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(Quelle: metamorworks/Shutterstock.com)

Single-Pair-Ethernet (SPE) ist eine vielversprechende Technologie für den Automotive-Bereich, mit der Anwendungen von Infotainment bis hin zu modernen Fahrerassistenzsystemen realisiert werden können. Mit der zunehmenden Anzahl von Sensoren und den damit verbundenen Funktionen wird auch der Trend zu SPE immer stärker. Wie die OPEN (One Pair EtherNet) Alliance Special Interest Group (SIG) (Interessenverband von Unternehmen aus der Automotive- und Technologiebranche) betont, war für das Hinzufügen einer Funktion bislang immer ein neues elektronisches Steuergerät (ECU) erforderlich. Da die heutigen Fahrzeuge jedoch durchschnittlich 50 Steuergeräte haben und einige sogar mehr als 200, wird dieser Ansatz unzweckmäßig. Die Branche geht daher zu einer zonenbasierten dienstorientierten Architektur über. Neue Dienste können zu einem Hochleistungssteuergerät hinzugefügt werden, das über SPE mit mehreren Sensoren und Aktuatoren kommuniziert. Für den effektiven Einsatz von SPE in Fahrzeugen sind eine moderne Steckverbindertechnologie sowie eine schnelle und exakte Methode zur Überprüfung der Steckverbindung erforderlich. Zwei neue Kits zur Signalvalidierung können dabei helfen: das enetSEAL+ Signalvalidierungs-Kit und das HDSCnet+ Signalvalidierungs-Kit.

Steckverbinder-Portfolio

TE Connectivity für SPE umfasst die Steckverbinderfamilien enetSEAL+ und HDSCnet+. Der enetSEAL+ Steckverbinder unterstützt Wire-to-Wire- und Wire-to-Board-Verbindungen auch unter anspruchsvollen Bedingungen für Multifunktionsdisplays, Telematik- und Telemetrieeinheiten, Infotainment-Module, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und Media Access Controller. Er kann auch für die Verbindung von externen Kameras und Sensormodulen eingesetzt werden, die differentielle SPE-Kommunikationsprotokolle verwenden.

Der robuste, hochbelastbare thermoplastische Steckverbinder HDSCnet+ verbindet die HDSCS-Steckverbinderschnittstelle von TE Connectivity mit dem modularen, skalierbaren, miniaturisierten Ethernet-Verbindungssystem MATEnet (Single Pair Ethernet) des Unternehmens für den Automotive-Bereich. HDSCnet+ unterstützt Wire-to-Wire- und Wire-to-Device-Verbindungen und wird in Kürze auch Wire-to-Board-Verbindungen unterstützen. Es bietet mehrere Hybrid-Schnittstellen und stellt neben der Stromversorgung und Skalierbarkeit für ungeschirmte oder geschirmte verdrillte Doppelkabel auch SPE bereit. MATEnet unterstützt bis zu 1Gb/s nach den Industriestandards IEEE 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 sowie bis zu 4Gb/s auf Basis alternativer Technologien. Die NanoMQS-Steckverbinder von TE sind sowohl mit ungeschirmten (UTP) als auch mit geschirmten verdrillten Doppelkabel-Varianten (STP) kompatibel. Anwendungsbeispiele sind die Fahrzeugvernetzung (1000BASE-T1) sowie Rückfahrkameras (100BASE-T1).

Testkits

Zur Unterstützung von Designs mit diesen Steckverbindertechnologien bietet TE Connectivity zwei Testkits an. Das enetSEAL+ Signalvalidierungs-Kit von TE Connectivity wird für 100BaseT1-Verbindungen (IEEE 802.3bw) mit 100 Mb/s verwendet. Dieses Kit ermöglicht es dem Entwickler, das TE enetSEAL+ Steckverbindersystem gemäß den TC2 OPEN-Alliance-Spezifikationen für die Einzelpaar-Ethernet-Kommunikation (SPE) über ein ungeschirmtes verdrilltes Doppelkabel (UTP) zu validieren.

