Estos vehículos controlan numerosos subsistemas que dependen de la información que se transmiten entre sí para alcanzar altos niveles de automatización, interactuando con el mundo físico a través de diversos sensores y actuadores.
Inicialmente, estos subsistemas utilizaban tecnologías de comunicación optimizadas para funciones específicas, conocidas como arquitecturas de hardware específicas de dominio. Este enfoque requería múltiples buses específicos para cada aplicación para transferir datos entre diferentes dominios, lo que hacía necesario el uso de ordenadores pasarela (gateway) para traducir la información entre las distintas arquitecturas de hardware. Con hasta 20 estándares de red que gestionar, los fabricantes de automóviles buscaban una solución más sencilla con una plataforma común para su infraestructura de comunicaciones.
Transición a arquitecturas zonales basadas en Ethernet
La industria automovilística está pasando de estas antiguas arquitecturas de red a una única red troncal basada en Ethernet. Este cambio permite dividir los vehículos en «zonas» que pueden interactuar más fácilmente con una plataforma informática centralizada a través de una red Ethernet omnipresente basada en IP. En colaboración con el IEEE, los fabricantes de automóviles ayudaron a definir una capa física que solo requiere un único par de cables balanceados, en lugar de los 2 o 4 pares habituales en las instalaciones Ethernet. La figura 1 muestra la transición de las arquitecturas de hardware específicas de dominio a una arquitectura zonal con una plataforma informática centralizada.
Figura 1: Megatendencia de las redes, de una arquitectura específica para cada dominio a una arquitectura zonal
Esta transición a arquitecturas zonales basadas en Ethernet representa un importante avance en el diseño y la funcionalidad de los automóviles. Al adoptar una única tecnología de comunicación, los fabricantes de automóviles pueden simplificar la red interna del vehículo, reduciendo la complejidad y el coste asociados al mantenimiento de múltiples estándares de comunicación. Este enfoque simplificado no solo mejora el rendimiento del vehículo, sino que también allana el camino para funciones y capacidades más avanzadas..
Ventajas de un entorno de datos común
Un entorno de datos unificado permite definir los sistemas y funciones de los vehículos mediante software, lo que reduce la latencia y la complejidad. Con el aumento de los requisitos de seguridad, los mecanismos estandarizados pueden autenticar a los participantes en la red y cifrar la información según sea necesario. Los buses de comunicación anteriores carecían de funciones de seguridad, lo que requería diversos enfoques para mitigar las amenazas de seguridad.
Las ventajas de un entorno de datos común van más allá de la seguridad y la eficiencia. Al estandarizar los protocolos de comunicación dentro del vehículo, los fabricantes de automóviles pueden integrar más fácilmente nuevas tecnologías y funciones. Esta flexibilidad es crucial a medida que la industria automotriz sigue evolucionando, con avances en la conducción autónoma, los vehículos eléctricos (VE) y las tecnologías de los coches conectados. Un entorno de datos común garantiza que estas innovaciones puedan incorporarse perfectamente a la arquitectura del vehículo, proporcionando una experiencia de conducción más cohesionada e integrada.
Actualizaciones de software simplificadas
El uso de una red común simplifica las actualizaciones de software, lo que permite a los diseñadores implementar actualizaciones utilizando un único enfoque en lugar de definir métodos para diferentes enlaces de datos. La capacidad de simplificar las actualizaciones de software supone un cambio revolucionario para la industria automovilística. A medida que los vehículos se vuelven más dependientes del software, la necesidad de actualizaciones y mejoras periódicas cobra cada vez más importancia. Una infraestructura de red común permite realizar actualizaciones inalámbricas (OTA), lo que permite a los fabricantes de automóviles implementar nuevas funciones, corregir errores y mejorar el rendimiento sin necesidad de acudir al concesionario. Esto no solo mejora la experiencia del cliente, sino que también reduce los costes de mantenimiento y el tiempo de inactividad.
Ethernet 10BASE-T1S: tendiendo un puente entre el mundo digital y el físico
Ethernet, un concepto que existe desde hace 50 años, con especificaciones IEEE® publicadas hace 40 años, se ha utilizado principalmente para transferir grandes cantidades de datos entre ordenadores. Sin embargo, la interfaz entre el mundo digital de la informática y el mundo físico de los automóviles seguía dependiendo del hardware y era específica de cada dominio. Para solucionar este problema, se desarrolló Ethernet 10BASE-T1S.
Ethernet 10BASE-T1S es un bus multipunto que utiliza un solo par de cables como backbone. Los sensores y actuadores se conectan directamente a este cable, lo que elimina la necesidad de conmutadores Ethernet para conectar varios dispositivos. A medida que se reciben los datos y es necesario enviarlos a interconexiones de mayor velocidad, basta con un simple conmutador con un puerto 10BASE-T1S y otros puertos de mayor velocidad. No se necesitan pasarelas de traducción especiales, ya que todos los dispositivos de una red Ethernet utilizan el mismo formato para las tramas Ethernet.
El desarrollo de Ethernet 10BASE-T1S marca un hito importante en la evolución de las redes para automóviles. Al proporcionar una forma estandarizada y eficiente de conectar sensores y actuadores, Ethernet 10BASE-T1S tiende un puente entre el mundo digital y el físico. Esta tecnología permite el procesamiento y la comunicación de datos en tiempo real, lo que permite al vehículo responder con mayor rapidez y precisión a las condiciones cambiantes. El Ethernet 10BASE-T1S garantiza que los sistemas del vehículo funcionen juntos a la perfección. La figura 2 muestra cómo funciona este concepto.
