Revolutionäre Entwicklung von Fahrzeugnetzwerksystemen

Mit dem schnellen Fortschritt der Automobil-Elektrifizierung und zusätzlich zur Umstellung auf batteriegetriebene Elektrofahrzeuge beginnen auch traditionelle Fahrzeuge, eine Vielzahl von elektronischen Systemen zu übernehmen. Diese Systeme nutzen eine Vielzahl von Sensoren, Prozessoren und Aktuatoren, um Funktionalität, Sicherheit und Effizienz zu steigern, was zu einer raschen Zunahme der Komplexität von Fahrzeugen führt. Während sich die Automobiltechnologie weiterentwickelt, steigt auch die Nachfrage nach In-Vehicle Networking (IVN)-Systemen, die höhere Bandbreiten und eine geringere Latenzzeit erfordern, um Funktionalität und Sicherheit zu gewährleisten. Dieser Artikel wird Ihnen die Entwicklung von In-Vehicle Networking-Systemen sowie die relevanten Lösungen vorstellen, die von onsemi eingeführt wurden.

Fahrzeuginterne Netzwerkprotokolle erfüllen die Leistungs- und Bandbreitenanforderungen von Automobilen

Mit der Entwicklung von automobilen Elektronikanwendungen im Laufe der Jahre wurden mehrere vorrangig (oder ausschließlich) für Fahrzeugnetzwerke entwickelte Protokolle entwickelt. Obwohl jedes Protokoll einzigartige Eigenschaften aufweist, kämpfen diese Protokolle aufgrund der sich ständig ändernden Architekturen und der großen Menge an Daten, die innerhalb von Fahrzeugnetzwerken übertragen werden, immer noch damit, die Anforderungen der heutigen Automobile zu erfüllen. Daher suchen Automobilhersteller nach neuen Lösungen, um die erforderliche Leistung und Bandbreite bereitzustellen.   Unter den verschiedenen Netzwerkprotokollen war Ethernet einst eine offensichtliche Wahl, da es im Computerbereich weit verbreitet ist, über eine relativ hohe Bandbreite verfügt und kostengünstig ist. Allerdings hat es einen bedeutenden Nachteil, wenn es in Fahrzeugen eingesetzt wird: die Unfähigkeit, in einem zeitkritischen oder deterministischen Modus zu arbeiten. Dies liegt am Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)-Protokoll, das inhärent für die Arbeitsweise von Ethernet ist.   Um der Automobilindustrie die Nutzung der Vorteile von Ethernet zu ermöglichen, wurde ein neues Protokoll entwickelt. Diese speziell für die Automobilindustrie angepasste Protokollvariante ist als 10BASE-T1S bekannt und ersetzt CSMA/CD durch Physical Layer Collision Avoidance (PLCA), um den deterministischen Betrieb zu erreichen, der für Drive-by-Wire-Anwendungen und Systeme für fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme (ADAS) unerlässlich ist.   Aufgrund seiner hohen Bandbreite und niedrigen Latenz wird Automotive Ethernet zunehmend für Infotainment-Systeme in Fahrzeugen und ADAS-Systeme eingesetzt. Ethernet spielt eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung von Konnektivitätsfunktionen wie Vehicle-to-Vehicle (V2V)- und Vehicle-to-Infrastructure (V2I)-Kommunikation, die für die Verbesserung des Sicherheitsmanagements unerlässlich sind.   Da Fahrzeuge zunehmend auf datengesteuerte Technologien angewiesen sind, wird die Nachfrage nach höherer Bandbreite weiterhin steigen, um fortschrittliche Funktionen wie autonomes Fahren, hochauflösendes/4K-Videostreaming und Anwendungen der erweiterten Realität zu unterstützen. Ethernet-Netzwerke in Fahrzeugen müssen schnellere Datenübertragungsraten bereitstellen. Zukünftige Automotive-Ethernet-Netzwerke sollten zudem eine extrem niedrige Latenz aufweisen, um schnelle Entscheidungsfindung und Reaktionsfähigkeit für autonomes Fahren zu ermöglichen.

