adas interfete de comunicatii

Bitte decken Sie die schraffierte Fläche mit einem Bild ab.

Please cover the shaded area with a picture.

(24,4 x 7,6 cm)

ADAS

Interfețe de comunicații

Public 2Lucian Aluculesei © Continental AG

17 December 2020

1 Interfețe de comunicații

1.1 Introducere

1.2 CAN

1.3 Ethernet

1.4 PCI Express

1.5 V2X și 5G

1.6 Concluzii

Public 3

17 December 2020

1 Introducere

Sense Plan Act

O interfață este o parte a unui sistem care

servește comunicării. În general, termenul de interfață se referă

la un punct (cale) dintre două dispositive/componente ale unui

sistem, care (calea) este compatibil din punct de vedere

hardware și software spre ambele părți ce comunică fie uni- sau

bidirecțional. Pe scurt, sensul de interfață poate fi interpretat ca o

suprafață de margine sau graniță a unui element care servește

comunicației spre și/sau dinspre alte elemente.

Schimbul de informații și interacțiunea printr-o

interfață, între două unități de sistem, se realizează prin mărimi

fizice (tensiune, curent electric) sau prin mărimi logice (date)

care se pot prezenta sub formă de semnale analogice (continue)

sau semnale digitale (discontinue, discrete).

Lucian Aluculesei © Continental AG


17 December 2020

2 CAN

2.1 Arhitectura CAN

2.2 Structură și semnale

2.3 Implementare

Public

Dezvoltarea magistralei CAN (Controlled Aria Network) a început odată cu implementarea dispozitivelor

moderne în industria auto. Pentru a controla comportamentul vehiculelor dispozitivele trebuiau să schimbe informații intre ele.

La început, aceste schimburi de informații se realizau prin interfețe de tip point-to-point care aveau dezavantaje majore: cost

ridicat, timp de producție și fiabilitate. Soluția a fost a fost implementarea unui sistem de tip BUS.

Magistrala CAN(Bosch 1980) este o rețea de tip broadcast, half duplex, folosită pe distanțe de până la 40 de

metri, având capabilitatea să opereze la viteze de 20-125kb/s(CAN LS -low speed), 125-1000kb/s(CAN HS -high speed) iar

peste 1MB/s (CAN FD -flexible data rate, 2011).

17 December 2020

5Lucian Aluculesei © Continental AG

2 CAN

Plan

Public

17 December 2020


2.1 Arhitectura CAN

CAN Tranceiver-ul reprezintă interfața dintre dintre

nodul de tip CAN cu mediul de comunicare și are rolul

de a schimba biții în tensiuni și viceversa.

CAN Controller-ul este componenta hardware

responsabilă de managementul, filtrarea și transmiterea

datelor.

Nodurile CAN sunt conectate prin intemediul a 2 fire

torsadate. Terminația este facută printr-o rezistență de

120Ohm care are rolul de a adapta impedanța pentru a

evita aparitia reflexiilor.

Public

Toate aplicațiile CAN utilizează un µC cu

controler CAN încorporat și un transciever legat la

magistrală. Cele două tipuri de semnale procesate de

către transciever-ul CAN sunt monofazate (TXD și RXD)

și semnale diferențiale (CANH și CANL). În timpul

funcționării normale, transciever-ul CAN transformă

semnalul de ieșire din nivel logic TXD de la controlerul de

CAN al µC într-un semnal diferențial. De asemenea,

transformă semnalul diferențial al magistralei înapoi într-

un semnal logic RXD pentru intrarea în controlerul de

CAN al µC.

17 December 2020



Public

Magsitrala CAN are două stări logice: dominant și recesiv.Starea dominantă apare atunci când un nivel scăzut logic esteaplicat pe pinul de transmisie (TXD) al transcieverului.Starea recesivă corespunde unei stări ridicate logice pe pinul deintrare al transcieverului.

În starea recesivă, pinii CANH și CANL au același nivel: ~2.5V. Întimpul stării maidominante, pinul CANH are potențial de tensiunemare: ~3.5V, iar CANL are potențial de tensiune scăzut ~1.5V.

Scăzând cele două potențiale ale magistralei se poate determinastarea logică utilizând ecuația de mai sus.

