eCall chiamata di emergenza in auto in caso di incidente [progetto completo]

eCall

Viaggiare in automobile è una bella esperienza. Scoprire paesaggi e visitare posti che non si conoscevano apre la mente. Tuttavia, quando si usa questo mezzo, l’incidente o l’imprevisto sono sempre dietro l’angolo e bisogna necessariamente avere da un lato molta attenzione e dall’altro un po’ di fortuna. Ed è proprio per questo genere di inconvenienti che una delle aziende leader nel settore dei semiconduttori si è messa all’opera, dando alla luce un sistema di teleassistenza da montare ed installare all’interno del proprio veicolo per poter chiedere aiuto in caso di fastidiosi imprevisti. Ecco di cosa si tratta.

Come detto in apertura, è molto utile sapere chi poter chiamare in caso di incidente o se si è semplicemente fermi sul ciglio della strada con la macchina in panne. La soluzione proposta dalla Texas è una soluzione compatta, che punta ad avere un basso costo ed anche ad una buona personalizzabilità, dal momento che è possibile gestire non soltanto l’impostazione del numero di telefono da contattare in caso di problemi ma anche una serie di AT Commands personalizzabili.
Adesso, però, andiamo con ordine e vediamo di che cosa si tratta partendo da una breve descrizione del progetto per poi arrivare ad analizzare i singoli componenti del sistema.

Va detto, e vale la pena di farlo subito, che la soluzione si riferisce principalmente ai mercati americano ed europeo, almeno per il momento. Non c’è motivo, però, di credere che i mercati di riferimento per questo sistema non possano essere di più, dal momento che la versatilità del progetto si presta all’impiego globale.

Una breve descrizione

I veicoli che siano equipaggiati con il sistema eCall avranno la possibilità di effettuare telefonate ad un servizio di assistenza per le emergenze in caso di incidente. Tutti gli utenti avranno la possibilità di modificare il sistema dato che esiste una completa documentazione basata su reference solution AEC-Q100 rilasciata da Texas Instruments (e vela mostreremo tra breve).

Quest’ultimo combina il TPA3111D1-Q1, un amplificatore per l’audio in una classe D di grande efficienza, ed il TPS43330-Q1, un controller buck single bust, insieme con altri componenti analogici; questo ha permesso ai tecnici della Texas Instruments di creare una soluzione a basso costo che si adatta benissimo al campo automotive. Ed altre, c’è da star certi, sono già in cantiere.

Tra le features di progetto più interessanti ci sono certamente:

  • un concept pensato proprio per applicazioni automotive, grazie all’utilizzo di “Automotive Qualified Parts”;
  • circuiteria switching progettata per fornire potenza al sistema utilizzando le batterie di backup LiFePO4, nel caso in cui la batteria dell’automobile fosse scarica;
  • circuiteria di protezione da “over-Voltage” e “Load-Dump” validi per tensioni transitorie  fino a 40V;
  • possibilità di caricamento per batterie LiFePO4  con protezione da “reverse currents”;
  • programmazione in C e supporto per un set esteso di comandi AT (che può essere implementato attraverso interfaccia seriale RS232);
  • servizi di supporto e numeri specifici riprogrammabili;
  • possibilità di configurare la rilevazione di condizioni “Low Battery” ed “Automatic System Shutdown” in assenza di segnale proveniente dalla batteria;
  • rilevazione di “Open Load” dell’altoparlante.

L’audio

Come abbiamo avuto modo di accennare in precedenza, e come sentirete certamente anche da soli nel video dimostrativo, il progetto è dotato di un comparto audio molto utile ed interessante, che permette la comunicazione bidirezionale proprio per gestire al meglio le richieste di aiuto.
A presidio di questa sezione del sistema c’è il TPA3111D1-Q1, un amplificatore audio, come annunciato, in Classe D. Per poter funzionare al meglio, questo integrato permette l’eliminazione di interferenze EMI grazie all’impiego di filtri di ferrite (una soluzione poco costosa ma molto efficace) all’uscita. Il sistema di protezione SpeakerGuard™ include un limitatore di potenza in uscita ed un circuito di rilevazione DC. Il limitatore di potenza permette all’utente di impostare un rail inferiore di tensione virtuale, dopodichè l’integrato limiterà autonomamente la quantità di corrente che fluirà verso l’altoparlante.
Il sistema di rilevazione DC misura la frequenza e l’ampiezza dei segnali PWM in maniera tale da essere in grado di spegnere lo stadio d’uscita nel caso in cui i condensatori d’ingresso siano danneggiati oppure esistano dei cortocircuiti all’ingresso.
L’altoparlante che può essere pilotato da questo amplificatore è da 4 Ω.
Tra le features per le quali esso risulta interessante, ci sono:

  • la specifica indicazione per le applicazioni in ambito automotive;
  • la certificazione AEC-Q100 per lavorare tra –40°C e 125°;
  • i 10-W con un carico da 8 Ω ed il 10% THD+N (con alimentazione da 12 V);
  • i 7-W con un carico da 4 Ω  ed il 10% THD+N  (con alimentazione da 8 V);
  • l’efficienza pari al 94%;
  • l’ampio range di tensioni di alimentazione (8-26 V);
  • la protezione contro “Pin-to-Pin Short-Circuit”;
  • la protezione termica con opzione “Auto-Recovery”;
  • i 4 differenti valori di guadagno selezionabili.

