Jsou specifikace pro budoucnost dostačující?

Megatrend C.A.S.E. popisuje čtyři podstatná budoucí témata automobilového průmyslu: Connected, Autonomous, Shared & Service and Electric. Ústřední roli při tom hrají data a jsou tak hnacím motorem pro budoucnost automobilového průmyslu.

Z toho vyplývají dvě zásadní otázky: Jak data zvládají komplexnost systémů ve vozidlech a jejich další vývoj? A reflektují dnešní specifikace požadavky budoucnosti?

Právě těmito otázkami se zabýváme v tomto blogu. Dozvíte se zde, proč jsou potřeba nové systémy přenosu dat, jak vznikají, proč má smysl se včas zapojit do práce ve výzkumných výborech, jaký to má dopad na proces vývoje výrobku, a jak se výsledné požadavky přenášejí do specifikací a specifikačních listů.

Proč jsou potřeba nové systémy přenosu dat?

Systémy jako LIN, CAN a FlexRay se již mnoho let prosazují jako špičkové a spolehlivé systémy palubní datové sítě ve vozidlech. Tyto systémy však již nesplňují dnešní požadavky.

Zaprvé již nelze těmito systémy uspokojit poptávku po vyšších rychlostech přenosu dat. Proto byl Ethernet ve vozidle posuzován jako vhodný systém. Již před více než 10 lety se díky němu podařilo zkrátit dobu aktualizace při servisu vozidel, kdy ve srovnání se sběrnicí CAN, která nabízela rychlost 1 Mbit/s, Ethernet nabízel rychlost 100 Mbit/s (100BASE-TX). Zadruhé Ethernet poskytuje síťový systém se standardizovanými protokoly pro sjednocení komunikace.

Mezitím se v oblasti vývoje nových standardů Ethernetu pro automobilové aplikace událo mnoho. Průlomem bylo přijetí technologie BroadR-Reach založené na 100BASE-T (přenosová rychlost 100 Mbit/s) pro odesílání a příjem dat pomocí 1 datového páru Ethernetu – tak zvaného Single Pair Ethernetu (SPE), na rozdíl od minimálně 2 datových párů u standardního Ethernetu (100BASE-TX).

V různých pracovních skupinách se vyvíjejí standardy pro Automotive Ethernet, ale také pro aplikace SerDes (serialiser/deserialiser) se sériovým přenosem dat pomocí malého počtu kabelů pro přenos asymetrických dat po koaxiálních kabelech nebo kroucených dvojlinkách.

Nové systémy přenosu dat pro Automotive Ethernet nebo Automotive SerDes jsou potřebné k dosažení následujících výhod:

• vysoká rychlost přenosu dat
• sjednocení komunikace
• standardizované protokoly
• používání společných uzlů
• snížení nákladů (v závislosti na aplikaci)

Jak vznikají nové systémy přenosu dat?

Vývoj nových norem pro přenos dat je pro vývojáře u výrobců vozidel (OEM) nebo TIER1 nezbytností, aby vytvořili co největší ekosystém s produkty odpovídajícími požadavkům trhu.

Systémy přenosu dat vhodné pro aplikaci v automobilovém průmyslu jsou výsledkem práce zavedených průmyslových standardizačních orgánů, jako jsou IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) nebo MIPI (Mobile Industry Processor Interface Alliance), jejichž normy jsou využívány v mnoha průmyslových odvětvích.

Ale to stále nestačí! Vznikly také nové organizace, například OPEN Alliance (One Pair Ethernet) nebo Automotive SerDes Alliance (ASA), jejichž specifikace přímo zohledňují požadavky trhu na výrobky a komponenty pro automobilový průmysl. OPEN Alliance používá technologii BroadR-Reach a zavedla ji jako otevřený standard pro síťové aplikace v automobilovém průmyslu.

