Questi veicoli controllano numerosi sottosistemi che dipendono dalle informazioni che si trasmettono reciprocamente per raggiungere elevati livelli di automazione, interagendo con il mondo fisico attraverso vari sensori e attuatori.
Inizialmente, questi sottosistemi utilizzavano tecnologie di comunicazione ottimizzate per specifiche funzioni, note come architetture hardware specifiche per dominio. Questo approccio richiedeva l'utilizzo di più bus specifici per applicazione per trasferire dati tra domini diversi, rendendo necessario l'impiego di computer gateway per tradurre le informazioni tra le varie architetture hardware. Con fino a 20 standard di rete da gestire, le case automobilistiche cercavano una soluzione più semplice con una piattaforma comune per la loro infrastruttura di comunicazione.
Transizione ad architetture a zone basate su Ethernet:
l'industria automobilistica sta passando dalle architetture di rete tradizionali a una singola dorsale basata su Ethernet. Questo cambiamento consente di suddividere i veicoli in "zone" che possono interagire più facilmente con una piattaforma di elaborazione centralizzata tramite una rete Ethernet basata su IP onnipresente. In collaborazione con l'IEEE, le case automobilistiche hanno contribuito a definire un livello fisico che richiede solo una singola coppia di cavi bilanciati, anziché le due o quattro coppie tipicamente presenti nelle installazioni Ethernet. La Figura 1 illustra la transizione da architetture hardware specifiche per dominio a un'architettura a zone con una piattaforma di elaborazione centralizzata.
Figura 1: Megatrend nelle reti, da un'architettura specifica per dominio a un'architettura zonale
Questa transizione verso architetture zonali basate su Ethernet rappresenta un significativo passo avanti nella progettazione e nella funzionalità del settore automobilistico. Adottando un'unica tecnologia di comunicazione, le case automobilistiche possono semplificare la rete interna del veicolo, riducendo la complessità e i costi associati alla gestione di molteplici 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 di un ambiente dati comune:
un ambiente dati unificato consente di definire i sistemi e le 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 erano privi di funzionalità di sicurezza, il che richiedeva diversi approcci per mitigare le minacce alla sicurezza.
I vantaggi di un ambiente dati comune 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 in un settore automobilistico in continua evoluzione, con progressi nella guida autonoma, nei veicoli elettrici (EV) e nelle tecnologie per auto connesse. Un ambiente dati comune garantisce che queste innovazioni possano essere integrate senza problemi nell'architettura del veicolo, offrendo un'esperienza di guida più coerente e integrata.
Aggiornamenti software semplificati
: l'utilizzo di una rete comune semplifica gli aggiornamenti software, consentendo ai progettisti di implementarli con un unico approccio anziché definire metodi per diversi collegamenti dati. La possibilità di semplificare gli aggiornamenti software rappresenta una svolta per l'industria automobilistica. Con la crescente dipendenza dei veicoli dal software, la necessità di aggiornamenti e miglioramenti regolari diventa sempre più cruciale. Un'infrastruttura di rete comune consente aggiornamenti over-the-air (OTA), permettendo alle case automobilistiche di implementare nuove funzionalità, correggere bug e migliorare le prestazioni senza la necessità di recarsi in concessionaria. Ciò non solo migliora l'esperienza del cliente, ma riduce anche i costi di manutenzione e i tempi di inattività.
Ethernet 10BASE-T1S: un ponte tra il mondo digitale e quello fisico
Ethernet, un concetto esistente 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 digitale dell'informatica e il mondo fisico delle automobili è rimasta dipendente dall'hardware e specifica per il dominio. Per risolvere questo problema, è stato sviluppato Ethernet 10BASE-T1S.
Ethernet 10BASE-T1S è un bus multipunto che utilizza una singola coppia di fili come dorsale. Sensori e attuatori si collegano direttamente a questo filo, eliminando la necessità di switch Ethernet per connettere più dispositivi. Poiché i dati vengono ricevuti e devono essere inviati a interconnessioni ad alta velocità, è sufficiente un semplice switch con una porta 10BASE-T1S e porte aggiuntive ad alta velocità. Non sono necessari gateway di traduzione speciali, poiché tutti i dispositivi su una rete Ethernet utilizzano lo stesso formato per i frame Ethernet.
Lo sviluppo di Ethernet 10BASE-T1S rappresenta una pietra miliare nell'evoluzione delle reti automobilistiche. Fornendo un metodo standardizzato ed efficiente per connettere 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, permettendo al veicolo di rispondere in modo più rapido e preciso alle condizioni mutevoli. Ethernet 10BASE-T1S garantisce che i sistemi del veicolo funzionino in modo integrato. La Figura 2 illustra il funzionamento di questo concetto.
Figura2: Architetture zonali rispetto alle architetture di dominio
Applicazione nel mondo reale: dimostrazione
Per mostrare l'applicazione pratica di Ethernet 10BASE-T1S, Microchip Technology ha sviluppato una dimostrazione che illustra come questa tecnologia può essere utilizzata per connettere vari sensori e attuatori all'interno di un veicolo. La dimostrazione include sensori di pressione, prossimità, luce e altri sensori che acquisiscono dati dal mondo reale, i quali vengono poi elaborati da una piattaforma di elaborazione centralizzata. I dati elaborati vengono utilizzati per controllare motori, ventole, luci e display, che a loro volta interagiscono con il mondo fisico. Un video della dimostrazione è disponibile su YouTube all'indirizzo https://youtu.be/nD1c3eLYp7M. La Figura 3 mostra il dimostratore.
