Ethernet tarjoaa loistavan mahdollisuuden miettiä uusiksi ajoneuvon sähköistä arkkitehtuuria. Se on suunniteltu autoteollisuuden tiukat vaatimukset huomioon ottaen, samalla kun tuo riittävän kaistan ja riittävän lyhyen viiveen kriittisille datapaketeille. Toshiba Electronicsin TC9562 tarjoaa kehittäjille piiratkaisun, jolla he voivat hyödyntää Ethernetiä optimaalisesti riippumatta siitä, onko kyseessä erittäin monimutkainen elektroninen ohjausyksikkö vai yksinkertaisempi sovellus.

Autoviihde on melkein yhtä vanha kuin itse massavalmistettu auto. 1920-luvulla Chrysler tarjosi Westinghouse-radiota 200 dollarin optiona, mikä oli melkein puolet ajoneuvon hinnasta¹. Kun otetaan huomioon, että monet kotitaloudet eivät edes omistaneet radiota autosta puhumattakaan, radion asentaminen yhteen olisi ollut melkoinen statussymboli. Nykypäivän ajoneuvojen omistajat odottavat huomattavasti enemmän auton viihdejärjestelmiltä, joka vaaditaan vakio-ominaisuutena. USB-liitännät antavat matkustajille mahdollisuuden tuoda ajoneuvoon tunteja tai jopa päiviä musiikkia, kun taas Bluetooth ja älypuhelin yhdessä streaming-sovellusten kanssa tarjoavat rajoittamattoman ääninautinnon.

Ethernet-tekniikan käyttöönotto mahdollistaa uudet lähestymistavat ja topologiat ajoneuvojen audiojärjestelmille. Se tarjoaa suuren kaistanleveyden väylän taatulla kaistaleveydellä ja viiveellä ääni- ja videotiedoille yksinkertaisella, kevyellä kaapeloinnilla. Ajoneuvojen siirtyessä kohti hybridi- ja kokonaan sähköistä voimansiirtoa kehittäjät voivat hyötyä paino- ja energiansäästöistä, kun he toteuttavat uusia viihdejärjestelmien topologioita, jotka täyttävät älypuhelimiin ja autonjakopalveluihin tottuneiden sukupolven vaatimukset.

Erilainen lähestymistapa autoviihteeseen

Nykyaikaiset autojen viihde- ja infojärjestelmät ovat erittäin monimutkaisia, sillä niihin on integroitu äänen toiston lisäksi myös navigointi, puhelutoiminnot, Internet-yhteys LTE:n kautta, videotoiston ja kuljettajan aputoiminnot, kuten pysäköinti- ja surround-kamerat. Tehokkaalle järjestelmäsirulle rakennettu ratkaisu vie suurimman osan koko yksiköstä. Tämä ei kuitenkaan ole aina optimaalinen toteutus (kuva 1). Langattomat ratkaisut, kuten GPS tai mobiiliverkkoyhteydet, toteutetaan paremmin ajoneuvon ulkopuolelle asennetun integroidun antennin avulla. USB-liitännät on parempi sijoittaa ajoneuvon keskelle tai jopa useampaan paikkaan, jotta matkustajat voivat sekä ladata laitteitaan että jakaa musiikkiaan. Autojen Ethernet (Automotive Ethernet) mahdollistaa tällaisen hajautetun lähestymistavan näihin haasteisiin. Siinä dedikoidut solmut huolehtivat eri toiminnallisuuksista.

Kuva 1. Autojen Ethernet mahdollistaa siirtymisen keskitetystä viihdejärjestelmän arkkitehtuurista (vasemmalla) hajautettuun lähestymistapaan (oikealla).

Automotive Ethernet

Kodeista ja toimistoista tuttu klassinen Ethernet joutuu ajoneuvoissa vakavien haasteiden eteen. Ensimmäinen liittyy kaapelointiin, joka on yleensä jäykkä ja tilaa vievä useiden parikierteiden ja suojauksen vuoksi, jotka on toteutettu CAT5e- ja vastaavilla kaapeleilla. Tämä on ratkaistu muuttamalla fyysisen kerroksen signalointia siten, että se voi käyttää yhtä 2-suuntaista (full duplex) parikierrettä, joka voi toimia ilman suojausta.

Monet autosovellukset, etenkin äänen ja kuvan siirto, edellyttävät että kaistaleveys on varattava katkeamattoman toiston varmistamiseksi. Tätä on varauduttu myös AVB (Audio Video Bridge) -määrityksissä ja AVB:n laitteistotuessa. Nämä varmistavat, että sopivat siltaratkaisut voivat varata kaistanleveyden verkon kahden solmun välillä.

Lisähaaste on äänen ja videon synkronointi useiden solmujen välillä. Tämä saavutetaan käyttämällä esitysmekanismia, joka varmistaa, että näytteet esitetään samaan aikaan verkon eri solmuissa. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää myös mikrofonien ääninäytteiden synkronointiin osana hands free -toimintoa tai melunvaimennusta. Koko verkon energiatehokkuutta tuetaan EEE-toiminnolla (Energy Efficient Ethernet). Sen avulla solmut voivat siirtyä pienitehoiseen tilaan ja tulla herätetyksi verkon kautta.

