Implementierung einer 10Base-T1S-Schnittstelle auf dem Weg zu einer einheitlichen Netzarchitektur für Kraftfahrzeuge

Es ist schwer, ein modernes Auto zu entwickeln, ohne sich mit mehreren Kommunikationsnetzen und den darin enthaltenen Redundanzen und Datenkonvertierungen auseinandersetzen zu müssen. Und tatsächlich scheint es einen besseren Weg zu geben. 10Base-T1S ist ein Automobil-Ethernet-Netzwerkstandard, der als Teil des Standards IEEE 802.3cg 2019 entwickelt und 2020 veröffentlicht wurde. Es handelt sich um eine Schnittstelle für 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s), die eine Lücke in der Ethernet-Abdeckung bei Automobilanwendungen im Bereich der langsamen Datenkommunikation schließt. Auf diese Weise können im gesamten Fahrzeug derselbe Software-Stack und dieselben Kommunikationsmechanismen verwendet werden, was den Entwurf, die Implementierung und die Systemwartung erheblich vereinfacht. Schauen wir uns an, wie es funktioniert und wie Sie beginnen können.

10Base-T1S wird über eine einzelne, ungeschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung ausgeführt und bietet eine Technologie, die in der Branche als „Ethernet to the Edge“ bezeichnet wird. Es ergänzt die bestehenden Ethernet-Kraftfahrzeugbusse mit höherer Geschwindigkeit, einschließlich 100Base-T1 und 1000Base-T1, bekannt als Single Pair Ethernet (SPE) (Abbildung 1).

Abbildung 1: 10Base-T1S füllt das Segment mit niedriger Datenrate des voll integrierten Ethernet-Kraftfahrzeugnetzes. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die Verbindung arbeitet als Halbduplex-Bus mit einer maximalen Länge von 25 Metern (m). Es unterstützt Multidrop-Verbindungen von zwei bis acht Knoten. Das „S“ in der Bezeichnung der Norm weist auf eine Implementierung mit geringer Reichweite hin. 10Base-T1S soll die bestehenden Busse wie CAN, CAN FD, LIN und RS-485 ersetzen, die dazu neigen, „Kommunikationsinseln“ zu bilden.

Ein verwandter Standard, 10Base-T1L, ist eine Implementierung mit großer Reichweite, die für industrielle Anwendungen gedacht ist.

Funktionsweise von 10Base-T1S

10Base-T1S verwendet die differentielle Manchester-Kodierung (DME). DME kodiert Daten anhand des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Übergangs innerhalb eines Taktzyklus, um den logischen Zustand des Signals anzuzeigen. Wenn es während eines Taktzyklus keinen Übergang gibt, ist der Datenzustand eine logische 0. Wenn es im Taktzyklus einen (positiven oder negativen) Übergang gibt, ist der Datenzustand eine logische 1 (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Beispiel für einen per differentieller Manchester-Methode kodierten 10Base-T1S-Datenstrom. Vertikale orangefarbene Linien markieren die Taktintervalle. Ein Übergang während des Taktintervalls bedeutet eine 1; kein Übergang während des Taktintervalls bedeutet eine 0. (Bildquelle: Art Pini)

Die Daten der logischen 1 können nur während des Taktintervalls auf High- oder Low-Pegel gehen; relativ zum vorherigen Zustand, so dass keine Rücksetzübergänge erforderlich sind. In jedem Taktintervall tritt ein Datenbit auf, was die Taktrückgewinnung in einer verrauschten Fahrzeugumgebung erleichtert.

In einer Multidrop-Umgebung sind mehrere Geräte an den Bus angeschlossen. 10Base-T1S verwendet die Kollisionsvermeidung auf der physikalischen Schicht (PHY), um die Totzeit zu minimieren und Datenkollisionen zu vermeiden, wenn mehrere Geräte gleichzeitig zu sprechen versuchen. PLCA legt einen Sendezyklus fest, der dazu dient, das Senden auf dem Bus zu koordinieren. Mit PCLA wird jedem PHY eines Knotens eine eindeutige PHY-ID zugewiesen. Nur der PHY, der die Sendeerlaubnis besitzt, darf senden.

