בית » New-Tech Magazine » רשת מובנית ברכב – מתקדמים לקראת מימוש

המעבר המואץ בשנים האחרונות ממנועי בעירה פנימית (ICE) להנעה חשמלית ותפיסת הנהיגה האוטונומית העלו לכותרות את הרשת המובנית ברכב. העלייה בדרישות הקישוריות מאלצת את מהנדסי הרכב לשנות את הגישה ולעבור מחיווט לוגי לחיווט אזורי. במקביל, השימוש הגובר במצלמות בטיחות ובאמצעי זיהוי והתנגשות בכיסוי של 360 מעלות והשימוש במערכת עזר מתקדמות לנהג (Advanced Driver Assistant System ובקיצור, ADAS‏) – כל אלה יוצרים אתגר בחיבור כל המערכות ליחידות הבקרה האלקטרוניות (ECU) ברכב. מאמר זה בוחן את השינויים המשמעותיים שיש לעשות ברתמת החיווט של הרכב, האימוץ של ארכיטקטורה מבוססת אזורים (zone-based architecture) ופרוטוקולי רשת קיימים וכאלה שבתהליכי התהוות.

אתגרי רתמת החיווט והמעבר לארכיטקטורות אזוריות

כלי רכב חשמליים (EV) מודרניים מתאפיינים במערכות חשמל מורכבות, כולל רכיבי מתח גבוה, מערכות ניהול סוללות וחיישנים רבים. נוסף לכך, הם הופכים להיות מחוברים יותר עקב מערכות ADAS, מערכות מידע בידור ותקשורת V2X‏ (vehicle-to-everything‏, תקשורת שהרכב מנהל בעצמו מול רכבים אחרים, רמזורים וכן הלאה). אלה יוצרים אתגרים משמעותיים עבור רתמת החיווט הנדרשת להעביר נתונים ואנרגיה חשמלית להנעה ברחבי הרכב. על פי ההערכות, היקף החיווט ברכבי EV עולה ב-20 עד 30 אחוז על זה של רכבים בעלי מנוע בעירה פנימית, והדבר מתבטא ברתמות חיווט באורך של יותר מקילומטר ובמשקל טיפוסי של 50 ק”ג, דבר המשפיע לרעה על טווח הנסיעה. תעשיית הרכב הולכת ומתקדמת לקראת ארכיטקטורה מבוססת אזורים (zonal architecture) במטרה לפשט את ניהול תהליך החשמול. בארכיטקטורות רכב מסורתיות נעשה שימוש ברתמות חיווט ארוכות וכבדות כדי לחבר רכיבים שונים ברכב. סידור זה מעלה את המשקל ואת רמת המורכבות, מגדיל את עלויות הייצור ועלול להשפיע על צריכת הדלק. אימוץ ארכיטקטורה מבוססת אזורים מאפשר ליצרנים להקטין את האורך של רתמות החיווט, לנצל טוב יותר את הרכיבים החשמליים, להפחית משקל והוצאות ולשפר את היעילות הכוללת של הרכב.

המעבר לארכיטקטורה מבוססת אזורים מושפע על ידי גורמים נוספים, כגון:

תוכנה: כלי רכב מודרניים מסתמכים כיום על תוכנה לניהול מנוע, אבחון, תכונות בטיחות ומערכות בידור.
יכולת הסתגלות: ארכיטקטורות מבוססות אזורים מאפשרות תכנון גמיש של כלי רכב בעלי יכולת התאמה לצרכים משתנים. היצרנים יכולים ליצור אזורים עצמאיים לחלוקת חשמל, תכני מידע ובידור ומערכות ADAS. גישה מודולרית זו מפשטת את ההתאמה האישית, שיתוף הפלטפורמות ושילוב של טכנולוגיות חדשות בדגמי רכב שונים, ומסייעת לקצר את זמן הפיתוח ולהפחית עלויות.
הרכבה ותחזוקה: ארכיטקטורה מבוססת אזורים מפשטת את הייצור מכיוון שהיא מאפשרת לשלב במהירות ברכב אזורים שהורכבו מראש.
אמינות: ארכיטקטורה מבוססת אזורים בטוחה יותר וסובלנית יותר לתקלות, מכיוון שפונקציות קריטיות מבודדות באזורים ייעודיים. משמעות הדבר היא שתקלה המתרחשת באזור אחד אינה משפיעה בהכרח על כלל הרכב. יתר על כן, פתרון הבעיות והתחזוקה יעילים יותר, מכיוון שניתן לבודד את התקלות לאזורים מוגדרים, וכך לאתר ולתקן אותן במהירות.

