A kamerák, radarok, lézerszkennerek, nagy felbontású kijelzők, szórakoztatóelektronikai rendszerek és az ezekre épülő, új generációs vezetéssegítő rendszerek (Advanced Driver Assistance Systems – ADAS) térhódítása miatt a gépjárművek integrált, fedélzeti elektromos hálózati architektúrája jelentősen átalakul a következő néhány évben. Az így létrejövő rendszer bonyolultsága és a járművek fedélzeti hálózatának sávszélességigénye olyan skálázható megoldás után kiált, amely már a közeljövőben alkalmas az 1 Gbit/s adatátviteli sebességet teljesítő hálózat megvalósítására.
A szimpla UTP fizikairéteg-alapú, IEEE 802.3bw/802.3bp szabványnak megfelelő ethernet egyszerre költséghatékony és ígéretes technológia ezen alkalmazások többsége számára, és évente mintegy 100 milliós számban fogják implementálni személygépjárművekben. Az árnyékolás nélküli kábeleket használó, 100 Mbit/s sebességű ethernetet már alkalmazzák tömeggyártású autókban, az első 1 Gbit/s sebességű hálózatokat 2020 környékén várják a szakemberek.
A gépjárműipari ethernet csatlakozói
Az alábbiakban bemutatjuk az UTP-n keresztüli magasabb adatátviteli sebesség követelményeit, külön kitérve a csatlakozók tervezési szabályaira és rendszerre gyakorolt hatásaikra. Az elektromos alapszabályokon felül a gépjárművekben használt csatlakozóplatformoknak azonban egy sor egyéb követelménynek is meg kell felelniük. Ezek egyike egy kisebb, moduláris megoldás kialakításának szükségessége, amelynél a központi elemek megfelelnek a 100 Mbit/s és 1 Gbit/s adatátviteli sebesség igényeinek is. Egy ilyen, jól definiált megoldással csökkenthető az alkatrészek darabszáma és sokfélesége úgy, hogy a rendszertervezéshez szükséges rugalmasságról sem kell lemondani. A gépjármű-elektronikában használt csatlakozókra vonatkozóan különösen fontos a robusztusság, a környezetállóság és a tűrőképesség a vibrációs hatásokkal szemben, illetve szükség van olyan funkciókra, mint reteszelhetőség, polarizáció és kódolás. Továbbá, a kábel krimpelésekkel szemben elvárás még a folyamatképesség, amellyel a jelenlegi kábelkorbács-gyártási technológiák eleve kompatibilisek vagy legfeljebb kis átalakítások árán azzá tehetők.
A TE által kifejlesztett MATEnet-sorozatú moduláris és skálázható csatlakozók olyan új platformkoncepciót hoztak létre, amely megfelel e követelményeknek, az alapját pedig kétpozíciós lezárómodulok szolgáltatják. A cikkben bemutatásra kerül a gépészeti felépítés is, beleértve az automatizált kábel krimpelési folyamatot. Az elektromos teljesítményt alkatrész- és jelszint mérésekkel, B-minta prototípusokon demonstráljuk, az opcionális, jövőben elérhető bővítéseket (pl. szigetelés vagy árnyékolás) pedig módosításokkal lesz majd lehetséges kezelni.
A gépjármű-elektronikai ethernet fő alkalmazása a különböző elektronikus vezérlőegységek (Electronic Control Unit – ECU) közötti adathálózat megvalósítása lesz. Az ECU-k jellemzően négyszögletes, formázott csatlakozókkal rendelkeznek, amelyeknél a csatlakozószámot és az illesztőfelületet a tényleges alkalmazás igényeinek megfelelően határozzák meg. Jelenleg a NanoMQS csatlakozóknál a legkisebb, szabványos fülméret 0,4×0,5 mm2, amely már sorozattermék a 100 Mbit/s sebességű ethernetalkalmazásoknál. A stabilitás és általános gépjárműipari megfelelőség okán ugyanerre a platformra esett a választás a későbbi, 1 Gbit/s adatátviteli sebességű megoldásokhoz. A gépészeti tervek alapjául az elektromos analízis eredményei és az ebből következő tervezési szabályok szolgáltak, a további követelmények forrása pedig az ügyféltanulmányok megállapításai voltak. A legfontosabb követelményeket az 1. táblázat foglalja össze.
Az igényelemzés egyik legfőbb eredménye a döntés a platform modularitása és az ethernet csatornánként elérhető kétpozíciós betét alkalmazása mellett. Ez lehetővé teszi, hogy a páros krimpelés elkülöníthető legyen a kábelkorbács gyártási folyamatától. Az 1. ábra bemutatja az összes platformalkatrészt egypáras változatban, beleértve egy 5-portos nyomtatott áramköri csatlakozót is.
