Ovvero, dalle architetture zonali specifiche del dominio a quelle basate su ethernet. Come collegare il mondo fisico con quello digitale attraverso Ethernet 10base-T1S
Le automobili da tempo rispecchiano la complessità e l'innovazione del mondo in generale. I veicoli moderni sono ora piattaforme di calcolo ad alte prestazioni, che elaborano enormi quantità di dati e funzionano essenzialmente come data center su ruote. Questi veicoli controllano numerosi sottosistemi che si basano reciprocamente sulle informazioni per raggiungere alti livelli di automazione, interagendo con il mondo fisico attraverso vari sensori e attuatori.
Inizialmente, questi sottosistemi utilizzavano tecnologie di comunicazione ottimizzate per funzioni specifiche, note come architetture hardware specifiche del dominio. Questo approccio richiedeva più bus specifici per l'applicazione per trasferire i dati tra domini diversi, rendendo necessari computer gateway per tradurre le informazioni tra varie architetture hardware. Con un massimo di 20 standard di rete da gestire, le case automobilistiche hanno cercato una soluzione maggiormente semplificata con una piattaforma comune per la loro infrastruttura di comunicazione.
Transizione alle architetture zonali Ethernet-Based
L'industria automobilistica sta ora passando da queste vecchie architetture di rete a single backbone basata su Ethernet. Questo cambiamento consente ai veicoli di essere suddivisi in "zone" che possono interagire più facilmente con una piattaforma di calcolo centralizzata tramite una rete Ethernet ubiquitaria basata su IP. Collaborando con l'IEEE, le case automobilistiche hanno contribuito a definire un livello fisico che richiede solo una singola coppia bilanciata di cavi, invece delle precedenti 2 o 4 coppie, comuni nelle installazioni Ethernet. La Figura 1 qui di seguito mostra la transizione dalle architetture hardware specifiche del dominio a un'architettura zonale con una piattaforma di calcolo centralizzata.
Questa transizione alle architetture zonali basate su Ethernet rappresenta un significativo balzo in avanti nella progettazione e funzionalità automobilistica. Adottando una singola tecnologia di comunicazione, le case automobilistiche possono semplificare la rete interna del veicolo, riducendo la complessità e i costi associati al mantenimento di più standard di comunicazione. Questo approccio semplificato non solo migliora le prestazioni del veicolo, ma apre anche la strada a funzionalità e capacità più avanzate.
Vantaggi offerti da un Common Data Framework
Un framework di dati unificato consente di definire sistemi e funzioni del veicolo tramite software, riducendo la latenza e la complessità. Con l'aumento dei requisiti di sicurezza, i meccanismi standardizzati possono autenticare i partecipanti alla rete e crittografare le informazioni secondo necessità. I bus di comunicazione precedenti mancavano di funzionalità di sicurezza, richiedendo approcci vari per mitigare le minacce alla sicurezza.
I vantaggi di un framework comune dei dati vanno oltre la sicurezza e l'efficienza. Standardizzando i protocolli di comunicazione all'interno del veicolo, le case automobilistiche possono integrare più facilmente nuove tecnologie e funzionalità. Questa flessibilità è fondamentale poiché l'industria automobilistica continua ad evolversi, con progressi nella guida autonoma, nei veicoli elettrici (EV) e nelle tecnologie delle auto connesse. Un framework di dati comune garantisce che queste innovazioni possano essere incorporate senza soluzione di continuità o difficoltà nell'architettura del veicolo, fornendo un'esperienza di guida più coesa e integrata.
Aggiornamenti software semplificati
L'utilizzo di una rete comune semplifica gli aggiornamenti software, consentendo ai progettisti di distribuire gli aggiornamenti utilizzando un unico approccio anziché definire metodi diversi per diversi collegamenti dati. La capacità di semplificare gli aggiornamenti software è un punto di svolta per l'industria automobilistica.