Die Sendeerlaubnis wird nach einem Round-Robin-Algorithmus zugewiesen, beginnend mit PHY ID = 0, die dem Master zugewiesen wird. Ein neuer Zyklus wird gestartet, wenn der Master-Knoten ein Synchronisationsmuster namens BEACON sendet, um den Beginn des PLCA-Zyklus zu signalisieren. Die Knoten können nur dann mit einer Übertragung beginnen, wenn die Sendeerlaubnis mit ihrer eigenen Knoten-ID übereinstimmt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Beispiel für den PLCA-Zyklus, der mit dem Bakensynchronisierungsmuster (B) beginnt. Der Zyklus ganz links ist die minimale Buszykluszeit. Für den nächsten Zyklus gibt es eine Reihe von zulässigen Übertragungsvarianten. (Bildquelle: Art Pini)

Jeder Knoten kann eine Sendegelegenheit auslassen, indem er den Zeitschlitz ungenutzt lässt, was durch ein „N“ angezeigt wird. Während des zugewiesenen Slots kann der Knoten seine Daten übertragen. Die Knoten können ihren Zeitschlitz vergrößern, wie in Schlitz 2 (blau) dargestellt. Der sendende Knoten kann in seinen Zeitschlitz ein „Commit“ einfügen, um den Zeitschlitz zu verlängern und so Verzögerungen bei der Medienzugriffskontrolle (MAC) auszugleichen, wie dies bei Zeitschlitz 3 (gelb) zu sehen ist. Ein Knoten kann eine Nachricht mit hoher Priorität im „Burst-Modus“ senden, was durch die PHY-ID 0 (grün) angezeigt wird.

PLCA ist gut strukturiert, um Kollisionen von Datenpaketen zu verhindern und die Datenrate zu maximieren.

Der Hauptvorteil von 10Base-T1S besteht darin, dass es die Vernetzung in Kraftfahrzeugen vereinfacht, indem es auf der bestehenden Ethernet-Basis aufbaut. Es verwendet denselben Software-Stack wie 100Base-T1 und 1000Base-T1 ohne Gateways, nur mit anderen PHY-Konfigurationen und Verkabelungen.

Erste Schritte mit 10Base-T1S

Microchip Technology bietet bereits drei 10Base-T1S-Transceiver an: den LAN8670B1-E/LMX, den LAB8671B1-U38 und den LAN8672B1-E/LNX. Diese Transceiver verfügen über alle 10Base-T1S-Merkmale und unterscheiden sich nur durch ihr physisches Gehäuse und die Schnittstelle zur elektronischen Steuereinheit (ECU). Der LAN8670 verwendet ein 32-VQFN-Gehäuse und unterstützt sowohl die ECU-Schnittstelle „Media Independent Interface“ (MII) als auch „Reduced Media Independent Interface“ (RMII); der LAN8671 befindet sich in einem 24-VQFN-Gehäuse und unterstützt die RMII-Schnittstelle; der LAN8672 befindet sich in einem 36-VQFN-Gehäuse und unterstützt die MII-Schnittstelle. Alle drei Transceiver arbeiten im erweiterten Automotive-Temperaturbereich von -40°C bis +125°C mit einer 3,3-Volt-Versorgung.

Möchten Sie sehen, was diese Transceiver leisten können? Microchip bietet zwei Evaluierungsboards an, die auf dem LAN8670 basieren. Das erste ist das Ethernet-PHY-Interface-Evaluierungsboard EV08L38A, das eine USB-Schnittstelle enthält, die es einem Computer ermöglicht, sich über USB2.0 mit dem 10Base-T1S-Ethernet-Netzwerk zu verbinden. Das zweite ist das EV06P90A, das die RMII-Schnittstelle für den Anschluss an eines der Steuergeräte von Microchip verwendet.

Fazit

Die vielen Kommunikationsnetze in Kraftfahrzeugen haben zwar alle ihre Berechtigung, aber unter dem Gesichtspunkt der Gesamtkomplexität der Implementierung und der Kosten ist eine Begrenzung der Vielfalt der Netze im Allgemeinen eine gute Praxis. Da Ethernet bereits in Fahrzeugen eingesetzt wird, ist es nur logisch, seine Nutzung so weit wie möglich auszudehnen. 10Base-T1S ist eine Automobil-Ethernet-Schnittstelle, die diese Erweiterung ermöglicht. Dabei werden Kosten gesenkt, indem ältere Gateways für ein komplettes Ethernet-Netzwerk überflüssig werden und mehrere PHYs an einen gemeinsamen Bus angeschlossen werden, um Verkabelung und Switch-Ports zu reduzieren.