Sviluppo rivoluzionario dei sistemi di rete nei veicoli

Con il rapido avanzamento dell'elettrificazione automobilistica, oltre al passaggio ai veicoli elettrici alimentati a batteria, anche i veicoli tradizionali stanno iniziando ad adottare una moltitudine di sistemi elettronici. Questi sistemi utilizzano una vasta gamma di sensori, processori e attuatori per migliorare funzionalità, sicurezza ed efficienza, portando a un rapido aumento della complessità dei veicoli. Con il progresso della tecnologia automobilistica, cresce anche la domanda di sistemi di rete interna ai veicoli (In-Vehicle Networking, IVN), che richiedono una comunicazione a maggiore larghezza di banda e minore latenza per garantire funzionalità e sicurezza. Questo articolo ti introdurrà allo sviluppo dei sistemi di rete interna ai veicoli e alle soluzioni rilevanti introdotte da onsemi.

I protocolli di rete per veicoli soddisfano i requisiti di prestazioni e larghezza di banda delle automobili

Con lo sviluppo delle applicazioni elettroniche per il settore automobilistico negli anni, sono stati sviluppati numerosi protocolli, principalmente (o esclusivamente), per le reti all'interno del veicolo. Sebbene ogni protocollo presenti attributi unici, a causa delle architetture in continua evoluzione e della grande quantità di dati trasmessi nelle reti dei veicoli, questi protocolli continuano a lottare per soddisfare le esigenze delle automobili odierne. Pertanto, i produttori di automobili stanno cercando nuove soluzioni per offrire le prestazioni e la larghezza di banda necessarie.   Tra i vari protocolli di rete, Ethernet era una scelta ovvia in passato grazie alla sua ampia adozione nel settore informatico, alla larghezza di banda relativamente elevata e al costo ragionevole. Tuttavia, presenta un notevole svantaggio nell'applicazione automobilistica: l'incapacità di operare in modalità sensibile al tempo o deterministica. Ciò è dovuto al protocollo carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD), intrinseco al funzionamento dell'Ethernet.   Per consentire all'industria automobilistica di sfruttare i vantaggi dell'Ethernet, è stato sviluppato un nuovo protocollo. Questa variante specifica per il settore automobilistico è nota come 10BASE-T1S, che sostituisce il CSMA/CD con il Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) per ottenere un funzionamento deterministico, essenziale per l'uso drive-by-wire e per le applicazioni dei Sistemi Avanzati di Assistenza alla Guida (ADAS).   Grazie alle sue caratteristiche di alta larghezza di banda e bassa latenza, l'Ethernet automobilistico viene utilizzato sempre più frequentemente per i sistemi di infotainment dei veicoli e per i sistemi ADAS. Ethernet gioca un ruolo cruciale nell'abilitare funzionalità di connettività come la comunicazione Vehicle-to-Vehicle (V2V) e Vehicle-to-Infrastructure (V2I), essenziali per migliorare la gestione della sicurezza.   Poiché i veicoli si affidano sempre più a tecnologie basate sui dati, la domanda di una maggiore larghezza di banda continuerà a crescere per supportare funzionalità avanzate come la guida autonoma, lo streaming video in alta definizione/4K e le applicazioni di realtà aumentata. Le reti Ethernet nelle automobili dovranno fornire velocità di trasmissione dati più elevate. Le future reti Ethernet automobilistiche dovrebbero inoltre offrire una latenza ultra-bassa per facilitare decisioni e risposte rapide nella guida autonoma.

