Aktuálně O nás Kontakt

11. díl - Základy automobilového Ethernetu

Když mluvíme o "Automobilovém Ethernetu", máme na mysli skupinu ethernetových rozhraní určených pro použití ve vozidlech, přizpůsobených potřebám automobilového průmyslu.

První standard Automotive Ethernet byl definován společností Broadcom v roce 2011.

Od té doby IEEE vydala standardy pro 100Base-T1, 1000Base-T1, 10Base-T1S a naposledy MultiGBase-T1. Tyto standardy společně definují obecnou technologii známou jako Automotive Ethernet.

Obrázek 1: Automotive Ethernet je navržen tak, aby podporoval stále složitější elektronické systémy vozidel.

Pravděpodobně první otázka, kterou položíte, je: "Proč prostě nepoužívat standardní Ethernet?" Shrnutí základních funkcí automobilového Ethernetu ukáže, o kolik lepší je Automotive Ethernet než standardní Ethernet při plnění poptávky průmyslu po datovém rozhraní s vyšší rychlostí, robustností, nižší hmotností a nižšími náklady, který může nakonec nahradit mnoho dalších protokolů, které se v současné době používají v celém vozidle.

T1 Kabeláž

Standardní Ethernet nebyl navržen pro drsné podmínky prostředí vozidla s teplotním rozsahem -40 °C až 125 °C a nárazy a vibracemi zrychlení až 4G. Nebyl navržen ani tak, aby splňoval přísné požadavky automobilového průmyslu na EMI/EMC. 100metrový dosah standardního Ethernetu není ve vozidle potřeba a vzhledem k rostoucí spotřebě paliva jsou čtyři zkroucené páry v ethernetovém kabelu CAT 5 příliš velké a drahé.

Všechny systémy Automotive Ethernet jsou založeny na použití jednoho zkrouceného páru, který se vyskytuje v názvech protokolů T1 a který není potřeba stínit. Nemá žádný definovaný typ konektoru, takže se neomezujete pouze na použití konektoru RJ45 v návrhu. Odhaduje se (plošně), že systémy T1 snižují hmotnost kabelů vozidel asi o 30% a náklady na připojení asi o 80%.

Plně duplexní datová komunikace

Obrázek 2: Automotive Ethernet nejčastěji využívá plně duplexní komunikaci přes jeden zkroucený pár.​

Datové komunikační systémy mohou být plně duplexní nebo napůl duplexní. Plně duplexní systém je schopen komunikovat v obou směrech současně, zatímco poloduplexní systém může komunikovat pouze v jednom směru najednou. Telefon je plně duplexní systém. Ruční vysílačka je poloduplexní zařízení.

Standardní ethernetové systémy mohou být buď polo, nebo plně duplexní (obrázek 2). Systémy Automotive Ethernet jsou obvykle plně duplexní přes jeden kabel T1, což snižuje množství požadovaného kabelu – a s ním i hmotnost a náklady - a zároveň zvyšuje rychlost odstraněním latence.

Jednou z výzev plně duplexních systémů je však oddělení obousměrného provozu, což nelze provést pouze pomocí osciloskopu. Sady nástrojů, dekodéry a testovací balíčky pro dodržování a testování shody (compliance) společnosti Teledyne LeCroy pro automobilový Ethernet to mohou udělat automaticky pomocí rozbočovače TF-AUTO-ENET a desek SMA.

Topologie sítě point-to-point

Standardní síťové systémové adresní pakety adresuje různým uzlům v síti. Použití adresování zvyšuje složitost struktury paketů, což snižuje propustnost a zvyšuje přítomnost chyb.

Automobilové ethernetové systémy nejčastěji používají topologii point-to-point, kde jsou dva uzly přímo propojeny jediným kabelem T1. Jeden uzel je označen jako "Master", který odesílá příkazy a dotazy "Slave", jehož jedinou úlohou je odpovědět masterovi stejným kabelem a dodržovat rozkazy.

Systémy 10Base-T1S mohou volitelně využívat Multidrop, topologii podobnou sběrnici podobnou té, kterou používá CAN, kde se více uzlů střídá v komunikaci, i když musí stále podporovat topologii point-to-point. Multidrop je od přírody napůl duplexní (a pomalejší), protože najednou může vysílat pouze jedno zařízení.

