Sin realizar cambios sustanciales en la arquitectura E / E del vehículo, el único enfoque restante para reducir el peso es alejarse del cableado de cobre hacia alternativas más ligeras. Hoy en día, la aleación de aluminio de alta resistencia es una de las alternativas empleadas, pero centrarse únicamente en reducir el peso del mazo de cables existente solo soluciona este problema de forma temporal.

La dura realidad es que muchos de los datos que se transfieren por el vehículo podrían transportarse a través de una simple conexión de par trenzado de alta velocidad. Las características como las cámaras de estacionamiento en marcha atrás, a menudo requieren un cableado dedicado para una conexión punto a punto adecuada, a la unidad de control electrónico (ECU). Sin embargo, tales soluciones punto a punto simplemente sirven para permitir una característica de consumo deseable, de manera que cumpla con un nivel de precio adecuado, en lugar de ofrecer una solución tecnológica que podría ampliarse para admitir una amplia gama de necesidades de transporte de datos en el vehículo.

Ethernet como tecnología ha sido considerada como una alternativa durante mucho tiempo. Su ubicuidad es tal, que uno se pregunta por qué Ethernet no se ha integrado en el vehículo, en lugar de por qué debería integrarse. Esto se ha entendido bien, está integrado en una amplia gama de microcontroladores (MCU) y dispositivos de sistema en chip (SoC), y hay un amplio software disponible, tanto comercial como de código abierto. Además, la comunidad de ingenieros ya tiene un amplio conocimiento con respecto a su implementación y cumplimiento de la normativa.

A medida que se generan más y más datos en el vehículo para admitir sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y conducción autónoma, Ethernet parece ser la opción obvia para transportar datos de radar, LiDAR y la multitud de cámaras que requieren dichos sistemas. Ciertamente, se cumple el requisito de ancho de banda. Desafortunadamente, el Ethernet clásico falla cuando se trata de admitir aplicaciones con necesidades críticas de tiempo o de seguridad, ya que no existen mecanismos para la creación de redes sensibles al tiempo, la conformación del tráfico o la sincronización de tiempo en la red. Para cumplir con estos requisitos, es necesario realizar cambios en las capas inferiores del modelo OSI.

Surgen problemas adicionales al revisar el cableado y la señalización. Ethernet, tal como se implementa en hogares y edificios comerciales, si utiliza el cableado CAT5e, utiliza dos de los cuatro pares de cables para la transferencia de datos unidireccional dentro de un cable sin blindaje. Obviamente, esto no mejorará el peso del mazo de cables. Si la tecnología existente se redujera simplemente a un solo par trenzado sin blindaje, la solución resultante no cumpliría con los requisitos existentes de interferencia electromagnética (EMI).

Para hacer que Ethernet esté preparada para automóviles, varios grupos de trabajo han estado desarrollando estándares para satisfacer las necesidades de la industria de la automoción. A nivel físico, se ha definido una interfaz física full-duplex de 100 Mbits / s que puede operar a través de cableado de par trenzado sin blindaje. Llamado 100BASE-T1, que lo diferencia de 100BASE-T, se describe en el estándar IEEE 802.3bw. Utiliza PAM-3, señalización de 3 niveles con una velocidad de datos de 66,67 Msímbolos / s, y puede alcanzar longitudes de 15 m, o 40 m si está protegido. Una interfaz de 1000 Mbits / s, conocida como 1000BASE-T1, está cubierta por IEEE 802.3bp. El resultado son dos grados de velocidad que permiten una red troncal de datos de velocidad ultra alta entre las ECU clave y una interfaz más rentable, pero aún de alta velocidad, para los nodos finales (Figura 1).

Figura 1: Las soluciones de infoentretenimiento podrían pasar de una red MOST, basada en anillo, a una red conmutada basada en Automotive Ethernet (Ethernet para Automoción).

Para funciones más sencillas y opciones de confort, tales como elevalunas, iluminación ambiental y asientos eléctricos, las redes tradicionales dentro del vehículo, como LIN, CAN y CAN-FD, seguirán desempeñando un papel vital más allá de los nodos finales habilitados para 100BASE-T1.

Cuando se trata de transportar datos de audio o video para entretenimiento en el vehículo, es esencial poder operar dentro de latencias definidas y reservar ancho de banda a través de la red. El grupo de trabajo Audio Video Bridging (AVB) desarrolló un conjunto de estándares que ofrecen estas funciones. Muchos de estos cambios afectan la capa 2. IEEE 802.1Qav que es responsable de definir las reglas que aseguran que los puentes de audio / video (AV) permiten que las transmisiones AV pasen a través de la red dentro de un límite de tiempo definido. Maneja la conformación del tráfico asegurando que la red no se vea abrumada por ráfagas de tráfico. IEEE 802.1Qat garantiza el recurso de extremo a extremo necesario para soportar la transferencia de un flujo de datos y proporcionar Calidad de Servicio (QoS).