Man mano che i veicoli diventano sempre più incentrati sul software, la necessità di aggiornamenti e miglioramenti costanti diventa sempre più importante. Un'infrastruttura di rete comune permette aggiornamenti over-the-air (OTA), consentendo alle case automobilistiche di implementare nuove funzionalità, correggere bug e migliorare le prestazioni senza richiedere una sosta presso le concessionarie. Ciò non solo migliora l'esperienza del cliente, ma riduce anche i costi di manutenzione e i tempi di inattività.
10BASE-T1S Ethernet: il collegamento tra il mondo digitale e quello fisico
Ethernet, un concetto che esiste da 50 anni, con le specifiche IEEE pubblicate 40 anni fa, è stato utilizzato principalmente per trasferire grandi quantità di dati tra computer. Tuttavia, l'interfaccia tra il mondo dell'informatica digitale e il mondo fisico delle auto è rimasta dipendente dall'hardware e specifica del dominio. Per risolvere questo problema, è stato sviluppato l’Ethernet 10BASE-T1S.
10BASE T1S Ethernet è un bus multidrop che, come dorsale, utilizza una singola coppia di fili. Sensori e attuatori si collegano direttamente a questo cavo, eliminando la necessità di switch Ethernet per collegare più dispositivi. Quando i dati vengono ricevuti e devono essere inviati a interconnessioni a velocità più elevate, è sufficiente uno switch semplice con una porta 10BASE-T1S e altre porte a velocità più elevate. Non sono necessari speciali gateway di traduzione, poiché ogni dispositivo su una rete Ethernet utilizza lo stesso formato per i frame Ethernet.
Lo sviluppo di Ethernet 10BASE-T1S segna una significativa pietra miliare nell'evoluzione del networking automobilistico. Fornendo un modo standardizzato ed efficiente per collegare sensori e attuatori, Ethernet 10BASE-T1S colma il divario tra il mondo digitale e quello fisico. Questa tecnologia consente l'elaborazione e la comunicazione dei dati in tempo reale, consentendo al veicolo di rispondere in modo più rapido e preciso alle mutevoli condizioni. L'Ethernet 10BASE T1S garantisce che i sistemi del veicolo funzionino insieme senza problemi. Figura 2 mostra come funziona questo concetto.
Applicazioni nel mondo reale: dimostrazione
Per mostrare l'applicazione nella pratica di Ethernet 10BASE-T1S, Microchip Technology ha sviluppato una dimostrazione che illustra come questa tecnologia può essere utilizzata per collegare vari sensori e attuatori all'interno di un veicolo. La dimostrazione presenta sensori di pressione, prossimità, luce e altri che acquisiscono dati del mondo reale, e che vengono poi elaborati da una piattaforma di calcolo centralizzata. I dati elaborati vengono utilizzati per controllare motori, ventole, luci e display, che a loro volta interagiscono con il mondo fisico.
Un video dimostrativo è disponibile su YouTube all’indirizzo https://youtu.be/nD1c3eLYp7M.
Questa configurazione non solo evidenzia la versatilità di Ethernet 10BASE-T1S, ma sottolinea anche il suo potenziale per semplificare la progettazione e l'implementazione di sistemi di comunicazione veicolare. Utilizzando un singolo bus multidrop che opera su una singola coppia di fili, Ethernet 10BASE-T1S elimina la necessità di switch Ethernet per collegare una moltitudine di sensori e attuatori.
Mentre i dati fluiscono attraverso la rete, uno switch semplice con una porta 10BASE-T1S può interfacciarsi con connessioni a velocità più elevate, mantenendo il formato coerente dei frame Ethernet in tutto il sistema.
Vantaggi monumentali per le case automobilistiche
L'utilizzo di un unico protocollo per la maggior parte delle funzioni offre vantaggi significativi per le case automobilistiche, che devono supportare più standard specifici per le applicazioni. Ogni modello annuale porta miglioramenti all'Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), che spesso richiedono nuove telecamere, radar, sensori a ultrasuoni e lidar in futuro, nonché aggiornamenti ai sistemi di infotainment e navigazione. Altre parti dell'auto vengono migliorate in modo incrementale, a volte solo con nuove funzioni software.
