Implémenter l'interface 10Base-T1S pour une architecture réseau unifiée pour les automobiles

Il est déjà suffisamment difficile de concevoir une automobile moderne sans avoir à gérer de multiples réseaux de communication, ainsi que les redondances et les conversions de données qu'ils impliquent. Il se trouve qu'il existe peut-être une meilleure solution. La spécification 10Base-T1S est une norme de réseau Ethernet automobile développée dans le cadre de la norme IEEE 802.3cg 2019 publiée en 2020. Il s'agit d'une interface de 10 mégabits par seconde (Mb/s) qui comble une lacune dans la couverture Ethernet des applications automobiles dans le domaine des communications de données basse vitesse. Ce faisant, elle permet d'utiliser la même pile logicielle et les mêmes mécanismes de communication dans une automobile, ce qui simplifie grandement la conception, l'implémentation et la maintenance du système. Voyons comment cela fonctionne et comment vous pouvez vous lancer.

La spécification 10Base-T1S fonctionne sur une seule paire torsadée non blindée et fournit ce que l'industrie appelle la technologie « Ethernet to the Edge » (Ethernet en périphérie). Elle complète les bus automobiles Ethernet à plus haut débit existants, notamment 100Base-T1 et 1000Base-T1, connus sous le nom de Single Pair Ethernet (SPE) (Figure 1).

Figure 1 : La spécification 10Base-T1S remplit le segment à faible débit de données du réseau Ethernet automobile entièrement intégré. (Source de l'image : Microchip Technology)

La liaison fonctionne comme un bus semi-duplex avec une longueur maximum de 25 mètres (m). Elle prend en charge les connexions multipoints de deux à huit nœuds. Le « S » dans le nom de la norme indique une implémentation à courte portée. La spécification 10Base-T1S est destinée à remplacer les bus existants tels que CAN, CAN FD, LIN et RS-485 qui ont tendance à former des « îlots de communications ».

Une norme connexe, la spécification 10Base-T1L, constitue une implémentation à longue portée destinée aux applications industrielles.

Fonctionnement de la spécification 10Base-T1S

La spécification 10Base-T1S utilise le codage Manchester différentiel (DME). Le DME code les données en utilisant la présence ou l'absence de transition dans un cycle d'horloge pour indiquer l'état logique du signal. S'il n'y a pas de transition pendant un cycle d'horloge, l'état des données est un 0 logique. S'il y a une transition (positive ou négative) au milieu du cycle d'horloge, l'état des données est un 1 logique (Figure 2).

Figure 2 : Exemple de flux de données à codage Manchester différentiel 10Base-T1S. Les lignes verticales orange marquent les intervalles d'horloge. Une transition pendant l'intervalle d'horloge représente un 1 ; aucune transition pendant l'intervalle d'horloge représente un 0. (Source de l'image : Art Pini)

Les données présentant un 1 logique peuvent monter ou baisser pendant l'intervalle d'horloge uniquement, par rapport à l'état précédent, et aucune transition de réinitialisation n'est nécessaire. Un bit de données se produit dans chaque intervalle d'horloge, ce qui facilite l'extraction du signal d'horloge dans un environnement automobile bruyant.

Dans un environnement multipoint, plusieurs dispositifs sont connectés au bus. La spécification 10Base-T1S utilise la prévention des collisions de la couche physique (PHY) (PLCA) pour minimiser le temps de récupération et éviter les collisions de données lorsque plusieurs dispositifs tentent de communiquer simultanément. La prévention PLCA établit un cycle de transmission qui sert à orchestrer les opportunités de transmission au niveau du bus. Avec la prévention PLCA, la couche PHY de chaque nœud se voit attribuer un identifiant PHY unique. Seule la couche PHY qui détient cette opportunité de transmission est autorisée à transmettre.

Les opportunités de transmission sont allouées dans un algorithme d'ordonnancement circulaire à partir de l'identifiant PHY = 0, qui est alloué au nœud maître. Un nouveau cycle démarre lorsque le nœud maître envoie un schéma de synchronisation appelé BEACON (balise) pour signaler le début du cycle PLCA. Les nœuds ne peuvent commencer une transmission que lorsque l'opportunité de transmission correspond à leur propre identifiant de nœud (Figure 3).

Figure 3 : Exemple de cycle PLCA commençant par le schéma de synchronisation Beacon (B). Le cycle le plus à gauche correspond à la durée minimum du cycle de bus. Le cycle suivant présente un certain nombre de variantes de transmission autorisées. (Source de l'image : Art Pini)

Tout nœud peut sauter une opportunité de transmission en laissant le créneau inutilisé, comme indiqué par le « N ». Pendant le créneau attribué, le nœud peut transmettre ses données. Les nœuds peuvent élargir leur créneau, comme illustré par le créneau 2 (bleu). Le nœud émetteur peut insérer un « commit » (validation) dans son créneau afin de le prolonger pour compenser les retards de contrôle d'accès au support (MAC), comme illustré par le créneau 3 (jaune). Un nœud peut envoyer un message en « mode rafale » avec une priorité élevée, comme illustré par l'ID PHY 0 (vert).

La prévention PLCA est bien structurée pour éviter les collisions de paquets de données et optimiser le débit de données.

Le principal avantage de la spécification 10Base-T1S est qu'elle simplifie les réseaux automobiles en s'appuyant sur la base de support existante d'Ethernet. Elle utilise la même pile logicielle que les spécifications 100Base-T1 et 1000Base-T1 sans passerelles, mais avec des configurations PHY et un câblage différents.

Premiers pas avec la spécification 10Base-T1S

Microchip Technology fournit déjà trois émetteurs-récepteurs 10Base-T1S : LAN8670B1-E/LMX, LAN8671B1-U38 et LAN8672B1-E/LNX. Ces émetteurs-récepteurs incluent toutes les fonctionnalités de la spécification 10Base-T1S et ne diffèrent que par leur boîtier physique et l'interface de leur calculateur (ECU). Le LAN8670 utilise un boîtier 32-VQFN et prend en charge les interfaces ECU MII (media independent interface) et RMII (reduced media independent interface). Le LAN8671 est fourni en boîtier 24-VQFN et prend en charge l'interface RMII. Le LAN8672 est fourni en boîtier 36-VQFN et prend en charge l'interface MII. Ces trois émetteurs-récepteurs fonctionnent dans la plage de températures automobiles étendue de -40°C à +125°C, sur une alimentation de 3,3 volts (V).

Vous voulez voir ce que ces émetteurs-récepteurs peuvent faire ? Microchip propose deux cartes d'évaluation basées sur le LAN8670. La première est la carte d'évaluation d'interface PHY Ethernet EV08L38A, qui inclut une interface USB, permettant à un ordinateur de se connecter par USB2.0 au réseau Ethernet 10Base-T1S. La seconde est la carte EV06P90A, qui utilise l'interface RMII pour la connexion à l'un des calculateurs de Microchip.

Conclusion

Bien que les nombreux réseaux de communication présents dans les automobiles aient chacun leur place, du point de vue de la complexité globale de l'implémentation et des coûts, il est généralement recommandé de limiter la variété de ces réseaux. Ethernet étant déjà présent dans les automobiles, il est logique d'étendre son utilisation autant que possible. La spécification 10Base-T1S est une interface Ethernet automobile qui permet cette extension. Ce faisant, elle réduit les coûts en éliminant les anciennes passerelles pour un réseau Ethernet total et en connectant plusieurs couches PHY à un bus commun pour réduire le câblage et les ports de commutation.