Sự tóm lược

Các tiêu chuẩn mới Ethernet trong ngành ô tô IEEE tiếp tục ra đời, một trong những tiêu chuẩn mới nhất là Ethernet 10BASE-T1S. Bài viết này thảo luận về các xu hướng trong ngành công nghiệp ô tô quyết định những thay đổi trong kiến ​​trúc điện / điện tử (E/E) của xe và cách tiêu chuẩn 10BASE-T1S mới sẽ hỗ trợ và cho phép triển khai kiến ​​trúc mới này.

Xu hướng rất lớn cung cấp cơ hội mới

Ngành công nghiệp ô tô hiện đang trải qua một trong những giai đoạn cách mạng. Các nhà sản xuất ô tô cần nhanh chóng cung cấp các giải pháp cho một số xu hướng lớn như cá nhân hóa, điện khí hóa, tự chủ và kết nối đầy đủ. Các OEM sẽ cần phải sửa đổi hoàn toàn kiến ​​trúc E/E của họ để hỗ trợ chức năng mới. Mặc dù cuộc cách mạng này đặt ra một thách thức kỹ thuật đáng kể, nhưng nó cũng tạo cơ hội cho các OEM xem xét chuyển kiến ​​trúc E/E ra khỏi các giải pháp dựa trên miền, vốn đã trở nên khó sử dụng từ các tiện ích bổ sung liên tục qua các thế hệ nền tảng. Với sự thay đổi kiến ​​trúc quan trọng này, các OEM có thể tập trung vào việc tạo ra giải pháp kỹ thuật vượt trội đồng thời bổ sung thêm các luồng doanh thu sau bán hàng mới thông qua các tính năng như cá nhân hóa phương tiện, bán dịch vụ và over-the-air (OTA). Ngành công nghiệp đang hướng tới một kiến ​​trúc mới phổ biến, thường được gọi là kiến ​​trúc khu vực, và tìm cách tận dụng công nghệ và bài học từ các ngành khác, đặc biệt là lĩnh vực CNTT – làm cho chiếc xe về cơ bản có thể trở thành một chiếc máy tính trên bánh xe.

Kiến trúc khu vực xác định kết nối theo vị trí thực tế hơn là chức năng, như trường hợp của kiến ​​trúc dựa trên miền. Thay đổi này làm giảm đáng kể số lượng bộ điều khiển điện tử (ECUs) trên xe và loại bỏ tới 1 km¹ dây cáp. Thứ hai, nó tách phần cứng và phần mềm, cung cấp một kiến ​​trúc định hướng dịch vụ (SOA). Nhiều OEMs đang đầu tư mạnh mẽ để mang lại quyền sở hữu phần mềm trong nhà, với mục đích cung cấp giải pháp end-to-end giúp đơn giản hóa việc tích hợp các nền tảng và cung cấp nhiều chức năng hơn². Cách tiếp cận nền tảng phần mềm có thể mở rộng này sẽ giảm thiểu sự thay đổi, mở ra cơ hội đến các dòng doanh thu mới, dẫn đến giảm đầu tư cho R&D trong dài hạn và rút ngắn thời gian phát triển đồng thời hỗ trợ nhiều dòng xe hơi.

Những thay đổi kiến ​​trúc mang tính cách mạng này đi kèm với nhiều thách thức và đã khiến nhiều OEMs tái cấu trúc toàn bộ tổ chức của họ khỏi các nhóm riêng lẻ có quyền sở hữu để chỉ cung cấp các chức năng miền cụ thể và hướng tới các tổ chức đa chức năng tích hợp hơn.

Ô tô đang nhanh chóng trở thành một ngành tiêu thụ thiết bị Ethernet lớn và việc triển khai rộng rãi Ethernet trên các phương tiện giao thông được coi là một trong những trụ cột quan trọng để giới thiệu thành công những kiến ​​trúc mới này. Ethernet mang lại khả năng mở rộng cần thiết, hỗ trợ nhiều cấp tốc độ, là một phương tiện truyền dẫn mạnh mẽ đã được chứng minh, hỗ trợ kiến ​​trúc dựa trên dịch vụ và đã phát triển đầy đủ các khối xây dựng an toàn và bảo mật. Ethernet có một mô hình OSI được xác định rõ ràng và mạng được hiểu rõ giúp dễ dàng quản lý độ phức tạp của toàn bộ xe hơi.

