Développement révolutionnaire des systèmes de mise en réseau dans les véhicules

Avec l'avancement rapide de l'électrification automobile, en plus de la transition vers des véhicules électriques alimentés par batterie, les véhicules traditionnels commencent également à adopter une multitude de systèmes électroniques. Ces systèmes déploient une variété de capteurs, de processeurs et d'actionneurs pour améliorer la fonctionnalité, la sécurité et l'efficacité, entraînant une augmentation rapide de la complexité des véhicules. À mesure que la technologie automobile progresse, la demande pour les systèmes de communication réseau embarqués (IVN) s'intensifie également, nécessitant une communication à bande passante plus élevée et à latence réduite pour garantir la fonctionnalité et la sécurité. Cet article vous introduira au développement des systèmes de communication réseau embarqués et aux solutions pertinentes introduites par onsemi.

Les protocoles de réseau embarqués répondent aux exigences de performance et de bande passante des automobiles

Avec le développement des applications électroniques automobiles au fil des années, plusieurs protocoles principalement (ou exclusivement) conçus pour les réseaux embarqués ont été développés. Bien que chaque protocole présente des caractéristiques uniques, en raison des architectures en constante évolution et de la grande quantité de données transmises dans les réseaux embarqués, ces protocoles peinent encore à répondre aux exigences des automobiles actuelles. Par conséquent, les constructeurs automobiles recherchent de nouvelles solutions pour fournir les performances et la bande passante nécessaires.   Parmi les divers protocoles réseau, l'Ethernet était autrefois un choix évident en raison de son adoption généralisée dans le domaine informatique, de sa bande passante relativement élevée et de son coût raisonnable. Cependant, il présente un inconvénient majeur lorsqu'il est appliqué aux automobiles : l'incapacité à fonctionner en mode sensible au temps ou déterministe. Cela est dû au protocole d’accès multiple avec détection de collision (CSMA/CD) inhérent au fonctionnement de l'Ethernet.   Pour permettre à l'industrie automobile de tirer parti des avantages de l'Ethernet, un nouveau protocole a été développé. Cette variante spécifique au secteur automobile est connue sous le nom de 10BASE-T1S, qui remplace le CSMA/CD par l'évitement de collision au niveau physique (PLCA) pour obtenir un fonctionnement déterministe essentiel pour les applications de conduite par câble et les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS).   En raison de ses caractéristiques de haute bande passante et de faible latence, l'Ethernet automobile est de plus en plus utilisé pour les systèmes d'infodivertissement embarqués et les systèmes ADAS. L'Ethernet joue un rôle crucial dans la prise en charge des fonctionnalités de connectivité telles que la communication véhicule-à-véhicule (V2V) et véhicule-à-infrastructure (V2I), indispensables pour améliorer la gestion de la sécurité.   Alors que les véhicules s'appuient de plus en plus sur les technologies axées sur les données, la demande en bande passante plus élevée continuera de croître pour prendre en charge des fonctionnalités avancées telles que la conduite autonome, le streaming vidéo haute définition/4K et les applications de réalité augmentée. Les réseaux Ethernet automobiles doivent fournir des taux de transmission de données plus rapides. Les futurs réseaux Ethernet automobiles devront également offrir une latence ultra-faible pour faciliter une prise de décision et une réponse rapides en conduite autonome.

Établir une solution complète d'architecture de véhicule et d'imagerie

Pour les constructeurs automobiles, l'organisation et l'interconnexion des différents sous-systèmes à l'intérieur du véhicule sont des facteurs importants à prendre en compte. Typiquement, les sous-systèmes sont organisés en fonction de leur fonctionnalité (par exemple, transmission, châssis, confort) plutôt qu'en fonction de leur emplacement physique dans le véhicule. Cela peut entraîner une augmentation de la complexité du câblage, augmentant ainsi le coût et le poids du véhicule.   Récemment, l'approche privilégiée consiste à "zoner" les sous-systèmes en fonction de leur emplacement dans le véhicule. L'architecture zonale combine évolutivité et flexibilité, permettant une mise en œuvre relativement simple des changements tels que le retrait, l'ajout ou la mise à niveau des sous-systèmes. Elle permet également le déploiement d'éléments redondants et tolérants aux pannes, qui sont essentiels pour atteindre le niveau de sécurité fonctionnelle requis pour les systèmes critiques.   Bien que la conception de l'architecture zonée réduise la demande en câblage, elle augmente considérablement le volume de données transmises sur la colonne vertébrale du réseau embarqué, nécessitant une bande passante élevée, des performances accrues et une faible latence. Pour activer des fonctionnalités comme le freinage d'urgence automatique (AEB) de l'ADAS, les capteurs et l'électronique de contrôle sont répartis dans tout le véhicule, et le fonctionnement fiable des systèmes critiques pour la sécurité repose sur le Time-Sensitive Networking (TSN) pour éliminer toute divergence de latence.   Indéniablement, l'Ethernet déterministe 10BASE-T1S jouera un rôle crucial dans les véhicules futurs, en particulier dans le réseau principal d'une architecture zonale. Les protocoles comme MOST et FlexRay sont peu susceptibles d'être utilisés dans de nouvelles conceptions, mais LIN et CAN devraient continuer à jouer leur rôle, notamment au sein des différentes "zones".   En outre, il y aura un développement continu d'autres protocoles, y compris le Camera Serial Interface 2 (CSI-2) et le Display Serial Interface 2 (DSI-2) de la MIPI Alliance, qui sont essentiels pour connecter les caméras haute résolution, les capteurs et les écrans dans les véhicules actuels pour les systèmes ADAS et d'infodivertissement. De plus, la MIPI Alliance et l'Automotive SerDes Alliance (ASA) travaillent sur des solutions SerDes standardisées et se concentrent sur l'amélioration de la sécurité des protocoles MIPI et sur l'activation de l'Ethernet asymétrique pour les caméras, impliquant une transmission à large bande passante et une réception à faible bande passante. Cependant, le changement architectural le plus significatif est que le CAN ne sera plus le protocole par défaut pour la colonne vertébrale principale de communication du véhicule ; à la place, l'Ethernet assumera ce rôle.