Când Vdiff < 0.5V, magistrala este considerată a fi în starerecesivă- bit ‘1’, alternativ, dacă Vdiff > 0.9V atunci magistrala esteîn stare dominant simbolizand bit ‘0’.

17 December 2020



Public

Exemplu de aplicație.

Există așadar, un regulator dedicat de 5V care alimentează transceiverulTJA1043 și un regulator dedicat de 3V ce alimenteazămicrocontrolerul. Ambele regulatoare de tensiune sunt controlate prinieșirea INH a transceiverului, astfel încât în modul Sleep, ambeleregulatoare de tensiune sunt oprite. Mai mult, se utilizează pinulWAKE pentru posibilitatea de trezire locală, conectându-l la uncomutator lateral.

Descriere:

› rate de transfer de până la 5Mbit/s în faza de CAN FD

› opțiune de SPLIT pentru stabilizarea nivelului recesiv al magistralei

› funcția de wake up / sleep / standby disponibile cu ajutorul pinilor EN, STB_N, WAKE

17 December 2020


2.3 Implementare

https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TJA1043.pdf

Public

› WAKE poate fi folosit pentru a forța trezirea locală a transcieverului.

› ERR_N este o ieșire push-pull ce asigură semnalarea erorilor de către µC.

› INH folosit pentru a controla unul sau mai multe regulatoare de tensiune.

› VBAT asigură capacitatea de trezire locală dar și de la distanță a integratului

atunci când alimentarea VCC este oprită.

› VCC asigură curentul necesar pentru transmițător și receptor CAN. Un

condensator între 47nF și 100nF este recomandat a fi conectat între VCC și

GND în apropierea receptorului.

› VIO este conectat la tensiunea de alimentare a microcontrolerului pentru a

oferi o referință de tensiune corespunzătoare pentru pragul de intrare al

pinilor de intrare digitali și pentru tensiunea înaltă a ieșirilor digitale.

17 December 2020


TJA1043

2.3 Implementare


17 December 2020

3 Ethernet

3.1 Ethernet MAC

3.2 Ethernet PHY

3.3 Implementare

Public

Ethernet este numele unei familii de protocoale bazată pe transmisia cadrelor și utilizată la implementarea rețelelor locale detip LAN. Ethernet-ul se definește printr-un șir de standarde pentru cablare și semnalizare electrică aparținând primelor douăniveluri din Modelul de Referință OSI: Physical si Data Link.

17 December 2020


3 Ethernet

Deși ethernetul există din anul 1980, a fost introdus abia

în 2011 în domeniul automotive din cauza urmatoarelor

limitări:

1.Nu îndeplinea standardele OEM EMI/RFI. Ethernet-ul

genera prea mult zgomot RF și era susceptibil la zgomot

din exterior.

2. Nu putea garanta latență scăzută

3. Nu putea controla lațimea de bandă alocată.

→2011: BroadR-Reach(100Mbps) dezvoltat de Broadcom

→2015: IEE 802.3bw publică standardul 100-Base-T1 -

100Mbps

→2016: IEE 802.3bp publică standardul 1000-Base-T1 -

1000Mbps

Public

Interfețele modulelor Etherent:

› Interfețe specifice dispozitivelor ce utilizează în special stratul fizic: (MDI – Media Dependent Interface)

• Fast Ethernet (100 Mbit/s)

• Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s)

• 10-Gigabit Ethernet (10 Gbit/s)

› Interfețe specifice dispozitivelor ce utilizează în special stratul legătură de date: (MII – Media Independent Interface)

• MII, GMII, RMII, RGMII, SGMII etc

• MDIO

17 December 2020


3 Ethernet

Public

În standardele IEEE 802 LAN / MAN, Medium Access Controller (MAC, denumit si “protocol de acces media”) este stratul

care controlează hardware-ul responsabil pentru interacțiunea cu mediul de transmisie cu fir, optic sau fără fir.

