Couverture ElectroniqueS n°127

L'ETHERNET AUTOMOBILE OFFRE UNE EXCELLENTE OCCASION DE REVOIR L'ARCHITECTURE ÉLECTRIQUE DU VÉHICULE : CONÇU EN TENANT COMPTE DES EXIGENCES SÉVÈRES DE L'INDUSTRIE AUTOMOBILE, IL RÉPOND AUX BESOINS DE BANDE PASSANTE RÉSERVÉE ET DE FAIBLE LATENCE POUR LES DONNÉES À TIMING CRITIQUE. Le divertissement à bord des voitures est presque aussi vieux que la production de voitures en série elle-même. Dans les années 1920, Chrysler proposait en option une radio Westinghouse pour 200 dollars, soit près de la moitié du prix du véhicule. Sachant que de nombreux ménages ne possédaient même pas de radio, encore moins de voiture, disposer d'une radio dans sa voiture était sans nul doute un formidable marqueur social. Aujourd'hui, les propriétaires de véhicules attendent beaucoup plus de leurs systèmes d'infodi-vertissement embarqués, et la plupart des fonctionnalités désirées sont désormais standard. Les interfaces USB permettent aux passagers d'emporter des heures, voire des jours de musique à bord du véhicule, tandis que Bluetooth et smart-phones, associés à des applications de streaming, offrent un environnement musical illimité. Klaus Neuenhüskes (Toshiba) Klaus Neuenhüskes est responsable marketing pour les circuits à signaux mixtes et numériques chez Toshiba Electronics Europe. Passé par Oki Semiconductor puis NEC Electronics, il a suivi une formation d'ingénieur en électronique et électrotechnique au sein de Siemens. Avec l'introduction de l'Ethernet automobile, de nouvelles approches et de nouvelles topologies de systèmes audio sont possibles. Il fournit un bus haut débit à bande passante et latence garanties pour les données audio et vidéo, sur un câblage simple et léger. Alors que les véhicules évoluent vers des trains roulants hybrides ou tout électriques, les développeurs profitent des gains de poids et de consommation pour mettre en œuvre de nouvelles topologies d'in-fodivertissement répondant aux attentes de la génération des smartphones et de l'autopartage. CHANGER L'APPROCHE DE L'INFODIVERTISSEMENT Les systèmes d'infodivertissement actuels sont extrêmement complexes et intègrent non seulement la lecture audio, mais aussi la navigation, la téléphonie, l'accès à Internet en 4G, la lecture vidéo, et aussi certaines fonctions d'aide à la conduite, telles que des caméras servant aux manœuvres Vers le de contrôle stationnement ou à la vision périphérique. Élaborées autour de SoC (system on chip, ou système sur puce) puissants, ces solutions intègrent la majorité des composants dans la console centrale. Cependant, cette approche n'est pas toujours optimale (voir figure 1). Certaines solutions radio, comme le GPS ou la connectivité cellulaire, sont mieux mises en œuvre à proximité de leur antenne, au sein de modules intégrés à l'extérieur de l'habitacle. La connectivité USB gagne elle à être positionnée au milieu de l'habitacle, voire à plusieurs endroits dans l'habitacle, pour permettre aux passagers de charger leurs appareils et de partager leur musique. L'Ethernet automobile permet des approches distribuées permettant de relever ces défis, avec des nœuds dédiés gérant les différentes fonctionnalités. Dans un contexte automobile, l'Ethernet classique tel qu'on l'utilise dans nos foyers et nos bureaux pose de sérieux problèmes. Le premier est lié au câblage, qui est généralement rigide et encombrant du fait des multiples paires torsadées et du blindage présents dans les câbles CAT5e et similaires. Ce problème a été résolu en modifiant la signalisation de la couche physique, afin qu'elle n'utilise qu'une seule paire torsadée en full duplex, capable de fonctionner sans blindage. De nombreuses applications automobiles, en particulier le transfert audio et vidéo, exigent qu'une certaine bande passante soit réservée pour assurer une lecture ininterrompue. Ce point a aussi été abordé dans les spécifications du pont audio-vidéo (AVB pour audio video bridge en anglais) et dans son support matériel. Ces spécifications permettent de réserver une certaine bande passante entre deux nœuds du réseau. Un dernier défi est la question de la synchronisation audio et vidéo entre plusieurs nœuds. Celle-ci est réalisée grâce à l'utilisation d'un mécanisme qui