NXP und TTTech gemeinsam bei Automotive-Ethernet: Durch die Integration von drei Kommunikationsklassen die breite Palette von automobilen Anforderungen mit nur einem Vernetzungsstandard auf Basis-Ethernet abdecken.

NXP und TTTech gemeinsam bei Automotive-Ethernet: Durch die Integration von drei Kommunikationsklassen die breite Palette von automobilen Anforderungen mit nur einem Vernetzungsstandard auf Basis-Ethernet abdecken.TTTech

Die Nachfrage nach deterministischen, auf Industriestandards basierenden Ethernet-Netzwerken steigt nicht nur in verschiedenen Industriesegmenten sondern vor allem auch in der Automobilindustrie rasant an. Wachsende Anforderungen hinsichtlich Bandbreite, Echtzeitverhalten, Zuverlässigkeit sowie Verfügbarkeit resultieren zum einen aus neuen Anwendungen wie Fahrerassistenzsysteme und zum anderen aus dem starken Trend zu Backbone-Architekturen. Neben der wesentlich höheren Bandbreite bieten Ethernet und das IP-Protokoll ein breites Ökosystem: von vielen in dieser Technologie ausgebildeten Ingenieuren bis hin zu umfangreichen Software-Lösungen.

Ethernet-Switch-Chip fürs Auto

NXP und TTTech arbeiten an spezifischen Halbleiterbausteinen für Automotive-Ethernet. Mit der Entwicklung des Ethernet-Switch-Chips kombinieren die Unternehmen ihre Expertise im Bereich Automobilvernetzung und deterministischer Ethernet-Technologie. Der Halbleiterbaustein wird um einen Entwicklungs-Switch, Konfigurations- und Testing-Tools sowie weitere Produkte ergänzt, um den Umstieg auf Ethernet-basierte Kommunikation zu beschleunigen und zu vereinfachen. Erste Muster des NXP Ethernet-Switch-Chips werden für Ende 2014 erwartet – auch für Anwendungen außerhalb der Automobilindustrie.

Ohne Erweiterungen bietet normales Ethernet jedoch keine Unterstützung für kritische Datenströme mit Echtzeitanforderungen. Nur Ethernet-Lösungen, die eine Integration von mehreren Kommunikationsklassen in einem Netzwerk ermöglichen und hierbei die zeitlichen Eigenschaften von kritischen Datenströmen garantieren, entsprechen den spezifischen Anforderungen im Fahrzeug. Das österreichische Unternehmen TTTech bietet mit seiner auf Standard-Ethernet basierten Technologie hierfür Produkte an, die sichere Übertragung von kritischen und nicht-kritischen Daten in einem Netzwerk ermöglichen. TTTech verfügt über umfassende Erfahrung in Serienprojekten auf unterschiedlichen Märkten, wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrt sowie Energieerzeugung, die hohe Anforderungen an die elektronische Robustheit der Ethernet-Kommunikation stellen. Im Automobilmarkt ist TTTech bereits in unterschiedlichen Bereichen wie zum Beispiel ECUs für sicherheitsrelevante Anwendungen, Testgeräte und Autosar-Software aktiv. Zur Realisierung dieser robusten Kommunikation hat TTTech ein skalierbares Chip-IP-Modell entwickelt, mit dem sich sowohl Endpoints als auch Switches realisieren lassen, die einerseits Standard-Ethernet (IEEE 802.3) und andererseits auch die im Automobilbereich gefragten AVB- und TSN-Varianten unterstützen – oft mit dem Begriff Automotives Ethernet umschrieben.

NXP und TTTech entwickeln Ethernet-Switch-Chip fürs Auto

Ethernet hält Einzug ins Auto.

Ethernet hält Einzug ins Auto.TTTech

Basierend auf der TTTech-Ethernet-Switch-IP beabsichtigt NXP, einen Switch-Chip für automotives Ethernet zu entwickeln. Die Produkte von NXP werden darüber hinaus als Physical Layer die Ethernet-PHY-Technologie BroadR-Reach der OPEN-Alliance unterstützen. In diese Switch-Chip-Lösung bringen beide Unternehmen ihre Erfahrung ein: NXP bei Chips für die Automobilelektronik und TTTech im Bereich deterministischer Vernetzung sowie TTEthernet (siehe Infobox Deterministisches Ethernet). NXP und TTTech entwickeln damit den ersten kommerziell verfügbaren Switch-Chip, der gleichzeitig drei Kommunikationsklassen unterstützt:

Reguläre Ethernet-Kommunikation konform zum Standard IEEE 802.3: Anwendungen im Auto finden sich hierfür im Bereich Diagnose in der Werkstatt und der Aktualisierung der Steuergeräte (ECU). Hier zählt in erster Linie eine hohe Datenübertragungsrate, da die heute gebräuchlichen Netzwerke stark limitiert sind. „Streaming“-Datentransfer: Diese Kommunikationsklasse kommt zum Beispiel für Multimedia-Anwendungen und Kameranetzwerke zum Einsatz. Das Streaming (meist für Audio- und Video-Daten) erfolgt gemäß dem Protokollstandard AVB / IEEE 802.1Q mit einer festgelegten garantierten Bandbreite. Synchrone Übertragung steht für Echtzeitanforderungen wie Regelschleifen aber auch für sicherheitsrelevante Systeme zur Verfügung. Die verwendeten Mechanismen erfüllen den Standard SAE AS6802 ebenso wie das im Prozess der Standardisierung befindliche Protokoll TSN/IEEE 802.1Qbv.