Se proporcionan mejoras adicionales que garantizan la sincronización de tiempo entre los nodos de la red (IEEE 802.1AS) y los procedimientos para garantizar que múltiples nodos presenten sus datos en el mismo momento (IEEE 1722). Esto es importante en una aplicación donde una unidad principal está distribuyendo datos de audio para su salida en dos o más nodos de altavoz.

Aunque los estándares AVB cubren la reserva de ancho de banda y la latencia fija, hay otros casos de uso en los que se requieren latencias aún más cortas. Este es el caso cuando el control de bucle cerrado se implementa a través de la interfaz Ethernet. Los estándares de redes sensibles al tiempo (TSN) abordan estos problemas. Estos incluyen IEEE 802.1Qbv-2015 que proporciona ventanas de tiempo definidas para garantizar latencias de extremo a extremo al bloquear el tráfico de baja prioridad.

Finalmente, considerando los sistemas de propulsión totalmente eléctricos del futuro, el estándar IEEE 802.3az2010 de Energy Efficient Ethernet (EEE) proporciona mecanismos para poner los nodos en espera, dejando los circuitos de recepción en un modo que permite la recepción de un mensaje de activación.

“Ethernet Automotive” se encontrará en uno de los tres espacios de aplicación claros; la gran ECU central en la red troncal de datos, en un controlador de dominio o en una aplicación de nodo final. En los primeros dos casos, Automotive Ethernet se implementa idealmente utilizando un dispositivo periférico adecuado para complementar el SoC de alto rendimiento seleccionado. El tercer caso suele ser el dominio de un MCU más pequeño de 32 bits que puede tender un puente entre el coste y el rendimiento suficiente.

Con la introducción del TC9562, existe una solución de un monochip que puede soportar tanto la funcionalidad periférica como el funcionamiento como un nodo Ethernet para automoción autónomo (Figura 2). Los grandes SoCs son compatibles a través de la interfaz PCI express (PCIe) e incluye soporte de modo de bajo consumo L1 cuando sea necesario. También se proporcionan 6 canales de DMA que se pueden utilizar para filtrar automáticamente los datos entrantes de acuerdo con la dirección IP y transferirlos a la DRAM del SoC huespedt (Figura 3). El MAC Ethernet admite todas las interfaces comunes independientes de medios (MII), incluido el gigabit serie (SGMII).

Figura 2 - Diagrama de bloques del TC9562 que muestra la amplia gama de periféricos, Automotive Ethernet MAC y ARM Cortex-M3.

Figura 3: El TC9562 puede, a través de DMA, transferir los datos de dispositivos específicos directamente a la DRAM del SoC huésped sin que el procesador del SoC necesite intervenir.

Alternativamente, el dispositivo también se puede usar como una solución de nodo Ethernet independiente haciendo uso del procesador integrado Arm Cortex-M3. Funcionando hasta 187.5 MHz, y con acceso a hasta 320 kB de memoria, esto lo hace ideal para implementar amplificadores de audio, sistemas de audio e interactuar con módems de red celular (Figura 4). Además de las interfaces seriales comunes, como los dos UART, I2C y SPI, un periférico QSPI proporciona una interfaz para arrancar el dispositivo. La interfaz TDM / I2S proporciona un puerto TDM dúplex completo con soporte para transmisión múltiple que funciona como reloj maestro (TDM / I2S) o reloj esclavo (solo TDM) que admite audio de 24 bits hasta 192 kHz.

Figura 4: El TC9562 se puede usar para implementar un nodo de audio completo como parte de un sistema de infoentretenimiento, que incluye salida de audio y una entrada de micrófono para la implementación de la cancelación de ruido.

Después de todo el arduo trabajo de las juntas y comités asesores, Ethernet se ha ampliado para cumplir con las duras demandas de las redes en el vehículo. Con mucho ancho de banda, latencias garantizadas y soporte para especificar el tiempo de presentación, esta tecnología veterana se revitaliza nuevamente y está lista para las demandas emergentes de ADAS y la conducción autónoma. El TC9562 aborda los desafíos de las redes en el vehículo al ofrecer a los desarrolladores una solución personalizable para nodos más simples y optimizados en cuanto a costes que tienen una funcionalidad más limitada, como amplificadores de audio, así como una solución compacta que cumple con los requisitos de las ECU más grandes, que requieren Soporte de Ethernet Automotive junto con el SoC elegido.

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