Hình 1. Các kiến trúc khu vực ô tô.

Các khía cạnh độc đáo của ô tô

Trong khi nhiều khái niệm Ethernet cơ bản có thể được tận dụng từ các ngành công nghiệp khác, thì kiến ​​trúc E/E trên ô tô có một số yêu cầu riêng quyết định nhu cầu phát triển công nghệ mới. Một trọng tâm chính của ô tô là giảm trọng lượng của xe, điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động của xe. Dây cáp được sử dụng ngày nay là một trong ba hệ thống phụ nặng nhất trên xe (nặng tới 60 kg) ³. Cáp Ethernet truyền thống sử dụng bốn cặp/ đôi cáp khác nhau để truyền dữ liệu, làm tăng thêm trọng lượng và độ phức tạp của định tuyến, điều này không tối ưu cho các ứng dụng ô tô. Để giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn IEEE mới đã được phát triển để hỗ trợ truyền Ethernet qua cáp xoắn đôi đơn lẻ, cùng với việc giảm độ dài dây khai thác được kích hoạt bởi kiến ​​trúc khu vực, có thể giảm trọng lượng và tiết kiệm cáp đáng kể.

Điều gì thúc đẩy nhu cầu cho 10BASE-T1S?

Khi khái niệm về kiến ​​trúc dựa trên khu vực phát triển, điều hiển nhiên là cần có kết nối Ethernet tới các cảm biến biên/ cạnh và cơ cấu chấp hành để tận dụng đầy đủ các lợi thế của kiến ​​trúc mới này. Các công nghệ kết nối kế thừa hiện tại như FlexRay và CAN yêu cầu dịch giao thức thường được triển khai trong các cổng, điều này có thể làm tăng thêm chi phí, độ phức tạp và độ trễ. Các công nghệ Ethernet ô tô hiện có như 100BASE-T1 không đáp ứng được chi phí hệ thống để hỗ trợ chuyển đổi các ứng dụng kết nối biên sang Ethernet, vì công nghệ này yêu cầu sử dụng kết nối chuyển mạch điểm-điểm. Kết quả là IEEE đã kêu gọi sự quan tâm để đưa ra giải pháp cho vấn đề này. Một số yêu cầu chính bao gồm⁴:

• Truyền thông nhanh hơn các công nghệ hiện có; ví dụ: CAN (FD)
• Thay thế các công nghệ mạng cũ trong xe như FlexRay
• Một giải pháp thay thế cho 100BASE-T1 cho các ECU trong đó 100BASE-T1 không tiết kiệm chi phí và năng lượng
• Khả năng hỗ trợ kết nối cho các mạng cảm biến đơn giản và dự phòng

Vậy 10BASE-T1S là gì?

Đặc điểm kỹ thuật 10BASE-T1S được phát triển như một phần của tiêu chuẩn IEEE 802.3cg, được xuất bản vào tháng 2 năm 2020. 10BASE-T1S cung cấp liên kết còn thiếu trong hệ sinh thái Ethernet ô tô, cho phép kết nối Ethernet đến các thiết bị cạnh và giải quyết các nhu cầu của kiến ​​trúc khu vực.

Một khía cạnh thú vị và độc đáo của 10BASE-T1S khác với các công nghệ Ethernet dành cho ô tô khác là nó hỗ trợ cấu trúc liên kết đa điểm với tất cả các nút được kết nối qua cùng một cáp xoắn trần. Việc triển khai bus này cung cấp một BOM được tối ưu hóa chỉ yêu cầu một PHY Ethernet duy nhất trong mỗi nút, loại bỏ nhu cầu triển khai chuyển mạch hoặc cấu trúc liên kết hình sao liên quan đến các công nghệ Ethernet khác. Tiêu chuẩn quy định rằng ít nhất tám nút phải được hỗ trợ (có thể hỗ trợ nhiều nút hơn) và khả thi với chiều dài bus lên đến 25m.

