Főoldal RendszerintegrátorNagyok, kemények és okosak – avagy hogyan forradalmasíthatja az ethernetalapú Quiet-WIRE technológia az autonóm ipari járművek piacát

2018. október 24., szerda :: Jason Tollefson

Nagyok, kemények és okosak – avagy hogyan forradalmasíthatja az ethernetalapú Quiet-WIRE technológia az autonóm ipari járművek piacát

Jóllehet, manapság az önvezető autók témaköre rendkívül sok figyelmet kap és kétségtelenül egy rendkívül izgalmas és ígéretes szakterület, a személyautó nem az egyetlen olyan jármű, amely automatizálható. Az ipari járművek és teherautók az autonómiából ugyanúgy részesülhetnek

A mezőgazdaságban, építőiparban és áruszállításban használatos ipari járművek a jelenleg fejlesztés alatt álló, elsősorban személyautókhoz igazított kommunikációs technológiák szempontjából – elsősorban a járművek kialakítása és mérete okán – különös kihívásokat jelentenek. Pusztán a kommunikációs folyamatok lebonyolításához használt kábelek hosszúsága miatt fokozott zavarérzékenységre lehet számítani, ami az elektromágneses kompatibilitásra, más néven az EMC-teljesítményre egyértelműen káros hatású.

microchip 18 6 1a

1. ábra. Autonóm működésre felkészíthető ipari járművek

Autonóm ipari járművek

Az építőiparban használt járműveket illetően a biztonság és hatékonyság a két legfontosabb előny, amit azok autonóm működése adhat. A biztonságot fokozhatja például a 360 fokban látó, valósidejű panoráma-kamerarendszer integrálása, ami elősegítheti az ember-gép interakció csökkentését (pl. bányatelepeken), vagy például a távvezérlés is, ami szintén lehet az automatizálás pozitív eredménye, és rendkívül hatásos segítséget jelenthet iparterületeken végzett bontási munkálatoknál. A járműkezelő kiiktatása a képből lényegében nullára csökkenti a sérülésveszélyt. A hatékonyságot növeli a globális navigációs rendszer (GNSS – Global Navigation Satellite System) integrálása, amely bizonyos szenzorokkal (pl. pengeállás- és inerciaszenzorok) kombinálva jelentősen felgyorsíthatja a talajművelést a mezőgazdaságban.

Apropó, mezőgazdaság! – a földművelésben az autonóm járművek alkalmazásában a hatékonyság a kulcsszempont. A kamerarendszerek kombinálása a kormányművekkel például csökkenti a jármű kerekei által megrongált terménymennyiséget, ezenkívül gyorsítja a járművet, és pontosítja annak kormányzását is, ami nemcsak gyorsabb munkavégzést, hanem jobb terménykihozatalt is elérhetővé tehet.

Az áruszállító tehergépjárművek, különösen a nyerges vontatók várhatóan szintén nagy nyertesei lesznek az autonómmá alakításnak. Már tavaly sikeresen tesztelték a technológiát egy teljesen önvezető kamionnal végzett sörszállítmány kézbesítésével. A kamerákat, LIDAR-t és egyéb szenzorokat felvonultató kamion számos nyugat-amerikai államot átszelve (amelyekben engedélyezett autonóm járművek úthasználata) közlekedett, és teljesítette feladatát. A technológia alkalmazása jelentős energiamegtakarítást, biztonságot és jobb járműkihasználtságot biztosít.

Egy dolog közös mindhárom járműtípusnál: a biztonságos és hatékony üzemeltetés elengedhetetlen előfeltétele a zökkenőmentes adatcsere és kommunikáció a járműveken belül, hosszú vezetékeken keresztül. Vizsgáljuk meg hát azokat a technológiákat, amelyeket előszeretettel alkalmaznak az automatizálásban, és ellenőrizzük kompatibilitásukat ezekkel az óriásjárművekkel!

