Integration von Ethernet in einer gemischten Architektur

Off-Highway-Fahrzeuge für Landwirtschaft, Bau und Bergbau sind stärker denn je miteinander verbunden. Da die Anforderungen an sicherere, umweltfreundlichere und produktivere Nutzfahrzeuge immer weiter steigen, werden Funktionen wie fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), 360-Grad-Kamerasysteme, Näherungssysteme, Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (V2X) und vieles mehr nicht mehr bloß „schön zu haben“, sondern werden als „muss man haben“ angesehen. Diese Funktionen benötigen eine enorme Datenmenge, und dieser Datenbedarf wird in den kommenden Jahren exponentiell zunehmen, wenn mehr Funktionalität hinzugefügt wird.

Um das Volumen und die Geschwindigkeit der im Fahrzeug übertragenen Daten zu erhöhen, müssen Ingenieure große Änderungen an der elektrischen/elektronischen (E/E) Architektur ihres Fahrzeugs vornehmen, indem sie entweder dediziertere CAN-Netzwerke hinzufügen oder schnellere Kommunikationsprotokolle wie Ethernet, das derzeit bis zu 1 GB pro Sekunde Daten verarbeiten kann, integrieren.

Konstrukteure haben Optionen. Anstatt das gesamte vorhandene Kommunikationsnetzwerk, wahrscheinlich ein CANbus-Protokoll, zu ersetzen, können sie gegebenenfalls in Ethernet für die Funktionen entwerfen, die Kunden am meisten wünschen, z. B. Telematik, Diagnose und ADAS. Ingenieure müssen das gesamte System skalieren und dedizierte Leitungen für Ethernet verwenden, wo es benötigt wird, um diese fortschrittlichen, datenlastigen Funktionen zu ermöglichen. Die Integration von Ethernet in die Architektur kann für OEMs eine Herausforderung sein, zumal es sich um eine relativ neue Technologie für den Markt für schwere Nutzfahrzeuge handelt, die Herausforderungen jedoch mit dem richtigen Know-how bewältigt werden können. Die frühzeitige Arbeit mit beratenden Lieferanten, die die Komplexität verstehen und über Ethernet-Know-how verfügen, ist der Schlüssel zu einer reibungslosen Reise zwischen Design und Produktion. Zulieferer mit Automotive-Ethernet-Expertise können OEM-Designern dabei helfen, die Topologie zu optimieren und die richtige Technologie im Voraus auszuwählen, um die Signalintegrität unter rauen Bedingungen zu gewährleisten und gleichzeitig die Sensor- und Rechenleistung für die neuesten Funktionen und Anwendungen.

Je nach E/E-Architektur müssen Designer, je nach E/E-Architektur, da erweiterte und automatisierte Funktionen hinzugefügt werden, Ethernet-Switches entwerfen. Im Gegensatz zu CAN und anderen vorherigen Protokollen wird der Switch benötigt, um das Signal mit Integrität und geringer Latenz an das gewünschte Ziel zu lenken. Es ist wichtig, frühzeitig zu überlegen, wo der Schalter platziert werden soll, ob der Schalter in einer neuen speziellen elektrischen Steuereinheit (ECU) oder in einem vorhandenen Steuergerät sein soll, wie viele Kabel, Anschlüsse und Sensoren benötigt werden und wo sie platziert werden sollen. Diese Überlegungen gelten für alle erweiterten Funktionen im Fahrzeug, für die Ethernet erforderlich ist.

Im Allgemeinen müssen Teile in der Landwirtschaft, im Baugewerbe, im Bergbau usw. zusätzliche Standards für Robustheit erfüllen – insbesondere, wenn sie sich außerhalb eines Fahrzeugs befinden –, um sich vor hohen Vibrationen, physikalischen Stößen, Staub, Chemikalien und Wasser zu schützen. Außerdem müssen sie Temperaturbereichen von -40 C (-40 F) bis 125C (257 F) standhalten und die Feldwartung ermöglichen.