I veicoli odierni possono avere 40 diversi cablaggi, dozzine o addirittura centinaia di unità di controllo elettronico (ECU) e chilometri di cavi che pesano fino a 113 kg. I vari cavi necessari per le diverse applicazioni presentano anche sfide di compatibilità elettromagnetica (EMC), poiché ogni applicazione ha requisiti unici.
Il passaggio a un unico protocollo semplifica l'architettura interna del veicolo, riducendo il numero di cablaggi e centraline necessarie. Ciò non solo riduce il peso e la complessità, ma migliora anche l'affidabilità e la facilità di manutenzione. Con meno componenti da gestire, le case automobilistiche possono concentrarsi sul miglioramento delle prestazioni e delle caratteristiche del veicolo, offrendo una migliore esperienza di guida complessiva.
Soddisfare le richieste future
Per soddisfare le esigenze dei futuri veicoli, che presto impiegheranno diverse centinaia di milioni di righe di codice rispetto alle 100 milioni di righe odierne, l'industria sta passando a un'architettura elettronica/elettrica (E/E) zonale basata su Ethernet. Questa architettura aggrega i sensori in un unico collegamento dal gateway zonale a una dorsale e alla piattaforma di calcolo centrale.
La transizione verso un'architettura E/E zonale basata su Ethernet è essenziale per supportare la crescente complessità dei veicoli moderni. Poiché il numero di sensori, attuatori e sistemi elettronici continua a crescere, diventa fondamentale un'infrastruttura di rete scalabile ed efficiente. Ethernet fornisce la larghezza di banda e la flessibilità necessarie per gestire le enormi quantità di dati generati da questi sistemi, garantendo che il veicolo possa funzionare in modo fluido ed efficiente.
Mentre il settore continua ad evolversi, l'adozione di architetture basate su Ethernet svolgerà un ruolo cruciale nel plasmare il futuro della tecnologia automobilistica, garantendo che i veicoli rimangano connessi, efficienti e innovativi. Ciò che era iniziato come un concetto per un'architettura di comunicazione veicolare unificata è ora sul punto di diventare una realtà. Alcuni veicoli oggi in circolazione utilizzano già Ethernet per la loro architettura IT e i modelli caratterizzati dalla nuova architettura zonale che si estende all'interfaccia digitale fisica entreranno presto in produzione.
Questo approccio non solo semplifica la progettazione del veicolo, ma apre anche la porta a nuove possibilità di innovazione guidate dal software, poiché le funzioni che una volta erano definite dall'hardware ora possono essere implementate e aggiornate attraverso il software.
Oltre le automobili: la più ampia adozione di Ethernet
I vantaggi di Ethernet non si limitano all'industria automobilistica. Anche le applicazioni industriali stanno infatti iniziando ad adottare questa tecnologia, spinti dalla necessità di soluzioni di comunicazione più efficienti e scalabili. Mentre Ethernet guadagna terreno in settori che vanno oltre quello automobilistico, le economie di scala contribuiranno a ridurre i costi, rendendolo più accessibile e attraente per una più ampia gamma di applicazioni. Inoltre, con l'espansione della conoscenza su come strutturare e implementare sistemi basati su Ethernet, diventerà più facile sviluppare e implementare questi sistemi in vari settori.
In sostanza, l'adozione di Ethernet, e in particolare di Ethernet 10BASE T1S, è un passo fondamentale per unire i mondi virtuale e reale nella tecnologia automobilistica. Questa tecnologia non solo consente un futuro in cui i veicoli sono più intelligenti, più sicuri e più interconnessi che mai, ma pone anche le basi per un'innovazione più ampia in più campi.
Il viaggio di Ethernet dall'IT fino alle applicazioni automobilistiche è una testimonianza del potere della standardizzazione e del potenziale per la collaborazione intersettoriale per guidare il progresso tecnologico. All’evolversi dell'industria automobilistica, Ethernet svolgerà un ruolo fondamentale nel plasmare i veicoli di domani, creando una nuova era di mobilità definita da efficienza, sicurezza e connettività.
