Bitte decken Sie die schraffierte Fläche mit einem Bild ab ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica pentru Automobile/cursuri/curs_10/3... · care controleazăhardware-ul responsabil

Bitte decken Sie die schraffierte Fläche mit einem Bild ab.

Please cover the shaded area with a picture.

(24,4 x 7,6 cm)

Interfețe de comunicații

Public 2Gabriel Purcaru © Continental AG

6 December 2019

1 Introducere

Public 3

6 December 2019

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 dispozitive / 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).

Gabriel Purcaru © Continental AG

Public

Domenii de aplicație:

› Interfețe de date (transmitere de informații sub formă de date)

› Interfețe de rețea

› Interfețe de hardware

› Interfețe de software, interfețe de programe

› Interfețe tehnologice pentru mașini și instalații industriale

› Interfețe de utilizator (care facilitează comunicarea om-mașină)

Buna funcționare a comunicației prin interfețe, necesită respectarea

unui grup numeros de reguli impuse, care pot asigura nivelul de

calitate cerut de aplicație.

6 December 2019

4Gabriel Purcaru © Continental AG

1 Introducere


6 December 2019

2 CAN

2.1 Arhitectura CAN

2.2 Structură și semnale

2.3 Implementare

Public

Magistrala CAN (Controller Area Network) este o magistrală serială utilizată în industria de automobile, aceasta magistrală

asigură comunicarea între mai multe microcontrolere fără utilizarea unui calculator-gazdă. Este un protocol bazat pe mesaje,

conceput inițial pentru multiplexarea cablurilor electrice în automobile pentru a economisi cupru, cu toate acestea este utilizat

în multe alte arii.

Tipuri de interfețe CAN:

› CAN LS (low speed):

• 40 și 125 kb/s

› CAN HS (high speed):

• 125, 250, 500 sau 1000 kb/s

› CAN FD (flexible data rate):

• mai mare de 1Mb/s

6 December 2019


2 CAN

Plan

Public

6 December 2019


2.1 Arhitectura CAN

CANH

CANL

CAN Transceiver

Microcontroller

CAN Controller

Nodul 2

Microcontroller

CAN Transceiver

CAN Controller

Nodul 3

CAN Transceiver

CAN Controller

Microcontroller

Nodul 1

sau sau

Public

CAN-ul este o tehnologie de tip magistrală diferențială, serială

cu transmisie prin două fire. Adică: datele sunt trimise câte un

bit la un moment dat prin două semnale complementare,

CANH și CANL.

Toate aplicațiile CAN utilizează un uC 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 uC într-un semnal diferențial. De

asemenea, transformă semnalul diferențial al magistralei

înapoi într-un semnal logic RXD pentru intrarea în controlerul

de CAN al uC.

6 December 2019



Public

Magsitrala CAN are două stări logice: dominant și recesiv.

Starea dominantă apare atunci când un nivel scăzut logic este aplicat

pe pinul de transmisie (TXD) al transcieverului.

Starea recesivă corespunde unei stări ridicate logice pe pinul de

intrare al transcieverului.

În starea recesivă, pinii CANH și CANL au același nivel: ~2.5V. În

timpul stării dominante, pinul CANH are potențial de tensiune mare:

~3.5V, iar CANL are potențial de tensiune mai scăzut ~1.5V.

Scăzând cele două potențiale ale magistralei se poate determina

starea logică utilizând ecuația de mai sus.

Când Vdiff < 0.5V, magistrala este considerată a fi în stare recesivă,

alternativ, dacă Vdiff > 0.9V atunci magistrala este în stare dominantă.

6 December 2019



Public

Exemplu de aplicație.

Există așadar, un regulator dedicat de 5V care alimentează transceiverul

TJA1043 și un regulator dedicat de 3V ce alimentează microcontrolerul.

Ambele regulatoare de tensiune sunt controlate prin ieșirea INH a

transceiverului, astfel încât în modul Sleep, ambele regulatoare de

tensiune sunt oprite. Mai mult, se utilizează pinul WAKE pentru

posibilitatea de trezire locală, conectându-l la un comutator 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

6 December 2019


2.3 Implementare

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

Public

• WAKE poate fi folosit pentru a forța un trezirea locală a transcieverului.

• ERR_N este o ieșire push-pull ce asigură semnalarea erorilor de către uC.

• 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.

6 December 2019


TJA1043

2.3 Implementare


6 December 2019

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 de

tip LAN. Ethernet-ul se definește printr-un șir de standarde pentru cablare și semnalizare electrică aparținând primelor două

niveluri din Modelul de Referință OSI:

› Nivelul fizic

› Legatură de date

Caracteristici:

› Cablurile sunt limitate la aproximativ 100 de metri, dar rețelele

Ethernet pot fi extinse pentru a conecta clădiri intregi folosind

dispozitive de tip bridge network.

› Original ideea de bază a fost ca, computerele care comunică

printr-un cablu coaxial comun să acționze ca și mediu de

transmisie. Odată ce un dispozitiv este atașat la acest cablu,

acesta avea capacitatea de a comunica cu orice alt dispozitiv

atașat.

6 December 2019


3 Ethernet

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

6 December 2019


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:

6 December 2019


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

6 December 2019


3.1 Ethernet MACFiind Media Independent înseamnă ca diferite dispozitive PHY pentru conectareaprin diferite suporturi (pereche diferențială, cabluri torsadate, fibră optică) pot fiutilizate fără a reface design-ul MAC hardware. Astfel, orice MAC este independentde suportul de transmisie a semnalului de rețea.

