Desarrollo revolucionario de sistemas de redes dentro del vehículo

Con el rápido avance de la electrificación automotriz, además del cambio hacia los vehículos eléctricos impulsados por baterías, los vehículos tradicionales también están comenzando a adoptar una multitud de sistemas electrónicos. Estos sistemas utilizan una variedad de sensores, procesadores y actuadores para mejorar la funcionalidad, la seguridad y la eficiencia, lo que lleva a un aumento acelerado en la complejidad de los vehículos. A medida que avanza la tecnología automotriz, la demanda de sistemas de Redes Dentro del Vehículo (IVN, por sus siglas en inglés) también está aumentando, requiriendo una mayor capacidad de ancho de banda y una comunicación con menor latencia para garantizar la funcionalidad y la seguridad. Este artículo le presentará el desarrollo de los sistemas de redes dentro del vehículo y las soluciones relevantes introducidas por onsemi.

Los protocolos de red en el vehículo cumplen con los requisitos de rendimiento y ancho de banda de los automóviles

Con el desarrollo de las aplicaciones electrónicas automotrices a lo largo de los años, se han desarrollado varios protocolos, en su mayoría (o exclusivamente), para redes dentro del vehículo. Aunque cada protocolo tiene atributos únicos, debido a las arquitecturas en constante cambio y la gran cantidad de datos transmitidos dentro de las redes internas del vehículo, estos protocolos aún luchan por satisfacer las demandas de los automóviles actuales. Por lo tanto, los fabricantes de automóviles están buscando nuevas soluciones para proporcionar el rendimiento y el ancho de banda necesarios.   Entre los diversos protocolos de red, el Ethernet fue en un momento una elección obvia debido a su adopción generalizada en el ámbito informático, su ancho de banda relativamente alto y su costo razonable. Sin embargo, tiene un inconveniente significativo cuando se aplica a los automóviles, que es la incapacidad de operar en un modo sensible al tiempo o determinista. Esto se debe al protocolo de Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones (CSMA/CD) inherente al funcionamiento del Ethernet.   Para permitir que la industria automotriz aproveche las ventajas del Ethernet, se ha desarrollado un nuevo protocolo. Esta variante específica para automóviles se conoce como 10BASE-T1S, que reemplaza el CSMA/CD con la Prevención de Colisiones en la Capa Física (PLCA) para lograr una operación determinista, esencial para el uso de conducción “drive-by-wire” y las aplicaciones de Sistemas Avanzados de Asistencia a la Conducción (ADAS).   Debido a sus características de alto ancho de banda y baja latencia, el Ethernet automotriz se utiliza cada vez más en sistemas de infoentretenimiento en vehículos y en sistemas ADAS. El Ethernet desempeña un papel crucial en la habilitación de funciones de conectividad como la comunicación Vehículo-a-Vehículo (V2V) y Vehículo-a-Infraestructura (V2I), que son esenciales para mejorar la gestión de la seguridad.   Dado que los vehículos dependen cada vez más de tecnologías impulsadas por datos, la demanda de mayor ancho de banda seguirá creciendo para respaldar funcionalidades avanzadas como la conducción autónoma, la transmisión de video en alta definición/4K y las aplicaciones de realidad aumentada. Las redes Ethernet en los automóviles deben proporcionar tasas de transmisión de datos más rápidas. Las redes Ethernet automotrices futuras también deberán contar con una latencia ultrabaja para facilitar la toma de decisiones y las respuestas rápidas en la conducción autónoma.