Hình 2. Cấu trúc liên kết bus 10BASE-T1S.

Một khía cạnh mới khác của tiêu chuẩn là tính năng tránh va chạm lớp vật lý (PLCA), như tên gọi cho thấy, tránh va chạm trên mạng chia sẻ. Việc triển khai này đảm bảo độ trễ tối đa xác định được quyết định chủ yếu bởi số lượng nút trên mạng và lượng dữ liệu được truyền. Mỗi nút được chỉ định một cơ hội để truyền. Nếu một nút không có dữ liệu để truyền vào thời điểm đó, nó sẽ trao cơ hội truyền cho nút tiếp theo, do đó có sẵn việc hỗ trợ sử dụng tốc độ rất cao 10 Mbps.

Cũng có thể cấp nguồn qua mạng 10BASE-T1S vì nó là một hệ thống kết hợp AC. Điều này giúp tiết kiệm cáp hơn nữa, giảm kích thước đầu nối và cải thiện độ tin cậy do giảm độ phức tạp của cáp và đầu nối. Tiêu chuẩn hóa cấp nguồn qua đường dữ liệu (PoDL) —mà đã có sẵn để triển khai điểm-điểm — đang diễn ra như một phần của những cải tiến đối với tiêu chuẩn IEEE để hỗ trợ cấu trúc liên kết đa nền.

Các ứng dụng cho 10BASE-T1S trong ô tô rất rộng rãi và đa dạng với nhiều cảm biến và cơ cấu chấp hành trên nhiều chức năng trong phạm vi của thân xe, tiện nghi, thông tin giải trí và ADAS hỗ trợ lại xe tiên tiến đang được thảo luận.

Kết luận

Kiến trúc E/E dành cho ô tô đang trải qua một sự thay đổi mang tính cách mạng. Việc chuyển đổi sang kiến ​​trúc E/E vùng sắp xảy ra. 10BASE-T1S cung cấp liên kết còn thiếu để hỗ trợ quá trình chuyển đổi này với kết nối Ethernet tối ưu sang kết nối biên. Vẫn còn những trở ngại cần vượt qua trong đợt triển khai này, chẳng hạn như nhận thức rằng kết nối Ethernet làm tăng thêm chi phí thành phần và độ phức tạp cho việc triển khai mô-đun. 10BASE-T1S giải quyết trực tiếp những mối quan tâm này bằng cách cung cấp giảm chi phí hệ thống và nhiều tùy chọn sản phẩm hỗ trợ các loại phân vùng chuỗi tín hiệu khác nhau. Analog Devices hứa hẹn sẽ dẫn dắt triển khai của 10BASE-T1S thông qua việc tham gia tích cực trong các hoạt động chuẩn hóa và gắn kết các nhà sản suất thiết bị gốc – OEM nhằm đảm bảo các yêu cầu hệ thống của họ được giải.

Liên hệ với Analog Devices để biết rõ thêm về các dịch vụ sản phẩm 10BASE-T1S và họ dự định giúp triển khai 10BASE-T1S trong các ứng dụng ngành công nghiệp ô tô.

Tham khảo thêm tài liệu dưới đây

• Cariad. May 2021.
• Ryan Fletcher. “The Case for an End-To-End Automotive-Software Platform.” McKinsey & Company, January 2020.
• Dan Scott. “Wiring Harness Development in Today’s Automotive World.” Siemens, July 2020.
• 10Mb/s Single Twisted Pair Ethernet Call for Interest. IEEE 802.3 Ethernet Working Group.

Giới thiệu về tác giả

Fionn Hurley là giám đốc tiếp thị của Tập đoàn Điện tử Cabin Ô tô tại Analog Devices, Inc. (Limerick, Ireland). Fionn đã làm việc với Analog Devices từ năm 2007. Trước đây ông ấy đã từng giữ vai trò là một kỹ sư thiết kế RF. Ông có bằng cử nhân về kỹ thuật điện và điện tử tại Đại học College Cork ở Ireland. Có thể liên lạc với ông ấy tại fionn.hurley@analog.com.