Ethernet MAC-ul folosește nivelul legăturilor de date astfel comunicând cu alte dispozitive electronice prin MII (Media

Independent Interface). Ținând cont de rata de transfer a datelor MII poate fi de mai multe tipuri:

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

Interfață Numărul liniilor de

transmisie

Rata de transfer

Media Independent Interface (MII) 4 100Mbit/s

Reduced MII (RMII) 2 100Mbt/s

Gigabit MII (GMII) 8 1.0Gbit/s

Reduced gigabit/s MII (RGMII) 4 1.0Gbit/s

Serial gigabit/s MII (SGMII) 2 1.25Gbit/s

Quad serial gigabit/s MII (QSGMII) 2 5.0Gbit/s

Universal Serial 10GE MII (USXGMII) 2 10.0Gbit/s

40 gigabit/s MII (XLGMII) 40.0Gbit/s

100 gigabit/s MII (CGMII) 100.0Gbit/s

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

MIIFiind Media Independent înseamnă că diferite dispozitive de tip PHY pentru conectarea prin diferitesuporturi (pereche diferențială, cabluri torsadate, fibră optică) pot fi utilizate fără a reface design-ul MAChardware. Astfel, orice MAC este independent de suportul de transmisie a semnalului de rețea.

Semnale transmițător Semnale Receptor Management date

TX_CLK - transmiterea clock-

uluiRX_CLK – recepția clock-ului

MDIO-management date –bidirecțional

TXD[3:0] – transmisia datelor RXD[3:0] – recepția datelorMDC- managemanetclock de la MAC la PHY

TX_EN – activare transmisie RX_DV – recepția validarii

TX_ER – transmsia erorilor RX_ER – recepția erorilor

CS – detecție sens

COL – detecție coleziuni(opțional)

Clock-ul folosit este generat de PHY cu frecvența de 25MHz pentru 100Mbit/s sau 2.5MHz

pentru 10Mbit/s.

Transmisia datelor se face pe frontul crescător al semnalului TX_CLK.

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

Semnale transmițător Semnale Receptor

REF_CLK – clock 50MHz RXD[1:0] – recepția datelor

TXD[1:0] – transmisia datelor

RXDV – Validare date, multiplexat pe

cicluri de clock alternative. În modul

10Mbit/s alternează la fiecare 10

cicluri de clock

TX_EN – când este high are loc

transmisia datelorRX_ER – recepția erorilor

› Cele 2 clock-uri TX_CLK și RX_CLK sunt înlocuite cu unul singur REF_CLK. Acest clockeste o intrare în PHY care permite transmisia lui către celelalte PHY-uri printr-un dispozitivmulti-port.

› Frecvența de clock este dublată, de la 25MHz la 50MHz, iar datele sunt compresate de la 4la 2 biți.

› RXDV si CRS sunt multiplexați într-unul singur.

› COL dispare.

RMII

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

› Funcționează cu viteze de până la 1Gbit/s folosind un clock cu frecvența de 125MHz cu 8

linii de transmisie.

› Compatibil cu MII și poate funcționa cu 10 sau 100Mbit/s.

› Pentru transmisie se folosesc 2 clock-uri, pentru 1Gbit/s GTXCLK este furnizat de către

MAC și este sincronizat cu TXD, TXEN, TXER, iar pentru 10/100Mbit/s se folosește TXCLK.

› Pentru recepție se folosește doar un clock recuperat din datele recepționate.

GMII Semnale transmițător Semnale Receptor

GTXCLK – clock pentru 1Gbit/s RXCLK – clock pentru recepție

TX_CLK – clock pentru 10/100Mbit/s RXD[3:0] – recepția datelor

TXD[7:0] – transmisia datelor RX_DV – recepția validării

TX_EN – când este high are loc

transmisia datelorRX_ER – recepția erorilor

TXER – transmisia erorilor CS – detecție sens

COL – detecție coleziuni(opțional)

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

› RGMII folosește jumătate dintre pini în comparație cu

GMII. Această reducere este realizată prin transmiterea

datelor atât pe frontul crescător cât și pe cel descrescător

pentru 1Gbit/s și prin eliminarea semnalelor CRS și COL.

› Spre deosebire de GMII, transmisia clock-ului este facută

întotdeauna de către MAC pe TXC(TSCLK), indiferent de

viteză.

