Wie Fortschritte bei der Ethernet-EMV den Markt für Industriefahrzeuge verändern

Gross, robust und vernetzt

Der Freightliner Inspiration von Daimler Trucks ist der erste autonome Lastkraftwagen, der für den öffentlichen Strassenverkehr in den Vereinigten Staaten zugelassen ist. Bild: Daimler Trucks North America LLC.
Diagramm 1: Leistungsfähigkeit Quiet-WIRE-basierter Empfänger nach der BCI-Methode. Bild: Microchip
Diagramm 2: Blockschaltbild eines kompletten Quiet-WIRE-Netzwerks für ein Industriefahrzeug. Bild: Microchip
Jason Tollefson /

Autonome Pkws erregen viel Aufmerksamkeit und versprechen eine aussichtsreiche Zukunft. Sie sind aber nicht die einzigen Fahrzeuge, die automatisiert werden. Auch Industriefahrzeuge und Lkws sollen von den Vorteilen der wachsenden Autonomie profitieren.

Industriefahrzeuge, wie sie in den Bereichen Bau, Landwirtschaft und Transportwesen eingesetzt werden, stellen spezielle Herausforderungen an die Kommunikationstechnik – allen voran ist der Platzbedarf entscheidend. Ob es dabei um die Länge oder den enormen Umfang geht – die Kabellängen sind wesentlich länger als das Auto selbst. Erschwerend kommt hinzu, dass längere Kabel den Störungen aus der Umgebung ausgesetzt sind, was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nachteilig beeinflus

Autonomie in Industriefahrzeugen

Sicherheit und Effizienz sind zwei Vorteile, die sich durch Autonomie in Baufahrzeugen ergeben. Die Sicherheit lässt sich durch den Einbau kamerabasierter Bildgebungssysteme erhöhen, die einen 360°-Rundumblick in Echtzeit ermöglichen, zum Beispiel in Baugruben, und somit die Maschine-Bediener-Interaktion vereinfachen. Fernbedienung von Industriefahrzeugen ist ein weiterer Sicherheitsvorteil der Automatisierung. Ein Beispiel wäre die ferngesteuerte Bedienung von Planierraupen auf einer Baustelle. Ohne Bediener im Fahrzeug erübrigt sich dessen Verletzungsrisiko. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einbau eines Global Navigation Satellite System (GNSS) mit Schaufelpositionssensoren und Inertialsensoren, um eine automatische Planierung des Baugrunds zu ermöglichen, was eine schnellere Fertigstellung garantiert.

Effizienz ist auch bei landwirtschaftlichen Geräten das Ziel der Autonomie. Durch die Kombination von Kamerasystemen mit Lenksteuerungen lässt sich die Menge des beschädigten Getreides durch Reifenspuren reduzieren. Zudem ist eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund des präziser positionierten Fahrzeugs möglich, was die Ernteerträge erhöht und den Arbeitsaufwand verringert.

Auch Sattelzüge werden zunehmend automatisiert. Im vergangenen Jahr wurde ein Modell eines vollautonomen Lkws vorgestellt, der eine Bierlieferung durchführte. Mit integrierten Kameras, Light Detection and Ranging (LIDAR) und anderen Sensoren konnte der Lkw autark in mehreren westlichen US-Bundesstaaten fahren, in denen der Betrieb autonomer Fahrzeuge erlaubt ist. Diese Technologie verspricht massive Einsparungen bei den Energiekosten, mehr Sicherheit und eine bessere Fahrzeugnutzung.

Um diese Fortschritte bei der Sicherheit und Effizienz umzusetzen, ist Kommunikationstechnik im gesamten Fahrzeug und damit über sehr lange Leitungslängen erforderlich. Im Folgenden werden die Technologien näher untersucht, die am häufigsten bei der Automatisierung grosser Industriefahrzeuge eingesetzt werden.

Kommunikationstechniken

Um die verschiedenen Video-, Audio-, Sensor- und Telematik-Subsysteme autonomer Fahrzeuge miteinander zu vernetzen, stehen derzeit mehrere Optionen zur Verfügung: CAN, CAN-FD, LVDS, MOST und Ethernet sind die bekanntesten. Aufgrund der enormen Grösse dieser Fahrzeuge muss die Kabelreichweite jeder Technologie und ihre zugehörige Bandbreite berücksichtigt werden.

CAN- und CAN-FD-Datenraten eignen sich für lokale Sensordaten, sind aber für Videoübertragungen zu niedrig. 4k-komprimiertes Video kann mehr als 12 MBit/s verbrauchen – eine deutlich höhere Datenrate als sie CAN-FD bietet. Da immer mehr Kameras hinzugefügt werden, wird auch mehr Bandbreite benötigt. Ein Sattelzug in den USA kann bis zu 18 Meter lang sein. Dies würde LVDS und 802.3bw (100Base-T1) als Techniken ausschliessen, die Video ohne Repeater oder Switches übertragen könnten. Damit bleiben nur zwei Kommunikationstechniken für die Bereitstellung hoher Datenraten über lange Distanzen übrig: MOST und Ethernet mit Quiet-WIRE-Technologie.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Grosse und robuste Anwendungen wie Industriefahrzeuge müssen einen Betrieb in rauen Umgebungen gewährleisten. Tritt elektromagnetische Energie in benachbarten Bereichen auf, sollte diese nicht ignoriert werden. Noch wichtiger ist, dass keine EMV-Probleme verursacht werden und kein Datenverlust auftritt.