Ein umfassendes Fahrzeugarchitektur- und Bildgebungslösung etablieren

Für Automobilhersteller sind die Organisation und Vernetzung der verschiedenen Subsysteme im Fahrzeuginnenraum wichtige Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Typischerweise werden Subsysteme basierend auf ihrer Funktionalität (z. B. Antriebsstrang, Fahrwerk, Komfort) und nicht auf ihrer physischen Position im Fahrzeug organisiert. Dies kann zu einer erhöhten Komplexität der Verkabelung führen, wodurch die Kosten und das Gewicht des Fahrzeugs steigen.   Kürzlich wurde ein bevorzugter Ansatz eingeführt, bei dem Subsysteme basierend auf ihrem Standort im Fahrzeug in „Zonen“ eingeteilt werden. Die zonale Architektur kombiniert Skalierbarkeit und Flexibilität, sodass Änderungen wie das Entfernen, Hinzufügen oder Aktualisieren von Subsystemen relativ einfach implementiert werden können. Außerdem ermöglicht sie den Einsatz redundanter und fehlertoleranter Elemente, die entscheidend sind, um das erforderliche Funktionssicherheitsniveau für kritische Systeme zu erreichen.   Obwohl das Design der zonalen Architektur die Verkabelungsanforderungen reduziert, erhöht es das Datenvolumen, das über das Backbone-Netzwerk im Fahrzeug übertragen wird, erheblich. Dies erfordert höhere Bandbreiten, mehr Leistung und geringe Latenz. Um Funktionen wie die automatische Notbremsung (AEB) von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) zu ermöglichen, werden Sensoren und Steuerelektronik im gesamten Fahrzeug verteilt, und der zuverlässige Betrieb sicherheitskritischer Systeme hängt von Time-Sensitive Networking (TSN) ab, um Latenzabweichungen zu eliminieren.   Zweifellos wird deterministisches 10BASE-T1S Ethernet eine entscheidende Rolle in zukünftigen Fahrzeugen spielen, insbesondere im Backbone-Netzwerk einer zonalen Architektur. Protokolle wie MOST und FlexRay werden voraussichtlich in neuen Designs nicht mehr verwendet, jedoch wird erwartet, dass LIN und CAN weiterhin eine Rolle spielen, insbesondere innerhalb einzelner „Zonen“.   Darüber hinaus wird die Entwicklung anderer Protokolle fortgesetzt, einschließlich der Camera Serial Interface 2 (CSI-2) und Display Serial Interface 2 (DSI-2) der MIPI Alliance, die für den Anschluss hochauflösender Kameras, Sensoren und Displays in modernen Fahrzeugen für ADAS- und Infotainmentsysteme von entscheidender Bedeutung sind. Zudem arbeiten die MIPI Alliance und die Automotive SerDes Alliance (ASA) an standardisierten SerDes-Lösungen und konzentrieren sich darauf, die Sicherheit der MIPI-Protokolle zu verbessern und asymmetrisches Ethernet für Kameras zu ermöglichen, das eine Hochbandbreitenübertragung und eine Niedrigbandbreitenempfang umfasst. Die bedeutendste architektonische Veränderung besteht jedoch darin, dass CAN nicht mehr das Standardprotokoll für die Hauptkommunikationsinfrastruktur des Fahrzeugs sein wird; stattdessen wird Ethernet diese Rolle übernehmen.

Grundkenntnisse der Arten von Fahrzeugnetzwerken

Die Vernetzung im Fahrzeug umfasst hauptsächlich grundlegendes Wissen über LIN, CAN (FD), FlexRay und Automotive-Ethernet-Technologien. Im Folgenden werden Ihnen die entsprechenden technischen Konzepte vorgestellt. 

LIN:

LIN verwendet eine 12V-Architektur und basiert auf einem Ein-Draht-Serienkommunikationsprotokoll, das die gemeinsame SCI (UART)-Byte-Word-Schnittstelle nutzt. Die maximale Geschwindigkeit kann bis zu 20 kb/s erreichen (EMV/Taktsynchronisierung). Der Master steuert den Medienzugang und ist verantwortlich dafür, dass keine Arbitrations- oder Kollisionsverwaltung erforderlich ist, um die Latenzzeit sicherzustellen. Es verfügt über einen Mechanismus zur Taktsynchronisierung für Slave-Knoten (kein Bedarf an Quarzen oder Keramikresonatoren) und ermöglicht das Hinzufügen von Knoten, ohne die Hardware/Software in anderen Slave-Knoten ändern zu müssen. Typischerweise unterstützt es weniger als 12 Knoten (64 Identifikatoren und relativ niedrigere Übertragungsraten).    Die Vsup der LIN-Physikschicht liegt zwischen 7V und 18V. Aufgrund strenger Anforderungen an Steilheit und Symmetrie beträgt der minimale Tastgrad 39,6% und der maximale 58,1% (mit Zeitkonstanten zwischen 1 µs und 5 µs für Buslasten: 1k/1 nF, 660/6,8 nF, 500/10 nF). Der nicht synchronisierte Oszillator hat einen Toleranzwert von weniger als 14%.   Das Kommunikationskonzept von LIN wird durch die Master-Aufgabe eingeleitet (Nachrichtenkopf) und aktiviert die Slave-Aufgabe nach der Erkennung des Identifikators, um die Nachrichtenantwort zu starten (1-8 Datenbytes plus 1 Prüfsummenbyte). Es unterstützt sowohl Paritäts- als auch Prüfsummenverfahren zur Sicherstellung der Datenkorrektheit.

