자동차용 통합 네트워크 아키텍처에 대한 10Base-T1S 인터페이스를 구현하는 방법

여러 통신 네트워크와 중복 및 데이터 변환을 처리하지 않고 최신 자동차를 설계하기는 어렵습니다. 더 나은 방법이 있을 수 있음이 밝혀졌습니다. 10Base-T1S는 2020년에 발표된 IEEE 802.3cg 2019 표준의 일부로 개발된 자동차용 이더넷 네트워크 표준입니다. 이 10Mbit/s 인터페이스는 저속 데이터 통신 분야의 자동차 응용 제품에서 이더넷 커버리지의 틈을 채웁니다. 이를 통해 자동차 전체에서 동일한 소프트웨어 스택 및 통신 메커니즘을 사용할 수 있으므로 설계, 구현 및 시스템 유지 관리가 크게 간소화됩니다. 작동 방식과 시작 방법을 살펴보겠습니다.

10Base-T1S는 단일의 비차폐 연선을 통해 작동하며 업계에서 일컬어지는 '이더넷 - 에지' 기술을 실현합니다. 이는 단일 쌍 이더넷(SPE)으로 알려진 기존의 고속 이더넷 자동차 버스(예: 100Base-T1 및 1000Base-T1)를 보완합니다(그림 1).

그림 1: 10Base-T1S는 완전히 통합된 이더넷 자동차용 네트워크의 낮은 데이터 전송률 세그먼트를 채웁니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

링크는 최대 길이가 25미터(m)인 반이중 버스로 작동합니다. 이는 2개 ~ 8개 노드의 멀티드롭 연결을 지원합니다. 표준 이름의 'S'는 단거리 구현을 나타냅니다. 10Base-T1S는 '통신 섬'을 형성하는 경향이 있는 CAN, CAN FD, LIN 및 RS-485와 같은 기존 버스를 대체하도록 고안되었습니다.

관련 표준인 10Base-T1L은 산업 응용 분야를 위한 장거리 구현입니다.

10Base-T1S 작동 방식

10Base-T1S는 차동 맨체스터 인코딩(DME)을 사용합니다. DME는 신호의 논리 상태를 나타내기 위해 클록 주기 내에서 전환 여부를 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 클록 주기 동안 전환이 없으면 데이터 상태는 논리값 0입니다. 클록 주기 중에 전환(양 또는 음)이 있는 경우 데이터 상태는 논리값 1입니다(그림 2).

그림 2: 10Base-T1S 차동 맨체스터 인코딩 데이터 스트림의 예. 주황색 세로선은 클록 간격을 표시합니다. 클록 간격 동안의 전환은 1을 나타냅니다. 클록 간격 동안 전환이 없으면 0을 나타냅니다. (이미지 출처: Art Pini)

논리값 1 데이터는 클록 간격 동안에만 High 또는 Low 상태일 수 있습니다. 이전 상태와 관련이 있으므로 리셋 전환이 필요하지 않습니다. 모든 클록 간격에서 하나의 데이터 비트가 발생하므로 잡음이 많은 자동차 환경에서 클록 복구가 더 쉬워집니다.

멀티드롭 환경에서는 버스에 여러 장치가 연결되어 있습니다. 10Base-T1S는 물리층(PHY) 충돌 회피(PLCA)를 사용하여 부동 시간을 최소화하고 여러 장치가 동시에 통신을 시도할 때 데이터 충돌을 피합니다. PLCA는 버스에서 전송 기회를 조정하는 데 사용되는 전송 주기를 설정합니다. PCLA를 사용하면 각 노드의 PHY에 고유한 PHY ID가 할당됩니다. 전송 기회가 부여된 PHY만 전송이 허용됩니다.