Figura 3: Dimostratore di sensori e attuatori multipli
Questa configurazione non solo evidenzia la versatilità di Ethernet 10BASE-T1S, ma sottolinea anche il suo potenziale nel semplificare la progettazione e l'implementazione dei sistemi di comunicazione veicolare. Utilizzando un singolo bus multipunto che opera su una singola coppia di fili, Ethernet 10BASE-T1S elimina la necessità di switch Ethernet per connettere una moltitudine di sensori e attuatori. Man mano che i dati fluiscono attraverso la rete, un semplice switch con una porta 10BASE-T1S può interfacciarsi con connessioni ad alta velocità mantenendo una formattazione coerente dei frame Ethernet in tutto il sistema.
Vantaggi enormi per le case automobilistiche
L'utilizzo di un unico protocollo per la maggior parte delle funzioni offre vantaggi significativi alle case automobilistiche, che devono essere compatibili con molteplici standard specifici per le applicazioni. Ogni anno vengono introdotti miglioramenti ai sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), che spesso richiedono in futuro nuove telecamere, radar, sensori a ultrasuoni e lidar, oltre ad aggiornamenti ai sistemi di infotainment e di navigazione. Altre parti dell'auto vengono migliorate gradualmente, a volte semplicemente con nuove funzionalità software.
I veicoli moderni possono avere fino a 40 cablaggi diversi, decine o addirittura centinaia di centraline elettroniche (ECU) e chilometri di cavi che pesano fino a 113 kg. La varietà di cablaggi necessari per le diverse applicazioni presenta anche sfide in termini di compatibilità elettromagnetica (EMC), poiché ogni applicazione ha requisiti specifici.
Il passaggio a un protocollo unico semplifica l'architettura interna del veicolo, riducendo il numero di cablaggi e centraline elettroniche necessarie. Ciò non solo riduce il peso e la complessità, ma migliora anche l'affidabilità e la facilità di manutenzione. Con un minor numero di componenti da gestire, le case automobilistiche possono concentrarsi sul miglioramento delle prestazioni e delle funzionalità del veicolo, offrendo un'esperienza di guida complessivamente migliore.
Soddisfare le esigenze future
Per soddisfare le esigenze dei veicoli del futuro, che presto impiegheranno diverse centinaia di milioni di righe di codice rispetto agli attuali 100 milioni, l'industria si sta orientando verso un'architettura elettronica/elettrica (E/E) zonale basata su Ethernet. Questa architettura raggruppa i sensori in un unico collegamento dal gateway zonale a una rete dorsale e alla piattaforma di elaborazione centrale.
Il passaggio a un'architettura E/E zonale basata su Ethernet è essenziale per supportare la crescente complessità dei veicoli moderni. Con l'aumento del numero di sensori, attuatori e sistemi elettronici, un'infrastruttura di rete scalabile ed efficiente diventa imprescindibile. Ethernet offre la larghezza di banda e la flessibilità necessarie per gestire le enormi quantità di dati generate da questi sistemi, garantendo un funzionamento fluido ed efficiente del veicolo.
Con la continua evoluzione del settore, 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. Quello che è nato come un concetto per un'architettura di comunicazione unificata per veicoli è sul punto di diventare realtà. Alcuni veicoli attualmente in circolazione utilizzano già Ethernet per la loro architettura di elaborazione e i modelli con la nuova architettura zonale, che si estende all'interfaccia fisico-digitale, entreranno presto in produzione. Questo approccio non solo semplifica la progettazione dei veicoli, ma apre anche le porte a nuove possibilità per l'innovazione basata sul software, poiché le funzioni precedentemente definite dall'hardware possono ora essere implementate e aggiornate tramite software.
Oltre le automobili: l'adozione diffusa di Ethernet
I vantaggi di Ethernet non si limitano al settore automobilistico. Anche le applicazioni industriali stanno iniziando ad adottare questa tecnologia, spinte dalla necessità di soluzioni di comunicazione più efficienti e scalabili. Man mano che Ethernet si diffonde in settori diversi da quello automobilistico, le economie di scala contribuiranno a ridurre i costi, rendendolo più accessibile e attraente per una gamma più ampia di applicazioni. Inoltre, con l'aumentare delle conoscenze su come strutturare e implementare sistemi basati su Ethernet, diventerà più semplice sviluppare e distribuire questi sistemi in diversi settori.
In sostanza, l'adozione di Ethernet, e in particolare di Ethernet 10BASE-T1S, rappresenta un passo fondamentale per colmare il divario tra il mondo virtuale e quello reale nella tecnologia automobilistica. Questa tecnologia non solo apre la strada a un futuro in cui i veicoli saranno più intelligenti, sicuri e connessi che mai, ma pone anche le basi per un'innovazione più ampia in molteplici settori.
Il percorso di Ethernet, dalle applicazioni informatiche all'industria automobilistica, testimonia la forza della standardizzazione e il potenziale della collaborazione intersettoriale per promuovere il progresso tecnologico. Con l'evoluzione continua del settore automobilistico, Ethernet svolgerà un ruolo fondamentale nel plasmare i veicoli del futuro, inaugurando una nuova era della mobilità definita da efficienza, sicurezza e connettività.
Autore: Unità aziendale Sistemi di infotainment per autoveicoli di Microchip Technology