Establecer una arquitectura integral de vehículos y una solución de imágenes

Para los fabricantes de automóviles, la organización e interconexión de los diferentes subsistemas dentro del interior del vehículo son factores importantes a considerar. Normalmente, los subsistemas se organizan según su funcionalidad (por ejemplo, tren de transmisión, chasis, comodidad) en lugar de su ubicación física dentro del vehículo. Esto puede llevar a un aumento en la complejidad del cableado, aumentando así el costo y el peso del vehículo.   Recientemente, el enfoque preferido es agrupar los subsistemas en "zonas" basadas en su ubicación dentro del vehículo. La arquitectura zonal combina escalabilidad y flexibilidad, lo que facilita relativamente la implementación de cambios como la eliminación, adición o mejora de subsistemas. También permite la implementación de elementos redundantes y tolerantes a fallos, que son cruciales para alcanzar el nivel de seguridad funcional requerido en sistemas críticos.   Aunque el diseño de una arquitectura zonal reduce la demanda de cableado, aumenta significativamente el volumen de datos transmitidos a través de la red principal dentro del vehículo, lo que requiere un mayor ancho de banda, rendimiento y baja latencia. Para habilitar funciones como el Frenado Automático de Emergencia (AEB) de los sistemas ADAS, los sensores y la electrónica de control están distribuidos por todo el vehículo, y el funcionamiento confiable de los sistemas críticos de seguridad depende de la Redes Sensibles al Tiempo (Time-Sensitive Networking, TSN) para eliminar cualquier discrepancia en la latencia.   Sin duda, el Ethernet determinista 10BASE-T1S jugará un papel crucial en los vehículos del futuro, especialmente en la red principal de una arquitectura zonal. Protocolos como MOST y FlexRay probablemente no se utilicen en nuevos diseños, pero se espera que LIN y CAN continúen desempeñando su papel, particularmente dentro de las distintas "zonas".   Además, habrá un desarrollo continuo de otros protocolos, incluido el Interfaz Serial de Cámara 2 (CSI-2) y el Interfaz Serial de Pantalla 2 (DSI-2) de la Alianza MIPI, que son esenciales para conectar cámaras de alta resolución, sensores y pantallas en los vehículos actuales para sistemas ADAS y de infoentretenimiento. Asimismo, la Alianza MIPI y la Automotive SerDes Alliance (ASA) están trabajando en soluciones estándar de SerDes y se centran en mejorar la seguridad de los protocolos MIPI y en habilitar Ethernet asimétrico para cámaras, que involucra transmisión de alto ancho de banda y recepción de bajo ancho de banda. Sin embargo, el cambio arquitectónico más significativo es que CAN ya no será el protocolo predeterminado para la comunicación principal entre vehículos; en su lugar, el Ethernet asumirá este rol.

Conocimiento básico de los tipos de redes dentro del vehículo

El networking dentro del vehículo implica principalmente conocimientos básicos sobre las tecnologías LIN, CAN (FD), FlexRay y Ethernet automotriz. A continuación, se le presentarán los conceptos técnicos relevantes. 

LIN:

LIN adopta una arquitectura de 12V y se basa en un protocolo de comunicación serial de un solo cable que utiliza la interfaz de byte-palabra SCI (UART) común. Su velocidad máxima puede alcanzar los 20 kb/s (EMC/sincronización de reloj). El maestro controla el acceso al medio, siendo responsable de evitar arbitraje o gestión de colisiones para garantizar el tiempo de latencia. Incluye un mecanismo de sincronización de reloj para los nodos esclavos (sin necesidad de resonadores de cuarzo o cerámicos) y permite agregar nodos sin alterar el hardware/softwares de otros nodos esclavos. Típicamente, soporta menos de 12 nodos (64 identificadores y velocidades de transmisión relativamente bajas).    El Vsup de la capa física de LIN varía entre 7V y 18V. Debido a los estrictos requisitos de pendiente y simetría, el ciclo de trabajo mínimo es del 39,6%, y el máximo es del 58,1% (con constantes de tiempo entre 1 µs y 5 µs para las cargas del bus: 1k/1 nF 660/6,8 nF 500/10 nF). El oscilador no sincronizado tiene un valor de tolerancia de menos del 14%.   El concepto de comunicación de LIN se inicia con la tarea del maestro (cabecera del mensaje), activando la tarea del esclavo tras el reconocimiento del identificador para empezar con la respuesta del mensaje (1-8 bytes de datos más 1 byte de suma de verificación). Admite tanto paridad como suma de verificación para garantizar la corrección de los datos.

CAN:

CAN (Controller Area Network) is another mainstream protocol for vehicle networks. In CAN communication, all devices are equal and can communicate at any time. If a conflict occurs (two devices speaking at the same time), arbitration is used to ensure that messages are understood.
 
CAN supports asynchronous communication (event-triggered). When the bus is quiet, any node can access the bus. It employs non-destructive arbitration, allowing 100% bandwidth utilization without data loss. Messages with low priority have higher latency, while those with high priority have lower latency. CAN supports variable message priorities based on 11-bit (or extended 29-bit) data packet identifiers, enabling automatic error detection, signaling, and retries. CAN uses twisted-pair cable to communicate with up to 40 devices at speeds of up to 1 Mb/s.
 
The physical layer of the CAN bus requires termination at both ends of the line. The ISO 11898 standard defines the cable impedance as 120 ± 12 Ω, requiring the use of shielded or unshielded twisted-pair cable. During CAN bus arbitration, if two messages are sent simultaneously through the CAN bus, the bus will use the "logical AND" of the signals. Therefore, the message identifier with the lowest binary number gains the highest priority. Each device listens to the channel and exits if it detects that the bus’s bit does not match its identifier’s bit. CAN supports flexible data rates, and to increase bandwidth, CAN Flexible Data Rate (CAN FD) has been introduced as an extension of CAN. 

FlexRay:

The FlexRay protocol, akin to a train-schedule, meticulously schedules all FlexRay traffic using time slots. It boasts high data rates of up to 10 Mb/s and supports time and event-triggered behaviors, redundancy, fault tolerance, and determinism (utilizing "time-slots"). FlexRay meets the error tolerance, speed, and time determinism performance requirements of applications such as drive-by-wire, steer-by-wire, and brake-by-wire.
 
