Come implementare l'interfaccia 10Base-T1S in un'architettura di rete unificata per le automobili

Progettare un'auto moderna senza tener conto delle varie reti di comunicazione, ridondanze e relative conversioni dei dati è piuttosto difficile. In effetti, potrebbe esserci un modo migliore di affrontare questi problemi. 10Base-T1S è uno standard di rete Ethernet automotive sviluppato come parte dello standard IEEE 802.3cg 2019 pubblicato nel 2020. Si tratta di un'interfaccia a 10 Mbps che colma una lacuna nella copertura Ethernet di applicazioni automotive nell'ambito delle comunicazioni dati a bassa velocità. Consente di utilizzare in tutta l'auto lo stesso stack software e gli stessi meccanismi di comunicazione, semplificando notevolmente la progettazione, l'implementazione e la manutenzione del sistema. Diamo un'occhiata a come funziona e come iniziare.

10Base-T1S funziona su un singolo doppino intrecciato non schermato e fornisce ciò che il settore classifica come tecnologia "Ethernet to the Edge". Integra gli esistenti bus automotive Ethernet ad alta velocità, inclusi 100Base-T1 e 1000Base-T1, noti come Single-Pair Ethernet (SPE) (Figura 1).

Figura 1: 10Base-T1S riempie il segmento a bassa velocità di trasmissione dati della rete automotive Ethernet totalmente integrata. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il collegamento opera come bus half-duplex con una lunghezza massima di 25 metri. Supporta connessioni multidrop da due a otto nodi. La "S" nel nome dello standard indica un'implementazione a corto raggio. 10Base-T1S è destinato a soppiantare i bus esistenti come CAN, CAN FD, LIN e RS-485 che tendono a formare "isole di comunicazione".

Uno standard correlato, 10Base-T1L, è un'implementazione a lungo raggio destinata alle applicazioni industriali.

Come funziona 10Base-T1S

10Base-T1S utilizza la codifica Manchester differenziale (DME). DME codifica i dati utilizzando la presenza o l'assenza di una transizione all'interno di un ciclo di clock per indicare lo stato logico del segnale. Se non vi è alcuna transizione durante un ciclo di clock, lo stato dei dati è uno 0 logico. Se si verifica una transizione (positiva o negativa) a metà di un ciclo di clock, lo stato dei dati è un 1 logico (Figura 2).

Figura 2: Esempio di flusso di dati con codifica Manchester differenziale 10Base-T1S. Le linee arancioni verticali segnano gli intervalli di clock. Una transizione durante l'intervallo di clock rappresenta un 1; l'assenza di transizione durante l'intervallo di clock rappresenta uno 0. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I dati 1 logico possono aumentare o diminuire solo durante l'intervallo di clock; rispetto allo stato precedente, non sono pertanto necessarie transizioni di reset. A ogni intervallo di clock si ha un bit di dati, il che facilita il reset del clock in un ambiente automotive rumoroso.

In un ambiente multidrop, al bus sono collegati più dispositivi. 10Base-T1S utilizza il sistema di prevenzione delle collisioni (PLCA) dello strato fisico (PHY) per ridurre al minimo i tempi di fermo ed evitare le collisioni di dati quando più dispositivi tentano di comunicare contemporaneamente. PLCA stabilisce un ciclo di trasmissione utilizzato per orchestrare le opportunità di trasmissione sul bus. Con PCLA, al PHY di ciascun nodo viene assegnato un ID PHY univoco. Solo il PHY che trasmette l'opportunità è autorizzato a trasmettere.

Le opportunità di trasmissione sono allocate in un algoritmo round-robin a partire dall'ID PHY = 0, che è allocato al master. Un nuovo ciclo si avvia quando il nodo master invia un pattern di sincronizzazione chiamato BEACON per segnalare l'inizio del ciclo PLCA. I nodi possono avviare una trasmissione solo quando l'opportunità di trasmissione corrisponde al loro ID nodo (Figura 3).

Figura 3: Esempio del ciclo PLCA che inizia con il pattern di sincronizzazione beacon (B). Il ciclo più a sinistra è il tempo di ciclo minimo del bus. Il ciclo successivo ha un certo numero di varianti di trasmissione possibili. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Qualsiasi nodo può saltare un'opportunità di trasmissione lasciando inutilizzata la finestra di tempo, come indicato dalla "N". Durante la finestra assegnata, il nodo può trasmettere i propri dati. I nodi possono ingrandire la propria finestra di tempo, come mostrato dalla finestra 2 (blu). Il nodo trasmittente può inserire un "commit" nella propria finestra di tempo per estenderla e compensare così i ritardi del controllo di accesso ai media (MAC), come mostrato dalla finestra di tempo 3 (gialla). Un nodo può applicare la "modalità burst" a un messaggio con priorità alta, come mostrato dall'ID PHY 0 (verde).

PLCA è ben strutturato per evitare collisioni di pacchetti di dati e massimizzare la velocità di trasmissione.

Il vantaggio principale di 10Base-T1S è rappresentato dal fatto che semplifica la connettività di rete automotive, poggiando sulla base di supporto esistente di Ethernet. Utilizza lo stesso stack software di 100Base-T1 e 1000Base-T1 senza gateway, solo configurazioni PHY e cablaggio sono diversi.

Introduzione a 10Base-T1S

Microchip Technology fornisce già tre transceiver 10Base-T1S: LAN8670B1-E/LMX, LAB8671B1-U38 e LAN8672B1-E/LNX. Questi transceiver includono tutte le funzioni di 10Base-T1S; differiscono solo per pacchetto fisico e interfaccia dell'unità di controllo elettronico (ECU). LAN8670 utilizza un contenitore 32-VQFN e supporta sia le interfacce ECU Media Independent Interface (MII) che quelle ECU Reduced Media Independent Interface (RMII). LAN8671 è contenuto in un contenitore 24-VQFN e supporta l'interfaccia RMII; LAN8672 è in un contenitore 36-VQFN e supporta l'interfaccia MII. Tutti e tre i transceiver operano nell'intervallo di temperatura esteso automotive da -40 a +125 °C con un'alimentazione di 3,3 V.

Avete bisogno di vedere cosa possono fare questi transceiver? Microchip offre due schede di valutazione basate su LAN8670. La prima è la scheda di valutazione EV08L38A dell'interfaccia PHY Ethernet che include un'interfaccia USB e permette a un computer di collegarsi tramite USB2.0 alla rete Ethernet 10Base-T1S. La seconda è EV06P90A, che utilizza l'interfaccia RMII per connettersi a una delle ECU di Microchip.

Conclusione

Sebbene le numerose reti di comunicazione presenti nelle automobili abbiano ciascuna un loro posto, dal punto di vista della complessità dell'implementazione e dei costi, in genere è consigliabile limitare la varietà delle reti. Dato che Ethernet è già presente nelle automobili, è logico estenderne il più possibile l'uso. 10Base-T1S è un'interfaccia Ethernet automotive che rende possibile questa estensione. Questo permette di ridurre i costi, eliminando i gateway legacy per una rete Ethernet totale e collegando più PHY in un bus comune per ridurre il cablaggio e le porte di commutazione.