11. diel - Základy automobilového Ethernetu

Keď hovoríme o "automobilovom Ethernete", máme na mysli skupinu ethernetových rozhraní určených na použitie vo vozidlách, prispôsobených potrebám automobilového priemyslu.

Prvý štandard Automotive Ethernet bol definovaný spoločnosťou Broadcom v roku 2011.

Odkedy boli definované normy pre 100Base-T1, 1000Base-T1, 10Base-T1S a naposledy MultiGBase-T1. Tieto normy spoločne definujú všeobecnú technológiu známu ako Automotive Ethernet.

Obrázok 1: Automotive Ethernet je navrhnutý tak, aby podporoval čoraz zložitejšie elektronické systémy vozidiel.​

Pravdepodobne prvá otázka, ktorú položíte, je: "Prečo jednoducho nepoužívať štandardný Ethernet?"Zhrnutie základných funkcií automobilového Ethernetu ukáže, o koľko je Automotive Ethernet lepší ako štandardný Ethernet pri uspokojovaní dopytu priemyslu po dátovom rozhraní s vyššou rýchlosťou, pevnosťou, nižšou hmotnosťou a nižšími nákladmi, ktorý môže nakoniec nahradiť mnoho ďalších protokolov, ktoré sa v súčasnosti používajú v celom vozidle.

T1 Kabeláž

Štandardný Ethernet nebol navrhnutý pre drsné podmienky prostredia vozidla s teplotným rozsahom -40 ° C až 125 ° C a nárazom a vibráciami zrýchlenia až 4G. Nebol navrhnutý ani tak, aby spĺňal prísne požiadavky automobilového priemyslu na EMI / EMC. 100-metrový dosah štandardného Ethernetu nie je vo vozidle potrebný a vzhľadom na rastúcu spotrebu paliva sú štyri skrútené páry v éternetovom kábli CAT 5 príliš veľké a drahé.

Všetky systémy Automotive Ethernet sú založené na použití jedného skrúteného páru, ktorý sa vyskytuje v názvoch protokolov T1 a ktorý nie je potrebné tieniť. Nemá žiadny definovaný typ konektora, takže sa neobmedzujete len na použitie konektora RJ45 v návrhu. Odhaduje sa (plošne), že systémy T1 znižujú hmotnosť káblov vozidiel približne o 30% a náklady na pripojenie približne o 80%.

Plne duplexná dátová komunikácia

Obrázok 2: Automotive Ethernet najčastejšie využíva plne duplexnú komunikáciu cez jeden skrútený pár.​​

Dátové komunikačné systémy môžu byť úplne duplexné alebo poloduplexné. Plne duplexný systém je schopný komunikovať v oboch smeroch súčasne, zatiaľ čo poloduplexný systém môže komunikovať len v jednom smere naraz. Telefón je úplne duplexný systém. Ručná vysielačka je poloduplexné zariadenie.

Štandardné éternetové systémy môžu byť buď polové, alebo úplne duplexné (obrázok 2). Systémy Automotive Ethernet sú zvyčajne úplne duplexné cez jeden kábel T1, čo znižuje množstvo požadovaného kábla – a s ním aj hmotnosť a náklady – a zároveň zvyšuje rýchlosť odstránením latencie.

Jednou z výziev plne duplexných systémov je však oddelenie obojsmernej prevádzky, čo nemožno vykonať len pomocou osciloskopu. Súpravy nástrojov, dekodéry a testovacie balíky Teledyne LeCroy pre automobilový Ethernet to môžu urobiť automaticky pomocou rozbočovača TF-AUTO-ENET a dosiek SMA..

Sieťová topológia point-to-point

Štandardné sieťové adresné balíky adresuje rôznym uzlom v sieti. Použitie adresovania zvyšuje zložitosť štruktúry balíkov, čo znižuje priepustnosť a zvyšuje prítomnosť chýb.

Automobilové ethernetové systémy najčastejšie používajú topológie point-to-point, kde sú dva uzly priamo prepojené jediným káblom T1. Jeden uzol je označený ako "Master", ktorý posiela príkazy a otázky "Slave", ktorého jedinou úlohou je odpovedať masterovi rovnakým káblom a dodržiavať príkazy.

