Integração da Ethernet em uma Arquitetura Mista

Os veículos off-road usados em agricultura, construção e mineração estão mais conectados do que nunca. À medida que a demanda por veículos comerciais mais seguros, mais ecológicos e mais produtivos continua aumentando, recursos como sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems), sistemas de câmera de 360 graus e de detecção de proximidade, comunicação veículo a veículo e veículo a infraestrutura e muitos outros passam de desejáveis a essenciais. Essas funções exigem uma enorme quantidade de dados, o que crescerá exponencialmente nos próximos anos à medida que mais funcionalidades forem adicionadas.

Para aumentar o volume e a velocidade dos dados transmitidos, os engenheiros precisam fazer mudanças grandes na arquitetura elétrica/eletrônica (E/E) dos veículos, adicionando mais redes CAN dedicadas ou integrando protocolos de comunicação mais rápidos como a Ethernet, que consegue transmitir atualmente com até 1 GB de dados por segundo.

Os engenheiros de design têm algumas opções. Em vez de substituir toda a rede de comunicações existente, provavelmente um protocolo CANbus, eles podem projetar com a Ethernet, quando apropriado, para oferecer as funções que os clientes mais desejam, como telemática, diagnósticos e ADAS. Os engenheiros precisam dimensionar todo o sistema e usar linhas dedicadas para a Ethernet onde necessário a fim de viabilizar essas funções avançadas com tráfego pesado de dados. Integrar a Ethernet à arquitetura pode ser um desafio para os OEMs, especialmente porque essa é uma tecnologia relativamente nova no mercado de veículos pesados, mas isso pode ser superado com o conhecimento certo. Trabalhar desde o início com fornecedores e consultores que têm experiência em Ethernet e entendem sua complexidade é fundamental para uma jornada suave do design à produção. Fornecedores com conhecimento em Ethernet automotiva podem ajudar os projetistas dos OEMs a otimizar a topologia e escolher a tecnologia certa com antecedência a fim de garantir a integridade do sinal em condições adversas e, ao mesmo tempo, expandir a capacidade de detecção e computação para todas as funções e aplicações mais modernas.

Dependendo da arquitetura E/E, à medida que recursos mais avançados e automatizados forem adicionados, os projetistas precisarão integrar switches Ethernet ao design. Diferentemente do protocolo CAN e outros anteriores, esse switch é necessário para direcionar o sinal com integridade e baixa latência para o destino desejado. É importante considerar desde o início onde colocar o switch, se ele deve estar em uma nova unidade de controle elétrico (ECU) dedicada ou em uma ECU existente, quantos cabos, conectores e sensores serão necessários e onde colocá-los. Essas considerações se aplicam a todas as funcionalidades avançadas do veículo que exigem Ethernet.

Geralmente, peças usadas em agricultura, construção, mineração etc. devem atender a padrões adicionais de robustez, especialmente se estiverem localizadas na parte externa do veículo, para proteção contra altas vibrações, choque físico, poeira, produtos químicos e água. Além disso, elas devem suportar faixas de temperatura de -40 °C (-40 °F) a 125 °C (257 °F) e permitir a manutenção em campo.

Os OEMs que precisam atualizar componentes, sistemas e redes em seus veículos podem se sentir confiantes sabendo que é possível projetar muitas aplicações de dados de alta velocidade usando uma tecnologia comprovada de conectores desenvolvida para o setor automotivo. Por exemplo, adicionamos carcaças robustas e atualizamos o design de nossos terminais MCON automotivos para criar um novo conector de Ethernet selado enetSEAL+ que atende à especificação 100BASE-T1. O conector transmite dados a até 100 MB por segundo.

Também adicionamos um conector de Ethernet termoplástico robusto para serviço pesado (Série de Conectores Selados para Serviço Pesado com Inserções MATEnet) à nossa série de conectores dessa categoria que pode transmitir dados a taxas de até 1 GB por segundo. Por ser compatível com nosso sistema de interconexão MATEnet, ele oferece flexibilidade e escalabilidade aos projetistas, e os OEMs podem usar cabos de par trançado com ou sem blindagem e ter um design com múltiplas interfaces híbridas.

O importante é escolher soluções como essas que se adaptam a praticamente qualquer ambiente adverso e qualquer aplicação de veículo pesado e que se destinam a aumentar segurança e produtividade, além de oferecer mais opções de infoentretenimento, incluindo telemática, diagnósticos a bordo, telas multifuncionais, câmeras a bordo, radar e LiDAR, entre vários outros recursos.

O Grande Passo da Ethernet na Arquitetura E/E! O protocolo CANbus é usado em veículos há mais de 30 anos.