Yksinkertainen toteutus yhden sirun ratkaisulla

Monilla autoteollisuudessa käytetyillä järjestelmäpiireillä on laaja valikoima liitäntärajapintoja, mutta niissä ei yleensä ole integroitu AVB / TSN-Ethernet -yhteensopivaa oheislaitetta. Haettaessa sopivaa ratkaisua olisi tietysti järkevää, jos valittua ratkaisua voitaisiin käyttää sekä keskusyksikössä että erilaisissa päätesolmuissa, joiden kanssa se kommunikoi. Tämän ansiosta suunnittelijoiden tarvitsisi oppia vain yhden laitteen toiminnallisuuden hyödyntäessään sitä useisiin sovelluksiin.

Toshiban TC9562 on tällainen ratkaisu (kuva 2). Se tarjoaa automaattisen Ethernet-toiminnallisuuden keskusyksiköissä PCI Express -liitännän kautta, joka toimii oheislaitteena. Integroidun ARM Cortex-M3 -suorittimen ansiosta se voi kuitenkin toimia yhtä hyvin itsenäisenä ratkaisuna päätesolmussa, kuten audioyksikössä. Piirin Ethernet MAC -osa tukee AVB-määritysten toimintoja, joista aikaisemmin oli puhetta, sekä aikakriittistä TSN-verkkoyhteyttä (Time Sensitive Networking). PCIe:stä Ethernet-AVB / TSN-perusliitännän lisäksi piirin TDM/I²C-lohko ja -liitäntä tukevat audiokoodekkeja, kun taas muut sarjaliitäntärajapinnat, kuten I²C, SPI ja UART, täydentävät liitäntöjen valikoiman.

Kuva 2. TC9562-piirin lohkokaavio esittää laajan valikoiman oheislaitteita, Automotive Ethernetin MAC_osan ja Arm Cortex-M3 -prosessoriyitmen.

Keskusyksikkösovelluksissa TC9562 voi olla paljon enemmän kuin yksinkertainen liitäntälaite. Integroitu CPU voidaan ohjelmoida suorittamaan niin kutsutut kiihdytystoiminnot, mikä mahdollistaa isäntäprosessorin kuormituksen vähentämisen. Audiodata isännältä voidaan siirtää TDM / I2S-rajapinnan kautta TC9562-piirille, jonka jälkeen se lisätään lähteviin Ethernet-paketteihin automaattisesti AVB-kehyksiin ajoitettuna.

Saapuva äänidata noudetaan automaattisesti Ethernet-liitännästä ja palautetaan isäntäprosessorille TDM/I2S:n kautta. Isäntäprosessori voi vaihtoehtoisesti käsitellä audiovirtoja käyttämällä omaa AVB-ohjelmistopinoaan vaihtamalla dataa TC9562:n kanssa PCIe-liitännän kautta. Integroitua prosessoria voidaan käyttää myös lajittelemaan saapuvat datapaketit niiden IP-osoitteen mukaan sijoittamalla ne suoraan isäntäprosessorin DRAM-muistin ennalta määritettyihin muistipaikkoihin PCIe-liitännän kautta (kuva 3).

Kuva 3. TC9562 voidaan määrittää toteuttamaan tietojen lajittelu ohjaamalla Ethernet-datapaketit tiettyihin paikkoihin isäntä-SoC:n muistissa. Samanaikaisesti AVB-audiodata ajoitetaan automaattisesti Ethernet-liikenteeseen ja haetaan siitä käyttöön.

Itsenäiset solmut audiosovelluksiin

TC9562 sopii yhtä hienosti kotiin päätesolmusovelluksiin, kuten äänilaitteisiin. Niissä ne voivat liittyä audiovahvistimiin ja kaiuttimiin lähtöjä varten. Samalla he voivat tuottaa ääntä mikrofonien kautta kompaktin Ethernet AVB -ratkaisun avulla (kuva 4). Piiri tukee useita äänensiirtomenetelmiä, mukaan lukien AVTP Audio Format (AAF) ja IEEE 61883-6 AM824-stream-muodossa. Integroitu vaihelukittu silmukka (PLL) tarjoaa kolme erilaista synkronointimenetelmää audiomediakellosignaalin palauttamiseksi audiovirroista. TDM / I2S-liitännän kautta voidaan käsitellä jopa 32 äänikanavaa 16-, 24- tai 32-bittisinä.

Kehittäjien käyttöön on toteutettu AVB Audio Node -sovellusdemo, joka auttaa heitä omassa sovelluskehityksessään. Tätä tukevat standardit kehitystyökalut ja JTAG-virheenkorjaimet, jotka perustuvat kompaktiin ja tehokkaaseen reaaliaikaiseen käyttöjärjestelmään ja sulautettuun verkkopinoon. CMSIS-yhteensopivista kirjastoista löytyy myös suoraan logiikalla ajettavia oheislaitteita.

Kuva 4. TC9562-piiriä voidaan käyttää toteuttamaan koko äänisolmu osana viihdejärjestelmää, mukaan lukien äänilähtö ja mikrofonitulo melunvaimennuksen toteuttamiseksi tai osana handsfree-puhelinta.

Viite

¹ http://historysdumpster.blogspot.com/2016/11/the-history-of-car-audio.html