RGMIISemnale transmițător Semnale Receptor

TXCLK – Semnal de clockRXC – recepție clock(recuparat

din datele primite)

TXD[3:0] – Transmisie date RXD[3:0] – Recepție date

TX_CTL –Activare multiplexare

transmițător și transmiterea erorilor

RX_CTL – Activare multiplexare

receptor și recepția erorilor

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

› SGMII este folosit pentru 1GB/s ethernet dar poate fi folosit și pentru 10/100Mbit/s. Este

diferit de configurația MII datorită implementării low power(metoda LVDS) și prin utilizarea

numărului redus de semnale.

› Utilizează perechi diferențiale pentru TX, RX, CLK care funționează la frecvența de

625MHz. Viteza maximă pe care o poate atinge fiind 1.25Gbit/s.

› HISGMII este identic dar poate funcționa la viteze de până la 2.6Gbit/s.

› QSGMII combină cele 4 semnale SGMII într-o interfață de 5Gbit/s, principalul avantaj fiind

utilizarea unui singur clock.

› USXGMII este identic cu SGMII din punct de vedere hardware dar poate transfera date cu

viteza de pana la 10Gbit/s.

SGMII

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

Configurația de Strap

› Acești pini de strap sunt folosiți pentru a seta dispozitivul din punct de vedere hardwareîn anumite moduri de funcționare. Exemple: multiplexare de porturi, adresadispozitivului, tipul de bootare, viteză de bootare, alte moduri de funcționare etc.

› Pinii de strap sunt funcționali abia după ce RESET-ul este dezactivat, deaceea aceștianu pot fi conectați direct la VDDIO sau GND. Au nevoie de rezistori de pull-up, pull-down, sau în unele cazuri chiar de ambele. Valorile rezistențelor sunt de regulă celerecomandate de producator.

› În funcție de configurația internă dar și de plasarea/valoarea rezistorului de pull-up saupull-down acel pin poate indeplini 4 funcții logice. Exemplu:

Tipul Valoare RH (kΩ) Valoare RL (Ω)Valoare

logică

1 deschis deschis 0 0

2 10 2.49 0 1

3 5.76 2.49 1 1

4 2.49 deschis 1 0

Public

17 December 2020


3.1 Ethernet MAC

› Diagrama bloc a unui switch de Ethernet propus de Texas

Instruments.

› Aplicație tipică a unui MAC în care se utlizează conexiunea

SGMII între două dispozitive.

http://www.ti.com/product/DP83TC811S-Q1?qgpn=dp83tc811s-q1

Public

17 December 2020


3.2 Ethernet PHYInterfața de comunicare cu mediul fizic.

Exemple:

• 100Base-T – poate fi oricare interfață din sfera “Fast

Ethernet” de cabluri torsadate

• 100Base-TX – formă predominantă de Fast Ethernet,

rulează pe două perechi de fire

• 100Base-T1 – standardizat de IEEE 802.3bw-2015 clauza

96, datele sunt transmise pe o singură pereche de fire, 3

biți per simbol.

• 100Base-FX și 100Base-SX – sunt versiuni de Fast

Ethernet ce rulează prin fibră optică

100 BASE – T 1

Litera urmată de cratimă (T sau F) se referă la mediul fizic care poartă semnalul (pereche de fire torsadate sau fibră optică).

Ultimul caracter (1, 2, 4 etc) se referă la metoda codului liniar utilizat - câte perechi de cabluri torsadate se folosesc. Iar X este înlocuitor pentru FX și TX.

Cuvântul Base se referă la semnalizarea în bandă de bază.

100 se referă la viteza de transmisie, în acest caz de 100Mbit/s.

Public

17 December 2020


3.2 Ethernet PHY

Un cip PHY (PHYceiver) are scopul

de a oferi accesul fizic semnalului

analog de tip Ethernet. De regulă este

utilizat impreună cu un MAC sau

interfațat cu un µC care are grijă de o

funcție de nivel superior, mai apoi

PHY-ul preia semnalul către un mediu

fizic cum ar fi fibra optică sau cablurile

torsadate.


Public

17 December 2020


3.2 Ethernet PHY

Gigabit Ethernet (notat GbE sau

1GigE) este o tehnologie de

transmitere a cadrelor Ethernet la o

rată de un gigabit pe secundă, definit

prin standardul IEEE 802.3-2008.

