Tiêu chuẩn mạng trong xe - Sự lựa chọn phức tạp giữa Ethernet, SERDES hay cả hai

Trong hệ thống dây dẫn của những chiếc ô tô trong thập kỷ 1960 như chiếc Hillman Hunter, của Công ty Hillman Motor Car Company, có trụ sở tại Coventry, Anh quốc chế tạo, chỉ có khoảng 50 sợi dây dẫn, với tổng chiều dài khoảng 33 mét.

Từ Chiếc xe hiệu Hillman Hunter được sản xuất những năm 60 của thế kỷ trước. Nguồn: unsplash.com

Hãy so sánh con số này với những chiếc ô tô hiện đại. Những chiếc xe hiện đại này có tới hơn 1500 dây dẫn, với tổng chiều dài có thể lên tới gần 2,4 km và trọng lượng hơn 50 kg. Trọng lượng của bộ dây dẫn có thể còn tiếp tục tăng.

Các nhà sản xuất ô tô tuyên bố rằng trọng lượng của hệ thống dây dẫn tăng khoảng 30% sau một lần thay đổi thiết kế mẫu xe, cùng với việc ứng dụng các công nghệ tự lái.

Do đó, liệu chúng ta có nên thống nhất sử dụng một tiêu chuẩn mạng giao tiếp trên xe ô tô?

Yêu cầu về băng thông đối với mạng giao tiếp trên xe tô tô (IVN) tương lai

Các yêu cầu đối với mạng giao tiếp trên ô tô (IVN) bao gồm băng thông cao, độ trễ thấp và độ tin cậy cao để có thể hoạt động trong môi trường vận hành khắc nghiệt của ô tô.

Trong những năm qua, đã có nhiều công nghệ như tương tự, mạng điều khiển (CAN), FlexRay, mạng liên kết cục bộ (LIN), báo hiệu chênh lệch điện áp thấp (LVDS) và công nghệ hệ thống đa phương tiện trên xe (MOST) đã được sử dụng cho mạng giao tiếp trên xe ô tô IVN.

Các mô hình mạng giao tiếp trên xe ô tô hiện đại.

Tuy nhiên, các công nghệ cũ này không thể hỗ trợ được các yêu cầu về băng thông của thế hệ ứng dụng tiếp theo; hơn nữa, một số công nghệ là công nghệ độc quyền và chi phí cao. Để hiểu rõ hơn về các yêu cầu băng thông, hãy ghi nhớ cách tính gần đúng tốc độ bit của luồng video như sau:

• Kích thước khung hình = Độ phân giải x Độ sâu màu

• Tốc độ bit = Kích thước khung hình x Tốc độ khung hình

Vì vậy, để truyền tín hiệu từ camera của Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS), quay hình ảnh với độ phân giải 1080p với độ sâu màu 24-bit và truyền ở tốc độ 30 khung hình / giây, tốc độ bit cần hỗ trợ là:

• Kích thước khung hình = 1920 x 1080 x 24 = 49,766,400

• Tốc độ bit = 49.766.400 x 30 = 1493 Mb/giây

Bảng dưới đây cho thấy khối lượng dữ liệu điển hình phát sinh từ các bộ cảm biến khác nhau được sử dụng cho quá trình lái xe tự động:

Nhiều tiêu chuẩn IVN cùng cạnh tranh

AUTOMOTIVE ETHERNET: Automotive Ethernet được coi là công nghệ thay thế cho các công nghệ IVN cũ, hầu hết các loại ô tô ngày nay đều được trang bị 100BASE-T (100 Mbps).

Các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này cho các mục tiêu khác nhau - ví dụ, Hyundai sử dụng cho hệ thống thông tin giải trí, trong khi Volkswagen sử dụng cho kết nối ADAS. Vào các năm 2019 và 2020, tiêu chuẩn này được bổ sung thêm tốc độ thấp (10 Mbps) và tốc độ multigigabit.

Tiêu chuẩn 802.3ch mới nhất cung cấp tốc độ dữ liệu 2,5 Gbps, 5 và 10 Gbps đã được hoàn thành đầu năm 2020. Ngoài ra, một nhóm công tác mới, nhóm IEEE 802.3cy, đã bắt đầu hoạt động vào năm 2020 để phát triển giao thức vật lý cho giao tiếp trên xe với các tốc độ 25, 50 và 100 Gbps.

SERDES (ASA): Một tiêu chuẩn khác cho IVN dựa trên giao thức serializer/deserializer (SERDES). Liên minh Automotive SerDes được BMW, Broadcom, Continental, Fraunhofer, Marvell và NXP thành lập vào năm 2019 để tiêu chuẩn hóa SERDES.

Hiện tại có 36 thành viên, liên minh này được tạo ra để mở rộng hệ sinh thái vượt ra ngoài các giải pháp SERDES độc quyền trên thị trường hiện nay, chẳng hạn như giải pháp FPD-Link của Texas Instruments, giải pháp GMSL của Maxim Integrated và giải pháp Apix của Inova Semiconductor. Tiêu chuẩn mới có thể cung cấp băng thông từ 3,6 đến 13 Gbps qua khoảng cách tối đa 15 mét.