Connaissances de base sur les types de réseaux embarqués

Le réseau embarqué concerne principalement les connaissances de base sur les technologies LIN, CAN (FD), FlexRay et Ethernet automobile. Ce qui suit vous introduira aux concepts techniques pertinents. 

LIN :

LIN adopte une architecture 12V et est basé sur un protocole de communication série à un seul fil utilisant l'interface byte-word SCI (UART) commune. Sa vitesse maximale peut atteindre 20 kb/s (synchronisation CEM/horloge). Le maître contrôle l'accès au support, ne prenant pas en charge l'arbitrage ou la gestion des collisions pour garantir le temps de latence. Il dispose d'un mécanisme de synchronisation d'horloge pour les nœuds esclaves (pas besoin de quartz ou de résonateur céramique) et permet d'ajouter des nœuds sans modifier le matériel/logiciel des autres nœuds esclaves. En général, il prend en charge moins de 12 nœuds (64 identifiants et des vitesses de transmission relativement plus faibles).    Le Vsup de la couche physique LIN varie entre 7V et 18V. En raison des exigences strictes de pente et de symétrie, le cycle de service minimum est de 39,6 % et le maximum de 58,1 % (avec des constantes de temps comprises entre 1 µs et 5 µs pour les charges du bus : 1k/1 nF 660/6,8 nF 500/10 nF). L'oscillateur non synchronisé a une valeur de tolérance inférieure à 14 %.   Le concept de communication de LIN est initié par la tâche maître (en-tête de message), activant la tâche esclave après reconnaissance de l'identifiant pour commencer la réponse au message (1 à 8 octets de données plus 1 octet de somme de contrôle). Il prend en charge à la fois la parité et la somme de contrôle pour l'exactitude des données.

CAN :

Le CAN (Controller Area Network) est un autre protocole principal pour les réseaux de véhicules. Dans la communication CAN, tous les dispositifs sont égaux et peuvent communiquer à tout moment. En cas de conflit (deux dispositifs parlant en même temps), un arbitrage est utilisé pour garantir que les messages sont compris.   Le CAN prend en charge la communication asynchrone (déclenchée par des événements). Lorsque le bus est silencieux, n'importe quel nœud peut accéder au bus. Il utilise un arbitrage non destructif, permettant une utilisation de la bande passante à 100 % sans perte de données. Les messages à faible priorité ont une latence plus élevée, tandis que ceux à haute priorité ont une latence plus faible. Le CAN prend en charge des priorités de messages variables basées sur des identifiants de paquets de données de 11 bits (ou étendus à 29 bits), permettant la détection automatique des erreurs, le signalement et les re-tentatives. Le CAN utilise un câble torsadé pour communiquer avec jusqu'à 40 dispositifs à des vitesses allant jusqu'à 1 Mb/s.   La couche physique du bus CAN nécessite une terminaison aux deux extrémités de la ligne. La norme ISO 11898 définit l'impédance du câble comme étant de 120 ± 12 Ω, nécessitant l'utilisation de câbles torsadés blindés ou non blindés. Pendant l'arbitrage du bus CAN, si deux messages sont envoyés simultanément via le bus CAN, ce dernier utilisera le "ET logique" des signaux. Par conséquent, l'identifiant de message avec le plus petit numéro binaire obtient la priorité la plus élevée. Chaque dispositif écoute le canal et se retire s'il détecte que le bit du bus ne correspond pas au bit de son identifiant. Le CAN prend en charge des débits de données flexibles, et pour augmenter la bande passante, le CAN Flexible Data Rate (CAN FD) a été introduit en tant qu'extension du CAN. 