KANN:

CAN (Controller Area Network) ist ein weiteres gängiges Protokoll für Fahrzeugnetzwerke. In der CAN-Kommunikation sind alle Geräte gleichberechtigt und können jederzeit kommunizieren. Tritt ein Konflikt auf (zwei Geräte sprechen gleichzeitig), wird eine Arbitrierung eingesetzt, um sicherzustellen, dass Nachrichten verstanden werden.   CAN unterstützt asynchrone Kommunikation (ereignisgesteuert). Wenn der Bus ruhig ist, kann jeder Knoten auf den Bus zugreifen. Es setzt zerstörungsfreie Arbitrierung ein, wodurch eine 100%ige Bandbreitenausnutzung ohne Datenverlust ermöglicht wird. Nachrichten mit niedriger Priorität haben höhere Latenzen, während Nachrichten mit hoher Priorität geringere Latenzen aufweisen. CAN unterstützt variable Nachrichtenprioritäten basierend auf 11-Bit- (oder erweiterten 29-Bit-) Datenpaket-Identifikatoren, was automatische Fehlererkennung, Signalisierung und Wiederholungen ermöglicht. CAN verwendet ein verdrilltes Leitungspaar ("twisted-pair cable"), um mit bis zu 40 Geräten bei Geschwindigkeiten von bis zu 1 Mb/s zu kommunizieren.   Die physikalische Ebene des CAN-Busses erfordert eine Terminierung an beiden Enden der Leitung. Die Norm ISO 11898 definiert die Kabellänge mit einem Wellenwiderstand von 120 ± 12 Ω und verlangt die Verwendung abgeschirmter oder nicht abgeschirmter verdrillter Leitungspaare. Während der Arbitrierung im CAN-Bus, wenn zwei Nachrichten gleichzeitig über den Bus gesendet werden, nutzt der Bus das „logische UND“ der Signale. Daher erhält der Nachrichten-Identifier mit der kleinsten Binärnummer die höchste Priorität. Jedes Gerät hört den Kanal ab und zieht sich zurück, falls es erkennt, dass das Bit des Busses nicht mit dem Bit seines Identifikators übereinstimmt. CAN unterstützt flexible Datenraten, und um die Bandbreite zu erhöhen, wurde CAN Flexible Data Rate (CAN FD) als Erweiterung von CAN eingeführt. 

FlexRay:

Das FlexRay-Protokoll, ähnlich einem Zugfahrplan, plant den gesamten FlexRay-Datenverkehr akribisch anhand von Zeitfenstern. Es bietet hohe Datenraten von bis zu 10 Mb/s und unterstützt zeit- sowie ereignisbasierte Verhaltensweisen, Redundanz, Fehlertoleranz und Determinismus (unter Verwendung von "Zeitfenstern"). FlexRay erfüllt die Anforderungen an Fehlertoleranz, Geschwindigkeit und zeitlichen Determinismus für Anwendungen wie Drive-by-Wire, Steer-by-Wire und Brake-by-Wire.   In der FlexRay-Physik-Schicht ist der statische Bereich für deterministische Daten reserviert, die in festgelegten Zeitabständen ankommen, während der dynamische Bereich für allgemeinere, ereignisbasierte Daten genutzt wird, die keinen Determinismus erfordern (siehe CAN). Symbolfenster werden typischerweise für Netzwerkwartung und Signalisierung zum Starten des Netzwerks verwendet, während die Netzwerk-Leerlaufzeit zur Aufrechterhaltung bekannter "ruhiger" Zeiten für die Synchronisation zwischen den Knoten-Uhren genutzt wird.

