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La tecnologia di rete automotive prende il ritmo

All'interno di un'auto moderna ci sono in genere quasi 100 unità di controllo elettronico (ECU) presenti. Queste potrebbero potenzialmente essere ancora di più in un modello di lusso. Queste ECU sono responsabili delle differenti tipologie di funzioni, che si occupano un pò di tutto, dal controllo della frenata e della trasmissione alla gestione del motore e all'aria condizionata. Attualmente comunicano tra loro tramite molteplici bus. Tuttavia, i protocolli di rete all'interno del veicolo, dovranno cambiare nel corso degli anni a venire poiché i sistemi iniziano a richiedere livelli di prestazioni più elevati e una maggiore reattività.

Introduzione

Negli ultimi tempi, si è assistito a un notevole aumento delle cifre relative alla larghezza di banda necessaria per l'infrastruttura della rete automobilistica, al fine di supportare le nuove funzionalità ad alta intensità di dati che vengono ora progettate dai team di ingegneri delle case automobilistiche. Ad esempio, la sempre più diffusa proliferazione della tecnologia di sistema avanzato di assistenza alla guida (ADAS) imporrà l'acquisizione e il successivo trattamento di grandi quantità di dati. Inoltre, l'inizio della guida autonoma, nel corso del prossimo decennio, aumenterà indubbiamente questo almeno di un altro ordine di grandezza.

Protocolli di vecchia data, come il Local Interconnect Network (LIN) e il Controller Area Network  (CAN), sebbene ancora ampiamente utilizzati, hanno raggiunto un punto in cui i loro limiti operativi stanno diventando sempre più evidenti. Protocolli con larghezza di banda maggiore, come il Media-Oriented Systems Transport (MOST) e FlexRay, che ci si aspettava li completassero non hanno realmente ottenuto la trazione inizialmente prevista.

Allo stesso tempo, le case automobilistiche e i loro fornitori di primo livello stanno cercando di allontanarsi dal fare affidamento su una moltitudine di bus diversi per un assetto di rete più omogeneo. Questo dovrebbe essere in grado di supportare allo stesso tempo data-rate più elevati e minore latenza. Dovrebbe anche consentire una riduzione del cablaggio associato, riducendo così i costi delle distinte base e con conseguente maggior risparmio di carburante (contribuendo in negativo al peso complessivo della vettura). Infine, dovrebbe offrire un grado più elevato di sicurezza operativa, al fine di prevenire potenziali attacchi informatici, che sono destinati a rappresentare una crescente minaccia.

Gli attributi favorevoli di Ethernet

Quando si è trattato della infrastruttura di rete a bordo di nuova generazione, l'industria automobilistica ha identificato Ethernet come un promettente candidato per soddisfare le previste richieste in termini di trasporto dati. Questo protocollo di comunicazione di lunga data, comunemente utilizzato sia in ambito aziendale che industriale, fornisce elevati fattori di riutilizzo in termini di componenti, software, strumenti e simili. Il One-Pair Ethernet (OPEN) Alliance Special Interest Group (SIG) è un gruppo di industrie formato da marchi ben noti come BMW, Broadcom, Freescale, Harman, Hyundai e NXP nato per collocare la comunicazione basata su Ethernet alle fondamenta delle future reti automotive e incoraggiare l'attuazione degli standard relativi al settore automobilistico definiti dall'IEEE.

La natura dell'area applicativa fa sì che l'Ethernet per l'automotive debba tenere conto di varie considerazioni tecniche che semplicemente non influiscono sulla tecnologia Ethernet convenzionale. La trasmissione dei dati avviene su una singola coppia di cavi di rame intrecciati non schermati (anziché richiedere più coppie di cavi, come di solito accade). Questo semplifica l'implementazione e aiuta a risparmiare spazio. Ci sono temperature più elevate che devono essere prese in considerazione, oltre alla prospettiva di esposizione a eventi di scarica elettrostatica (ESD) e interferenze elettromagnetiche (EMI). Nonostante l'ambiente operativo senza compromessi nel quale sono collocati, i ricetrasmettitori PHY Ethernet per automobili devono essere in grado di garantire che vengano mantenuti valori accettabili di bit rate (BER), in modo da non influenzare l'integrità del segnale.

