Intégration d’Ethernet dans une architecture mixte

Les véhicules tout-terrain pour l’agriculture, la construction et l’exploitation sont plus connectés que jamais. Alors que la demande de véhicules commerciaux plus sûrs, plus écologiques et plus productifs ne cesse d’augmenter, des fonctionnalités telles que les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), les systèmes de caméras à 360 degrés, les systèmes de détection de proximité, la communication de type véhicule-à-véhicule (V2V) et de type véhicule-à-infrastructure (V2X) qui étaient agréables à avoir deviennent un besoin. Ces fonctions nécessitent une quantité massive de données et ces besoins en données augmenteront de manière exponentielle au cours des prochaines années à mesure que de meilleures fonctionnalités seront ajoutées.

Pour augmenter le volume et la vitesse des données transmises dans le véhicule, les ingénieurs doivent apporter des modifications majeures à l’architecture électrique/électronique (E/E) de leur véhicule en ajoutant davantage de réseaux CAN dédiés ou en intégrant des protocoles de communication plus rapides comme Ethernet, qui peut actuellement gérer jusqu’à 1 Go par seconde de données.

Les ingénieurs concepteurs ont des options. Au lieu de remplacer l’ensemble du réseau de communication existant, très probablement un protocole de bus CAN, ils peuvent, utiliser Ethernet, le cas échéant, dans la conception, pour les fonctionnalités que les clients recherchent le plus, par exemple, la télématique, le diagnostic et l’ADAS. Les ingénieurs doivent faire évoluer l’ensemble du système et utiliser des lignes dédiées pour Ethernet là où cela est nécessaire afin d'activer ces fonctions avancées et gourmandes en données. L’intégration d’Ethernet dans l’architecture peut représenter une difficulté pour les concepteurs OEM, d’autant plus qu’il s’agit d’une technologie relativement nouvelle sur le marché des véhicules lourds, mais il est possible de relever les défis en disposant des bonnes connaissances. Il est essentiel de travailler dès le début de la conception avec des fournisseurs qui comprennent le niveau de complexité et possèdent de grandes connaissances Ethernet afin de simplifier les étapes de la conception à la production. Les fournisseurs ayant de grandes connaissances Ethernet automobile peuvent aider les concepteurs OEM à optimiser la topologie et à choisir la bonne technologie à l’avance pour garantir l’intégrité du signal dans des conditions difficiles, tout en augmentant la puissance de détection et de calcul pour toutes les dernières fonctionnalités et applications.

Selon l’architecture E/E, à mesure que des fonctionnalités plus avancées et automatisées sont ajoutées, les concepteurs doivent concevoir des commutateurs Ethernet. Contrairement au bus CAN et à d’autres protocoles précédents, le commutateur est nécessaire pour diriger le signal avec intégrité et à faible latence vers la destination souhaitée. Il est important de déterminer dès le début l'emplacement de l’interrupteur, s’il doit être dans une nouvelle unité de commande électrique (ECU) dédiée ou dans une ECU existante, combien de câbles, de connecteurs et de capteurs seront nécessaires et où les placer. Ces considérations s’appliquent à toutes les fonctionnalités avancées du véhicule qui nécessitent Ethernet.

En règle générale, les pièces dans l’agriculture, la construction, l’exploitation, etc., doivent répondre à des normes supplémentaires de robustesse, surtout si situés à l’extérieur d’un véhicule, pour se protéger contre les vibrations élevées, les chocs physiques, la poussière, les produits chimiques et l’eau. De plus, ils doivent résister à des plages de températures de - 40 °C (- 40 °F) à 125 °C (257 °F) et permettre une maintenance sur le terrain.

Les équipementiers OEM qui ont besoin de mettre à niveau les composants, les systèmes et les réseaux de leurs véhicules peuvent se sentir en confiance en sachant que de nombreuses applications de données à grande vitesse peuvent être conçues à l’aide d’une technologie de connecteur développée à l’origine pour l’industrie automobile et qui a fait ses preuves. Par exemple, nous avons ajouté des boîtiers robustes et amélioré la conception de nos bornes MCON automobiles pour créer un nouveau connecteur Ethernet étanche enetSEAL+ qui répond à la spécification 100BASE-T1. Le connecteur transmet des données jusqu’à 100 Mo par seconde.

Nous avons également ajouté un connecteur Ethernet thermoplastique renforcé et robuste (Heavy Duty Sealed Connector Series avec inserts MATEnet) à notre série de connecteurs étanches et robustes pouvant transmettre des données à des débits allant jusqu’à 1 Go par seconde. Parce qu’il est compatible avec notre système d’interconnexion MATEnet, il offre aux concepteurs flexibilité et évolutivité : les équipementiers OEM peuvent utiliser des câbles à paires torsadées blindés et non blindés et concevoir dans plusieurs interfaces hybrides.

Le but est de choisir des solutions comme celles-ci qui s’adaptent à pratiquement n’importe quel environnement difficile/n'importe quelle application de véhicules lourds destinés à améliorer la sécurité, la productivité ou l’info-divertissement, y compris la télématique, les diagnostics embarqués, les écrans multifonctions, les caméras embarquées, le radar et le lidar, et plus encore.

L’utilisation d’Ethernet pour l’architecture E/E est un grand pas en avant ! Le protocole de bus CAN est utilisé dans les véhicules depuis plus de 30 ans.