Das Kit beinhaltet zwei Testboard-Baugruppen, die mit einer enetSEAL+ 180° Stiftleiste und zwei SMA-Steckern bestückt sind. Außerdem sind fünf ummantelte, ungeschirmte, verdrillte 3-Meter-Doppelkabelsätze (UTP) mit einem Leiterquerschnitt von 20 AWG enthalten, die miteinander zu einer insgesamt 15 Meter langen Kabelverbindung zwischen den beiden Testboards verbunden werden können (Abbildung 1). Diese Verbindung entspricht der 100BASE-T1-Spezifikation, die maximal vier Inline-Verbindungen innerhalb eines Kanals zulässt, so dass der Ingenieur einen 15 m langen Gesamtkommunikationskanal (WCC) validieren kann, um die 100BASE-T1 TC2-Spezifikationen zu erfüllen.

Abbildung 1: Das enetSEAL+ Signalvalidierungs-Kit enthält zwei Testboards und fünf ummantelte, ungeschirmte, verdrillte 3-Meter-Doppelkabelsätze (UTP) (Quelle: Mouser Electronics)

Mit dem HDSCnet+ Signalvalidierungs-Kit für 100BaseT1 100Mb/s-Verbindungen können Entwickler das HDSCnet+/MATEnet-Steckverbindersystem von TE gemäß den TC2 Open Alliance-Spezifikationen für SPE-Kommunikation über ein ummantelte ein ungeschirmtes verdrilltes Doppelkabel (UTP) validieren. Das Kit enthält zwei Testboards, die jeweils mit einer MATEnet 90° Stiftleiste und zwei SMAs bestückt sind. Analog zum enetSEAL+-Kit enthält auch das HDSCnet+-Kit fünf Kabelsätze, die miteinander zu einer 15 m langen Kabelverbindung zwischen den beiden Testboards verbunden werden können. Entwickler können eine oder mehrere der Kabelverbindungen entfernen, um eine kürzere Kanallänge zu evaluieren.

Beispiel für einen Testaufbau

Das enetSEAL+-Kit kann als Beispiel dafür dienen, wie Entwickler beide Kits einsetzen können. Die zu messenden Parameter umfassen die charakteristische Impedanz im Differenzmodus (CIDM), die Rückflussdämpfung (RL), die Einfügedämpfung (IL), die Unsymmetriedämpfung (LCL) und die Längsumwandlungsübertragungsdämpfung (LCTL). Zusätzlich zum Kit werden ein Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) und ein Zeitbereichsreflektometer (TDR) benötigt.

Ein typischer Testaufbau für die WCC-Evaluierung umfasst die Testkabel, Inline-Steckverbinder und eine 10 mm ± 0,5 mm große Isolationsstütze (ε_r ≤ 1,4) über einer vergrößerten Bezugsmasseplatte (mindestens 1 m x 2 m groß). Die Testboard-Baugruppen des Kits werden an beiden Enden der Testkabel-Verbindungsbaugruppen befestigt und nehmen den Platz der Steuergerätestecker in einer tatsächlichen Automobilimplementierung ein. Die Testboards wiederum werden an einen VNA zur Messung von Mixed-Mode-S-Parametern, darunter RL und IL, oder an einen TDR zur Messung von CIDM angeschlossen.

Abbildung 2 zeigt einen Laboraufbau von TE Connectivity mit mäanderförmig angeordneten Kabeln, die zur Vermeidung von parasitärer Kopplung mit Holzstiften fixiert wurden. Nach der Durchführung der Messungen mit dem VNA und dem TDR werden in einem letzten Schritt die Messergebnisse mit den Grenzwerten der TC2-Kommunikationskanal-Spezifikationen verglichen.

Abbildung 2: Dieser Laboraufbau von TE Connectivity zeigt Kabel, die mäanderförmig angeordnet sind, um parasitäre Kopplung zu vermeiden. (Quelle: Mouser/TE „enetSEAL+ Messanleitung“)

Die Messungen des Signalintegritäts-Kits bestätigen, dass die gewählten Steckverbinder und Kabel die erforderlichen Leistungsanforderungen des Protokolls erfüllen. Sie bieten Entwicklern die Möglichkeit, praktische Erfahrungen mit den jeweiligen Steckverbinderfamilien zu sammeln.

Fazit

Mit der zunehmenden Anzahl von Steuergeräten in Fahrzeugen setzen Automobilhersteller verstärkt auf zonale dienstorientierte Architekturen. Ein leistungsfähiges Steuergerät kommuniziert über SPE mit mehreren Sensoren und Aktuatoren. Das enetSEAL+ Signalvalidierungs-Kit und das HDSCnet+ Signalintegritäts-Testkit unterstützen Entwickler bei der Evaluierung der Steckverbindertechnologie, wenn sie SPE für ihre automobilen Systemdesigns einsetzen.