A papa csatlakozónál a csatlakozópárt műanyag keret öleli körbe, amely védelmet nyújt a fülek számára a kábelkorbács gyártási folyamata során. Ez a műanyag keret segítséget nyújt az illesztés során a dugasz megfelelő megvezetésében is. Az ábra bal felső részén láthatóak szerint mindkét csatlakozófél egyforma rögzítő-merevítő kapcsot tartalmaz. Ez a fémalkatrész adja az alapját a kábel megtörési lehetőségének és a mechanikai törésgátlásának, és definiált pozíciót biztosít a jelvezetékeknek a krimpelési folyamat során keletkező mechanikai feszültség jelentkezése esetén.
A papa-mama részek polarizáltak, opcionális színkódolással is elláthatók, amely utóbbi a dugasz és ellenpárja burkolatán valósulhat meg. Az áramköri hordozós csatlakozók ugyanazokkal a műanyag keretekkel rendelkeznek minden csatlakozópárnál, így illesztés során biztosítják a megfelelő megvezetést, ezáltal a nagyobb, többpáras csatlakozóknál a tűrések hatása egyszerűen csökkenthető. A vezetékpárokra nézve szimmetrikus elrendezésű, földelt fémlemezek az áramköri kártyás csatlakozóknál elősegítik az áthalláselnyomást, és egyúttal biztosítják a megfelelő kihúzó erőt. Az U alakú lebegő árnyékolás a soros csatoló burkolatába beépítésre kerül, és így nagyfokú elektromos egyensúlyt biztosít, amely független a környező fémstruktúráktól.
Feldolgozási folyamatok a gépjármű-ipari ethernetalkalmazásokban
A NanoMQS szabványú csatlakozók standard krimpelési folyamatához a szerszámban jellemzően 35 mm szabad hosszúságra van szükség a csupaszításhoz és krimpeléshez. Ezt a szabad hosszúságot mindössze 10 mm-re kell csökkenteni az 1 Gbit/s addatátviteli sebességű ethernetalkalmazásoknál a jelintegritás miatt. A gyártási folyamat reprodukálhatósága és a rövid ciklusidők okán a teljes kábelfeldolgozáshoz új folyamatkoncepció került kifejlesztésre. Ennek alaplépéseit a 2. ábra mutatja.
A folyamat néhány kulcseleme a huzalok automatizált levágása a pontos hosszúságra, mindkét ér krimpelése, valamint a végszerelés a csatlakozók szerszámból való kiengedése nélkül. A huzal tengelyirányú pozíciójára nézve csekély toleranciájú krimpelés sikeressége és a mindkét kontaktus egy-idejű csatlakoztatása csak automatizált folyamatokkal lehetséges, amelyek lehetnek különböző szinteken félig vagy teljesen automatizáltak, és kompatibilisek köpenyes vagy köpeny nélküli UTP-kábelekkel is. Az elektromágneses interferencia szempontjából kritikus alkalmazások esetére az UTP alternatívájaként alkalmazhatók STP-kábelek is, beleértve a kábelfonatok és -lezárások kezelését is. A 0,13 ... 0,35 mm2 közötti átmérőkkel mindenféle rézötvözetű (pl. nagy tisztaságú réz-, illetve ón-réz vagy magnézium-réz ötvözetek) anyag alkalmazható, a regionális ügyféligények szerint pedig elérhetők a NanoMQS, MCON 0.50 és Gen50 sorozatú, miniatürizált, autóipari csatlakozók is. A rendkívül rövid sodoratlan terület (10 mm szétszerelési hossz) támogatja az adatátviteli sebességet akár 1 Gbit/s-ig, és a leírt mechanikai folyamatok alatt is elfogadható RF-teljesítményt nyújt (nincs szükség tehát 100%-os gyártósorvégi S-paraméter-mérésekre). A szabványosított, kétpozíciós kábelmodulok különböző interfészekre illeszthetők, legyen szó akár szimpla, többszörös, soros, vagy akár szigetelt, ill. szigetelés nélküli csatlakozásokról.
Mérési eredmények a 100BASE-T1 és 1000BASE-T1 szabványok szerint
Az elektromos teljesítménymérés utolsó lépcsője a teljes, 15 méteres csatlakozáson mért frekvenciatartománybeli paramétereinek meghatározása. A 3. ábra egy UTP-kábeles konfiguráció tipikus mérési összeállítását szemlélteti, itt a kábelt 10 mm-rel egy elektromosan vezető referenciasík fölé helyezték meanderstruktúrában.