Standardy Automotive Ethernet z pracovní skupiny IEEE 802.3

Standard IEEE	Označení	Přenosová rychlost [Mbit/s]
IEEE 802.3bw	100BASE-T1	100	Již zveřejněno
IEEE 802.3bp	1000BASE-T1	1000	Již zveřejněno
IEEE 802.3ch	2.5GBASE-T1	2500	Již zveřejněno
IEEE 802.3ch	5GBASE-T1	5000	Již zveřejněno
IEEE 802.3ch	10GBASE-T1	10000	Již zveřejněno
IEEE 802.3cy	25GBASE-T1	25000	V přípravě

Proč je užitečné se včas zapojit do práce ve výzkumných výborech?

Účast výrobců vozidel (OEM) a dodavatelů v odborných skupinách a výzkumných výborech (např. IEEE, OPEN Alliance) je velice důležitá, protože zde spolupracují spolu s vysoce kvalifikovanými odborníky z řad systémových vývojářů.

Spolupráce odborníků z těchto oblastí je základem pro úspěšné nastavení specifikací nezbytných pro vývoj norem pro přenos dat. Na začátku se definují cíle těchto norem. V průběhu vývoje normy se pak stanovují určité rámcové parametry.

V rané fázi je možné aktivní účastí ovlivnit důležité vlastnosti fyzického přenosového média:

• • Maximální délka přenosového kanálu
  • Maximální počet konektorových systémů (inline konektory, přechod na desky plošných spojů)
  • Přenosové a odrazové vlastnosti
    • Vložný útlum
    • Útlum odrazu
    • Další vlastnosti fyzikálního přenosu
  • Vlastnosti EMC
    • Rušivé signály
    • Odolnost proti rušení
    • Přeslechy
  • Specifikace vlivů prostředí
    • Teplota
    • Vlhkost
    • Stárnutí
  • Specifikace mechanických vlivů
    • Dynamické namáhání
    • Statické namáhání

Základem pro úspěšný vývoj normy je pravidelná výměna informací mezi účastníky na konferencích a setkáních. Příslušné rámcové podmínky poskytují normalizační instituty.

Vliv a dopad na proces vývoje produktu

Výbory jsou závislé na aktivní účasti, příspěvcích a návrzích účastníků ohledně charakteristik budoucích systémů.

U vývojových partnerů nebo společností lze provádět předběžné zkoušky materiálů (objemových kabelů, konektorových systémů). Na základě těchto výsledků se stanoví mezní hodnoty pro budoucí normy.

To umožňuje vybudování kompletních úseků tras v rané fázi vývoje. Nové objemové kabely a nové konektorové systémy tak lze testovat již v rané fázi a souběžně s nimi vyvíjet nové výrobní technologie.

Takto se implementace daří ve společnosti MD ELEKTRONIK

Aktivní účast v těchto výzkumných výborech nám umožňuje testovat možné komponenty na zařízeních ve fázi standardizace a vyhodnocovat problémy při vytváření nových řešení kabelových propojek.

V oddělení výzkumu a vývoje jsou všechny potřebné komponenty, jako jsou objemové kabely a konektorové systémy, vybírány cíleně a podle příslušných aplikací.

V oblasti Coax produktů jsou vytvářena řešení pro přenos frekvencí od 50 MHz do 9 GHz pro anténní připojení nebo standardy SerDes (FAKRA, Mini Coax).

Datové kabely s kroucenou dvojlinkou (H-MTD nebo HSD) jsou vyvinuty pro přenosy LVDS nebo aplikace Automotive Ethernet.

Ve vývojových odděleních se provádějí elektrické, tepelné a mechanické simulace metodou konečných prvků a vysokofrekvenční simulace. V naší vlastní zkušební laboratoři akreditované podle normy IEC 17025 lze provádět všechny zkoušky požadované výrobci OEM pro uvolnění specifikačních listů.