Di seguito riportiamo lo schema blocchi del sistema.

Power Management

La sezione di cui discutiamo adesso è quella della gestione dell’alimentazione, presieduta da due controller buck sincroni ed un controller boost voltage-mode. Stiamo parlando di TPS43330-Q1 e TPS43332-Q1. I dispositivi sono, teoricamente, pensati per creare uno stadio di pre-regolazione con basse richieste in termini di corrente ed anche per applicazioni che devono sopperire, se non sopravvivere, a sbalzi di tensione. Questo, soprattutto perché al sistema, come vedremo nel video più avanti, è previsto che venga meno l’alimentazione proprio nei momenti in cui si verificano gli incidenti oppure gli imprevisti. Il controller integrato permette al dispositivo di operare anche al di sotto dei 2 V in ingresso senza che ci sia un calo di tensione per l’intero sistema. Per carichi più “leggeri” è possibile far lavorare l’intero sistema in modalità low-power, limitando l’assorbimento di potenza e facendo scendere la corrente al valore di 30 µA.
È possibile programmare la frequenza di switching tra 150 e 600 kHz oppure sincronizzarla al valore di un clock esterno, sempre nello stesso range di valori. Altre caratteristiche di interesse sono:

  • Range di temperature di funzionamento compreso tra –40°C e 125 °C;
  • 2 controller Buck sincroni;
  • 1 controller di pre-boost;
  • tensioni d’ingresso sino a 40 V (in transitorio fino a 60);
  • modalità “Low-Power”: 30 µA (con un Buck attivo), 35 µA (con due);
  • corrente di shutdown < 4 µA;
  • Buck Output Range: da 0.9 V a 11 V;
  • output Boost selezionabile: 7, 10 o 11 V;
  • “Frequency Spread Spectrum” (per il TPS43332).

Di seguito uno schema esplicativo.

Linear Regulator

La famiglia TLV700xx-Q1 è una serie di “regolatori lineari” low-dropout (LDO)  con bassi valori di quiescent-current (Iq pari a 31 µA) ed alte prestazioni. Sono stati progettati per applicazioni “power-sensitive” e possono contare su un’accuratezza complessiva del 2%. Basse cifre di rumore ed alti valori di PSRR (68 dB @ 1 kHz) completano il quadro delle caratteristiche del dispositivo che risulta essere ideale per applicazioni a batteria.
Questo tipo di dispositivi sono stabili con valori di capacità d’uscita effettivi di soli 0.1 µF. La tensione d’uscita risulta essere fissa al valore di 3.3 V.

Ecco di seguito uno schema della configurazione.

Il microcontrollore

Ecco, questa parte, questa sezione, del sistema proprio non ha bisogno di presentazioni. Tuttavia, per chi non lo conoscesse ancora, si tratta di un esponente di punta di casa Texas. È una famiglia di microcontrollori a bassissimo consumo di potenza che consiste in una serie di dispositivi che sopportano differenti set di periferiche che possono essere impiegate in svariate applicazioni. L’architettura, combinata con cinque differenti modalità di funzionamento a basso consumo, è ottimizzata per ottenere il miglior rendimento nelle applicazioni a batteria, specie nel campo del test & measurement.
Il dispositivo prevede una CPU RISC a 16 bit, registri a 16 bit nonché DCO (digitally controlled oscillator) che permettono il wake-up dalle modalità di sleep in meno di 1 µs.
La serie MSP430F22x4/MSP430F22x2 presenta, tra le altre caratteristiche, due timer a 16 bit, un’interfaccia “universal serial communication”, un convertitore A/D a 10 bit con riferimenti integrati, due amplificatori operazionali general purpose e 32 pin di I/O.
Ma non è tutto perché ci sono anche:

  • Range di tensioni Low Supply: 1.8 – 3.6 V;
  • Modalità di funzionamento:
    Active Mode: 270 µA @ 1 MHz, 2.2 V;
    Standby Mode: 0.7 µA;
    Off Mode (sospensione in RAM): 0.1 µA;
  • Ultra-Fast Wake-Up: <1 µs;
  • Architettura RISC a 16-Bit;
  • “Instruction Cycle Time”: 62.5-ns;
  • Universal Serial Communication Interface:
    UART con supporto Auto-Baudrate Detection (LIN);
    IrDA Encoder and Decoder;
    SPI sincrona;
    I2C™;
  • Convertitore Analog-to-Digital (A/D) a 10-Bit, 200-ksps dotato di Internal Reference, Sample-and-Hold, Autoscan e Data Transfer Controller;
  • Bootstrap loader;

I membri di questa famiglia sono:

  • MSP430F2232: 8KB + 256B Flash Memory, 512B RAM;
  • MSP430F2252: 16KB + 256B Flash Memory, 512B RAM;
  • MSP430F2272: 32KB + 256B Flash Memory, 1KB RAM;
  • MSP430F2234: 8KB + 256B Flash Memory, 512B RAM;
  • MSP430F2254: 16KB + 256B Flash Memory, 512B RAM;
  • MSP430F2274: 32KB + 256B Flash Memory, 1KB RAM.

