I sistemi airbag sono sistemi di sicurezza critici che salvano la vita. Sono anche una caratteristica obbligatoria su tutti i veicoli venduti nei paesi industrializzati costituendo un obiettivo primario per tutti gli sviluppatori automobilistici da avere nel loro portfolio. Comunque, la natura critica di questi sistemi limitano le società che possono svilupparli ed anche questi limitano esclusivamente ad alcuni fornitori di semiconduttori il sourcing dei componenti elettronici usati nel progetto. Uno di questi importanti fornitori di semiconduttori capace di consegnare circuiti integrati estremamente-affidabili è la Freescale.
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I componenti elettronici Freescale dedicati ad unità di controllo airbag (ACUs) coprono una tale serie di funzionalità, che è possibile progettare tale sistema che usa esclusivamente i loro componenti. E data la complessità di questi sistemi, ciò significa componenti con molte funzioni e funzionalità diverse. Sebbene sia possibile considerare le ACUs scatole nere, la loro funzionalità non è semplice. Solo per enumerare alcuni dei compiti complessi che devono svolgere, potremmo menzionare:
- scoprire se la macchina sta avendo un incidente (in un intervallo molto breve)
- attivare gli airbag in caso tale evento accada in determinate condizioni (i.e. velocità oltre una determinata soglia, cintura di sicurezza di passeggero allacciata ecc)
- distinguere tra incidente reale ed incidente finto (i primi ACUs erano indotti in errori quando le macchine venivano guidate su strade irregolari)
- assicurare la capacità di attivare gli airbag anche in caso di collegamento ACU alla batteria della macchina incidentata
Tutti questi compiti sono piuttosto complessi. Per esempio, scoprire un incidente potenziale è possibile leggendo informazioni della pressione e sensori di accelerazione sparsi nella macchina. Alcuni di questi sensori (sensori di accelerazione) forniranno dati all'ECU anche quando c'è una cunetta lungo la strada, così tale dato viene ordinato attraverso algoritmi altamente elaborati e ben calibrati per determinare se si tratti di un incidente reale o un meo evento senza importanza.
Attivare gli airbag non è come uno si aspetterebbe, solo un semplice groviglio di una linea logica, ma per questo affinché ci sia una corrente alta (>1A) è necessario per ogni dispositivo esplosivo che si apra come airbag (questi sono noti come squibs). Forse in circostanze regolari questo non sarebbe una minaccia, ma in caso si sospetti che l'ACU sia scollegato dalla batteria della macchina il compito di lanciare i piccoli razzi diviene una vera sfida.
A complicare ulteriormente le cose, dovuto al fatto che gli airbag sono collegati al sistema di sicurezza , i fabbricanti della macchina richiedono che qualsiasi decisione riguardo al lancio degli airbag dovrebbe essere presa non da un dispositivo logico (generalmente un microcontroller) ma da due distinti. Questo è un concetto di sicurezza che richiede l'esistenza di almeno due microcontroller nell'ACU, ognuno dei quali è chiamato safing microcontroller ed ha lo scopo di elaborare algoritmi paralleli che convalidano uno reale schieramento. Anche in caso di un incidente, gli squibs non si lanciano a meno che non si verifichino altre specifiche condizioni (per esempio se la cintura di sicurezza passeggero non è allacciata, l’airbag non si attiverà ecc).
Nel tempo sono emerse due architetture principali per l'ACU generale, entrambe pienamente supportate da Freescale.
La prima è detta Interfaccia Distribuita di Sistema (DSI); questo protocollo è il bus di sicurezza automobilistico principale. è stata lanciata da Freescale e TRW. Il protocollo DSI supporta punto per punto le connessioni di rete parallele ed a catena. Fino ad oggi, una dozzina di OEMs automobilistici hanno incluso sistemi con base DSI nei loro veicoli:
Il secondo è la nota Interfaccia Periferica a Sensore 5 (PSI5) che è un'interfaccia per applicazioni di sensore automobilist. PSI5 è a base open standard basata su interfacce di sensore esistenti per sensori di airbag periferici:
Come si può osservare dai diagrammi qui sopra, si possono trovare con Freescale componenti elettronici appropriate per ogni tipo di blocco. Noi esamineremo tutti i blocchi e spiegheremo la funzionalità di ognuno allo stesso tempo.
