Hvordan automotiv ethernet bidrar til utviklingen av Domain Controllers

Tradisjonelt er alle styreenheter i en bil en "stand-alone" enhet med egen sensorer og aktuatorer. Disse sensorene og aktuatorene var da direkte forbundet med styreenheten. Enkel og greit. Men etterhvert som antallet sensorer, aktuatorer og styreenheter økte, ble ledningsnettet stadig større i omfang. Det var bokstavelig talt flere kilometer ledninger i bilen og å holde oversikten ble stadig vanskeligere. Det måtte det finnes en løsning på.

Derfor ble CAN-nettverket innført på begynnelsen av 90-årene. Styreenheter ble da i stand til å utveksle informasjon med hverandre og dermed samlet ta i bruk signaler fra sensorene. En sann revolusjon i bilverdenen. Siden da er nettverkarkitekturen i et kjøretøy vært under sterk utvikling. Og med komsten av elektriske drivlinjer og autonom teknologi vil det i nærliggende framtid garantert gjøres store steg innen nettverksteknologi.

Det betyr også at mye vil forandres i måten elektronika blir implementert på i kjøretøyer. For å gjøre en lang historie kort: Innen 10 år vil en såkalt domain controller eller "supercomputer" kontrollere og ha styring over alle funksjoner i hele drivlinjen. Styreenheten (ECU) slik vi kjenner den vil da få en underordnet rolle. Og etterhvert som disse domain controllers og de tilhørende nettverkene utvikler seg, vil "stand-alone" styreenheter forsvinne slik at all kommunikasjon og regulering av data vil skje med en håndfull domain controllers.

Men før det er kommet så langt vil vi gjerne forklare litt om nettverket som kommer til å spille en viktig rolle. for selv om automotiv ethernet har vært til stede en stund, ser vi at oppfinnsomheten rundt kapasitet og bruk stadig forbedres.

Begynnelsen: En sentral gateway

Bilbranjsen er kontinuerlig på jakt etter mer datahastighet og stadig mer muligeheter for intern kommunikasjon. Allerede i 2004, mens FlexRay nettverket fremdeles var på utviklingsstadiet, realiserte bilfabrikantene at de måtte stake ut en ny kurs når det kom til kommunikasjon melleom de forskjellige styreenhetene. Størrelsen på software-oppdateringer begynte å bli uhåndterbar og med hastigheten i det da vanlige HS CAN, ville en oppdatering ta flere titalls timer! Dette er selvfølgelig ikke særlig brukbart for et verksted.

Løsningen kom i 2008 i form av en sentral gateway. Den hadde ikke bare som oppgave å utveksle data mellom de forkjellige bestående CAN-, FlexRay- og MOST (Media Oriented Systems Transport)-nettverkene, men skulle også tjene som et brukergrensesnitt for diagnoe og programmering (softwareoppdatering o.l.) BMW var først ute med en slik sentral gateway.

Bilde: Pinnene 3, 11, 12 og 13 i OBD-porten blir brukt om via en ethernetforbindelse til å kommunisere med diagnoseapparturet

OBDII-porten hadde dermed ikke bare to CAN-linjer for å kommunisere med verkstedutstyret, men fire ethernetlinjer som korresponderer med RJ-45 konnektoren vi kjenner så godt fra ethernet i datanettverk. Pinnene 3, 11, 12 og 13 i OBD-porten blir brukt om via en ethernetforbindelse til å kommunisere med diagnoseapparturet.

Bilbransjens ethernetstandard: 100BASE-T1

Ethernet-teknologien er i seg selv ingen nyhet. Men en tilpasning for bruk i kjøretøy fantes ikke på grunn av strenge krav til chips og andre elektroniske komponenter. Fram til 2004 ble ethernet ikke brukt i kjøretøyer og det måtte spesielt utvikles en hel rekke nye chips, halvledere og brytere for dette formålet. Også ledningsnettet var en utfordring, for av flere grunner var det ønskelig å oppnå en hastighet på 100 Mbps i en Unshielded Twisted Single Pair-kabel. Slike kabler brukes også i CAN og FlexRay. Til slutt oppstod det en egen standard for bilbransjen: 100BASE-T1. Denne standarden ble introdusert i 2013 hadde en datahastiget på 50 Mpbs. I 2020 ble 1000BASE-T1 introdusert med en datahastighet på 1000 Mpbs eller 1 Gpbs. Det blir i mellomtiden jobbet med å oppnå nettverkhastigheter på opptil 50 Gpbs.

Muligheter for framtida

Fordi Ethernet er etablert overalt i dagliglivet, er mulighetene imidlertid blitt uendelige. Datateknologien til dagens PC-er, bærbare datamaskiner og nettbrett kan også implementeres i kjøretøy med ankomsten av Automotive Ethernet. Dette betyr også at grafisk datakraft for autonom kjøring ikke lenger er et problem.

For å få het helhetlig bilde på forandringene i nettverkarkitekturen, er det nødvendig å forstå hvordan den nåværende (tredje generasjons) kommunikasjonen i er organisert. I bildet under er den sentrale gateway gjengitt som den største lilla firkanten. De små grønne firkantene er styreenheter som har sine egne kommunikasjonsnettwerk: LIN, CAN eller FlexRay.

Bilde: Kommunikasjonsnettverkarkitektur i dagens (tredje generasjons) kjøretøy

Antallet styreenheter begynner imidlertid å komme ut av kontroll og dagens styreenheter vil ikke lenger kunne håndtere sine oppgaver i nær framtid. Derfor vil det under den sentrale gateway'en komme domain controllers som også vil kommunisere over ethernettet (Også gjengitt i lilla). En av disse domain controllers vil utelukkende ta hånd om alle data og funksjoner som har med autonom kjøring å gjøre. Dette fjerde generasjons nettverk vil fortsatt ha styreenheter og subnettverk, men der hvor det er nødvendig vil nettverket kunne håndtere en betydelig økning i datahastigheten.

Bilde: Fjerde generasjon nettverkarktitektur i den nære framtid

Det er vanskelig å spå hvordan femtegenerasjons nettverket kommer til å se ut i praksis, men med implementering av domain controller forventer man i hvert fall én tydelig trend: Strukturen vil blir betydelig mindre kompleks på grunn av en sterk reduksjon av antall komponenter. Komsten av smarte sensorer og aktuatorer vil gjøre bruken av kontrollenheter overflødig. Det vil oppstå et kraftig og lett nettverk med noen få domain controllers og supercomputere som via tett samarbeid vil kunne styre alle systemene i kjøretøyet.