Alle oben beschriebenen Techniken sind robust – deshalb kommen sie im Automotive-Bereich zum Einsatz. Tabelle 2 beschreibt die Signalverfahren, um die Verkabelung jeder Technik robust zu gestalten.

Im Vergleich zu anderen Techniken kommt die Ethernet-Technologie aufgrund ihrer guten und verständlichen EMV, der hohen Bandbreite und vor allem wegen ihrer standardbasierten Technologie immer häufiger in Industriefahrzeugen zum Einsatz. Wie wird die Ethernet-Funktionalität durch elektromagnetische Störungen beeinflusst? Elektromagnetische Störungen können mit ihrer Störstrahlung und Suszeptibilität zu Datenpaketverlusten führen. Dabei werden Daten von den Knoten oder vernetzten Gegenstellen nicht ordnungsgemäss übertragen oder verstanden. Quelle der Störstrahlung, die im Ethernet-Kabel einen Datenverlust verursacht, kann in der Nähe befindliche Elektronik oder ein Elektromotor sein. Um die Empfindlichkeit gegenüber diesen Störungen zu minimieren, verbessern Techniken wie Quiet-WIRE die Empfindlichkeit und Filterung der integrierten Empfänger, während gleichzeitig der Störanteil auf der Senderseite reduziert wird.

Bulk Current Injection (BCI) ist eine häufig verwendete Methode zur Messung der Störfestigkeit. Diagramm 1 beschreibt die Leistungsfähigkeit Quiet-WIRE-basierter Empfänger nach der BCI-Methode. Die Daten bestätigen, dass Quiet-WIRE-Empfänger fehlerfreie Übertragungen beim Einbringen von 200 mA Rauschstrom über den gesamten Frequenzbereich von 1 bis 400 MHz garantieren und somit die Grenzwerte der Automotive-OEMs übertreffen. Im Gegensatz dazu weisen Empfänger ohne Quiet-WIRE-Technologie einen erheblich schlechteren Signalempfang von 9 dBm auf – und damit eine fast zehnmal schlechtere Leistungsfähigkeit.

Ein weiterer Vorteil der Quiet-WIRE-Technik ist der Signalqualitätsindikator. Dieser numerische Wert ähnelt dem Signal-Rauschabstand und ist ein Mass für Kabellänge, Kabelqualität und gekoppelte Umgebungsstörungen. Er kann in Echtzeit überwacht werden und dient dazu, Verbindungsfehler vorherzusagen oder sicherzustellen, dass Leistungsstandards für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb erfüllt werden.

Quiet-WIRE Switches und PHYs

Mit dem PHY KSZ8061 und dem Switch KSZ8567 von Microchip Technology lässt sich ein komplettes Quiet-WIRE-Netzwerk realisieren. Diagramm 2 zeigt das Blockschaltbild für ein Industriefahrzeug, das diese Bausteine enthält. Die ICs verfügen über eine Pin-Strapping-Option, die Quiet-WIRE bei der Fertigung ohne jeglichen Softwareeingriff aktiviert. Auf Wunsch kann die Filterung jedoch per Software deaktiviert werden. Ein weiterer Vorteil der Quiet-WIRE-Technik ist, dass sie zu Standard-Ethernet-Einrichtungen kompatibel ist. So kann zum Beispiel ein Ethernet-basiertes Diagnose-Tool mit dem Quiet-WIRE-Switch verwendet werden, das im Vergleich zur Standard-Ethernet-Technik eine höhere Leistungsfähigkeit bietet.

Microchip bietet 24 Ethernet-Produkte mit Quiet-WIRE-Technik an, darunter AEC-Q100-qualifizierte Varianten, die den erweiterten Temperaturbereich bis 105°C unterstützen.

Robustere Betriebsumgebungen

Heute ist es möglich, einen robusten und zuverlässigen Betrieb in grossen, anspruchsvollen Anwendungen sicherzustellen, wie sie in Bau- und landwirtschaftlichen Fahrzeugen sowie in Sattelzügen zu finden sind. Mit einem kompletten Portfolio von Quiet-WIRE-Produkten, die sich mit den wichtigen Designaspekten Kabellänge, Datenrate und EMV befassen, wird die Integration autonomer Funktionen in diese Fahrzeuge weiter vorangetrieben. Quiet-WIRE und seine im Vergleich zu Kabellängen bis zu 80 m zehnfach bessere EMV tragen dazu bei, Industriefahrzeuge noch sicherer und produktiver zu machen.