Kommunikációs technológiák

Az önvezető járművek különböző video-, audio-, szenzor- és telematikai alrendszerének logikai összekötésére számos buszrendszer alkalmazása áll rendelkezésre, amelyek közül a CAN, CAN-FD, LVDS, MOST és Ethernet a legelterjedtebbek közé tartoznak. Az ipari járművek felsorolt típusaiban a leírtaknak megfelelően tetemes fizikai hosszúságú kábelrendszer helyezkedik el, ezért minden buszrendszernél számításba kell venni az áthidalható fizikai távolságokat és az ezáltal elérhető sávszélességeket. Az alábbi 1. táblázat összeveti a kommunikációs technológiákkal áthidalható vezetékhosszúságokat, az elérhető adatsebességet és az ehhez szükséges kábelezéstípust.

1. táblázat. A különböző jármű-elektronikai buszrendszerekkel áthidalható vezetékhosszak, a realizálható adatsebesség és az ehhez szükséges kábelezéstípusok összehasonlítása

Noha a lokális szenzorok adatforgalmi igényét jól kielégítik, a CAN és CAN-FD buszrendszerekkel elérhető adatsebességek túlságosan alacsonyak az önvezető járművekhez megfelelő videoátvitelhez. A 4K felbontású, tömörített video adatrátája a 12 Mibit/s-ot is meghaladhatja, ami önmagában másfélszer több a CAN-FD lehetőségeinél a teljes adatsebességre nézve, ráadásul minél több kamera kerül a járműbe, annál nagyobb az adatátviteli igény is. Az Egyesült Államokban forgalomban lévő nyerges vontatók hosszúsága akár 18 méter is lehet, ami az LVDS ls Ethernet 802.3bw (100Base-T1) technológiák használatát kapásból kizárja, hiszen hálózati kapcsolók vagy ismétlők beiktatása nélkül ezekkel ekkora távolságokon videó nem játszható át. Négy lehetőség máris kiesett, és maradt a versenyben a MOST és az Ethernet Quiet-WIRE.

Az elektromágneses kompatibilitás kérdése

Fizikailag nagynak és keménynek lenni az önvezető járművek világában nem elég, ellen kell állni a környezeti hatásoknak is, ami azt jelenti, hogy egyrészt a környezetből érkező elektromágneses erőtér hatásának ellen kell tudni állni, másrészt pedig a védett jármű sem kelt a határértékeket meghaladó erőteret, és ezzel nem rontja a rendszerek adatátviteli jellemzőit sem.

2. ábra. Az elektromágneses erőtér erővonalai

Az 1. táblázatban bemutatott busztechnológiák mindegyike EMC szempontból robusztusnak tekinthető, többek között ezért is használják mindegyiket különböző feladatok megvalósítására a járműiparban. A 2. táblázat foglalja össze az egyes buszrendszerekben használt, vezetékezésben implementált jelzési módszereket.

2. táblázat. A különböző jármű-elektronikai buszrendszerek által használt jeltípusok

Az ethernettechnológiánál megfigyelhető, hogy egyre nagyobb teret nyert az ipari járművekben a konkurens technológiákkal szemben, köszönhetően elsősorban a kiszámítható és tervezést jól támogató EMC teljesítményének, nagy sávszélességének és szabványosított jellegének. De vajon hogyan befolyásolja az elektromágneses erőtér jelenléte az ethernetalapú kommunikáció teljesítményét?

Az elektromágneses kompatibilitás kérdéskörében az emissziók és az érzékenység csomagvesztésekért lehet felelős, ami végeredményben sikertelen adatátvitelt eredményez, és a hálózati kommunikációs partnereket megfelelő információ hiányával terheli. Az emisszió forrása lehet a környezetben működő más elektronikai áramkör vagy villanymotorok is, amelyek zajt indukálnak az ethernet buszvezetékeire. Az ilyen jellegű emissziókkal szembeni érzékenység különböző módszerekkel csökkenthető. Ezek egyike a Quiet-WIRE technológia, amelynek célja a vevőoldali vételi érzékenység és szűrés hatékonyságának emelése, illetve adóoldalon a zajemisszió csillapítása.