Figura 2: Arquitecturas zonales frente a arquitecturas de dominio
Aplicación en el mundo real: demostración
Para mostrar la aplicación práctica de Ethernet 10BASE-T1S, Microchip Technology ha desarrollado una demostración que ilustra cómo se puede utilizar esta tecnología para conectar varios sensores y actuadores dentro de un vehículo. La demostración incluye sensores de presión, proximidad, luz y otros que capturan datos del mundo real, que luego son procesados por una plataforma informática centralizada. Los datos procesados se utilizan para controlar motores, ventiladores, luces y pantallas, que a su vez interactúan con el mundo físico. Hay un vídeo de la demostración disponible en YouTube en https://youtu.be/nD1c3eLYp7M. La figura 3 muestra el demostrador.
Figura 3: Demostrador de sensores y actuadores múltiples
Esta configuración no solo destaca la versatilidad de Ethernet 10BASE-T1S, sino que también subraya su potencial para simplificar el diseño y la implementación de sistemas de comunicación para vehículos. Al utilizar un único bus multipunto que funciona con un solo par de cables, Ethernet 10BASE-T1S elimina la necesidad de switches Ethernet para conectar una multitud de sensores y actuadores. A medida que los datos fluyen a través de la red, un simple switch con un puerto 10BASE-T1S puede interactuar con conexiones de mayor velocidad, manteniendo el formato coherente de las tramas Ethernet en todo el sistema.
Ventajas monumentales para los fabricantes de automóviles
El uso de un único protocolo para la mayoría de las funciones ofrece importantes ventajas a los fabricantes de automóviles, que deben ser compatibles con múltiples estándares específicos de cada aplicación. Cada año se introducen mejoras en los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), que a menudo requieren nuevas cámaras, radares, sensores de ultrasonidos y lidar en el futuro, así como actualizaciones de los sistemas de infoentretenimiento y navegación. Otras partes del coche se mejoran gradualmente, a veces con solo nuevas funciones de software.
Los vehículos actuales pueden tener 40 mazos de cables diferentes, docenas o incluso cientos de unidades de control electrónico (ECU) y kilómetros de cables que pesan hasta 113 kg. Los diversos cables necesarios para las diferentes aplicaciones también plantean retos de compatibilidad electromagnética (EMC), ya que cada aplicación tiene requisitos únicos.
El cambio a un protocolo único simplifica la arquitectura interna del vehículo, reduciendo el número de mazos de cables y ECU necesarios. Esto no solo reduce el peso y la complejidad, sino que también mejora la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento. Con menos componentes que gestionar, los fabricantes de automóviles pueden centrarse en mejorar el rendimiento y las características del vehículo, ofreciendo una mejor experiencia de conducción en general.
Satisfacer las demandas futuras
Para satisfacer las exigencias de los vehículos del futuro, que pronto emplearán varios cientos de millones de líneas de código en comparación con los 100 millones actuales, la industria está pasando a una arquitectura electrónica/eléctrica (E/E) zonal basada en Ethernet. Esta arquitectura agrupa los sensores en un único enlace desde la pasarela zonal hasta una red troncal y la plataforma informática central.
La transición a una arquitectura E/E zonal basada en Ethernet es esencial para soportar la creciente complejidad de los vehículos modernos. A medida que sigue aumentando el número de sensores, actuadores y sistemas electrónicos, se hace imprescindible contar con una infraestructura de red escalable y eficiente. Ethernet proporciona el ancho de banda y la flexibilidad necesarios para gestionar las enormes cantidades de datos generados por estos sistemas, lo que garantiza que el vehículo pueda funcionar de forma fluida y eficiente.
A medida que la industria sigue evolucionando, la adopción de arquitecturas basadas en Ethernet desempeñará un papel crucial en la configuración del futuro de la tecnología automovilística, garantizando que los vehículos sigan conectados, sean eficientes e innovadores. Lo que comenzó como un concepto para una arquitectura de comunicación unificada para vehículos está a punto de convertirse en realidad. Algunos vehículos que circulan hoy en día ya utilizan Ethernet para su arquitectura informática, y pronto entrarán en producción modelos con la nueva arquitectura zonal que se extiende a la interfaz físico-digital. Este enfoque no solo simplifica el diseño de los vehículos, sino que también abre la puerta a nuevas posibilidades de innovación impulsada por el software, ya que las funciones que antes estaban definidas por el hardware ahora pueden implementarse y actualizarse a través del software.
Más allá de los automóviles: la adopción generalizada de Ethernet
Las ventajas de Ethernet no se limitan a la industria automovilística. Las aplicaciones industriales también están empezando a adoptar esta tecnología, impulsadas por la necesidad de soluciones de comunicación más eficientes y escalables. A medida que Ethernet gana terreno en sectores más allá de la automoción, las economías de escala contribuirán a reducir los costes, haciéndola más accesible y atractiva para una gama más amplia de aplicaciones. Además, a medida que se amplíen los conocimientos sobre cómo estructurar e implementar los sistemas basados en Ethernet, será más fácil desarrollar y desplegar estos sistemas en diversos sectores.
En esencia, la adopción de Ethernet, y en concreto de Ethernet 10BASE-T1S, es un paso fundamental para unir el mundo virtual y el mundo real en la tecnología automovilística. Esta tecnología no solo hace posible un futuro en el que los vehículos serán más inteligentes, seguros y conectados que nunca, sino que también sienta las bases para una innovación más amplia en múltiples campos.
El viaje de Ethernet desde las aplicaciones informáticas hasta la automoción es una prueba del poder de la estandarización y del potencial de la colaboración entre industrias para impulsar el progreso tecnológico. A medida que la industria automotriz sigue evolucionando, Ethernet desempeñará un papel fundamental en la configuración de los vehículos del mañana, creando una nueva era de movilidad definida por la eficiencia, la seguridad y la conectividad.
Autor: Unidad de negocio de sistemas de infoentretenimiento para automóviles de Microchip Technology