במטרה לחסוך מקום ולהפחית משקל ברמת מערכת המשנה, רכבי EV כוללים יותר ויותר מעגלים מודפסים גמישים (מעגלי Flex PCB) – כלומר לוחות מעגלים אלקטרוניים העשויים מחומרים גמישים שאפשר לכופף, לקפל ולעצב אותם כך שיתאימו לחללים צרים או לא שגרתיים. מעגלים כאלה משתלבים בצורה אידיאלית ביישומים שיש בהם דרישה לגמישות ולחיסכון במקום והם יכולים להחליף מעגלים מודפסים קשיחים וגם לשמש חלופה הולמת לרתמות חיווט מהסוג המקובל. רתמות חיווט כוללות כבלים או חוטי חשמל מאוגדים ומתאפיינות במסה ובקוטר ניכרים. מעגלים מודפסים גמישים הם חלופה דקיקה המפשטת את תהליכי ההתקנה והתחזוקה, שגם תורמת ליעילות של תשתית החשמל.

פרוטוקולי רשת לרכב

התאחדות מהנדסי הרכב (SAE International) מפקחת על פיתוח פרוטוקולי תקשורת האחראים על קישור בין רכיבים ומערכות אלקטרוניות שונות ברכב. פרוטוקולי רשת אלו מאפשרים חילופי נתונים ואותות בין מערכות שונות ברכב, כגון ניהול המנוע, מערכות בטיחות ומידע ובידור. מערכות התקשורת לרכב מתאפיינות בדרישות בעלות חשיבות הולכת וגוברת, כגון:

שיהוי: השהיות ושגיאות בזרם הנתונים המגיע מחיישן יחיד מקשות על יחידת ECU להגיב לתנאי הסביבה, דבר שעלולות להיות לו השלכות הרות אסון.
אמינות ועמידות: המרחב הפיזי המצומצם בתוך הרכב מגביר את בעיית ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) וזליגת האותות (crosstalk).
יתירות: כלי רכב אוטונומיים מצריכים שימוש רב יותר במערכות בטוחות לכשל שיכולות לנתב מחדש ובאופן מידי נתונים תוך עקיפה של נקודות כשל, כדי לאפשר תפקוד רגיל או עצירה מבוקרת של הרכב.
רוחב פס: יש להעביר נתוני בטיחות בקצבי שידור העולים על 10 גיגה סיביות לשנייה.

טכנולוגיות רשת ברכב קיימות כבר שנים רבות ועדיין ממלאות תפקיד ברכבים של ימינו, בזכות אמינותן ומחירן הנמוך. הן כוללות רשת חיבור מקומית (LIN), הפועלת בקצב של עשרות קילו-סיביות לשנייה, רשת בקרה אזורית (CAN) במהירות של עד 1 מגה-סיביות לשנייה, והדור הבא, CAN_FD, (עד 12 מגה-סיביות לשנייה). הטכנולוגיות הללו פרוסות בדרך כלל ביישומי בקרה לא מהירים במיוחד ובעלי חשיבות קריטית פחותה. מספר יצרני חלקים של מכוניות יוקרה אימצו את FlexRay ליישומי בטיחות קריטיים ולנתונים נתמכים בקצב של עד 10 מגה-סיביות לשנייה. עם זאת, פרוטוקולים אלה מבוססים על טכנולוגיות של דור קודם, ולכן אינם מסוגלים לספק את דרישות רוחב הפס עתיר גיגה-סיביות של יישומי ADAS חדשים. היישומים האמורים זקוקים לשירות משופר, ואותו הם מקבלים מפרוטוקולי תקשורת מהירים ועדכניים יותר, כגון:

Ethernet לרכב: ב-2016, אגודת מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה (IEEE) פרסמה את תקן ה-Ethernet הראשון לרכב, 100BASE-T1, במסמך IEE802.3bw שהוציא לאור. על אף קווי הדמיון עם תקן ה-Ethernet מדור קודם (שתי הגרסאות עושות שימוש בכבלים מסוג זוג שזור ללא סיכוך, הכוללים שני חוטי נחושת שזורים זה בזה לאורך הכבל במטרה להפחית קרינה אלקטרומגנטית וזליגת אותות – crosstalk), קיימים הבדלים בולטים בין השניים. Ethernet לרכב עושה שימוש בזוג חוטים יחיד בלבד (הידוע כ-Ethernet של זוג אחד, או SPE) לשידור וקליטה, ולכן כבל התקשורת קל וזול יותר; נוסף לכך, המפרט מגביל את הטווח שלו ל-15 מ’ לכל היותר, מרחק שמתאים יותר לקנה המידה של רכב לעומת Ethernet מדור קודם שהטווח המפרטי שלו הוא 100 מ’. הבדל נוסף הוא השימוש בסכמת קידוד שונה כדי להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וזליגת אותות. IEEE802.3bw היא גרסת 100 מגה-סיביות לשנייה של תקן Ethernet, אשר אומצה באופן נרחב ביישומי רכב מסוג נקודה-לנקודה (point-point)‏. ב-2020, ה-IEEE הוציא לאור את 802.3ch, שמאפשר ליישם Ethernet מהיר בקצבי שידור גבוהים: 2.5 גיגה-סיביות לשנייה, 5 גיגה-סיביות לשנייה ו-10 גיגה-סיביות לשנייה. 10BASE-T1S הוא תקן Ethernet בגרסת multi-drop שתאימותו לתקני Ethernet קיימים יכולה להפחית את מורכבות החיווט ולהציע יכולת גידול (scalability) משופרת בארכיטקטורות מבוססות אזורים.
קישורים טוריים מהירים: חיבור מצלמה ברזולוציה גבוהה לתצוגה אינו מצריך חיבור נתונים סימטרי לחלוטין כמו Ethernet. מערכות “SerDes” אסימטריות עושות שימוש במעגל המרה מקבילי-טורי – serializer (כלומר Ser) בצד המשדר ובמעגל המרה טורי-מקבילי – deserializer (כלומר, Des) בצד המקלט. יותר ויותר יצרני ציוד מקורי (OEM) של רכב משתמשים בהן כדי להעביר נתוני וידאו ונתונים של חיישנים. מערכות SerDes משתמשות בקישור אסימטרי, עם קצבי נתונים יוצאים (downstream) גבוהים בהרבה מקצבי הנתונים הנכנסים (upstream)‏. סידור זה מספיק ליישומי וידאו שכן מצלמות הן מקור נתונים במהירות גבוהה, אך הן מקבלות אותות בקרה בקצבים נמוכים בהרבה. קיימות מספר מערכות SerDes קנייניות (למשל GMSL מתוצרת Analog Devices), אך הן אינן תואמות. על-מנת לתת מענה לדרישת תעשיית הרכב לממשק שכבה פיזית מאוחדת מהירה המתאים לשימוש בכלי רכב, חברי האיגוד התעשייתי Mobile Industry Processor Interface Alliance (MIPI) החלו לפתח את MIPI Automotive SerDes Solutions ‏(MASS), תהליך שהגיע לשיאו במהדורה של A-PHY v1.0, פתרון SerDes העצמאי, המהיר, הראשון ליישומי רכב בממשק של שכבה פיזית. מפת הדרכים של תקן זה שואפת לספק בסופו של דבר קצבי נתונים של עד 32 מגה-סיביות לשנייה, די והותר כדי לענות על דרישות רוחב הפס של מספר הולך וגדל של מערכות אלקטרוניות בכלי רכב.

היכרות עם מוצרי קישוריות לרכב

בד בבד עם התפתחות פרוטוקולי הרשת המחברים בין רכיבים שונים ברכב, חלה התקדמות רבה גם ברכיבי חומרה קריטיים, כגון מתגים ומק”משים התומכים בזרימת מידע ונתונים. מתגי Ethernet, כגון משפחת המוצרים NXP Semiconductors SJA1110 מתוצרת Mouser Electronics (איור 1), מציעים תכונות בטיחות ואבטחה ייעודיות המיועדות להשתלב באופן אופטימלי ביחידות ECU בכלי רכב. ארבע הגרסאות של SJA1110 מאפשרות תיכון מודולרי של ECU ופלטפורמות ותומכות ביישומי רכב כגון שערים, תיבות ADAS ויחידות ECU המספקות מידע ובידור. התכונות העיקריות כוללות שילוב של 100BASE-T1 ו-100BASE-TX PHYs וליבת מעבד Arm® Cortex®-M7, יחד עם יכולות בדיקת מנות, מניעת התקפות מניעת שירות (DoS) הטובות מסוגן ויכולות מתקדמות של אתחול מאובטח.

איור 1: מתג Ethernet ‏SJA1110 Secure TSN של NXP Semiconductors‏. (מקור: Mouser Electronics)

ה-TLE9351SJ, מק”מש CAN FD מהיר מתוצרת Infineon Technologies (איור 2) תוכנן ואושר גם הוא בהתייחסות ליישומי רכב. ה-TLE9351SJ שמשמש כממשק בין שכבת האפיק הפיזית לבין בקר פרוטוקול CAN המהיר, נועד להגן על בקר המיקרו מפני הפרעות הנוצרות בתוך הרשת. הוא מספק חסינות גבוהה מאוד לפריקה אלקטרוסטטית (ESD) ואופטימלית של חסינות RF בסביבות של כלי רכב ללא צורך בהתקני הגנה נוספים כמו דיודות suppressor או משנקי common mode. התקן זה, גם הוא מבית Mouser, תואם באופן מלא לתקנים כגון ISO 11898-2:2016 ו-SAE J2284-4/-5 ומתאים למגוון רחב של יישומים ברכב מודרני מרושת, כולל יחידות ECU, מודולי שער, ומודול בקרת מרכב.

איור 2: מק”מש CAN FD מהיר TLE9351SJ של Infineon Technologies. (מקור: Mouser Electronics)

סיכום

תעשיית הרכב מתקדמת באופן מואץ להנעה חשמלית ומתרחקת מכלי רכב בעלי מנוע בעירה פנימית (ICE). תהליך מואץ זה בשילוב מגמת ההגדלה של נהיגה אוטונומית, יוצר אתגרים משמעותיים בתחום הקישוריות ברכב. מתמודדים איתם באמצעות ארכיטקטורות חדשות, חידושים בטכנולוגיות חיווט ופרוטוקולי תקשורת מהירים יותר.