› TX_TCLK – transmisia Clock-ului – de la PHY la MAC

› TX_D[0:3] – transmisia datelor, 0 fiind prima – de la MAC la PHY

› TX_EN – activarea transmisiei – de la MAC la PHY

› TX_ER – transmisia erorilor – de la PHY la MAC

› RX_CLK – recepția Clock-ului – de la PHY la MAC

› RX_D[0:3] – recepția datelor, 0 fiind prima de la PHY la MAC

› RX_DV – recepția validării datelor– de la PHY la MAC

› RX_ER – recepția erorilor – de la PHY la MAC

› MDIO – Managementul datelor – bidirecțional

› MDC – Managementul datelor de Clock – de la MAC la PHY

MDC și MDIO poate fi împărțit cu mai multe PHY-uri.

Public

6 December 2019


3.1 Ethernet MACRMII – Reduced Media-Independent Interface

› TX_EN – activarea transisiei (daca este în starea high) pentru TX_D0 și TX_D1

– de la MAC la PHY

› TX_D[1:0] – transmisia datelor, 0 fiind prima – de la MAC la PHY

› RX_CLK – Clock – 50 MHz continuu – poate fi intern, de la o sursă externă sau

poate veni de la MAC la PHY

› RX_DV (data valid) și CRS_DV(carrier sense) – multiplexate pe cicluri

alternative de Clock – de la PHY la MAC

› RX_ER – recepția erorilor – de la PHY la MAC

› RX_D[1:0] – recepția datelor, 0 fiind prima – de la PHY la MAC




Public

6 December 2019


3.1 Ethernet MACRGMII – Reduced Gigabit Media-Independent Interface

› TX_TCLK – transmisia Clock-ului – de la MAC la PHY

› TXD[3:0] – datele ce urmează a fi trimise – de la MAC la PHY

› TX_CTL – multiplexarea activării și eroarea transmițorului – de la MAC la PHY

› RX_CLK – recepționarea Clock-ului (recuperat din datele primite) – de la PHY la

MAC

› RX_D[3:0] – recepția datelor – de la PHY la MAC

› RX_CTL – multiplexarea datelor recepționate este validă și eroarea receptorului

– de la PHY la MAC




Public

6 December 2019


3.1 Ethernet MACSGMII – Serial Gigabit Media-Independent Interface

Utilizează perechi diferențiale de 625MHz pentru liniile de date TX și RX, dar și

pentru linia de Clock TX, respectiv RX.

› TX_M – date de ieșire negative – de la PHY la MAC

› TX_P – date de ieșire pozitive – de la PHY la MAC

› RX_M – date de intrare negative – de la PHY la MAC

› RX_P – date de intrare pozitive – de la PHY la MAC

› RXCLK_P și RXCLK_M – recepționarea Clock-ului de la MAC prin pereche

diferențială

Public

6 December 2019


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

6 December 2019


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

6 December 2019


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

6 December 2019


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 uC 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

6 December 2019


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

6 December 2019


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.

https://en.wikipedia.org/wiki/Choke_(electronics)#Common-mode_choke

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


6 December 2019

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 afost planificată pentru anul acesta.

6 December 2019


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 → 128Gbps

› 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

6 December 2019


4.1 Implementare

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


6 December 2019

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

1 x PCIe 1.1 bidirecțional poate transfera 2.5Gbps în fiecare direcție

sau 5Gbps în total. Deoarece busul trebuie sa trimită 10 biți de date

codificate pentru fiecare 8 biți de date necodificate, rata efectivă de

biți este: 5Gbps x (8/10) sau 4Gbps.

1 x PCIe 1.1 x 16 linii poate transfera 80Gbps de date codificate sau

64Gbps de date necodate. Astfel noua rată de transfer ex: 5GT/s, se

referă la rata de date brute – numărul de bps pe care busul îl poate

muta sau transfera. Procesul de codificare reduce rata de date utile

transferate în bus la 80% din viteza brută


6 December 2019

5 V2X și 5G - Introducere

5.1 Implementare

Public

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. Prin comunicarea Vehicul-la-X

(Vehicul-la-Tot), mașinile sau vehiculele comerciale pot schimba

actualizări în timp real ale traficului și informații despre pericol

rutier și îmbunătățesc funcțiile viitoare de asistență la siguranță.

Comunicarea celulară V2X (Vehicle to Everything) are un potențial

puternic pentru a deveni un facilitator cheie pentru conducere

automată și mobilitate inteligentă.

Împreună, optimizăm rețeaua wireless pentru a face față cerințelor

imense de date ale industriei auto din Laboratorul de Mobilitate 5G

Vodafone. 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.

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.

6 December 2019


5 V2X - Introducere

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.

6 December 2019


5 5G - Introducere


6 December 2019

5.1 Implementare

Conectivitate 5G.mp4


6 December 2019

6 Concluzii


6 December 2019

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://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/Ethernet

› https://en.wikipedia.org/wiki/Choke_(electronics)#Common-mode_choke

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

› 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

6 December 2019




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

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Choke_(electronics)#Common-mode_choke

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

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

Documents

Bitte decken Sie die schraffierte Fläche mit einem Bild ab ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica pentru Automobile/cursuri/curs_10/3... · care controleazăhardware-ul responsabil