Hersteller von Originalkomponenten, die die Komponenten, Systeme und Netzwerke in ihren Fahrzeugen modernisieren möchten, können für das Design vieler Hochgeschwindigkeits-Datenanwendungen die in den letzten Jahren für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelten Steckverbindertechnologien nutzen. Beispielsweise haben wir robuste Gehäuse hinzugefügt und das Design unserer Automotiv MCON-Klemmen verbessert, um einen neuen versiegelten Ethernet-Anschluss enetSEAL+ zu erstellen, der die 100BASE-T1-Spezifikation erfüllt. Der Steckverbinder überträgt Daten mit bis zu 100 MB pro Sekunde.

Darüber hinaus haben wir unsere abgedichteten Hochleistungs-Steckverbinderserie um einen robusten, hochbelastbaren thermoplastischen Ethernet-Steckverbinder (Abgedichtete Hochleistungs-Steckverbinderserie mit MATEnet Einsätzen) erweitert, der Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 GB pro Sekunde übertragen kann. Da er mit unserem MATEnet Verbindungssystem kompatibel ist, bietet er Designern Flexibilität und Skalierbarkeit – OEMs können ungeschirmte oder abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel und Design in mehreren Hybridschnittstellen verwenden.

Es geht darum, Lösungen wie diese zu wählen, die sich an praktisch jede raue Umgebung/schwerlastige Fahrzeuganwendung anpassen, die Sicherheit, Produktivität oder Infotainment verbessern soll, einschließlich: Telematik, Onboard-Diagnose, Multifunktionsdisplays, onboard Kameras, Radar und LIDAR und vieles mehr.

Die Verwendung von Ethernet für e/E-Architektur ist ein großer Schritt! Das CANbus-Protokoll wird seit über 30 Jahren in Fahrzeugen eingesetzt.

Die Verwendung von Ethernet für e/E-Architektur ist ein großer Schritt, da es viel schneller und komplexer ist.   Wenn Sie eine gemischte Architektur nur mit Ethernet entwerfen, muss das schnellere Ethernet-Netzwerk immer noch in der Lage sein, mit dem langsameren CAN-Netzwerk zu "sprechen", sodass Ingenieure in einem Gateway entwerfen müssen, das schnellere Nachrichten übersetzt, damit CAN in der Lage ist, sie zu empfangen und zu verstehen.

Die meisten Steckverbindersysteme, die bereits Ethernet verwenden, sind 100 MB der ersten Generation. Die zweite Generation ist mit 1 GB zehnmal schneller und erfordert höherfrequente Transceiver in den Steuergeräten, die für die verschiedenen Arten von Architekturen und Topologien innerhalb eines Fahrzeugs qualifiziert werden müssen. Ohne viel Erfahrung mit diesem Protokoll lernen Ingenieure immer noch, wie die mechanische Umgebung in einem Schwerlastfahrzeug die elektrische Leistung der Kommunikation beeinflussen wird.

Ethernet arbeitet mit höheren Frequenzen und ist daher empfindlicher, wenn es in der Nähe anderer Elektronik- oder Metallteile platziert wird. Die Toleranzen müssen niedriger sein, und die Konstrukteure müssen potenzielle EMI, mechanische Störungen, Qualitätsprobleme am Kabel und vieles mehr berücksichtigen. Auf Komponentenebene müssen die Steckverbinder und Kabel beim Entwerfen der physikalischen Schicht die Anforderungen an ihre dedizierte Leitung und Funktion sowie für das gesamte System erfüllen. Bei jedem Teil müssen die Konstrukteure sicherstellen, dass es keine schädlichen Emissionen gibt, die andere Systeme in der Nähe stören, und dass die Emissionen anderer Systeme in der Nähe diesen Teil nicht stören.

Die Platzierung ist der Schlüssel, um Interferenzen von Antennen oder anderen Komponenten zu vermeiden, die starke elektromagnetische Felder aussenden. Die Wahl, wo abgeschirmte und nicht abgeschirmte Komponenten und Systeme verwendet werden sollen, ist ebenfalls wichtig. Jeder Aspekt der physischen Schicht muss in Bezug auf Gleichgewicht und EMI kontrolliert werden.