FlexRay :

Le protocole FlexRay, semblable à un horaire de train, planifie méticuleusement tout le trafic FlexRay en utilisant des intervalles de temps. Il offre des débits élevés allant jusqu'à 10 Mb/s et prend en charge les comportements déclenchés par le temps et les événements, la redondance, la tolérance aux pannes et le déterminisme (en utilisant des "intervalles de temps"). FlexRay répond aux exigences de performance en matière de tolérance aux erreurs, de vitesse et de déterminisme temporel pour des applications telles que drive-by-wire, steer-by-wire et brake-by-wire.   Dans la couche physique FlexRay, le segment statique est réservé aux données déterministes arrivant à des périodes fixes, tandis que le segment dynamique est utilisé pour des données plus générales basées sur des événements qui ne nécessitent pas de déterminisme (voir CAN). Les fenêtres de symboles sont généralement utilisées pour la maintenance du réseau et le signalement du démarrage du réseau, tandis que le temps d'inactivité du réseau est utilisé pour maintenir des périodes "calmes" connues pour la synchronisation entre les horloges des nœuds.

Ethernet :

Ethernet comprend des normes telles que 100Base-T1 et 1000Base-T1, qui utilisent des câbles à paire torsadée unique, prennent en charge la communication en duplex intégral et atteignent des vitesses allant jusqu'à 100/1000 Mbps. La longueur des câbles peut atteindre au moins 15 mètres. Les signaux différentiels sont couplés dans les câbles à paire torsadée via des condensateurs. La couche physique convertit les bits en symboles (3 bits sont convertis en 2 symboles), où les valeurs des symboles peuvent être +1, 0 ou -1, correspondant à trois niveaux de tension différentielle différents. Ethernet prend en charge la communication de paire à paire et, pour les réseaux plus complexes, des commutateurs sont nécessaires. La communication se poursuit même si aucun nœud n'a l'intention d'envoyer des données afin de maintenir la synchronisation.   Dans le cas du 100Base-T1, l'un des partenaires de liaison de la couche physique est Maître (initie l'entraînement) et le second est Esclave (synchronise son horloge avec le Maître en utilisant la récupération d'horloge à partir des flux de données). Étant donné que la couche physique utilise PAM3 (3 bits convertis en 2 symboles), son débit est de 66 MBd/s, permettant aux deux partenaires de liaison de transmettre des symboles simultanément. En conséquence, cinq niveaux de tension différentielle différents peuvent être observés. Les données à transmettre peuvent être combinées avec un flux secondaire et incluent un embrouilleur (flux pseudo-aléatoire) pour obtenir de meilleures performances CEM.   Le 10Base-T1S est un protocole qui transmet des données à un débit de 10 Mbps sur un câble à paire torsadée unique d'une longueur pouvant atteindre au moins 15 mètres. Il prend en charge la communication en demi-duplex de paire à paire. Les fonctionnalités facultatives incluent une opération en duplex intégral peer-to-peer et une opération en demi-duplex multi-point (CAN, FlexRay, LIN, etc.). Il peut également prendre en charge le fonctionnement multidrop avec un Maître et au moins jusqu'à 8 Esclaves. Le Maître initie la communication via une balise, puis chaque Esclave a l'opportunité d'envoyer des données. Ce protocole est connu sous le nom de Physical Layer Collision Avoidance (PLCA).

onsemi est fortement impliqué dans les réseaux embarqués avec un vaste portefeuille de produits

onsemi est fortement impliqué dans le domaine de l'IVN depuis plus de 30 ans, offrant une large gamme de produits et fournissant un support client et un support d'application fiables. Le portefeuille de produits de onsemi couvre toutes les technologies principales de l'IVN telles que LIN, CAN et FlexRay, tout en renforçant continuellement sa propriété intellectuelle (IP) pour mieux répondre aux exigences et aux besoins de l'industrie automobile.   Avec l'importance croissante de l'Ethernet 10BASE-T1S dans l'industrie automobile, onsemi concentre la plupart de ses ressources de développement dans ce domaine. Suite au récent lancement de solutions, onsemi développe actuellement des produits de deuxième génération avec des performances encore supérieures pour aider l'industrie à continuer à faire progresser les architectures zonales et les technologies de conduite autonome.   Avec plus de 30 ans de soutien à l'industrie automobile et une offre complète de produits qualifiés AEC, onsemi permet aux clients de concevoir des solutions hautement fiables, de créer de la valeur pour les utilisateurs finaux et d'assurer une performance optimale. onsemi occupe une position significative dans le domaine de l'ADAS, offrant un portefeuille de produits complet incluant la gestion de l'énergie, des solutions d'éclairage, des drivers pour moteurs, une expertise en conception de systèmes, des designs de référence, des kits de développement puissants et flexibles, ainsi qu'un support d'application expérimenté. Ses composants clés sont conformes aux normes ISO-26262/ASIL.

Conclusion 

À mesure que les véhicules deviennent de plus en plus équipés de systèmes électroniques, l'importance des réseaux automobiles croît rapidement. Les technologies de réseau automobile présentées dans cet article seront largement utilisées pour connecter divers systèmes électroniques automobiles, offrant une plus grande fonctionnalité et des normes de sécurité plus élevées. Avec plus de 30 ans d'expertise dans le domaine de l'électronique automobile, onsemi peut fournir des solutions électroniques automobiles complètes. Pour toute question ou demande approfondie, n'hésitez pas à contacter onsemi ou Arrow Electronics.