In the FlexRay physical layer, the static segment is reserved for deterministic data arriving at fixed period, while the dynamic segment is used for more general event-based data that does not require determinism (refer to CAN). Symbol windows are typically used for network maintenance and signaling for starting the network, while network idle time is utilized to maintain known "quiet" times for synchronization between node clocks.

Ethernet:

Ethernet incluye estándares como 100Base-T1 y 1000Base-T1, que utilizan cables de par trenzado único, admiten comunicación en modo dúplex completo y alcanzan velocidades de hasta 100/1000 Mbps. Las longitudes de los cables pueden alcanzar al menos 15 metros. Las señales diferenciales se acoplan a los cables de par trenzado a través de condensadores. La capa física convierte bits en símbolos (3 bits se convierten en 2 símbolos), donde los valores de los símbolos pueden ser +1, 0 o -1, correspondientes a tres niveles de voltaje diferencial diferentes. Ethernet admite comunicación punto a punto, y para redes más complejas, se requieren switches. La comunicación continúa incluso si no hay nodos que deseen enviar datos, con el fin de mantener la sincronización.   En el caso de 100Base-T1, uno de los enlaces en la capa física actúa como Maestro (inicia el proceso de entrenamiento), y el otro actúa como Esclavo (sincroniza su reloj con el Maestro utilizando la recuperación de reloj a partir de las secuencias de datos). Dado que la capa física emplea PAM3 (3 bits convertidos en 2 símbolos), su tasa de baudios es de 66 MBd/s, lo que permite que ambos nodos de enlace transmitan símbolos simultáneamente. Como resultado, pueden observarse cinco niveles de voltaje diferencial diferentes. Los datos a transmitir se pueden combinar con un flujo adicional e incluyen un codificador aleatorio (flujo seudoaleatorio) para lograr un mejor rendimiento de EMC.   10Base-T1S es un protocolo que transmite datos a una velocidad de 10 Mbps a través de un único cable de par trenzado con una longitud de al menos 15 metros. Admite comunicación punto a punto en modo semi-dúplex. Las características opcionales incluyen operación punto a punto en modo dúplex completo y operación semi-dúplex en multipunto (CAN, FlexRay, LIN, etc.). También puede admitir operación multipunto con un Maestro y al menos hasta 8 Esclavos. El Maestro inicia la comunicación mediante una baliza, y luego cada Esclavo tiene la oportunidad de enviar datos. Este protocolo se conoce como Prevención de Colisiones en la Capa Física (PLCA por sus siglas en inglés).

onsemi ha estado profundamente involucrada en la red de vehículos con un amplio portafolio de productos

onsemi ha estado profundamente involucrada en el campo de IVN durante más de 30 años, ofreciendo una amplia gama de productos y proporcionando apoyo confiable al cliente y soporte en aplicaciones. El portafolio de productos de onsemi abarca todas las tecnologías principales de IVN como LIN, CAN y FlexRay, mientras que también mejora continuamente su propiedad intelectual (IP) para satisfacer mejor los requisitos y demandas de la industria automotriz.   Con la creciente importancia de Ethernet 10BASE-T1S en la industria automotriz, onsemi está concentrando la mayoría de sus recursos de desarrollo en esta área. Tras el lanzamiento reciente de soluciones, onsemi ahora está desarrollando productos de segunda generación con un rendimiento aún mayor para ayudar a la industria a seguir avanzando en la arquitectura zonal y las tecnologías de conducción autónoma.   Con más de 30 años apoyando a la industria automotriz y ofreciendo un portafolio completo de productos calificados por AEC, onsemi permite a los clientes diseñar soluciones de alta fiabilidad, crear valor para los usuarios finales y entregar un rendimiento máximo. onsemi ocupa una posición significativa en el campo de ADAS, ofreciendo un portafolio de productos integral que incluye gestión de energía, soluciones de iluminación, controladores de motores, experiencia en diseño de sistemas, diseños de referencia, kits de desarrollo potentes y flexibles, y soporte experto en aplicaciones. Sus componentes clave cumplen con los estándares ISO-26262/ASIL.

Conclusión 

A medida que los vehículos están cada vez más equipados con sistemas electrónicos, la importancia de las redes automotrices está creciendo rápidamente. Las tecnologías de redes automotrices presentadas en este artículo serán ampliamente utilizadas para conectar diversos sistemas electrónicos automotrices, proporcionando una mayor funcionalidad y estándares de seguridad más altos. Con más de 30 años de experiencia en el campo de la electrónica automotriz, onsemi puede ofrecer soluciones electrónicas automotrices integrales. Para consultas adicionales o requisitos más detallados, no dude en ponerse en contacto con onsemi o Arrow Electronics.