Bild 3: Der KSZ9031RNX von Microchip ist ein Ethernet-PHY mit drei Geschwindigkeiten (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) der Unterstützung für Datenübertragungen von bis zu 1 Gbit/s bietet.

Bild 3: Der KSZ9031RNX von Microchip ist ein Ethernet-PHY mit drei Geschwindigkeiten (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) der Unterstützung für Datenübertragungen von bis zu 1 Gbit/s bietet. (Bild: Microchip)

| von Mark Patrick

Seit einiger Zeit steigt der Bandbreitenbedarf von Netzwerkinfrastrukturen in Fahrzeugen enorm an, da die neuen datenintensiven Funktionen zusätzliche Unterstützungen benötigen, an denen die Automobilingenieure derzeit arbeiten. Die großflächigere Implementierung von Technologie für Fahrerassistenzsysteme (Advanced-Driver-Assistance-System, ADAS) macht die Erfassung und Verarbeitung größerer Datenmengen unerlässlich. Durch den derzeit aufkommenden Trend des autonomen Fahrens sind im Laufe des nächsten Jahrzehnts aber wohl noch weitaus größere Dimensionen beim Datenaufkommen zu erwarten.

Altbewährte Protokolle wie Local-Interconnect-Network (LIN) und Controller-Area-Network (CAN) sind noch weit verbreitet, jedoch zeigt sich, dass sie allmählich an ihre betrieblichen Grenzen stoßen. Bandbreitenintensivere Protokolle wie Media-Oriented-Systems-Transport (Most) und Flexray, die ursprünglich als Ergänzung gedacht waren, konnten nicht wie erhofft Fuß fassen.

Gleichzeitig versuchen Automobilhersteller und ihre Tier-1-Lieferanten, sich von der bisher erforderlichen Vielzahl verschiedener Busse zu lösen und ein homogeneres Netzwerk zu realisieren, das sowohl schnellere Datenübertragungsraten als auch eine geringere Latenz unterstützt. Dadurch soll es außerdem zu einer Verringerung des Verkabelungsaufwandes kommen, was wiederum Einsparungen bei Stücklistenkosten und beim Treibstoffverbrauch ermöglicht (schließlich führt eine geringere Anzahl an Kabeln auch zu einem geringeren Gesamtgewicht des Autos). Nicht zuletzt muss das Netzwerk ein hohes Maß an operationeller Sicherheit bieten, um potenziellen Cyberangriffen vorzubeugen, die in Zukunft eine wachsende Bedrohung darstellen könnten.

Die Vorteile von Ethernet

Bei den Netzwerkinfrastrukturen in Fahrzeugen der nächsten Generation hat die Automobilindustrie Ethernet als vielversprechenden Kandidaten für die Erfüllung künftiger Datenübertragungsanforderungen ausgelotet. Dieses seit langem bestehende Kommunikationsprotokoll, das bisher vor allem im Geschäfts- und Industriekontext Anwendung findet, zeichnet sich durch einen hohen Wiederverwendungsfaktor in Bezug auf Komponenten, Software und Tools aus. Die One-Pair-Ethernet (Open) Alliance-Special-Interest-Group (SIG) ist ein Zusammenschluss von bekannten Marken wie BMW, Broadcom, Freescale, Harman, Hyundai und NXP, die gemeinsam das Ziel verfolgen, Ethernet-basierte Kommunikation als Grundlage für die Automobilnetzwerke der Zukunft zu etablieren und die Implementierung der von IEEE herausgegebenen Standards für Automobile voranzutreiben.

Aufgrund der Gegebenheiten des Anwendungsbereichs müssen bei der Entwicklung von Automotive-Ethernet Faktoren Berücksichtigung finden, die bei herkömmlicher Ethernet-Technologie keine Rolle spielen. Die Übertragung erfolgt über ein einzelnes nicht abgeschirmtes Kabelpaar aus Kupfer (das heißt, es sind nicht wie sonst mehrere Kabelpaare nötig), was die Implementierung vereinfacht und Platz spart. Zudem ist mit höheren Temperaturen, elektrostatischen Entladungen (ESD) und elektromagnetischen Interferenzen (EMI) zu rechnen. Die verwendeten Ethernet-PHY-Transceiver sind sehr harten Betriebsbedingungen ausgesetzt, müssen aber nichtsdestotrotz für eine akzeptable Bitfehlerrate (Bit-Error-Rate, BER) sorgen, um die Signalintegrität sicherzustellen.

Reagieren in Echzeit, geringe Latenzen und das Automotive-Ethernet-Portfolio. Dazu mehr auf der nächsten Seite des Artikels.

Reagieren in Echtzeit

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der deterministische Betrieb. ADAS-Funktionen und schlussendlich das komplette autonome Fahren setzen Datenübertragungen mit geringer Latenz voraus, um in Echtzeit auf Situationen reagieren zu können, sodass es zu keiner Gefährdung des Lebens der Fahrzeuginsassen und aller anderen Verkehrsteilnehmer kommt. Die in das Netzwerk integrierten PHYs müssen auch Energiesparmodi unterstützen können. Wenn der Motor aus ist, befinden sich die ECUs und andere Hardware im Schlafmodus. Währenddessen bleiben die PHYs teilweise unter Strom und wecken das System erst bei Erkennung von Netzwerkaktivität auf. Aktuelle Ethernet-PHYs sind in hohem Maße integriert und erfordern in der Regel keine zusätzlichen Komponenten (zum Beispiel Spannungsregler), was zu einer Verbesserung der Energieverbrauchseigenschaften und Verlängerung der Batterielebensdauer führt.