Stabilire un'architettura completa del veicolo e una soluzione di imaging

Per i produttori di automobili, l'organizzazione e l'interconnessione dei diversi sottosistemi all'interno dell'abitacolo del veicolo sono fattori importanti da considerare. Tipicamente, i sottosistemi vengono organizzati in base alla loro funzionalità (ad esempio, trasmissione, telaio, comfort) piuttosto che alla loro posizione fisica all'interno del veicolo. Questo approccio può portare a un aumento della complessità della cablatura, aumentando così i costi e il peso del veicolo.   Recentemente, l'approccio preferito è quello di suddividere i sottosistemi in "zone" in base alla loro posizione nel veicolo. L'architettura zonale combina scalabilità e flessibilità, consentendo l'implementazione relativamente semplice di modifiche come la rimozione, l'aggiunta o l'aggiornamento dei sottosistemi. Inoltre, supporta l'integrazione di elementi ridondanti e tolleranti ai guasti, che sono cruciali per garantire il livello di sicurezza funzionale richiesto dai sistemi critici.   Sebbene la progettazione dell'architettura zonale riduca la domanda di cablaggio, aumenta significativamente il volume di dati trasmessi attraverso la dorsale della rete interna del veicolo, richiedendo una maggiore larghezza di banda, prestazioni e una bassa latenza. Per abilitare funzionalità come la Frenata Automatica di Emergenza (AEB) dei sistemi ADAS, sensori ed elettronica di controllo sono distribuiti nell'intero veicolo, e il funzionamento affidabile di sistemi critici per la sicurezza si basa su Time-Sensitive Networking (TSN) per eliminare eventuali discrepanze nella latenza.   Indubbiamente, l'Ethernet deterministico 10BASE-T1S giocherà un ruolo cruciale nei veicoli futuri, in particolare nella dorsale della rete di un'architettura zonale. Protocolli come MOST e FlexRay probabilmente non saranno utilizzati nei nuovi progetti, ma si prevede che LIN e CAN continueranno a svolgere il loro ruolo, specialmente all'interno delle singole "zone".   Inoltre, ci sarà un continuo sviluppo di altri protocolli, tra cui il Camera Serial Interface 2 (CSI-2) e il Display Serial Interface 2 (DSI-2) dell'Alleanza MIPI, essenziali per il collegamento di telecamere ad alta risoluzione, sensori e display nei veicoli moderni per sistemi ADAS e di infotainment. Inoltre, l'Alleanza MIPI e l'Automotive SerDes Alliance (ASA) stanno lavorando a soluzioni SerDes standardizzate, concentrandosi sul miglioramento della sicurezza dei protocolli MIPI e sull'abilitazione dell'Ethernet asimmetrico per telecamere, che prevede trasmissioni ad alta larghezza di banda e ricezioni a bassa larghezza di banda. Tuttavia, il cambiamento architetturale più significativo è che CAN non sarà più il protocollo predefinito per la dorsale principale di comunicazione del veicolo; al suo posto, Ethernet assumerà questo ruolo.

Conoscenze di base dei tipi di rete nei veicoli

Il networking nei veicoli riguarda principalmente la conoscenza di base delle tecnologie LIN, CAN (FD), FlexRay ed Ethernet automobilistica. Di seguito verranno introdotti i concetti tecnici pertinenti. 

LIN:

LIN adotta un'architettura a 12V ed è basata su un protocollo di comunicazione seriale a filo singolo che utilizza la comune interfaccia byte-word SCI (UART). La sua velocità massima può raggiungere 20 kb/s (sincronizzazione EMC/clock). Il master controlla l'accesso al mezzo, responsabile dell'assenza di arbitraggio o gestione delle collisioni per garantire il tempo di latenza. Presenta un meccanismo di sincronizzazione del clock per i nodi slave (senza necessità di quarzo o risonatore ceramico) e consente l'aggiunta di nodi senza modificare hardware/software negli altri nodi slave. Tipicamente supporta meno di 12 nodi (64 identificatori e velocità di trasmissione relativamente basse).    Il Vsup dello strato fisico LIN varia tra 7V e 18V. A causa di requisiti rigorosi per pendenza e simmetria, il ciclo di lavoro minimo è del 39,6% e il massimo del 58,1% (con costanti di tempo comprese tra 1 µs e 5 µs per i carichi del bus: 1k/1 nF, 660/6.8 nF, 500/10 nF). L'oscillatore non sincronizzato ha un valore di tolleranza inferiore al 14%.   Il concetto di comunicazione LIN viene avviato dal task master (header del messaggio), che attiva il task slave dopo il riconoscimento dell'identificatore per avviare la risposta al messaggio (1-8 byte di dati più 1 byte di checksum). Supporta sia la parità che il checksum per garantire la correttezza dei dati.