L’utilisation d’Ethernet pour l’architecture E/E est un grand pas en avant car cette technologie est beaucoup plus rapide et complexe.  Lors de la conception d’une architecture mixte utilisant Ethernet uniquement le cas échéant, le réseau Ethernet le plus rapide devra toujours être capable de « communiquer » avec le réseau CAN plus lent. Les ingénieurs doivent par conséquent concevoir une passerelle qui traduit les messages plus rapides afin que le bus CAN puisse les recevoir et les comprendre.

La plupart des systèmes de connexion utilisant déjà Ethernet ont une vitesse de 100 Mo de première génération. La deuxième génération est dix fois plus rapide à 1 Go, nécessitant des émetteurs-récepteurs de fréquences plus élevées dans les ECU qui doivent être éligibles pour les différents types d’architectures et de topologies à l’intérieur d’un véhicule. Sans avoir beaucoup d’expérience avec ce protocole, les ingénieurs continuent de découvrir de quelle manière l’environnement mécanique d’un véhicule lourd influence la performance électrique des communications.

Ethernet fonctionne à des fréquences plus élevées et est donc plus sensible lorsqu’il est placé à proximité d’autres composants électroniques ou métalliques. Les tolérances doivent être plus faibles et les concepteurs doivent tenir compte des interférences électromagnétiques potentielles, des perturbations mécaniques, des problèmes de qualité sur le câble, etc. Au niveau des composants, lors de la conception de la couche physique, les connecteurs et les câbles doivent répondre aux exigences de leur ligne et de leur fonction dédiées, ainsi que de l’ensemble du système. Pour chaque pièce, les concepteurs doivent s’assurer qu’il n’y a pas d’émissions nocives qui perturbent les autres systèmes à proximité et que les émissions des autres systèmes à proximité ne perturberont pas cette pièce.

L'emplacement est essentiel pour éviter les interférences des antennes ou d’autres composants émettant de forts champs électromagnétiques. Il est également important de choisir l'emplacement d'utilisation des composants et des systèmes blindés et non blindés. Chaque aspect de la couche physique doit être contrôlé en ce qui concerne l’équilibre et les interférences électromagnétiques.

En plus des perturbations électromagnétiques et mécaniques, il est essentiel de comprendre les différents chantiers (comme une ferme, un chantier de construction ou une mine) et les applications de produits peuvent affecter les performances électriques du système de communication du véhicule. Des facteurs tels que les températures extrêmes, les charges mécaniques élevées, l’exposition aux produits chimiques et la poussière excessive peuvent avoir des effets négatifs sur les câbles et les connecteurs nécessaires aux liaisons de données Ethernet et, par conséquent, doivent être pris en compte dès le début de la conception.

La taille énorme de nombreux véhicules tout-terrain peut également créer des défis pour l’intégrité du signal pour les applications Ethernet, devant le conserver jusqu’à des liaisons de 40 m (131,2 pieds), tout en résistant à des conditions difficiles dues à l’environnement tout-terrain. Étant donné que des câbles de 40 m sont utilisés dans le transport industriel et commercial, et non dans l’automobile, l'ensemble des ECU et des produits utilisés dans la couche physique (câbles, connecteurs et émetteurs-récepteurs) doivent être adaptés à la norme de 40 m. La norme Ethernet spécifie jusqu’à quatre connexions en ligne. La qualité de la liaison de communication dépend de la longueur de chaque segment (entre un connecteur et un autre) et de son emplacement dans le véhicule.

Par conséquent, des tests importants sont impératifs. Tous les composants (ECU, câbles, connecteurs, émetteurs-récepteurs, etc.) et les systèmes doivent être validés et éligibles pour être utilisés dans les véhicules commerciaux. Il est important de tester les configurations de différentes manières pour savoir ce qui fonctionne le mieux et est le plus stable. L’ensemble du véhicule doit ensuite être placé dans une chambre IEM et testé de différentes manières : en testant les configurations à l’intérieur du camion et en simulant différentes conditions et différentes combinaisons de conditions que le véhicule peut rencontrer.

Les concepteurs ne peuvent pas aborder Ethernet de la même manière que les autres protocoles de communication. La conception d’Ethernet dans les véhicules lourds demande beaucoup plus de réflexion et d’efforts qu’avec d’autres réseaux en raison de la complexité déjà décrite ici. Nous avons vu des concepteurs essayer d’utiliser des interfaces communes aux environnements de bureau et aux biens de consommation, comme RJ45 ou USB. Ces connecteurs n’ont pas été développés pour être utilisés dans des environnements difficiles et ne doivent pas l'être.

En général, une erreur courante à éviter est de sous-estimer les effets des influences mécaniques sur la liaison de communication. Cela inclut également la température, l’humidité et d’autres conditions environnementales qui peuvent affecter les propriétés des matériaux et donc affecter les liaisons de communication. Actuellement, il n’existe que deux normes pour Ethernet dans l’automobile, qui se différencient par la vitesse : 100 Mo et 1 Go (1 000 Mo). Chaque composant de la couche physique (émetteurs-récepteurs, connecteurs et câbles) et l'acheminement doivent être examinés de près et testés pour s’assurer qu’ils seront stables et performants dans toutes les conditions, à tout moment.

Répondez dès aujourd’hui aux exigences du futur. Les acheteurs des secteurs de l’agriculture, de la construction et de l’exploitation recherchent des fonctionnalités permettant une productivité, une sécurité et une durabilité accrues. L’intégration d’Ethernet dans ces véhicules et machines est indispensable non seulement pour les demandes d’aujourd’hui, mais aussi pour répondre aux demandes de connectivité gourmandes en données dans un futur proche et à long terme, car les technologies d’aujourd’hui sont un tremplin vers une plus grande autonomie, et un jour une autonomie complète.