전송 기회는 마스터에 할당되는 PHY ID = 0에서 시작하는 라운드 로빈 알고리즘으로 할당됩니다. 마스터 노드가 PLCA 주기의 시작을 알리기 위해 BEACON이라는 동기화 패턴을 보내면 새 주기가 시작됩니다. 노드는 전송 기회가 자신의 고유한 노드 ID와 일치할 때만 전송을 시작할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 비콘 동기화 패턴(B)으로 시작하는 PLCA 주기의 예. 가장 왼쪽 주기는 최소 버스 주기 시간입니다. 다음 주기에는 허용 가능한 여러 가지 전송 변형이 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

모든 노드는 사용하지 않은 시간 슬롯을 남겨둠으로써('N'으로 표시됨) 전송 기회를 건너뛸 수 있습니다. 할당된 슬롯 동안 노드는 데이터를 전송할 수 있습니다. 노드는 슬롯 2(파란색)로 표시된 것처럼 시간 슬롯을 확장할 수 있습니다. 전송 노드는 시간 슬롯 3(노란색)에 표시된 것처럼 미디어 액세스 제어(MAC) 지연을 보상하기 위해 시간 슬롯을 확장하도록 시간 슬롯에 '커밋'을 삽입할 수 있습니다. 노드는 0 PHY ID(녹색)로 표시된 것처럼 우선 순위가 높은 메시지를 '버스트 모드' 처리할 수 있습니다.

PLCA는 데이터 패킷 충돌을 방지하고 데이터 속도를 최대화하도록 구성되었습니다.

10Base-T1S의 주요 장점은 이더넷의 기존 지원 기반을 구축하여 자동차 네트워킹을 단순화한다는 것입니다. 10Base-T1S는 게이트웨이 없이 100Base-T1 및 1000Base-T1과 동일한 소프트웨어 스택을 사용하며 PHY 구성 및 케이블링만 다릅니다.

10Base-T1S 시작하기

Microchip Technology는 이미 3개의 10Base-T1S 트랜시버(LAN8670B1-E/LMX, LAB8671B1-U38, LAN8672B1-E/LNX를 제공하고 있습니다. 이러한 트랜시버에는 물리적 패키지와 전자 제어 장치(ECU) 인터페이스만 다른 10Base-T1S 기능이 모두 포함되어 있습니다. LAN8670은 32VQFN 패키지를 사용하며 MII(미디어 독립 인터페이스) 및 RMII(축소된 미디어 독립 인터페이스) ECU 인터페이스를 모두 지원합니다. LAN8671은 24VQFN 패키지에 포함되어 있으며 RMII 인터페이스를 지원합니다. LAN8672는 36VQFN 패키지로 제공되며 MII 인터페이스를 지원합니다. 3개 트랜시버 모두 -40°C ~ +125°C의 자동차용 확장 온도 범위와 3.3V 전력 공급에서 작동합니다.

이 트랜시버의 기능을 확인해야 하나요? Microchip은 LAN8670을 기반으로 하는 두 가지 평가 기판을 제공합니다. 첫 번째는 USB 인터페이스가 포함된 EV08L38A 이더넷 PHY 인터페이스 평가 기판으로, USB2.0을 통해 컴퓨터를 10Base-T1S 이더넷 네트워크에 연결할 수 있습니다. 두 번째는 Microchip의 ECU 중 하나에 연결하기 위해 RMII 인터페이스를 사용하는 EV06P90A입니다.

결론

자동차에서 볼 수 있는 많은 통신 네트워크는 각각의 역할이 있지만 전반적인 구현 복잡성과 비용 관점에서 일반적으로 네트워크의 다양성을 제한하는 것이 좋습니다. 이더넷은 이미 자동차에 탑재되어 있으므로 이를 최대한 사용하는 것이 합리적입니다. 10Base-T1S는 이러한 확장을 가능하게 하는 자동차용 이더넷 인터페이스입니다. 이를 통해 전체 이더넷 네트워크에 대한 레거시 게이트웨이를 제거하고 여러 PHY를 공통 버스에 연결하여 케이블링 및 스위치 포트를 줄임으로써 비용을 절감할 수 있습니다.