Die Entwicklung des 100BASE-T1-Ethernet-Protokolls (IEEE 802.3bw) war die Antwort auf die immens ansteigenden Datenübertragungsraten, die anfangs für die Installation von Ethernet in Automobilen nötig waren. Dadurch waren bis zu 100 MBit/s im Halbduplex-Betrieb mit gleichzeitig relativ geringer Latenz erreichbar, was eine effektive Steuerung der adaptiven Regelung während des Fahrens ermöglichte. Durch Anwendung des Prinzips von Überlappung und spezielle Codierungs- und Scrambling-Systeme war nun eine Eindämmung der EMI realisierbar. Das fortschrittlichere 1000BASE-T1-Protokoll (IEEE 802.3bp) nutzt Kommunikation im Vollduplex-Modus, das Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s übertragen kann. In den kommenden Jahren werden Multi-Gigabit-Datenraten gefragt sein und Ethernet-Standards, die diese unterstützen können, sind bereits in der Entwicklung.

Das Automotive-Ethernet-Portfolio

Bild 1: Der TJA1100 von NXP ist ein Single-Port-100BASE-T1-Ethernet-PHY, der Datenübertragungen mit 100 MBit/s unterstützt.

Bild 1: Der TJA1100 von NXP ist ein Single-Port-100BASE-T1-Ethernet-PHY, der Datenübertragungen mit 100 MBit/s unterstützt. NXP

Es gibt mittlerweile eine wachsende Auswahl an Ethernet-ICs für die Automobilindustrie, wobei NXP, Microchip und Broadcom zu denjenigen gehören, die ihre Aufnahme aktiv vorantreiben und einen großen Beitrag zum laufenden Standardisierungsprozess leisten. Der TJA1100 von NXP (Bild 1) ist ein Single-Port-100BASE-T1-Ethernet-PHY, der Datenübertragungen mit 100 MBit/s unterstützt. Er ist für einen energiereduzierten Betrieb optimiert und verfügt über einen integrierten 1,8-V-LDO-Spannungsregler sowie einen Schlafmodus mit lokaler Aufweckunterstützung. Zudem erfüllt er alle Anforderungen gemäß AEC-Q100 und deckt einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C ab.

Bild 2: Bei dem DP83TC811R-Q1 von Texas Instruments handelt es sich um einen IEEE 802.3bw-konformen Automotive-Phyter-Ethernet-Physical-Layer-Transceiver.

Bild 2: Bei dem DP83TC811R-Q1 von Texas Instruments handelt es sich um einen IEEE 802.3bw-konformen Automotive-Phyter-Ethernet-Physical-Layer-Transceiver. Texas Instruments

Der DP83TC811R-Q1 von Texas Instruments (Bild 2) ist ein IEEE 802.3bw-konformer Automotive-Phyter-Ethernet-Physical-Layer-Transceiver. Er bietet alle Funktionen der physikalischen Schicht, die zum Senden und Empfangen von Daten über ungeschirmte, einzelne Twisted-Pair-Kabel benötigt werden.

Bild 3: Der KSZ9031RNX von Microchip ist ein Ethernet-PHY mit drei Geschwindigkeiten (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) der Unterstützung für Datenübertragungen von bis zu 1 Gbit/s bietet.

Bild 3: Der KSZ9031RNX von Microchip ist ein Ethernet-PHY mit drei Geschwindigkeiten (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) der Unterstützung für Datenübertragungen von bis zu 1 Gbit/s bietet. Microchip

Bild 4: Funktionen zur Unterdrückung von Rauschen und Jitter zeichnen den von Broadcom entwickelten Baustein BCM89610 aus, der ebenfalls einen Betrieb mit maximal 1 Gbit/s unterstützt.

Bild 4: Funktionen zur Unterdrückung von Rauschen und Jitter zeichnen den von Broadcom entwickelten Baustein BCM89610 aus, der ebenfalls einen Betrieb mit maximal 1 Gbit/s unterstützt. Broadcom

Der in einem 48-poligen, bleifreien QFN-Gehäuse erhältliche KSZ9031RNX von Microchip (Bild 3) ist ein Ethernet-PHY mit drei Geschwindigkeiten (10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) sowie Unterstützung für Datenübertragungen mit 1 Gbit/s und eignet sich damit für den Einsatz in aktuellen Automobilen. Sein Auto-Negotiation-Mechanismus wählt automatisch die höchste Link-up-Geschwindigkeit aus. Außerdem wurde ein LDO-Spannungsregler integriert, um einen kostengünstigen MOSFET zur Versorgung des 1,2-V-Kerns anzutreiben. Der von Broadcom entwickelte Baustein BCM89610 (Bild 4), der ebenfalls einen Betrieb mit maximal 1 Gbit/s unterstützt, zeichnet sich durch Funktionen zur Unterdrückung von Rauschen und Jitter aus, sodass eine Kombination mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Kabeln möglich ist.

Fazit

Um die wachsenden Datenmengen in Bordnetzinfrastrukturen bewältigen zu können, sind leistungsstärkere standardisierte Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle erforderlich. Da die Größe und Komplexität von Automobilsystemen sowie der Funktionsumfang, den sie unterstützen müssen auch weiterhin zunimmt, steigt der Druck auf die Halbleiterhersteller, die benötigten fortschrittlichen Technologien bereitzustellen und gleichzeitig die damit verbundenen Kosten zu reduzieren. Es besteht ein grundlegender Konsens darüber, dass Ethernet hier alle Kriterien erfüllt: Es handelt sich um ein stabiles und weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll, das über die nötigen Eigenschaften für den Einsatz im Automobilbereich verfügt und die Möglichkeit bietet, zukünftig zu noch höheren Datenübertragungsraten zu wechseln.

 

Mark Patrick

Supplier Marketing Manager bei Mouser Electronics

(aok)

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