Zkoušky zpracovatelnosti koaxiálních objemových kabelů a také nestíněných a stíněných kroucených dvojlinek a paralelních párů (UTP, STP, STQ a SPP) se provádějí v našem technickém centru na centrále v Německu nebo ve výrobních závodech.

Inovativní výrobní a spojovací technologie v kombinaci s vývojem automatizovaných výrobních zařízení umožňují konstrukci a výrobu kabelových propojek orientovaných na budoucí konkurenceschopnost v automobilovém průmyslu.

Jak jsou výsledné požadavky převedeny do specifikací a specifikačních listů?

Obsah zveřejněných norem a specifikací tvoří základ pro specifikace jednotlivých výrobků a specifikace zákazníků.

V případě aplikací Automotive Ethernet definuje např. OPEN Alliance TC9 požadavky na kanál a komponenty velmi podrobně. Tento popis elektrických a fyzikálních vlastností přenosu dat je výsledkem konsensu odborníků. To usnadňuje tvorbu specifikace produktu, protože na jedné straně jsou zde popsány potřebné zkoušky a postupy měření, a na druhé straně také konkrétní mezní hodnoty komponent.

Doporučujeme však opatrnost! Je třeba porovnávat požadavky a specifikace jednotlivých komponent. Příklady z praxe ukazují, jak náročné je porovnávat mezní hodnoty ze seznamů specifikací OEM datových kabelů (objemové kabely) a kompletních kabelových propojek. V některých případech platí pro sestavené kabely přísnější mezní hodnoty než pro objemové kabely. To musí příslušní odborníci vzít v potaz a hodnoty případně korigovat – nutnost splnit požadavky na přenos dat v celém segmentu trasy a zajistit odpovídající kvalitu dodavatelských řetězců.

Co bude dál?

Požadavky na systémy přenosu dat se zvyšují nejen z hlediska maximální délky a rychlosti přenosu dat. K tomu se také přidává potřeba najít způsoby, jak přenášet data a energii po stejných fyzických přenosových kanálech.

To se odráží v modelech zónové architektury ve vozidle. Další rozšiřování pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS – Advanced Driver Assistant Systems) směřuje ke zvýšení počtu senzorů ve vozidle.

Kromě napájení vyžadují senzory také připojení k palubní datové síti. Senzory lze integrovat do výměny dat prostřednictvím vysoce výkonných datových kabelů a napájet je napětím prostřednictvím napájení přes datové linky (PoDL) nebo napájení po koaxiálním kabelu (PoC).

S naším konektorovým systémem C-KLIC jsme vyvinuli vhodný systém, který kombinuje výhody vysoce výkonného napájení a přenosu dat s vysokou rychlostí přenosu dat.

I přechod pohonných systémů směrem k elektrickým pohonům s dobíjecími bateriemi (BEV – Battery Electric Vehicle) vytváří další požadavky na poháněcí mechanismus.

Velkou výzvou je zde elektromagnetická kompatibilita (EMC). Tyto problémy lze omezit použitím optických přenosových systémů, jako je Optical Automotive Ethernet (IEEE 802.3bv/IEEE 802.3cz) v palubní datové síti.

Na tuto výzvu reagujeme a vyvíjíme řešení pro přenos Automotive Ethernetu prostřednictvím optických komponent a optických kabelů.

Shrnutí a závěr

Soustředěný a strukturovaný pohled na budoucí témata je pro společnosti v automobilovém průmyslu důležitým předpokladem, aby mohly držet krok s dobou. Účastí ve výzkumných výborech a pracovních skupinách lze v rané fázi odvodit požadavky na nové produkty. To platí zejména pro fyzikální přenosová média s komponenty konektorových systémů a objemovými kabely a jejich zpracování při sestavení kabelových propojek. Základem úspěšných řešení přenosu dat je přezkoumání specifikací výrobků a jejich přizpůsobení příslušným aplikacím a požadavkům.

Proto budou „specifikace“ pro budoucnost nejen dostatečné, ale i vhodné!