Bus automotive in rete

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A bordo auto è avvenuta una rivoluzione silenziosa che ha portato in pochi anni a un crescente impiego delle reti di connessione specializzate nelle comunicazioni “in-vehicle”, “vehicle-to-vehicle” e “vehicle-to-infrastructure”. Molte industrie del comparto si sono impegnate in campagne di ricerca e sviluppo finalizzate a perfezionare questo tipo di collegamenti sia nella struttura hardware sia negli strumenti di gestione software e non vi è dubbio che siano stati ottenuti significativi passi avanti nella prevenzione dei guasti e delle situazioni critiche e, quindi, nel miglioramento della sicurezza di viaggio.

Reti automotive evolute
Fra gli acronimi di cui si è sentito più frequentemente parlare negli ultimi tempi troviamo gli standard FlexRay, Controller Area Network (CAN) , Japan Automotive Software Program ARchitecture (JASPAR), Local Interconnect Network (LIN), Society of Automotive Engineers (SAE) J1850, AUTomotive Open System ARchitecture (AUTOSAR), Media-Oriented Systems Transport (MOST) e FireWire (1394). Fra questi, l’unico non ancora diffusosi è il MOST finalizzato ai sistemi di infotainment che oggi viene usato solamente sulla Toyota Prius in una versione sperimentale, giacché se ne attende a breve la nuova versione Rev.3 da 150 Mbit/s più congeniale alle prossime venture applicazioni di questo genere.

Fig. 1 – Il protocollo di rete FlexRay può diventare la piattaforma di appoggio per le reti automotive CAN, LIN e MOST

Per quanto concerne la trazione e il controllo dei sottosistemi di guida non si può certo dire che vi sia uno standard dominante sugli altri, giacché a contrastare il beneficio dell’interoperatività fra i sistemi derivante dall’uso di tecnologie universali c’è l’esigenza da parte delle singole case automobilistiche di proteggere la proprietà intellettuale delle proprie tecnologie. Può, quindi, succedere che gli standard si somiglino a livello funzionale, ma sono in realtà diversi nel loro funzionamento operativo. Peraltro, sono anche in atto dei tentativi per migliorare almeno la versatilità di questi sistemi con l’introduzione di soluzioni miste. Per esempio, lo standard JASPAR è stato recentemente adottato dal FlexRay Consortium che ha deciso di incorporarlo nelle nuove direttive FlexRay Protocol Specification V3.0 e nelle Physical Layer Specification V3.0, fornendo così entrambi i protocolli in un’unica soluzione che può essere utile a tutti i costruttori e OEM del settore e non solo ai tedeschi o ai giapponesi. Questo approccio è stato già accolto con favore da BMW che ha deciso di impiegarlo nei suoi nuovi SUV Serie 7 in una versione a doppio canale con velocità di 20 Mbit/s.

Lo stesso consorzio, formato da BMW, General Motors, Volkswagen, Daimler-Chrysler, Bosch, Freescale Semiconductor e NXP Semiconductor, spinge per far diventare FlexRay una tecnologia adatta anche alla gestione dei sottosistemi di trazione e guida x-by-wire. Tuttavia, la superiore velocità di lavoro implica, purtroppo, che i costi delle reti FlexRay siano più alti rispetto alle più semplici soluzioni basate sul bus CAN ed è, quindi, probabile che gli OEM difficilmente rinuncino a quest’ultimo e semmai potrebbero acconsentire a cercare di implementare soluzioni miste con entrambi i collegamenti.

D’altra parte, Austriamicrosystems e TTTech Automotive stanno cercando di sviluppare soluzioni FlexRay a più basso costo realizzando transceiver meno veloci ma più economici e capaci comunque di assicurare la medesima affidabilità. Con questo approccio, anche se diminuisce la banda, si mantiene il vantaggio del maggior numero di nodi gestibili e si possono comandare e controllare molti più sottosistemi con un’unica struttura elaborativa. NXP Semiconductors ha introdotto nel 2006 il suo primo transceiver FlexRay integrato, il TJA1080A, al quale sono seguiti poi i modelli TJA1081, TJA1082 e TJA1085 spediti già per oltre un milione di esemplari. Intanto fornisce anche transceiver CAN e LIN dei quali non prevede alcun rallentamento né in produzione né nella commercializzazione. Fra i suoi programmi più prossimi c’è la ricerca e sviluppo di reti automotive miste capaci di interoperare con più protocolli di comunicazione.

Prestazioni facili da gestire
Tutti i maggiori fornitori di elettronica stanno ampliando il loro portafoglio prodotti relativo ai dispositivi compatibili con le tecnologie di rete automotive e si tratta soprattutto di sensori e microcontrollori. Peraltro, oggi a bordo auto sono già numerosi i microcontrollori e aumenta di pari passo anche la loro complessità di gestione, tanto che si comincia a ripensarli in forma modulare, dove ogni modulo rimane legato a un particolare subset di sottosistemi. Questo approccio potrebbe semplificare l’elettronica automotive, ma solo se si fa in modo di preservarne le prestazioni in tempo reale. Ciò significa che se le strutture modulari sono troppo complesse la velocità e la banda delle reti CAN potrebbero non bastare e questo potrebbe essere un buon motivo per gli OEM per spingere verso una progressiva migrazione delle reti automotive da CAN a FlexRay.