Gigabit Ethernet este utilizat ca:

› Fibră optică – 1000Base-LX sau

1000Base-SX

› Cabluri torsadate, perechi răsucite

– 1000Base-T

› Cabluri echilibrate și ecranate –

1000Base-CX

Public

17 December 2020


3.3 ImplementarePentru ca un sistem de comunicații cu protocoale Ethernet să funcționeze trebuiesc urmate anumite standarde și regulistabilite de-a lungul timpului de IEEE 802.3. Acest grup a produs standarde care definesc nivelul fizic și legătură de date;standard ce fac posibilă funcționarea corectă a MAC-ului și a Ethernetului transmis prin fire.

De exemplu: Un întreg sistem de transmisie și recepție cu ajutorul protocoalelor Ethernet poate fi realizat astfel:O transmisie 100Base-T1 a unui PHY oferă capacitate de transmisie și recepție de 100Mbit/s printr-un singur cablu cuperechi răsucite, care suportă o lungime de cablu de până la 15m. Pentru ca această conexiune sa fie perfect valabilă șifară rate de erori foarte mari anumite cerințe trebuiesc respectate:

› Utilizarea corectă a unui cuplajului capacitiv: CMC, condensatori de decuplare, adaptare de impedanță;

› Protecție ESD;

› Utilizarea corespunzătoare a filtrelor.


17 December 2020

4 PCI-Express

4.1 Implementare

Public

PCI-E (Pheripheral Component Interconnect Express) este un standard de magistrală serială pentru conectareadispozitivelor auxiliare la o placa de bază. PCI-Express a venit ca un înlocuitor pentru sloturile AGP, PCI si PCI-X.Standardele PCI-E vin în generații diferite: PCIe Gen1.0a a fost lansată în 2002, iar cea mai nou generație PCIe Gen 5.0 aaparut in 2019

17 December 2020


4 PCI-Express

Caracteristici generale:

› Comunicația constă în traficul de date și starea mesajelor care suntîmpachetate și despachetate;

› Datele sunt trimise prin legături seriale punct-la-punct în pereche. SloturilePCI-E conțin de la 1 la 32 de linii, în puteri ale lui 2 (1, 2 ,4 ,8 etc);

› Fiecare linie este o pereche de linii de transfer de date, una pentrutransmisie și alta pentru recepție și este compusă din 4 fire;

› Lățimea de bandă mai mare este realizată prin gruparea canalelor;

› Magistralele seriale transmit date mai rapid decât cele paralele;

› PCI-E urmează un protocol format din 3 straturi: stratul de tranzacție,legătură de date și stratul fizic.

Public

PEX 8613 poate fi un bun exemplu de implementare. PCI-E switch cu

12 linii, 3 porturi Gen2.0.

› 5.0GT/s per linie sau16GB/s

› Condensatori serie pe liniile de TX (plasați aproape de integrat), pe

liniile driver-ului de Clock. Valoarea specificată de producator: 10 -

100 nF.

› CDR – Clock and data recovery

› PLL – Phase Lock Loop

› Un mechanism care poate crește calitatea Jitter-ului este diferența

de fază, care nu trebuie sa depășească 12ns.

› TDD – Transport Delta Delay

TDD = (T1+T2+T3) – (T4+T5) < 12ns

17 December 2020


4.1 Implementare

https://www.broadcom.com/products/pcie-switches-bridges/pcie-switches/pex8613


17 December 2020

4.1 Implementare

În tehnologia modernă, transferurile pe secundă și termenii săi secundari gigatransferuri pe secundă (prescurtat ca GT/s) și

megatransferuri pe secundă (MT/s) sunt un limbaj informal care se referă la numărul de operații de transfer de date care

apar în fiecare secundă în unele canale. De asemenea GT mai este denumit și rata de eșantion, adică numărul de

eșantioane de date capturate pe secundă, aceasta formă fiind utilizată cel mai frecvent în contexul transmiterii datelor

digitale.