Il sensore di accelerazione (usato nel DSI) è un dispositivo MEMS capace di misurare l'accelerazione lungo uno o più assi. Freescale offre due famiglie di dispositivi (MMA12xxEG e MMA23xxEG).
La famiglia MMA12xxEG include dispositivi la cui serie sensibile varia da 2.5g a 250g garantendo al progettista di poter trovare un dispositivo appropriato per veicoli di qualunque peso. Essi rappresentano estesi segnali di condizionamento interno, filtri integrati low pass e compensazione di temperatura. Diversamente dal sensore di accelerazione di dispositivi analogici, quelli Freescale hanno l'aspetto di regolari circuiti integrati SMD:
Di solito, l'accelerazione o sensori di pressione non sono usati come dispositivi standalone. Essi costituiscono un pacchetto in housing separati insieme col sensore DSI o con il ciruito integrato d’interfaccia PSI5 ed i dispositivi risultanti sono chiamati satelliti o sensori integrati di accelerazione/pressione DSI/PSI. Anche se Freescale fornisse tali satelliti, informazioni che riguardano questi dispositivi sono piuttosto ristrette (disponibile probabilmente solo per società di progettazione ACU).
L’ interfaccia di sensore satellite DSI (usato nel DSI) ha lo scopo di convertire l’output analogico dei sensori ad esso connessi. L’MC33784 per esempio è uno slave, versione di dispositivo 2.02 compatibile con Interfaccia Bus di Sistema Distribuito (DBUS), ottimizzata come un'interfaccia di sensore. L'apparecchiatura contiene circuiti per motorizzare sensori come accelerometri, e digitalizzarne il livello analogico dal sensore. L'apparecchiatura è controllata da comandi sul bus, e dati di ritorno misurati ed altre informazioni sul bus. Comunque è destinato ad operare con apparecchiature situate vicino all'ACU principale.
L’MC33793, d’altra parte, è destinato ad essere usato in combinazione con un sensore localizzato a distanza (in termini relativi) dall’unità di controllo. Fornisce sia energia che comunicazioni I/Os al sensore su un bus di DSI. Ha anche la funzione di convertire l’output analogico del sensore in formato digitale ed invia ulteriormente queste informazioni su un bus DSI. Inoltre, per agevolazione d’ uso nel progetto offre anche 4 GPIO che possono essere configurati remotamente e controllati attraverso il bus DSI. Un diagramma semplificato di applicazione che suggerisce come questi GPIO potrebbero essere usati sarebbe simile a questo:
L’MC33784 e l’MC33793, sono dispositivi slave sul bus DSI. La configurazione di questo bus, comunque richiede anche un dispositivo master per essere collocato nell'ECU. Questi sono tipicamente dispositivi che offrono diverse interfacce bus DSI su un singolo chip, come l’ MC33781 (4 canali) e l’MC33780 (due canali).
Se noi analizziamo l’MC3371 notiamo che contiene la logica per trasferire dati da/verso il bus DSI attraverso un collegamento SPI ad un microcontroller principale. I suoi circuiti interni gli permettono di inviare i dati ed attivare il bus, così come ricevere informazioni da apparecchiature slave remote. Poiché opera in maniera differenziale, L’MC33781 genera EMI piuttosto bassi, critici in applicazioni relative alla sicurezza.
Qui è dove finiscono le differenze tra i DSI e le architetture di PSI5. Il resto del progetto ACU contiene gli stessi componenti:
L'alimentazione elettrica:Questo blocco sarebbe richiesto per generare completamente alcuni livelli di voltaggio, come il circuito integrato e circuiti distinti in un ACU possono più probabilmente richiedere più di 5V o 3.3V
MCU principale: è fondamentalmente un microcontroller che centralizza le informazioni da remoto sensori onboard, e lancia gli algoritmi che definiscono se le informazioni dei sensori rappresentino un incidente reale. Legge anche informazioni dalle cinture di sicurezza, ed usa un bus di SPI chiamato “Firing SPI Bus” per abilitare i driver di alta corrente che attivano gli squibs. Gli MCU della Freescale che possono essere usati in questo ruolo sono l’ MC9S12XE e le famiglie di MPC56xx. Specialmente gli MC9S12XE sono microcontroller automobilistici ben noti ed usati largamente poichè sono riconosciuti ed approvati dai fabbricanti tempo fa.