Neben elektromagnetischen und mechanischen Störungen ist es wichtig zu verstehen, wie verschiedene Baustellen (z. B. ein Bauernhof, eine Baustelle oder eine Mine) und Produktanwendungen die elektrische Leistung des Kommunikationssystems des Fahrzeugs beeinflussen können. Faktoren wie extreme Temperatur, hohe mechanische Belastungen, chemische Exposition und übermäßiger Staub können negative Auswirkungen auf Kabel und Steckverbinder haben, die für Ethernet-Datenverbindungen benötigt werden und daher frühzeitig in der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.

Die enorme Größe vieler Off-Highway-Fahrzeuge kann auch Herausforderungen für die Signalintegrität für Ethernet-Anwendungen schaffen, da sie durch bis zu 40 m (131,2 ft.) Verbindungen gewartet werden müssen, während sie rauen Bedingungen aufgrund der Off-Highway-Umgebung standhalten. Da 40-m-Kabel im industriellen/kommerziellen Verkehr und nicht im Automobilverkehr verwendet werden, müssen alle Steuergeräte und Produkte, die in der physikalischen Schicht verwendet werden – Kabel, Steckverbinder und Transceiver – an den 40-m-Standard angepasst werden. Der Ethernet-Standard gibt bis zu vier Inline-Verbindungen an. Die Qualität der Kommunikationsverbindung hängt davon ab, wie lange jedes Segment (zwischen einem Stecker und einem anderen) ist und wo es durch das Fahrzeug geleitet wird.

Daher sind umfangreiche Tests unerlässlich. Alle Komponenten (Steuergeräte, Kabel, Steckverbinder, Transceiver usw.) und Systeme müssen validiert und für den Einsatz in Nutzfahrzeugen qualifiziert sein. Es ist wichtig, Konfigurationen auf unterschiedliche Weise zu testen, um zu sehen, welcher Weg am besten funktioniert und am stabilsten ist. Das gesamte Fahrzeug sollte dann in einer EMI-Kammer platziert und auch auf unterschiedliche Weise getestet werden – Konfigurationen im Inneren des Fahrzeugs zu testen und unterschiedliche Bedingungen und unterschiedliche Kombinationen von Bedingungen zu simulieren, denen das Fahrzeug begegnen kann.

Designer können ethernet nicht auf die gleiche Weise wie andere Kommunikationsprotokolle angehen. Das Entwerfen von Ethernet in schwere Nutzfahrzeuge erfordert aufgrund der hier beschriebenen Komplexität viel mehr Gedanken und Mühe als bei anderen Netzwerken. Wir haben gesehen, wie Designer versucht haben, Schnittstellen zu verwenden, die in Büroumgebungen und Konsumgütern üblich sind, wie RJ45 oder USB. Diese Steckverbinder wurden nicht für den Einsatz in rauen Umgebungen entwickelt und sollten nicht verwendet werden.

Im Allgemeinen ist der häufige Fehler zu vermeiden, die Auswirkungen der mechanischen Einflüsse auf die Kommunikationsverbindung zu unterschätzen. Dazu gehören auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umgebungsbedingungen, die die Materialeigenschaften beeinflussen und somit die Kommunikationsverbindungen bestimmen können. Derzeit gibt es nur zwei Standards für Ethernet in der Automobilindustrie, die nach Geschwindigkeit unterschieden werden – 100 MB und 1 GB (1.000 MB). Jede Komponente auf der physischen Ebene – die Transceiver, Steckverbinder und Kabel – und das Routing müssen genau untersucht und getestet werden, um sicherzustellen, dass sie stabil sind und jederzeit unter allen Bedingungen funktionieren.

Erfüllen Sie die Anforderungen der Zukunft, heute. Käufer aus der Agrar-, Bau- und Bergbauindustrie suchen nach Funktionen, die mehr Produktivität, Sicherheit und Nachhaltigkeit ermöglichen. Das Engineering von Ethernet in diese Fahrzeuge und Maschinen ist nicht nur ein Muss für die heutigen Anforderungen, sondern auch für die Erfüllung datenlastiger Konnektivitätsanforderungen der nahen und langfristigen Zukunft, da die heutigen Technologien ein Sprungbrett zu mehr und schließlich voller Autonomie sind.