Ethernet:

Ethernet umfasst Standards wie 100Base-T1 und 1000Base-T1, die einadrige verdrillte Kabel verwenden, Vollduplex-Kommunikation unterstützen und Geschwindigkeiten von bis zu 100/1000 Mbit/s erreichen. Kabellängen können mindestens 15 Meter betragen. Differentielle Signale werden über Kondensatoren in die verdrillten Kabel eingekoppelt. Die physikalische Schicht wandelt Bits in Symbole um (3 Bits werden in 2 Symbole konvertiert), wobei die Symbolwerte +1, 0 oder -1 sein können, entsprechend drei verschiedenen differentiellen Spannungspegeln. Ethernet unterstützt Peer-to-Peer-Kommunikation, für komplexere Netzwerke sind jedoch Switches erforderlich. Die Kommunikation wird fortgesetzt, auch wenn keine Knoten Daten senden wollen, um die Synchronisation aufrechtzuerhalten.   Im Falle von 100Base-T1 ist einer der physikalischen Schicht-Partner der Master (initiierte das Training) und der zweite der Slave (synchronisiert seine Uhr mit dem Master durch Taktwiederherstellung aus Datenströmen). Da die physikalische Schicht PAM3 (3 Bits in 2 Symbole konvertiert) verwendet, beträgt die Baudrate 66 MBd/s, wodurch beide Link-Partner gleichzeitig Symbole übertragen können. Dadurch können fünf verschiedene differentielle Spannungspegel beobachtet werden. Zu übertragende Daten können mit einem Seitendatenstrom kombiniert werden und beinhalten einen Scrambler (Pseudo-Zufallsstrom), um eine bessere EMV-Leistung zu erzielen.   10Base-T1S ist ein Protokoll, das Daten mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s über ein einzelnes verdrilltes Kabel mit einer Länge von bis zu mindestens 15 Metern überträgt. Es unterstützt Peer-to-Peer-Halbduplex-Kommunikation. Optionale Funktionen umfassen den Vollduplex-Betrieb für Peer-to-Peer-Kommunikation sowie den Halbduplex-Betrieb für Mehrpunktverbindungen (CAN, FlexRay, LIN usw.). Zudem kann es Mehrabzweig-Betrieb mit einem Master und mindestens bis zu 8 Slaves unterstützen. Der Master initiiert die Kommunikation mittels eines Beacons, woraufhin jeder Slave die Möglichkeit hat, Daten zu senden. Dieses Protokoll ist als Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) bekannt.

onsemi war stark in die Fahrzeugnetzwerke eingebunden und verfügt über ein breites Produktportfolio

onsemi ist seit über 30 Jahren intensiv im Bereich der IVN tätig, bietet eine breite Palette von Produkten an und stellt zuverlässigen Kundensupport sowie Anwendungssupport bereit. Das Produktportfolio von onsemi umfasst alle gängigen IVN-Technologien wie LIN, CAN und FlexRay und wird kontinuierlich weiterentwickelt, um die Anforderungen und Bedürfnisse der Automobilindustrie besser zu erfüllen.   Angesichts der zunehmenden Bedeutung von 10BASE-T1S Ethernet in der Automobilindustrie konzentriert onsemi die meisten seiner Entwicklungsressourcen auf diesen Bereich. Nach der jüngsten Veröffentlichung von Lösungen entwickelt onsemi nun Produkte der zweiten Generation mit noch höherer Leistung, um der Branche dabei zu helfen, die zonale Architektur und Technologien für autonomes Fahren weiter voranzutreiben.   Mit über 30 Jahren Erfahrung in der Unterstützung der Automobilindustrie und einem vollständigen Portfolio an AEC-qualifizierten Produkten ermöglicht onsemi seinen Kunden, hochzuverlässige Lösungen zu entwickeln, Mehrwert für Endnutzer zu schaffen und Spitzenleistungen zu liefern. onsemi nimmt eine bedeutende Position im ADAS-Bereich ein und bietet ein umfassendes Produktportfolio, darunter Energiemanagement, Beleuchtungslösungen, Motorsteuerungen, Systemdesign-Expertise, Referenzdesigns, leistungsstarke und flexible Entwicklungskits sowie erfahrene Anwendungssupport. Die Schlüsselkomponenten entsprechen den ISO-26262/ASIL-Standards.

Fazit 

Da Fahrzeuge zunehmend mit elektronischen Systemen ausgestattet werden, gewinnt die Bedeutung von automobilen Netzwerken schnell an Bedeutung. Die in diesem Artikel vorgestellten Technologien für automobilen Netzwerke werden weit verbreitet eingesetzt, um verschiedene elektronische Systeme in Fahrzeugen zu verbinden, und bieten dadurch sowohl eine größere Funktionalität als auch höhere Sicherheitsstandards. Mit über 30 Jahren Erfahrung im Bereich der Automobilelektronik kann onsemi umfassende Lösungen für automobile elektronische Systeme bereitstellen. Bei weiteren Fragen oder spezifischen Anforderungen wenden Sie sich bitte gerne an onsemi oder Arrow Electronics.