garantit que les paquets soient présentés au même moment aux différents nœuds du réseau. Cette fonction permet aussi de synchroniser l'échantillonnage audio des microphones, par exemple pour mettre en œuvre un système mains libres ou une fonction de suppression de bruit à bord du véhicule. L'efficacité énergétique de l'ensemble du réseau est assurée par l'implémentation EEE (energy efficient Ethernet, ou Ethernet éco-énergétique) qui permet aux nœuds de passer en mode basse consommation, tout en restant « réveillables » par le réseau. De nombreux SoC utilisés dans l'automobile disposent d'un large éventail d'interfaces, mais ils sont le plus souvent démunis de périphérique compatible AVB/TSN-Ethernet automobile intégré. Lors de la recherche d'une solution, il est logique de choisir une option qui puisse être utilisée aussi bien dans la console centrale que dans les différents nœuds terminaux avec lesquels elle communique. Cela signifie que les concepteurs n'ont à maîtriser les fonctionnalités que d'un seul dispositif, pour ensuite le déployer dans tout un éventail d'applications. SIMPLIFIER LA MISE EN ŒUVRE DE L'ETHERNET AUTOMOBILE Le TC9562 de Toshiba en constitue un bon exemple (voir figure 2). Il fournit la fonctionnalité Ethernet automobile aux consoles centrales, par le biais de l'interface PCI Express (PCIe), qui se comporte comme un périphérique. Cependant, grâce à son processeur ARM Cortex-M3 intégré, il est tout aussi à l'aise en tant que solution autonome dans un nœud terminal, comme une unité audio. Le MAC Ethernet gère les fonctionnalités des spécifications AVB évoquées plus haut, ainsi que la fonctionnalité TSN (time sensitive networking, ou réseau à timing critique). Outre la fonction PCIe-to-Ethernet-AVB/TSN de base, les codecs audio sont pris en charge par un moteur TDM/I²S vers Ethernet-AVB et une interface, tandis que d'autres interfaces série, telles que I²C, SPI et UART sont également présentes. Pour les applications de console centrale, le TC9562 peut être bien plus qu'un simple dispositif d'interfaçage. L'unité centrale intégrée peut être programmée pour exécuter ce que l'on pourrait appeler des fonctions d'accélération, qui vont soulager l'unité centrale hôte. Les données audio provenant de l'hôte peuvent être transférées via l'interface TDM/I²S vers le TC9562, où elles sont insérées dans des paquets Ethernet, qui sont ensuite automatiquement envoyés selon un timing précis dans des trames AVB. Les données audio entrantes sont récupérées par l'interface Ethernet, et envoyées à l'unité centrale hôte via TDM/I²S. D'une autre manière, l'unité centrale hôte peut aussi gérer les flux audio avec sa propre pile logicielle AVB, en échangeant les données avec le TC9562 par le biais de l'interface PCIe. L'unité centrale intégrée peut également servir à trier les paquets de données entrants en fonction de leur adresse IP, en les plaçant directement dans les emplacements prédéfinis de la mémoire Dram de l'unité centrale hôte via l'interface PCIe (voir figure 3). NŒUDS AUTONOMES POUR APPLICATIONS AUDIO Le TC9562 est tout aussi à l'aise dans les applications de nœuds terminaux, comme les appareils audio. Dans ce cas, il peut s'interfacer avec des amplificateurs audio et des haut-parleurs, tout en acquérant le signal audio à l'aide de microphones, pour fournir une solution AVB Ethernet compacte (voir figure 4). Plusieurs méthodes de transmission audio sont gérées, notamment AAF (AVTP audio format) et IEEE 61883-6 avec le format de flux AM824. La boucle à verrouillage de phase (PLL) intégrée offre trois méthodes de synchronisation différentes pour récupérer l'horloge du média audio à partir des flux audio. L'interface TDM/I²S permet de traiter jusqu'à 32 canaux audio en 16, 24 ou 32 bits. Pour aider les ingénieurs à concevoir leurs propres applications, il existe également un démonstrateur de nœud audio AVB. Tout cela s'appuie sur des outils de développement standard et des débogueurs JTAG, basés sur un système d'exploitation temps réel (RTOS) compact et performant, et une pile réseau intégrée. Des pilotes de périphériques « bruts » sont également disponibles sous forme de bibliothèques conformes CMSIS. •

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