Deterministisches Ethernet

Um die automobilen Anforderungen nach Datenraten, Echtzeitfähigkeit, Integrationsfähigkeit und hoher Zuverlässigkeit zu erfüllen, integriert TTTech drei unterschiedliche Kommunikationsklassen auf Basis des Ethernet-Standards IEEE 802.3:

  • Reguläre Ethernet-Kommunikation gemäß IEEE 802.3
  • Streaming-Modus nach AVB/IEEE 802.1Q
  • Synchrone beziehungsweise zeitgesteuerte Kommunikation gemäß einem Vorstandard von TSN/IEEE 802.1Qbv beziehungsweise SAE AS6802 (TTEthernet)

Durch diese Integration von drei Kommunikationsklassen ist ein einziger Vernetzungsstandard auf Basis-Ethernet in der Lage, die breite Palette von Anforderungen abzudecken, ohne hierzu unterschiedliche Kommunikationsstandards und Leitungssätze zu benötigen. So lassen sich die unterschiedlichen Kommunikationsklassen mit ihren entsprechenden Bandbreiten auf Basis von sogenannten Virtuellen Netzwerken auf einem physikalischen Netzwerk abbilden. Dadurch ist es möglich, die Kosten der Vernetzungsplattform bei höherer Leistungsfähigkeit und besser Skalierbarkeit zu senken. Die synchrone zeitgesteuerte Kommunikationsklasse unterstützt speziell sicherheitsgerichtete und fehlertolerante hochverfügbare Systeme.

NXP entwickelt den Switch-Chip in erster Linie für den Automobilmarkt, aber der Chip bietet darüber hinaus außerordentlich interessante Perspektiven für den Einsatz in industriellen Netzwerken, wo zunehmend eine Anlehnung an IEEE-Standards diskutiert wird, diese aber aufgrund der Kosten nicht realisieren werden konnte.

Ethernet im Auto – Der Trend

TTTech arbeitet an einem Automotive-Ethernet-Development-Switch für die Evaluierung und Entwicklung von ethernet-basierten Netzwerkarchitekturen

TTTech arbeitet an einem Automotive-Ethernet-Development-Switch für die Evaluierung und Entwicklung von ethernet-basierten NetzwerkarchitekturenTTTech

Mit der BroadR-Reach-Technologie besteht nunmehr eine wichtige Voraussetzung für die Einführung von Ethernet im Auto. Eine einfache verdrillte Zweidraht-Verkabelung ermöglicht beträchtliche Kostensenkungen gegenüber konventioneller geschirmter Ethernet-Verkabelung, wie sie zum Beispiel in Büro-Netzwerken zum Einsatz kommt. NXP nutzt als erster Halbleiterhersteller nach Broadcom diese Technologie in seinen Chips, um einen 100-MBit/s-Ethernet-Transceiver für automobile Applikationen zur Verfügung zu stellen. Hierbei implementiert NXP auch neue Eigenschaften wie zum Beispiel Stand-by-Modi, die einen Teilnetzbetrieb (zur Reduktion des elektrischen Energiebedarfs sind nur Teile des Netzwerks aktiviert) ermöglichen.

Die fortschreitende Ethernet-Vernetzung ist einer der zentralen Faktoren für die Zusammenarbeit zwischen NXP und TTTech. Neben den Transceivern ist der Switch ein elementarer Bestandteil eines Ethernet-Netzwerks mit Stern-Topologie, wie Automobilkunden sie augenblicklich vorrangig verlangen.

Um die stetig steigende Anzahl an Steuergeräten pro Fahrzeug reduzieren zu können, sind zunehmend Domain-ECUs in der Diskussion, die mit einem Ethernet-Backbone vernetzt werden. Die Vernetzung von Domain-ECUs stellt sehr hohe Anforderungen an die benötigte Netzwerktechnologie, da nicht nur sehr hohe Datenraten und Echtzeitverhalten notwendig sind sondern auch erhöhte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Zusätzlich muss sicherheitsgerichtete Kommunikation effizient abgebildet werden. Für diese spezifischen Anforderungen wird der Switch-Chip von NXP optional auch deterministische zeitgesteuerte Kommunikation unterstützen.

Unterstützung für die Einführung von Ethernet im Fahrzeug

Ergänzend zum Chip-IP-Angebot entwickelt TTTech Produkte für Automotive-Ethernet. Dazu gehören Konfigurations-Tools, um die Entwicklungskette zu schließen; im Bereich Testing-Tools wird der TTX-Datalogger mit Ethernet-Schnittstellen erweitert. Darüber hinaus bietet TTTech auch einen Development-Switch an, der sich speziell für die Evaluierung und Auslegung von Ethernet-Netzwerken im Fahrzeug eignet sowie für die frühen Entwicklungsphasen, in denen noch keine kompletten Ethernet-basierten ECUs mit Switch-Funktionalität vorhanden sind. Der Switch unterstützt die Kommunikation nach AVB / IEEE 802.1Q sowie Mechanismen nach einem Vorstandard von TSN/IEEE 802.1Qbv beziehungsweise dem SAE AS6802 Standard.