L'operatività deterministica è un altro aspetto essenziale. Le funzioni di ADAS, ed eventualmente la guida autonoma all'ingrosso, richiederanno il trasferimento dei dati a bassa latenza, in modo che  ci possa essere una reazione in tempo reale agli eventi cosi da non mettere a rischio le vite degli occupanti dei veicoli o di altri utenti della strada. Anche i PHY incorporati nella rete dovranno supportare modalità di bassa potenza. Quando il motore è spento, le ECU e l'altro hardware andranno in modalità di sospensione. Nel frattempo, i PHY rimarranno parzialmente accesi, svegliando il sistema solo dopo la presenza di attività sulla rete. I moderni PHY Ethernet sono altamente integrati e tendono a non richiedere la presenza di componenti aggiuntivi (come regolatori di tensione, ecc.), che migliorano in modo significativo le caratteristiche di consumo energetico e  di durata della batteria.

Lo sviluppo del protocollo Ethernet 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) era inteso a soddisfare le crescenti velocità di trasferimento dati necessarie per l'iniziale installazione Ethernet automobilistica - raggiungendo 100Mbps utilizzando operazioni half-duplex e fornendo una latenza relativamente bassa in modo che il controllo adattativo potesse essere gestito efficacemente durante la guida. Era in grado di mitigare l'EMI applicando il principio della sovrapposizione e utilizzando specifici sistemi di codifica e scrambling. Il più avanzato protocollo 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp) utilizza le comunicazioni in modalità full duplex, con la possibilità di trasferire dati a velocità fino a 1 Gbps. La tabella di marcia è quella in cui verranno richieste velocità di trasmissione dati dell'ordine dei multi-Gigabit entro i prossimi anni e gli standard Ethernet consapevoli di ciò sono già in fase di sviluppo.

Figura 1: diagramma a blocchi del TJA1100.

Portafoglio Ethernet per l'automotive

Vi è ora una gamma in espansione di circuiti integrati Ethernet per autoveicoli, con NXP, Microchip e Broadcom tra coloro che ne stanno guidando attivamente l'adozione, oltre a contribuire in modo significativo al processo di standardizzazione in corso. Il TJA1100 di NXP (come mostrato nella Figura 1) è un PHY Ethernet 100BASE-T1 a porta singola che fornisce il trasferimento di dati a 100 Mbps. Ottimizzato per il funzionamento a bassa potenza, ha un regolatore di tensione LDO da 1,8 V incorporato e una modalità di sospensione con supporto di attivazione locale. Completamente conforme a AEC-Q100, copre un intervallo di temperatura di lavoro da -40 °C a + 125 °C. Il PHY Ethernet da 100 Mbps DP83TC811S-Q1 di Texas Instruments supporta l'intera gamma di interfacce multimediali indipendenti. Per aiutare il sistema a monitorare e rilevare le rotture dei cavi, nonché a reagire alle variazioni di temperatura e tensione, oltre agli avvertimenti ESD, il dispositivo è dotato di un kit di strumenti diagnostici completo (descritto in dettaglio nella Figura 2).

Figura 2: schema circuitale usando il DP83TC811S-Q1 di Texas Instruments.

Disponibile in un package QFN a 48 pin senza piombo e con una velocità di trasmissione dati massima di 1 Gbps, il KSZ9031RNX di Microchip (descritto in Figura 3) è un PHY Ethernet a tripla velocità (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) ottimizzato per il moderno impiego automobilistico. Il suo meccanismo di negoziazione automatica seleziona automaticamente la massima velocità di collegamento che può essere gestita. Questo IC ha un controller di tensione LDO integrato per pilotare un MOSFET a basso costo per alimentare il core a 1.2 V. Inoltre, supportando il funzionamento a 1 Gbps (massimo), il PHY BCM89610 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T (vedere la Figura 4) è stato sviluppato da Broadcom per offrire funzionalità da leader nel settore nella cancellazione del rumore e nel jitter di trasmissione, permettendo così di utilizzarlo con la più ampia gamma qualitativa di cavi.

Figura 3: diagramma a blocchi del KSZ9031RNX di Microchip.

Figura 4: diagramma a blocchi del BCM89610 di Broadcom.

Conclusione

Interfacce standardizzate e protocolli di comunicazione più performanti sono chiaramente necessari per affrontare il crescente volume di dati che passano attraverso l'infrastruttura di rete dei veicoli. Poiché i sistemi automotive continuano a crescere nelle loro dimensioni e complessità, e l'ambito delle funzioni di cui hanno bisogno ad espandersi, i produttori di circuiti integrati subiscono una pressione maggiore per offrire la sofisticata tecnologia necessaria, riducendo contemporaneamente i costi. È ampiamente riconosciuto che Ethernet risponda a tutte queste richieste, fornendo un protocollo di comunicazione stabile e ampiamente utilizzato che ha le proprietà necessarie per adattarsi all'uso automobilistico e la disposizione per progredire a velocità di trasferimento dati più elevate in futuro.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

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