› 1MT/s reprezintă 106 sau un milion de transferuri pe secundă

› 1GT/s reprezintă 109 sau un miliard de transferuri pe secundă

PCIe 1.1 x 1 bidirecțional poate transfera 250MB/s în fiecare direcție sau 500MB/s în total. Deoarece busul trebuie sa trimită

10 biți de date codificate pentru fiecare 8 biți de date necodificate, rata efectivă de biți este: 500MB/s x (8/10) sau 400MB/s.1 x

PCIe 1.1 x 16 linii poate transfera 4GB/s de date codificate sau 5GB/s de date necodate.

Procesul de codificare reduce rata de date utile transferate

în bus la 80% din viteza brută.


17 December 2020

5 V2X și 5G

5.1 Implementare

Public

Prin comunicarea V2X/Vehicul-la-X (Vehicul-la-Tot),

automobilele pot schimba actualizări în timp real ale

traficului și informații despre pericole rutiere și

îmbunătățesc funcțiile viitoare de asistență la

siguranță.

Comunicarea celulară V2X are un potențial puternic

pentru a deveni un facilitator cheie pentru conducere

automată și mobilitate inteligentă.

5G, următoarea generație de tehnologie de rețea

celulară, va fi capabilă să prelucreze până la 10

gigabiți de date pe secundă și va face posibilă

milioane de mașini să comunice între ele simultan.

17 December 2020


5 V2X - Introducere

Vehiculele conectate adaugă mult confort atunci când vine vorba de informații de ultimă generație. Dar au și potențialul de

a face conducerea mai sigură și mai eficientă prin comunicarea directă cu alte vehicule, infrastructură și cloud.

Vehiculele full autonome de mâine vor genera până la un gigabyte de date în fiecare minut, unele dintre ele urmând a fi

împărtășite cu alți participanți la trafic.

Public

Pentru mobilitatea viitoare 5G înseamnă, de exemplu, comunicarea

vehicul-cu-vehicul în timp real, datorită lățimilor de bandă mai mari

de până la 10 Gbit/s și o latență estimată în transmisia de date mai

mică de 1 milisecundă. Însă, de asemenea, sunt posibile actualizări

peste aer ale aplicațiilor și software-ului din vehicul aproape în timp

real.

Care sunt avantajele tehnologiei 5G?

› Rezoluție și lățime de bandă bidirecțională mai mare

› Internet rapid, de exemplu pentru descărcări de hărți, muzică

online și videoclipuri în mașină

› Comunicare directă - Până acum, vehiculele trebuiau să

comunice prin intermediul unui server. Cu 5G, vehiculele pot

comunica direct între ele fără nici o ocolire și astfel se informează

reciproc despre situații periculoase

› Implicarea tuturor utilizatorilor de transport - Pietonii și bicicliștii

fac parte din rețea.

17 December 2020


5 5G - Introducere


17 December 2020

5.3 Implementare

Tehnologia 5G.mp4


17 December 2020

6 Concluzii


17 December 2020

6 Concluzii

0.1M 1M 10M 100M 1G0.01M

10 Kbps

20 Kbps

5 Mbps

10 Mbps

100 Mbps

150 Mbps

1000 Mbps

bps

10G 100G

5 Gbps

15 Gbps

Public

› https://en.wikipedia.org/wiki/Communication_protocol

› https://ecee.colorado.edu/~mcclurel/CANPRES.pdf

› https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TJA1043.pdf

› https://en.wikipedia.org/wiki/Media-independent_interface#Gigabit_media-independent_interface

› https://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

› http://www.ti.com/product/DP83TC811S-Q1?qgpn=dp83tc811s-q1

› https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TJA1100.pdf

› https://www.broadcom.com/products/pcie-switches-bridges/pcie-switches/pex8613

› https://youtu.be/6Eho04iCMxw

› https://en.wikipedia.org/wiki/5G

Referințe

17 December 2020





https://en.wikipedia.org/wiki/Media-independent_interface#Gigabit_media-independent_interface

https://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express

http://www.ti.com/product/DP83TC811S-Q1?qgpn=dp83tc811s-q1


https://www.broadcom.com/products/pcie-switches-bridges/pcie-switches/pex8613

https://youtu.be/6Eho04iCMxw

https://en.wikipedia.org/wiki/5G

adas interfete de comunicatii

Documents