Essi non solo sono presenti in palloni airbag ma in molti altri sottosistemi di veicoli, e questo grazie alla loro attendibilità ed il loro sottoinsieme estremamente ricco di caratteristiche:
- Il co-microprocessore di XGATE capace di costruire periferiche virtuali ed avviare il rendimento totale
- Hardware programmabile e flessibile emulato EEPROM
- Supporto di integrità di Sistema con unità di protezione di memoria & modalità supervisor/user
- S12X CPU @ la 50Mhz velocità di bus
- Unità di Protezione della memoria (MPU)
- Ciclo iterativo Control/Full-Swing Pierce Oscillator
- Modulo Interruzione avanzato
- Interfaccia Bus Esterna senza multiplex(EBI)
- Convertitore da analogico a digitale (ATD) risoluzione a 12-bit e tempo di conversione 3us
- Arresto Timer avanzato (ECT)
- Interruzione Timer periodico (PIT)
- Interruzione in tempo reale (RTI)
- Interruzione Periodica ed asincrona (API)
- Modulatore di Larghezza di pulsazione (PWM)
- Modulo MSCAN
- Periferica di Interfaccia Seriale(SPI)
- Interfaccia di Comunicazione seriale (SCI)
- Background debug (BDM)Debugger (il xDBG)
- Regolatore di Tensione della on-chip
L’MCU di sicurezza
Come menzionato prima, una seconda unità logica nell'ACU è richiesta per confermare un incidente valido, lanciando separatamente algoritmi paralleli dalla MCU principale. La safing MCU generalmente legge anche informazioni dai buckle switch che indicano lo status delle cinture di sicurezza. Si necessita di un microcontroller dal rendimento più basso rispetto alla safing MCU, poiché ha meno compiti da svolgere dell'unità logica principale; non compie comunicazioni con nessun dispositivo dell'ACU né via CAN, LIN, DSI né via bus PSI5. Raccomandato da Freescale della famiglia di microcontroller è l’HCS08 che attualmente è un microcontroller a 8-bit (compara questo alla MCU principale che può salire anche ad un core di 32-bit).
Il sensore di sostituzione è basato su un sensore accelerometro di cui abbiamo parlato sopra ed il suo scopo è dare al sistema una fonte di informazioni locali su un potenziale incidente. In caso di incidente, i fili che connettono i satelliti esterni all'ACU potrebbero essere i primi ad essere danneggiati, lasciando l'unità senza informazioni attinenti ed importanti sull'evento. Lo scopo del sensore di sostituzione (basato, per esempio, sul sensore di accelerazione MMA1250EG di Freescale) in combinazione con gli altri sensori di accelerazione locale è fornire precisamente queste informazioni mancanti.
Il driver squib rappresenta ancora un altro importante blocco nei diagrammi di sopra. L’MC33797 per driver squib di canale IC da Freescale è un'apparecchiatura destinata alla completa diagnostica degli squib e anche al loro spiegamento. Include diagnostica e controllo delle apparecchiature di sistema che offre operazioni fail-safe ed è controllato dalla MCU attivando il bus SPI. Il valore della corrente che fluirà attraverso gli squib in spiegamento è impostato da una resistenza esterna.
I sistemi airbag automobilistici continuano in modo crescente a migliorare la sicurezza del passeggero attraverso l' inserimento di caratteristiche sofisticate. I fornitori automobilistici affrontano una continua pressione dal mercato per migliorare il rendimento ed allo stesso tempo di ridurre i costi. Ci si aspetta che entrambe queste tendenze continuino nel futuro, così come il focus sulla sicurezza in prima linea. Avendo la possibilità di usare un singolo fornitore per gran parte dell'importante posizione nella lista dei materiali si possono solamente ridurre i costi, semplificando la comunicazione con il fornitore. Come abbiamo visto, è possibile progettare tale unità di controllo improvvisando (non provate questo a casa) usando principalmente componenti Freescale, incluso i sensori MCU, interfacce bus, driver squib ecc, ed offrendo tutte le caratteristiche avanzate che il mercato richiede da simili dispositivi sensibili di sicurezza.
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