-T1S adoptă o conexiune multi-drop cu mai multe ECU-uri conectate pe o singură linie de bus, reflexiile de semnal apar inevitabil din cauza lungimii cablajului. În plus, capacitanța suplimentară introdusă de mai multe ECU-uri poate provoca un efect de inelare a semnalului de date. De asemenea, din cauza naturii componentelor electronice utilizate în liniile de comunicații diferențiale, modul de conducție poate fi uneori convertit din modul diferențial în modul comun sau invers. Acest lucru se numește conversie de mod.
Conversia de mod face ca semnalele diferențiale să fie convertite în zgomot sau ca zgomotul să fie convertit în semnale diferențiale, ceea ce duce la o imunitate slabă la zgomot la nivelul ECU, putând provoca o funcționare defectuoasă a acestuia sau emiterea unui zgomot și mai mare.
Figura 3: Performanțele Sdd11 și Sdc11 ale seriei de CMC-uri/filtre ACT1210E. (Sursa: TDK)
Aceste probleme apar din cauza asimetriilor (diferențe de inductanță și capacitanță) din liniile de comunicație diferențiale. Pentru Ethernet-ul auto, caracteristicile de conversie de mod (Sdc11, Ssd21, Ssd12); pierderea de revenire (Sdd11); și pierderea de inserție (Sdd21) sunt în general utilizate pentru selectarea componentelor și proiectarea ECU. În IEEE802.3cg au fost stabilite linii standard (Sdd11, Sdc11) pentru acești parametri S (dispersie). Prin urmare, parametrii S ai componentelor individuale și combinate sunt indicatori esențiali la proiectarea unităților ECU.
Seria ACT1210E de bobine/filtre de mod comun de la TDK este prima din industrie pentru Ethernet 10BASE-T1S pentru automobile. Aceste dispozitive utilizează structura de înfășurare a firelor brevetată de TDK și materiale optime pentru a obține valori ale parametrilor S de top în industrie (Figura 3).
Sudarea cu laser a firelor de înfășurare la terminalele metalizate oferă acestor produse o rezistență ridicată la șocuri termice și o fiabilitate remarcabilă pe o gamă de temperaturi de operare de la -40°C la +125°C. Tabelul 2 rezumă principalele caracteristici ale CMC-urilor din seria ACT recomandate de TDK pentru rețelele auto, care respectă specificațiile de testare EMC 10BASE-T1S.
| Produs nr. | Bobină de mod comun μH (Tip) @ 100kHz | Capacitanță parazită pF (Max) | Rezistență DC Ω (Max) | Curent nominal mA (max.) |
| ACT1210E-241-2P-TL00* | 240 | 10 | 4.1 | 70 |
*Conform cu specificația de testare EMC a OPEN Alliance 10BASE-T1S
Tabelul 2: CMC-uri recomandate pentru atenuarea zgomotului de mod comun și diferențial în rețelele auto. (Sursa: TDK; refăcut de Mouser Electronics)
Similar, componentele de atenuare a ESD au, de asemenea, specificații stricte, inclusiv o capacitanță mai mică și cerințe de toleranță mai restrânse decât componentele ESD standard.
Varistoarele TDK AVRH10C101KKT1R2YE8 și AVRH10C221KT1R5YA8, care fac parte din familia de varistoare AVR-H, oferă performanțe ridicate de protecție ESD și au o capacitanță maximă de numai 1,5pF (tipic) cu o toleranță îngustă de ±0,13pF (tabelul 3). În plus, varistoarele AVR-H oferă o robustețe sporită cu temperaturi de operare ridicate, de până la 150°C, fără a diminua performanța. Aceste varistoare oferă rețelelor de ECU o imunitate ridicată la ESD, având în același timp un impact minim asupra calității comunicațiilor și a caracteristicilor de conversie a modului. De asemenea, sunt conforme cu standardul de fiabilitate pentru automobile AEC-Q200, ceea ce le face componente de protecție ESD adecvate pentru aplicațiile Ethernet auto 10BASE-T1S. Caracteristicile excelente legate de capacitanța de dispersie între linii și de conversie de mod ale acestor CMC-uri le fac ideale pentru instalațiile 10BASE-T1S.
| Produs nr. | L×L Dimensiuni mm | Tensiunea varistorului V (Nom.) @ 1mA | Capacitanță pF | Rezistență ESD IEC61000-4-2 |
| AVRH10C101KT1R2YE8 | 1.0×0.5 EIA0402 |
110 (100-120) | 1.23 (1.1-1.36) | 8kV |
| AVRH10C221KT1R5YA8 | 1.0×0.5 EIA0402 |
220 (198-242) | 1.5 (1.37-1.63) | 25kV |
Tabelul 3: Varistoare/TVS recomandate pentru protecția rețelelor 10BASE-T1S împotriva ESD. (Sursă: TDK; refăcut de Mouser Electronics)
Realizarea de rețele auto fiabile și robuste
În concluzie, 10BASE-T1S multi-drop va juca un rol central în susținerea implementării arhitecturilor zonale pe vehiculele de generație viitoare. Dar asigurarea fiabilității și a robusteții rețelei într-un mod care să nu afecteze factori precum lățimea de bandă și latența rămâne o prioritate în mintea inginerilor. Pentru a atinge acest obiectiv sunt necesare soluții de filtrare a zgomotului și de protecție ESD de înaltă calitate. Acest articol a prezentat sursele de zgomot electromagnetic și fenomenele tranzitorii de tensiune care pot avea un impact asupra performanței rețelei Ethernet.
TDK oferă CMC-uri și varistoare/TVS compatibile cu industria auto pentru a proteja rețelele 10BASE-T1S, precum și pentru a proteja alte forme de Ethernet auto (de exemplu, 100BASE-T1) și alte rețele auto tradiționale. Componentele de protecție evidențiate în acest articol sunt toate disponibile la Mouser Electronics, Mouser Electronics, distribuitor autorizat TDK.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