Di seguito riportiamo uno schema rappresentativo della struttura del microcontrollore.

Lo schema a blocchi

Bene, adesso che abbiamo una visione più chiara di quali sono tutti i componenti del sistema, cerchiamo di andare con ordine, facciamo un passo in avanti e parliamo dello schema blocchi del sistema.
Come sappiamo, questo è uno strumento indispensabile per prendere confidenza con un sistema, o anche cercare di capire come fare per progettarlo.
Possiamo identificare pochi, semplici blocchi funzionali in questo sistema:

Come dicevamo inizialmente, questo prevede un doppio metodo di alimentazione che è in grado di sopperire, eventualmente, al fatto che quella dell’automobile risulti essere scarica. D’altronde anche questo è piuttosto logico visto che il sistema di teleassistenza può servire, per esempio, per richiedere che qualcuno venga proprio a cambiare la batteria dell’automobile.
Il progetto, ovviamente, prevede un sistema di segnalazione acustica che permette, come meglio vedremo nel video più avanti, l’interazione con l’utente. A questo scopo viene utilizzato l’amplificatore audio di cui abbiamo già parlato in precedenza.

Il vero e proprio “cuore” del sistema è il TPS43330-Q1, che, adesso che ne abbiamo visto le caratteristiche, risulta più chiaro per quale motivo sia stato scelto.

Qualche dettaglio dallo schematico

A questo punto, vediamo qualche ulteriore dettaglio tratto direttamente dallo schematico, con particolare riferimento ad alcune particolarità.

Vengono utilizzati, in questa configurazione, due SQJ461EP-T1-GE3 che forniscono valori massimi di corrente continua pari a 4.6 A (alla temperatura ambiente di 125°C) oppure 6.2 A (quando la temperatura ambiente è pari a 85°C). I valori appena nominati sono stati calcolati nelle condizioni di funzionamento che prevedono: VGS = – 3.75 V, RDS(on) = 0.035 Ohm e “Junction-to-Ambient” = 65°C/W.

Al fine di garantire le prestazioni del circuito in termini di velocità e capacità di caricamento vengono utilizzati dei FET Si7137DP-T1-GE3 che propongono 10.5 A come valore massimo di corrente continua erogata (valore riferito alla condizione di temperatura ambiente pari a 125°C) ed anche 17.5 A, quando la temperatura ambiente pari a 85°C. Come per il caso precedente, riportiamo che i valori in questione sono stati calcolati per VGS = – 2.5 V, RDS(on) = 0.0039 Ohm e “Junction-to-Ambient” pari a 54°C/W.

Nel circuito di condizionamento per il TPA3111D1QPWPRQ1 è impiegato il FET SQ2319ES-T1-GE3, che propone valori di corrente continua (massima) pari a 1.4 A (@ 125°C) e 1.9 A (@ 85°C); le condizioni di rilevazione sono:
VGS = – 8 V, RDS(on) = 0.150 Ohm e “Junction-to-Ambient” 166°C/W.

Vediamolo all’opera

Per esser chiari rispetto al metodo di funzionamento ed anche per una dimostrazione di com’è fatta questa scheda, per spiegare alcune delle features del sistema e vederla all’opera, vi proponiamo adesso il video ufficiale in cui la Texas Instruments lo spiega e lo propone al pubblico dapprima introducendolo brevemente, poi dandone una dimostrazione. In questa fase, infatti, viene simulata una telefonata al numero d’assistanza preferito; il sistema ha abilitato la comunicazione bidirezionale ed in pochi secondi l’ambulanza è sulla strada verso il malcapitato.

La seconda parte del video analizza il sistema, spieganone le parti costituenti e, di fatto, argomentando il diagramma a blocchi dell’intero sistema. Una utile over-view dell’intero dispositivo che chiarisce notevolmente le idee sull’ottimo lavoro svolto dall’azienda.

La documentazione di riferimento per questo progetto la trovate direttamente sul sito della Texas Instruments alla pagina dedicata al progetto “Auto eCall Ref” ed anche qui.
E’ disponibile anche il firmware in versione completa.
E se questo non dovesse essere abbastanza, potete trovare più informazioni e più dettagli sul progetto, sull’hardware in uso o sulla sua espandibilità sulla pagina Wiki dedicata al progetto stesso.

 

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5 Comments

  1. gfranco78 gfranco78 10 maggio 2013
    • Marco Cherri 4 gennaio 2015
  2. Boris L. 10 maggio 2013
  3. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 10 maggio 2013
  4. Giorgio B. Giorgio B. 12 maggio 2013

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