Systémy 10Base-T1S môžu voliteľne používať multidrop, topológiu podobnú tej, ktorú používa CAN, kde sa viac uzlov strieda v komunikácii, aj keď musí stále podporovať topológiu point-to-point. Multidrop je od prírody napoly duplexný (a pomalší), pretože naraz môže vysielať len jedno zariadenie.

Viacúrovňové kódovanie údajov

Na podporu rastúcej zložitosti a objemu údajov používaných v dnešných vozidlách je potrebná dátová komunikácia s vyššou rýchlosťou. Týka sa to najmä systémov pomoci vodičom a systémov autonómneho riadenia. Protokoly Automotive Ethernet ponúkajú prenosové rýchlosti o niekoľko radov vyššie ako protokoly CAN, Lin, FlexRay a MOST, ktoré sa tradične používajú vo vozidlách, až 10 Gb / s pre MultiGBase-T1 v porovnaní so 150 Mb / s pre MOST.

Obrázok 3: Signál DME s vloženými hodinami a dátumami.

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.

Vyššie rýchlostné varianty Automotive Ethernet používajú na kódovanie údajov typ viacúrovňovej amplitudovej modulácie (PAM). 100 Base-T1 a 1000Base-T1 používajú pam3 viacúrovňovú signalizáciu (obrázok 4). V každom prípade je signál PAM3 v jednom z troch stavov označených ako -1, 0 alebo + 1. Hladiny sú detekované, keď signál pretína prahové hodnoty napätia nastavené prijímačom, ktoré sú na obrázku zobrazené ako prerušované čiary. Významné kombinácie – 1, 0 a + 1 sú známe ako ternárne symboly. Signalizácia PAM3 prenáša 1,5 bitov za cyklus hodín a zvyšuje priepustnosť pre rovnakú prenosovú rýchlosť ako dvojúrovňové signály.

MultiGBase-T1 používa signalizáciu PAM4 so štyrmi logickými úrovňami, čo ďalej zvyšuje priepustnosť, ale znižuje odolnosť voči rušeniu.

Obrázok 5: Súhrn technológií automobilového Ethernetu.​

Výraznou výhodou Automotive Ethernet je však to, že bez ohľadu na rozdiely vo fyzikálnych vrstvách sú na horných úrovniach všetky protokoly Automotive Ethernet stále Ethernet, dobre známy protokol pre mnohých vývojárov. Kód Automotive Ethernet možno jednoduchšie a lacnejšie prispôsobiť novým protokolom Automotive Ethernet a novým aplikáciám, pričom konzistentná štruktúra správ funguje v celom vozidle namiesto mnohých prekladateľských vrstiev, ktoré sú teraz potrebné na prepojenie systémov naprogramovaných pre rôzne protokoly.

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

V tomto seriáli si nekladieme za cieľ posúdiť, ktorá značka je alebo nie je najlepšia. Chceme len upozorniť čitateľov na časté obmedzenia a úskaly, ktoré nemusia byť na prvý pohľad pri výbere osciloskopu pre vašu prácu zjavné. Chceme vám poskytnúť určitý pohľad pri výbere nového osciloskopu. Informácie, ktoré v seriáli uvádzame, vychádzajú z našich dlhoročných skúseností s osciloskopmi a predovšetkým s prístrojmi Teledyne LeCroy, z verejne dostupných informácií a technickej dokumentácie ostatných výrobcov. Aby sme sa nezaoberali touto problematikou len v teoretickej rovine, zameriavame sa na technické parametre prístrojov a rôzne spôsoby merania.

Obsah tohto seriálu môžete tiež ovplyvniť! Privítame vaše pripomienky, návrhy tém, vaše skúsenosti, ktoré môžete poslať na e-mail bohumil.vitovec@blue-panther.cz.

Rovnako sa môžete ozvať, ak potrebujete radu na mieru!

Ďalši diel / Všetky diely