A mérőbefogókat tartalmazó panelek egyetlen csatlakozó ellenpárral rendelkeznek mindkét végpontnál, amelyek erre a földelősíkra vezető, kisimpedanciás összeköttetésűek. A mérési eredmények arra engednek következtetni, hogy az 1000BASE-T1 összeköttetésre vonatkozó határértékeket csak akkor teljesíti a rendszer, ha minden alkatrész, vezeték és csatlakozó megfelel az 1 Gbit/s átviteli sebesség által támasztott követelményeknek.
Összefoglalás és végkövetkeztetések
Ahogy a cikkben több ízben is leírtuk, a TE Connectivity által kifejlesztett MATEnet moduláris és skálázható csatlakozók egyik legfőbb ismertetőjegye és pozitívuma, hogy kompatibilisek a már létező csatlakozástechnikai termékcsaládokkal. Ez a kompatibilitás lehetővé teszi, hogy ethernetportokkal a jövőbeni gépjármű-elektronikai alkalmazások könnyedén bővíthetők legyenek nagy sorozatnagyságú termelésben is. Továbbá: új alkalmazástechnikai eszközökbe való befektetésre csak a rendszerszállítók részéről van szükség.
A cikkben bemutatott MATEnet moduláris és skálázható csatlakozóplatform a kétpozíciós kábellezárási modulokkal minden vonatkozó iparági követelménynek megfelel. Új feldolgozási folyamatlépésekre ezek alkalmazásánál csak a modulszerelésnél van szükség. A standard krimpelési műveletek, jóváhagyással rendelkező autóipari csatlakozók és teljesen automatizált kábelszerelési folyamatok alkalmazhatósága rövid ciklusidőket és kiváló gyárthatóságot eredményez. A kétpozíciós ethernetmodulok rendelkeznek a gépjárműiparban megszokott reteszelőfunkciókkal, amelyek elő-segítik a standard, egyvezetékes csatlakozásokkal való kompatibilitás megtartását, és rendkívül komoly fegyvertény a már kialakult kábelkorbácsgyártásban. A TE megoldásának globális jellegét a standard, 0,4×0,5 mm2 méretű fülek adják, amely biztosítja a kompatibilitást a hasonló rendeltetési célú rendszerekkel (pl. NanoMQS csatlakozók).
Az összeköttetési rendszer fizikai kapcsolatszintű mérései egyértelműen arra engednek következtetni, hogy az 1000BASE-T1 átviteli formátum követelményei csak akkor teljesíthetők, ha nagy teljesítményű kábeleket tartalmaz a rendszer. A megoldás moduláris jellege ugyanazt a robusztusságot és folyamatjellemzőket biztosítja kisebb adatátviteli sebességű rendszerek (pl. 100BASE-T1) esetén is.
A MATEnet moduláris és skálázható csatlakozóplatform bebizonyítja, hogy a kis méretű csatlakozókkal rendelkező, gépjármű-elektronikai információátviteli rendszerekkel ténylegesen elérhetők akár másodpercenként gigabites átviteli sebességek. A TE új platformja támogatja a szigetelt és az elektromágneses zavarokra különösen érzékeny esetekre a különféle árnyékolásokkal ellátott összeköttetések fejlesztését, amelyeknél az UTP-kábelek képességei már nem elegendőek.
Végeredményben tehát elmondható, hogy a MATEnet moduláris és skálázható csatlakozóplatform már rendelkezésre áll, és egy rendkívül rugalmas, jól méretezhető és nagy teljesítményű megoldást kínál minden gépjármű-elektronikai ethernetalkalmazásra.
A TE Connectivity rövidenA TE Connectivity (NYSE: TEL) egy 12 milliárd dolláros, technológiai világcég. A csatlakoztatási és szenzoros megoldásokat szolgáltató cég termékei a mai, összeköttetésekben gazdag világban nélkülözhetetlenek. A vállalat nem csupán alkalmazza mérnökeit, hanem szorosan együtt is működik velük annak érdekében, hogy elképzeléseiket fizikai valósággá változtassa intelligens, kiváló hatásfokú és kimagasló teljesítményű termékek formájában. A cég által foglalkoztatott 72 ezer ember (amelyből 7200 fejlesztőmérnök) és a megannyi iparágban világszerte 150 országban szoros együttműködésben dolgozó ügyfél a cég eredményeit igazolja. A cég mottója: „MINDEN KAPCSOLAT SZÁMÍT”. www.TE.com. |