A zajimmunitás kimérésére egyik általánosan használt módszer az árambetáplálás (BCI – Bulk Current Injection). A 3. táblázat a Quiet-WIRE szabványú vevő BCI-mérési módszerrel meghatározott teljesítményét mutatja, amiről leolvasható, hogy 200 mA mértékű, zajforrást imitáló áram betáplálása mellett a teljes, 1 ... 400 MHz frekvenciatartományban a Quiet-WIRE vevő hibamentes működést valósít meg, túlteljesítve ezzel a járműipari követelményeket. Ezzel szemben látható az is, hogy a Quiet-WIRE technológiát nem támogató vevők vételi teljesítménye jelentősen, 9 dBm-mel is csökken ebben a tartományban és környezetben, ami tizedakkora teljesítményt jelent.

3. ábra. A Quiet-WIRE technológiát támogató és anélküli vevők zajérzékenysége és teljesítménye

A Quiet-WIRE technológia további előnye a jelminőség-indikátor (SQI – Signal Quality Indicator) támogatása. Az SQI egy numerikus érték, ami a körülbelüli jel/zaj viszonyt fejezi ki, jellemzést adva a kábelhosszúságra, a vezetékminőségre és a becsatolt környezeti zajra. Az SQI valósidőben monitorozható és felhasználható többek között a fizikai kapcsolat meghibásodásának előrejelzésére és a szabványkövetelmények teljesítésének támogatására is, elősegítve a megbízható, biztonságos üzemelést.

A Quiet-WIRE technológiás hálózati kapcsolók és fizikairéteg-interfészek

A Microchip Technology KSZ8061 típusszámú fizikairéteg-interfésze és a KSZ8567 hálózati kapcsolója alapján teljes értékű, szabványos Quiet-WIRE-hálózat implementálható. A 4. ábra egy olyan ipari jármű blokkvázlatát mutatja, amely ezeket az alkatrészeket is tartalmazza. A KSZ8061 fizikairéteg-interfész és a KSZ8567 hálózati kapcsoló esetében gyártáskor is van lehetőség a Quiet-WIRE technológia engedélyezésére, elkerülve bármiféle szoftveres munka szükségességét, azonban szükség esetén szoftveres úton van lehetőség a Quiet-WIRE szűrések kiiktatására. A Quiet-WIRE technológia további előnye, hogy kompatibilis a standard etherneteszközökkel is, tehát elképzelhető olyan összeállítás is, hogy egy standard ethernetdiagnosztikai eszközt egy Quiet-WIRE technológiás hálózati kapcsolóra kötnek, ami annak ellenére, hogy a diagnosztikai eszköz nem ismeri a Quiet-WIRE-t, a hagyományos ethernethez képest javított zajteljesítményt nyújt.

4. ábra. Quiet-WIRE technológiát támogató alkatrészekre épülő ipari jármű blokkvázlata

A Microchip portfóliójában jelenleg 24-féle ethernetmegoldás szerepel Quiet-WIRE-támogatással, amelyek között több AEC-Q100 járműipari kvalifikációval is rendelkező, 105 °C működési hőmérsékletig hitelesített megoldás is szerepel.

Összefoglalás

A cikkben leírtakból látható, hogy az önvezető rendszerek implementálásához szükséges műszaki alapfeltételek immár az építőiparban, a mezőgazdaságban és a mennyiségi áruszállításban használt járművek esetében is adottak. A Quiet-WIRE technológiát támogató eszközökből álló portfólió felhasználásával a vezetékhosszúság, adatsebesség és elektromágneses összeférhetőség kérdései megoldhatók, optimális támogatást nyújtva az autonóm járművek kifejlesztéséhez. A Quiet-WIRE technológia akár 80 méter vezetékhosszúság mellett akár tízszer kedvezőbb EMC-teljesítményt tesz elérhetővé a standard ethernethez képest, kikövezve a jövő biztonságosabban és hatékonyabban üzemeltethető ipari járművei felé vezető utat.