SERDES (MIPI A-PHY): Vào tháng 11/2020, Liên minh MIPI đã phát hành thông số kỹ thuật ô tô A-PHY v1.0 SERDES PHY. Thông số kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu không đối xứng trong các cấu hình liên kết điểm đối điểm hoặc chuỗi, với khả năng cấp nguồn qua giao thức được cung cấp theo tùy chọn.

Tốc độ dữ liệu bằng 16 Gbps với lộ trình nâng lên 48 Gbps tốc độ đường xuống và 200 Mbps tốc độ đường lên; độ trễ thấp (6 micro giây) và khoảng cách truyền 15 mét.

Ứng dụng chính của công nghệ này là kết nối các cảm biến với bộ xử lý tín hiệu hình ảnh trong bộ điều khiển điện tử (ECU), và bộ xử lý tín hiệu đồ họa trong ECU với màn hình.

IVN Ethernet hay SERDES?

Một số nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp Cấp 1 cho rằng trong một vài năm đầu cả hai tiêu chuẩn có thể cùng được sử dụng. Tuy nhiên, trong tương lai xa hơn, tiêu chuẩn Automotive Ethernet với tốc độ dữ liệu lên đến 100 Gbps sẽ thay thế tất cả công nghệ khác.

Tuy nhiên, bà Kirsten Matheus, kỹ sư tại BMW, lại có quan điểm hơi khác. Bà cho rằng công nghệ SERDES là cần thiết và phù hợp cho các kết nối cảm biến ADAS để truyền dữ liệu bất đối xứng theo hình thức điểm đối điểm; còn Ethernet là một công nghệ mạng phù hợp với các ứng dụng ô tô khác.

Quan điểm của bà Kirsten cần được xem xét đánh giá một cách nghiêm túc, vì bà có vai trò quan trọng trong việc tiêu chuẩn hóa Automotive Ethernet. (Nguồn: Khởi động Liên minh Automotive SerDes, tháng 5 năm 2019, Salt Lake City).

Các nhà sản xuất OEM ô tô đang trong quá trình hoàn thiện lộ trình IVN có thể áp dụng một trong hai chiến lược dưới đây:

Chiến lược phòng ngừa rủi ro: triển khai cả hai Tiêu chuẩn IVN - cho đến khi các yêu cầu của ADAS đối với việc lái xe Cấp độ 3-5 được quy định rõ ràng hơn. Nhược điểm của cách tiếp cận này là có thể phải sử dụng thiết bị gateway để diễn dịch dữ liệu qua lại các miền/vùng khác nhau, làm tăng chi phí cũng như trọng lượng của hệ thống dây dẫn.

Chiến lược kỹ thuật: thiết kế để giải quyết nhu cầu kết nối điểm đối điểm tốc độ cao bằng cách tăng cường xử lý và nén dữ liệu tại từng thiết bị cảm biến. Nhược điểm của cách tiếp cận này là chi phí cho các bộ cảm biến tăng và phải giải quyết vấn đề tản nhiệt khi các thiết bị cảm biến phải xử lý nhiều dữ liệu hơn.

Đo kiểm IVN

Những phép đo quan trọng trong đo kiểm IVN là đo máy phát, đo máy thu và đo hiệu năng kênh. Khi phải thực hiện hàng trăm phép đo, ngoài các thông số kỹ thuật như băng thông, tốc độ lấy mẫu và độ phân giải tín hiệu, các kỹ sư ô tô còn cần có một phần mềm đo kiểm hợp chuẩn tự động có khả năng giải thích các thông số kỹ thuật, cho ra các kết quả có thể lặp lại, có chức năng hướng dẫn thiết lập với GUI thân thiện với người dùng và tạo báo cáo.

Việc đo kiểm máy phát chủ yếu được thực hiện bằng máy hiện sóng để đảm bảo tín hiệu được gửi đi không gây nhiễu; trong khi đó bộ kích tín hiệu hoặc bộ dạng sóng tùy ý được sử dụng để xác minh máy thu có thể việc phát hiện chính xác tín hiệu đầu vào.

Các phép đo trở kháng và suy hao phản xạ là các phép đo quan trọng trong miền thời gian và miền tần số để đảm bảo hiệu năng đáng tin cậy của hệ thống và để chẩn đoán các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu.

Kết luận

Ngành công nghiệp ô tô đã trải qua một chặng đường dài kể từ khi mẫu xe Hillman Hunter ra đời. Những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực phương tiện vận tải tự lái và được kết nối tạo ra những khó khăn thách thức mới cho mạng giao tiếp trên xe ô tô (IVN).

Các loại cảm biến, điều khiển và giao diện đa dạng cần thiết cho ADAS và các tính năng thông tin giải trí mới đòi hỏi kết nối băng thông tốc độ cao – tốc độ mà các mạng giao tiếp truyền thống như CAN, MOST và FlexRay không thể đáp ứng.

Các tiêu chuẩn mới như Automotive Ethernet và SERDES, với khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn, đã được ra đời để thỏa mãn nhu cầu của các phương tiện vận tải được kết nối trong tương lai.

Theo Tạp chí Điện tử