Invero, sono state sviluppate nuove versioni del protocollo standard CAN denominandole FT-CAN, Fault-Tolerant CAN, HS-CAN, High-Speed CAN, SW-CAN, Single-Wire CAN, e TT-CAN, Time-Triggered CAN, tutte con funzionalità e prestazioni particolarmente ottimizzate per svolgere mansioni automotive e, sebbene migliorino le caratteristiche delle connessioni CAN, non sono però sufficienti a permettere un vero salto di qualità di questo tipo di applicazioni. Un’altra nuova idea è stata proposta da Delphi e ha la forma di un protocollo di comunicazione in tempo reale con le stesse istruzioni presenti sia in CAN che in FlexRay. Battezzato Goldilocks, questo protocollo usa la schedulazione Deadline Monotonic Analysis, DMA, che è compatibile con la gestione del traffico nelle connessioni CAN.

Certamente il bus che ha il minor costo per nodo è LIN che può essere considerato un “sotto bus” di CAN e permette di collegare i sensori e attuatori automotive alla velocità di 19200 baud con cavi lunghi fino a 40 metri. Atmel ne ha realizzato una versione che può essere considerata la seconda generazione e offre una maggior robustezza ESD ed EMI. Per questo standard l’azienda ha introdotto una nuova famiglia di transceiver con
le due tensioni di lavoro 3,3 e 5 V tipicamente in uso nelle applicazioni automotive. Un’altra versione denominata MSP LIN l’ha realizzata la ditta russa Finprom Resource e viene usata da Audi specificatamente per il sistema di controllo posizione e riscaldamento sedili a bordo delle A6. Finprom sta anche proponendo un proprio sistema di comunicazione a bus misto fra CAN e LIN che ha denominato AVAS e che permette di comandare e controllare i sottosistemi automotive in modo adattativo.

Questione di software
In questo panorama non si può prescindere dal software che per essere in grado di gestire le più moderne e sofisticate prestazioni dell’elettronica automotive ha dovuto gradualmente diventare altrettanto più complesso. Innanzi tutto è aumentato il numero dei dispositivi da connettere e oggi, fra sensori, attuatori, microcontrollori e transceiver, se possono contare nell’ordine del centinaio, il che ha fatto sì che gradualmente gli algoritmi per la gestione dell’elettronica automotive raggiungessero le attuali dimensioni nell’ordine dei MByte.

Una promessa che potrà uniformare e semplificare il software embedded automotive è AUTOSAR che Bosch ha già cominciato a considerare come standard di riferimento per i suoi nuovi prodotti, pronosticandone di fatto un’ampia affermazione sul mercato automobilistico. Il suo principale vantaggio è quello di favorire la riutilizzabilità degli algoritmi automotive e questo servirà a farne scendere i costi e migliorarne la versatilità. AUTOSAR può occuparsi dei trasferimenti di segnali a tutti i livelli della rete di bordo sia fra dispositivi che fra sottosistemi e consente, inoltre, di implementare funzioni di controllo evolute gestibili con sottoprogrammi specifici e, per esempio, dedicati alle tecnologie x-by-wire. Finalmente la complessità delle connessioni automotive può risolversi con un unico approccio che ne rende più armonico il funzionamento e ne offre spunti di miglioramento che potranno favorire lo sviluppo di nuove idee.

Fig. 2 – AUTOSAR può occuparsi dei trasferimenti di segnali a tutti i livelli delle reti automotive sia fra dispositivi che fra sottosistemi

NEC Electronics America ha rilasciato il software MCAL compatibile con AUTOSAR e lo fornisce insieme al suo microcontrollore a 32 bit V850 che fra le periferiche dispone anche di un controller FlexRay. Mentor Graphics ha introdotto il nuovo tool Volcano Vehicle Systems Architecture conforme allo standard AUTOSAR e provvisto dei supporti per le connessioni CAN, LIN e FlexRay. Grazie a ciò la suite di tool Volcano potrà essere usata per sviluppare le applicazioni embedded automotive e verificarne la correttezza funzionale al fine di poter realizzare più rapidamente i prototipi e migliorare il time-to-market nell’introdurre le novità. Vector Informatik ha messo a punto il Fieldbus-Exchange Format FIBEX basato su XML che serve a scambiare i segnali sui bus in forma compatibile con gli algoritmi AUTOSAR e ne agevolerà l’adozione specialmente nelle reti FlexRay.

La stessa azienda tedesca sta collaborando con MathWorks per realizzare tool specifici per lo sviluppo delle applicazioni AUTOSAR e funzioni interne al Vector DaVinci Developer compatibili in modo trasparente con il Simulink di the MathWorks. Quest’ultimo è piuttosto diffuso fra gli OEM di applicazioni embedded automotive e potrà promuovere ulteriormente AUTOSAR come standard software di riferimento per tutto il settore. Allo standard AUTOSAR hanno aderito anche altre società fra cui dSPACE e Synopsys, la prima introducendo il tool di simulazione SystemDesk e la seconda il tool di sviluppo Saber, entrambi ottimizzati per le reti di dispositivi a bordo auto.

Lucio Pellizzari

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