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 include standard come 100Base-T1 e 1000Base-T1, che utilizzano cavi a coppia ritorta singola, supportano la comunicazione full-duplex e raggiungono velocità fino a 100/1000 Mbps. La lunghezza dei cavi può arrivare ad almeno 15 metri. I segnali differenziali vengono accoppiati nei cavi a coppia ritorta tramite condensatori. Il livello fisico converte i bit in simboli (3 bit vengono convertiti in 2 simboli), dove i valori dei simboli possono essere +1, 0 o -1, corrispondenti a tre diversi livelli di tensione differenziale. Ethernet supporta la comunicazione peer-to-peer e, per reti più complesse, sono necessari gli switch. La comunicazione continua anche se nessun nodo intende inviare dati per mantenere la sincronizzazione.   Nel caso del 100Base-T1, uno dei partner di collegamento del livello fisico è il Master (inizia l'addestramento) e il secondo è lo Slave (sincronizza il proprio clock con il Master utilizzando il recupero del clock dai flussi di dati). Poiché il livello fisico utilizza PAM3 (3 bit convertiti in 2 simboli), la sua velocità di baud è di 66 MBd/s, consentendo a entrambi i partner di collegamento di trasmettere simboli simultaneamente. Di conseguenza, possono essere osservati cinque diversi livelli di tensione differenziale. I dati da trasmettere possono essere combinati con un flusso laterale e includono uno scrambler (flusso pseudo-casuale) per ottenere migliori prestazioni EMC.   10Base-T1S è un protocollo che trasmette i dati a una velocità di 10 Mbps su un cavo a coppia ritorta singola con una lunghezza fino ad almeno 15 metri. Supporta la comunicazione peer-to-peer half-duplex. Le funzionalità opzionali includono l'operazione peer-to-peer full-duplex e l'operazione multi-point half-duplex (CAN, FlexRay, LIN, ecc.). Può anche supportare l'operazione multidrop con un Master e almeno fino a 8 Slave. Il Master inizia la comunicazione tramite un beacon, e ogni Slave ha poi l'opportunità di inviare dati. Questo protocollo è noto come Physical Layer Collision Avoidance (PLCA).

onsemi è stata fortemente coinvolta nel networking veicolare con un ampio portafoglio di prodotti

onsemi è profondamente coinvolta nel campo dell'IVN (In-Vehicle Networking) da oltre 30 anni, offrendo un'ampia gamma di prodotti e fornendo un supporto affidabile ai clienti e alle applicazioni. Il portafoglio di prodotti di onsemi copre tutte le principali tecnologie IVN, come LIN, CAN e FlexRay, migliorando continuamente la propria proprietà intellettuale (IP) per soddisfare al meglio i requisiti e le esigenze dell'industria automobilistica.   Con l'importanza crescente dell'Ethernet 10BASE-T1S nell'industria automobilistica, onsemi sta concentrando gran parte delle proprie risorse di sviluppo in questa area. A seguito del recente rilascio di soluzioni, onsemi sta ora sviluppando prodotti di seconda generazione con prestazioni ancora più elevate per aiutare l'industria a progredire ulteriormente nell'architettura zonale e nelle tecnologie di guida autonoma.   Con oltre 30 anni di supporto all'industria automobilistica e un portafoglio completo di prodotti qualificati AEC, onsemi consente ai clienti di progettare soluzioni ad alta affidabilità, creare valore per gli utenti finali e garantire prestazioni ottimali. onsemi occupa una posizione di rilievo nel settore ADAS, offrendo un portafoglio completo di prodotti tra cui gestione dell'energia, soluzioni di illuminazione, driver per motori, competenze nella progettazione di sistemi, progetti di riferimento, kit di sviluppo potenti e flessibili, oltre a un supporto applicativo esperto. I suoi componenti chiave sono conformi agli standard ISO-26262/ASIL.

Conclusione 

Man mano che i veicoli sono sempre più dotati di sistemi elettronici, l'importanza delle reti automobilistiche sta crescendo rapidamente. Le tecnologie di rete automobilistiche introdotte in questo articolo saranno ampiamente utilizzate per collegare vari sistemi elettronici automobilistici, offrendo maggiore funzionalità e standard di sicurezza più elevati. Con oltre 30 anni di esperienza nel campo dell'elettronica automobilistica, onsemi può fornire soluzioni elettroniche automobilistiche complete. Per ulteriori domande o esigenze più specifiche, non esitate a contattare onsemi o Arrow Electronics.