Cómo implementar la interfaz 10Base-T1S hacia una arquitectura de red unificada para automóviles

Ya es bastante difícil diseñar un automóvil moderno sin tener que lidiar con múltiples redes de comunicaciones, y las redundancias y conversiones de datos que conllevan. Pero parece que puede haber una mejor manera. 10Base-T1S es un estándar de red de Ethernet de aplicación automotriz desarrollado como parte del estándar IEEE 802.3cg 2019 publicado en 2020. Se trata de una interfaz de 10 megabits por segundo (Mbit/s) que completa un vacío en la cobertura de Ethernet en aplicaciones automotrices en el ámbito de las comunicaciones de datos de baja velocidad. A partir de eso, permite utilizar la misma pila de software y los mismos mecanismos de comunicación en todo un automóvil, lo que simplifica enormemente el diseño, la implementación y el mantenimiento del sistema. Veamos cómo funciona y cómo puede comenzar a utilizarlo.

10Base-T1S funciona sobre un único par trenzado sin protección y proporciona lo que la industria clasifica como tecnología de “Ethernet al límite”. Complementa a los ya existentes buses automotrices de Ethernet de mayor velocidad, como 100Base-T1 y 1000Base-T1, conocidos como SPE (Ethernet de par único) (Figura 1).

Figura 1: 10Base-T1S cubre el segmento de baja velocidad de datos de la red para una aplicación automotriz de Ethernet totalmente integrada. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El enlace funciona como un bus semidúplex con una longitud máxima de 25 metros (m). Es compatible con conexiones multipunto de dos a ocho nodos. La “S” en el nombre del estándar indica una implementación de corto alcance. 10Base-T1S pretende sustituir a los buses existentes, como CAN, CAN FD, LIN y RS-485, que tienden a formar “islas de comunicaciones”.

Un estándar relacionado, el 10Base-T1L, es una implementación de largo alcance destinada a aplicaciones industriales.

Cómo funciona 10Base-T1S

10Base-T1S utiliza DME (codificación Manchester diferencial). La DME codifica los datos utilizando la presencia o ausencia de una transición dentro de un ciclo de reloj para indicar el estado lógico de la señal. Si no hay transición durante un ciclo de reloj, el estado de los datos es un 0 lógico. Si hay una transición (positiva o negativa) en medio del ciclo de reloj, el estado de los datos es un 1 lógico (Figura 2).

Figura 2: Ejemplo de un flujo de datos codificado con Manchester diferencial de 10Base-T1S. Las líneas verticales de color naranja marcan los intervalos de reloj. Una transición durante el intervalo de reloj representa un 1; ninguna transición durante el intervalo de reloj representa un 0. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Los datos lógicos 1 pueden ser altos o bajos únicamente durante el intervalo de reloj; en comparación con el estado anterior, no se necesitan transiciones de reinicio. En cada intervalo de reloj, se produce un bit de datos, lo que facilita la recuperación del reloj en un entorno automotriz ruidoso.

En un entorno multipunto, hay varios dispositivos conectados al bus. 10Base-T1S utiliza PLCA (evasión de colisiones en la PHY [capa física]) para minimizar el tiempo muerto y evitar las colisiones de datos cuando varios dispositivos intentan hablar simultáneamente. La PLCA establece un ciclo de transmisión que se utiliza para orquestar las oportunidades de transmisión en el bus. Con la PLCA, la PHY de cada nodo tiene asignado un ID de PHY único. Solo la PHY que tiene esa oportunidad de transmisión puede transmitir.

Las oportunidades de transmisión se asignan mediante un algoritmo round-robin comenzando por el ID 0 de la PHY, que se asigna al maestro. Un nuevo ciclo se inicia cuando el nodo maestro envía un patrón de sincronización llamado BEACON para señalar el inicio del ciclo de PLCA. Los nodos pueden iniciar una transmisión solo cuando la oportunidad de transmisión coincide con su propio ID de nodo (Figura 3).

Figura 3: Un ejemplo de un ciclo de PLCA que comienza con el patrón de sincronización de BEACON (B). El ciclo de la izquierda es la duración mínima del ciclo del bus. El siguiente ciclo tiene una serie de variantes de transmisión permitidas. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Cualquier nodo puede saltearse una oportunidad de transmisión dejando la ranura de tiempo sin utilizar, como indica la “N”. Mientras está en la ranura asignada, el nodo puede transmitir sus datos. Los nodos pueden ampliar su ranura de tiempo, como se muestra en la ranura 2 (azul). El nodo transmisor puede insertar un “commit” en su ranura de tiempo para ampliarla y compensar los retrasos del MAC (control de acceso al medio), como muestra la ranura de tiempo 3 (amarillo). Un nodo puede poner en “modo ráfaga” un mensaje con alta prioridad, como muestra el ID 0 de la PHY (verde).

La PLCA está adecuadamente estructurada para evitar colisiones de paquetes de datos y maximizar la velocidad de transmisión.

La principal ventaja de 10Base-T1S es que simplifica la creación de redes en el automóvil al aprovechar la base de soporte existente de Ethernet. Utiliza la misma pila de software que 100Base-T1 y 1000Base-T1 sin puertas de enlace, solo con diferentes configuraciones de PHY y cableado.

Comenzar a utilizar 10Base-T1S

Microchip Technology ya ofrece tres transceptores 10Base-T1S: el LAN8670B1-E/LMX, el LAB8671B1-U38 y el LAN8672B1-E/LNX. Estos transceptores incluyen todas las características de 10Base-T1S y solo se diferencian en su paquete físico y en la interfaz de la ECU (unidad de control electrónico). El LAN8670 utiliza un paquete 32-VQFN y admite las interfaces de ECU de MII (interfaz independiente de medios) y de RMII (interfaz independiente de medios reducida); el LAN8671 se encuentra en un paquete 24-VQFN y admite la interfaz RMII; el LAN8672 se encuentra en un paquete de 36-VQFN y admite la interfaz MII. Los tres transceptores funcionan en el rango de temperatura ampliado del automóvil, de –40°C a más de 125°C, y con una alimentación de 3.3 voltios.

¿Quiere ver lo que pueden hacer estos transceptores? Microchip ofrece dos placas de evaluación basadas en el LAN8670. La primera es la placa de evaluación de la interfaz de Ethernet de la PHY EV08L38A, que incluye una interfaz USB, lo que permite que una computadora se conecte mediante USB2.0 a la red de Ethernet del 10Base-T1S. La segunda es la EV06P90A, que utiliza la interfaz RMII para conectarse a una de las ECU de Microchip.

Conclusión

Aunque las numerosas redes de comunicaciones que se encuentran en los automóviles tienen cada una su lugar, desde el punto de vista de la complejidad y el costo de la implementación general, limitar la variedad de redes suele ser una buena práctica. Dado que Ethernet ya está presente en los automóviles, es lógico ampliar su uso en la medida de lo posible. 10Base-T1S es una interfaz de Ethernet de aplicación automotriz que permite esta ampliación. Con ello, reduce los costos eliminando las puertas de enlace heredadas para una red de Ethernet total y conectando varias PHY en un bus común para reducir el cableado y los puertos de interruptores.