Víceúrovňové kódování dat

Pro podporu rostoucí složitosti a objemu dat používaných v dnešních vozidlech je nutná datová komunikace s vyšší rychlostí. To platí zejména pro asistenční systémy řidiče a systémy autonomního řízení. Protokoly Automotive Ethernet nabízejí přenosové rychlosti o několik řádů větší než protokoly jako CAN, LIN, FlexRay a MOST, které se tradičně používají ve vozidlech, až 10 Gb/s pro MultiGBase-T1 ve srovnání se 150 Mb/s pro MOST.

Obrázek 3: Signál DME s vloženými hodinami a daty.

Diferenciální kódování Manchester se používá pro nižší rychlost 10Base-T1S. Přenáší vložené hodiny spolu s daty a zaručuje velmi nízké potulování základní linie DC kvůli vysokým a nízkým hodnotám (obrázek 3). Přechod od nejnižší úrovně k vysoké představuje logickou hodnotu 0, zatímco přechod od vysoké k nejnižší představuje logickou hodnotu 1. Vestavěné hodiny a data lze snadno obnovit, a to i v tak zarušeném prostředí, jako je automobilové vozidlo.

Obrázek 4: Signál PAM3 se třemi úrovněmi označenými jako logické -1, 0 nebo +1.

Vyšší rychlostní varianty Automotive Ethernet používají ke kódování dat typ víceúrovňové amplitudové modulace (PAM). 100Base-T1 a 1000Base-T1 používají pam3 víceúrovňovou signalizaci (obrázek 4). V každém případě je signál PAM3 v jednom ze tří stavů označených jako -1, 0 nebo +1. Úrovně jsou detekovány, když signál protíná prahové hodnoty napětí nastavené přijímačem, které jsou na obrázku zobrazeny jako přerušované čáry. Významné kombinace -1, 0 a +1 jsou známé jako ternární symboly. Signalizace PAM3 přenáší 1,5 bitů za cyklus hodin a zvyšuje propustnost pro stejnou přenosovou rychlost jako dvouúrovňové signály. Takže pro danou takt je rychlost symbolu proporcionálně nižší. To zkracuje dobu přechodu signálu, což snižuje EMI, což je další plus pro automobilové aplikace.

MultiGBase-T1 používá signalizaci PAM4 se čtyřmi logickými úrovněmi, což dále zvyšuje propustnost, ale snižuje odolnost proti rušení.

Obrázek 5 shrnuje hlavní charakteristiky různých technologií automobilového Ethernetu. 

Obrázek 5: Shrnutí technologií automobilového Ethernetu.

 

Výraznou výhodou Automotive Ethernet je však to, že bez ohledu na rozdíly ve fyzických vrstvách jsou na horních úrovních všechny protokoly Automotive Ethernet stále Ethernet, dobře známý protokol pro mnoho vývojářů. Kód Automotive Ethernet lze snadněji a levněji přizpůsobit novým protokolům Automotive Ethernet a novým aplikacím, přičemž konzistentní struktura zpráv funguje v celém vozidle namísto mnoha překladatelských vrstev, které jsou nyní potřebné k propojení systémů naprogramovaných pro různé protokoly.

Zdroj: Fundamentals of Automotive Ethernet
https://blog.teledynelecroy.com/2021/06/fundamentals-of-automotive-ethernet.html [09.06.2021]

V tomto seriálu si neklademe za cíl hodnotit, která značka je nebo není nejlepší. Chceme pouze čtenáře upozornit na častá omezení a úskalí, která nemusí být na první pohled při výběru osciloskopu pro vaší práci zřejmá. Chceme vám poskytnout určitý nadhled při výběru nového osciloskopu. Informace, které v seriálu uvádíme, vychází z našich dlouholetých zkušeností s osciloskopy a především s přístroji Teledyne LeCroy, z veřejně dostupných informací a technické dokumentace ostatních výrobců. Abychom se nezabývali touto problematikou jen v teoretické rovině, zaměříme se na technické parametry přístrojů a různé způsoby měření.

Obsah tohoto seriálu můžete také ovlivnit! Uvítáme vaše komentáře, návrhy témat, vaše zkušenosti, které můžete zasílat na e-mail bohumil.vitovec@blue-panther.cz.

Stejně tak se můžete ozvat, pokud potřebujete radu na míru!

Další díl Všechny díly

 

 

 

Dotaz na další podrobnosti

Položky označené hvězdičkou (*) jsou povinné.

*Vaše údaje zpracováváme na základě oprávněného zájmu, dle našich zásad o ochraně osobních údajů.

Váš dotaz bude odeslán naším specialistům. Brzo se Vám ozveme.

Bohumil Vítovec
Telefon: +420 604 273 701