Usar a Ethernet na arquitetura E/E é um grande passo porque essa tecnologia é muito mais rápida e complexa. Mesmo no design de uma arquitetura mista que só use a rede Ethernet quando apropriado, ela ainda terá que conseguir "falar" com a rede CAN mais lenta. Por esse motivo, os engenheiros devem projetar um gateway que traduza as mensagens mais rápidas para que a CAN as receba e as entenda.  

A maioria dos sistemas de conectores que já usam a Ethernet têm a velocidade de 100 MB da primeira geração. A segunda geração é dez vezes mais rápida, chegando a 1 GB, exigindo transceptores de maior frequência nas ECUs que precisam ser qualificados para os diferentes tipos de arquiteturas e topologias dentro do veículo. Sem muita experiência com esse protocolo, os engenheiros ainda estão aprendendo como o ambiente mecânico de um veículo pesado influenciará o desempenho elétrico das comunicações.

A Ethernet opera em frequências mais altas e, portanto, é mais sensível quando colocada perto de outras peças eletrônicas ou metálicas. As tolerâncias devem ser mais baixas e os projetistas precisam levar em conta possíveis EMI, distúrbios mecânicos, problemas de qualidade nos cabos e muito mais. No nível do componente, ao projetar a camada física, os conectores e cabos devem cumprir requisitos específicos de sua linha e função, bem como para todo o sistema. Em cada peça, os projetistas devem garantir que não haverá emissões prejudiciais que afetem outros sistemas próximos e que as emissões desses sistemas próximos não afetem a peça projetada.

A colocação é fundamental para evitar interferências de antenas ou outros componentes que emitem fortes campos eletromagnéticos. Escolher onde usar componentes e sistemas blindados e não blindados também é importante. Todos os aspectos da camada física precisam ser controlados em relação ao equilíbrio e à EMI.

Além de distúrbios eletromagnéticos e mecânicos, é vital entender como diferentes locais de trabalho (como fazendas, canteiros de obras ou minas) e as aplicações dos produtos podem afetar o desempenho elétrico do sistema de comunicação do veículo. Fatores como temperaturas extremas, altas cargas mecânicas, exposição química e poeira excessiva podem ter efeitos negativos nos cabos e conectores necessários para os links de dados de Ethernet e, portanto, devem ser levados em consideração no início do design.

O imenso tamanho de muitos veículos off-road também pode criar desafios para a integridade do sinal nas aplicações de Ethernet, que precisam mantê-lo em links de até 40 m (131,2 pés) e ainda resistir às condições adversas do ambiente. Como o transporte industrial/comercial usa cabos de 40 m, diferentemente do setor automotivo, todos os produtos e ECUs usados na camada física (cabos, conectores e transceptores) ser adaptados ao padrão de 40 m. O padrão Ethernet especifica até quatro conexões em linha. A qualidade do link de comunicação depende do comprimento de cada segmento (entre um conector e outro) e do roteamento pelo veículo.

Portanto, é imperativo realizar um número significativo de testes. Todos os componentes (ECUs, cabos, conectores, transceptores etc.) e sistemas precisam ser validados e qualificados para uso em veículos comerciais. É importante testar as configurações de diferentes maneiras para identificar o método que funciona melhor e é mais estável. Em seguida, todo o veículo deve ser colocado em uma câmara de EMI e testado de diferentes maneiras, incluindo configurações dentro do caminhão e simulações de diferentes condições, individuais e combinadas, que o veículo pode encontrar.

Os projetistas não podem abordar a Ethernet da mesma forma como outros protocolos de comunicação. Projetar a Ethernet em veículos pesados requer muito mais planejamento e esforço em comparação a outras redes, devido à complexidade já descrita aqui. Já vimos projetistas tentarem usar interfaces comuns a ambientes de escritório e bens de consumo, como RJ45 ou USB. Esses conectores não foram desenvolvidos para uso em ambientes adversos e não devem ser utilizados.

Em geral, um erro comum a evitar é subestimar os efeitos que as influências mecânicas têm no link de comunicação. Isso também inclui temperatura, umidade e outras condições ambientais que podem afetar as propriedades do material e, consequentemente, os links de comunicação. Atualmente, existem apenas dois padrões de Ethernet no setor automotivo, que são diferenciados pela velocidade: 100 MB e 1 GB (1.000 MB). Todos os componentes da camada física (transceptores, conectores e cabos) e o roteamento devem ser examinados de perto e testados para garantir estabilidade e desempenho em todas as condições e em todos os momentos.

Atenda aos requisitos do futuro hoje. Compradores nos setores agrícola, de construção e de mineração estão buscando funcionalidade que viabilize maior produtividade, segurança e sustentabilidade. Integrar a Ethernet na engenharia desses veículos e máquinas é essencial não apenas para as exigências atuais, mas também para atender à demanda de conectividade de grandes volumes de dados tanto no futuro imediato como no distante. As tecnologias atuais são um trampolim para uma maior autonomia que, eventualmente, será total.