Integración de Ethernet en una arquitectura mixta

Los vehículos todoterreno para la agricultura, la construcción y la minería están más conectados que nunca. A medida que aumentan las demandas de vehículos comerciales más seguros, ecológicos y productivos, características como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los sistemas de cámaras de 360º, los sistemas de detección de proximidad, la comunicación de vehículo a vehículo (V2V) y de vehículo a infraestructura (V2X) y mucho más, están pasando de ser “agradables de tener” a “necesarias para tener”. Estas funciones necesitan una gran cantidad de datos y esas necesidades de datos aumentarán exponencialmente durante los próximos años a medida que se agregue una mayor funcionalidad.

Para aumentar el volumen y la velocidad de los datos transmitidos en el vehículo, los ingenieros deben realizar cambios importantes en la arquitectura eléctrica/electrónica (E/E) de su vehículo, ya sea agregando más redes CAN dedicadas o integrando protocolos de comunicación más rápidos como Ethernet, que actualmente puede gestionar hasta 1 GB por segundo de datos.

Los ingenieros de diseño tienen opciones. En lugar de reemplazar toda la red de comunicaciones existente, muy probablemente un protocolo CANbus, pueden diseñar en Ethernet, cuando corresponda, para las funciones que los clientes más desean, por ejemplo, telemática, diagnóstico y ADAS. Los ingenieros deben escalar todo el sistema y usar líneas dedicadas para Ethernet donde sea necesario para habilitar estas funciones avanzadas y con grandes cargas de datos. La integración de Ethernet en la arquitectura puede ser un desafío para los OEM, especialmente porque esta es una tecnología relativamente nueva para el mercado de vehículos de alto rendimiento, pero los desafíos se pueden superar con la experiencia adecuada.  Trabajar al principio de la fase de diseño con proveedores que brinden asesoramiento, entiendan la complejidad y tengan experiencia en Ethernet es clave para un trayecto sin problemas desde el diseño hasta la producción. Los proveedores con experiencia en Ethernet automotriz pueden ayudar a los diseñadores del OEM a optimizar la topología y elegir la tecnología adecuada de antemano para garantizar la integridad de la señal en condiciones adversas, al tiempo que aumentan la potencia de detección y la informática en todas las funciones y aplicaciones más recientes.

Dependiendo de la arquitectura de E/E, a medida que se agregan características más avanzadas y automatizadas, los diseñadores deberán diseñar en conmutadores Ethernet. A diferencia de CAN y otros protocolos anteriores, el conmutador es necesario para dirigir la señal con integridad y baja latencia al destino deseado. Es importante considerar desde el principio dónde colocar el conmutador, si el conmutador debe colocarse en una nueva unidad de control eléctrico (ECU) dedicada o en una ECU existente, cuántos cables, conectores y sensores se necesitarán y dónde colocarlos. Estas consideraciones se aplican a todas las funciones avanzadas del vehículo que requieren Ethernet.

En general, las piezas en los sectores de agricultura, construcción, minería, etc., deben cumplir con estándares adicionales de resistencia, especialmente si se encuentra en el exterior de un vehículo, para brindar protección contra altas vibraciones, golpes físicos, polvo, productos químicos y agua. Además, deben soportar rangos de temperatura de -40 ºC (-40 ºF) hasta 125 ºC (257 ºF) y permitir el mantenimiento en campo.

Los OEM que necesitan actualizar los componentes, sistemas y redes en sus vehículos pueden sentirse seguros sabiendo que muchas aplicaciones de datos de alta velocidad se pueden diseñar utilizando la tecnología de conectores originalmente desarrollada y probada en la industria automotriz. Por ejemplo, agregamos carcasas resistentes y actualizamos el diseño de nuestros terminales automotrices MCON para crear un nuevo conector Ethernet sellado  llamado enetSEAL+  que cumple con las especificaciones 100BASE-T1. El conector transmite datos a una velocidad de hasta 100 MB por segundo.

También agregamos un conector Ethernet termoplástico resistente y de alto rendimiento (serie Heavy Duty Sealed Connector Series con insertos MATEnet) a nuestra serie de conectores sellados de alto rendimiento que pueden transmitir datos a velocidades de hasta 1 GB por segundo. Debido a que es compatible con nuestro sistema de interconexión MATEnet, ofrece a los diseñadores flexibilidad y escalabilidad: los OEM pueden usar cables de par trenzado sin blindaje o blindados y diseñar en múltiples interfaces híbridas.

El punto es elegir soluciones como estas que se adapten a prácticamente cualquier aplicación de vehículos de alto rendimiento o entornos hostiles para mejorar la seguridad, la productividad o el infoentretenimiento, incluida la telemática, el diagnóstico a bordo, las pantallas multifunción, las cámaras incorporadas, el radar y el lidar y mucho más.

Usar Ethernet para la arquitectura E/E es un gran paso. El protocolo CANbus se ha utilizado en vehículos durante más de 30 años.

El uso de Ethernet para la arquitectura E/E es un gran paso porque es mucho más rápido y complejo.  Al diseñar una arquitectura mixta utilizando Ethernet solo cuando sea apropiado, la red Ethernet más rápida aún deberá poder comunicarse con la red CAN más lenta, por lo que los ingenieros deben diseñar en una puerta de enlace que traduzca mensajes más rápidos para que CAN pueda recibirlos y entenderlos.

La mayoría de los sistemas de conectores que ya utilizan Ethernet tienen una velocidad de 100 MB de primera generación. La segunda generación es diez veces más rápida, de 1 GB, lo que requiere transceptores de mayor frecuencia en las ECU que deben estar calificados para los diferentes tipos de arquitecturas y topologías dentro de un vehículo. Sin mucha experiencia con este protocolo, los ingenieros todavía están aprendiendo cómo el entorno mecánico de un vehículo de alto rendimiento influirá en el rendimiento eléctrico de las comunicaciones.

Ethernet funciona a frecuencias más altas y, por lo tanto, es más sensible cuando se coloca cerca de otros componentes electrónicos o piezas metálicas. Las tolerancias deben ser más bajas y los diseñadores deben tener en cuenta el posible EMI, las interrupciones mecánicas, los problemas de calidad en el cable, entre otros. En el nivel de componentes, al diseñar la capa física, los conectores y cables deben cumplir con los requisitos de su línea y función dedicadas, así como de todo el sistema. Con cada pieza, los diseñadores deben asegurarse de que no haya emisiones nocivas que perturben otros sistemas cercanos y que las emisiones de otros sistemas cercanos no perturben esa parte.

La colocación es clave para evitar interferencias de antenas u otros componentes que emitan fuertes campos electromagnéticos. También es importante elegir dónde usar componentes y sistemas blindados y no blindados. Se debe revisar cada aspecto de la capa física con respecto al equilibrio y las EMI.

Además de las perturbaciones electromagnéticas y mecánicas, es vital comprender cómo los diferentes sitios de trabajo (como una granja, un sitio de construcción o una mina) y las aplicaciones de productos pueden afectar el rendimiento eléctrico del sistema de comunicaciones del vehículo. Factores como la temperatura extrema, las altas cargas mecánicas, la exposición a productos químicos y el polvo excesivo pueden provocar efectos negativos en los cables y conectores necesarios para los enlaces de datos de Ethernet y, por lo tanto, deben considerarse al principio del diseño.

El enorme tamaño de muchos vehículos todoterreno también puede crear desafíos para la integridad de la señal en aplicaciones Ethernet, ya que se deberá mantener mediante enlaces de hasta 40 m (131,2 pies), mientras soporta condiciones adversas debido al entorno todoterreno. Debido a que los cables de 40 m se utilizan en el transporte industrial o comercial, no en el sector automotriz, todas las ECU y los productos que se utilizan en la capa física (cables, conectores y transceptores) deben adaptarse al estándar de 40 m. El estándar de Ethernet especifica hasta cuatro conexiones en línea. La calidad del enlace de comunicación depende de la longitud de cada segmento (entre un conector y otro) y de dónde se enruta en el vehículo.

Por lo tanto, es imperativo realizar pruebas significativas. Todos los componentes (ECU, cables, conectores, transceptores, etc.) y sistemas deben validarse y calificarse para su uso en vehículos comerciales. Es importante probar las configuraciones de diferentes maneras para ver qué forma funciona mejor y es más estable. Luego, todo el vehículo debe colocarse en una cámara de EMI y probarse de diferentes maneras: probar configuraciones dentro del camión y simular diferentes condiciones y diferentes combinaciones de condiciones que el vehículo puede encontrar.

Los diseñadores no pueden abordar Ethernet de la misma manera que con otros protocolos de comunicación. Diseñar Ethernet en vehículos de alto rendimiento requiere mucha más reflexión y esfuerzo que con otras redes debido a la complejidad ya descrita aquí. Hemos visto a los diseñadores tratar de utilizar interfaces comunes a entornos de oficina y bienes de consumo, como RJ45 o USB. Estos conectores no fueron desarrollados para su uso en entornos hostiles y no deben utilizarse en estos.

En general, un error común que debe evitarse es subestimar los efectos que las influencias mecánicas tienen en el enlace de comunicación. Esto también incluye la temperatura, la humedad y otras condiciones ambientales que pueden afectar las propiedades del material y, por lo tanto, repercutir en los enlaces de comunicación. Actualmente, solo hay dos estándares para Ethernet en el sector automotriz, que se diferencian por la velocidad: 100 MB y 1 GB (1000 MB). Cada componente de la capa física (los transceptores, conectores y cables) y el enrutamiento deben examinarse de cerca y probarse para asegurarse de que sean estables y funcionen en todas las condiciones en todo momento.

Cumple con los requisitos del futuro, hoy. Los compradores de las industrias agrícola, minera y de la construcción buscan una funcionalidad que permita una mayor productividad, seguridad y sostenibilidad. La ingeniería de Ethernet en estos vehículos y maquinaria es una necesidad no solo para las demandas actuales, sino también para responder a las demandas de conectividad de grandes cargas de datos del futuro a corto y largo plazo, ya que las tecnologías actuales son un trampolín hacia una mayor y, finalmente, plena autonomía.