Negli ultimi anni il settore automotive ha subito un cambiamento radicale a seguito dell'introduzione di soluzioni tecnologiche sempre più innovative. I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), la connettività internet e i sistemi di infotainment sempre più ricchi e interattivi, hanno inevitabilmente comportato un aumento del traffico dati e la conseguente domanda di soluzioni in grado di assicurare elevato throughput e bassa latenza. L'applicazione dello standard Ethernet al mondo automotive consente di soddisfare pienamente queste richieste, riducendo nel contempo la complessità, il peso e il costo dei cablaggi.
Introduzione
Le soluzioni tecnologiche installate a bordo dei veicoli sono in continua crescita: connettività WiFi e Bluetooth, sistemi integrati per l'infotainment e la navigazione, sistemi per la guida assistita e altro ancora. Tutte queste applicazioni, in grado di rendere il veicolo più sicuro e migliorare l'esperienza di guida per i suoi occupanti, hanno fatto crescere in modo considerevole la domanda per una maggiore ampiezza di banda. L'aggiunta di nuovi sistemi hardware, prevalentemente di tipo digitale e controllati da un microprocessore, ha comportato anche una maggiore complessità dei cablaggi elettrici, maggiore numero di connettori e incremento dei costi. L'introduzione dello standard Ethernet nelle applicazioni automotive ha tutti i presupposti per ridurre questi costi e semplificare i cablaggi del veicolo. A differenza di quanto solitamente avviene per altre soluzioni avveniristiche o ad elevato contenuto tecnologico, lo standard automotive Ethernet non rimarrà una prerogativa delle auto di fascia alta. La maggior parte dei produttori di autoveicoli si sta infatti muovendo in questa direzione e conta di adottare questo tipo di comunicazione su tutte le classi di autovetture, non soltanto sui modelli considerati di lusso. I fattori chiave che stanno spingendo le case automobilistiche verso una rapida e diffusa introduzione dell'Ethernet sono i seguenti: riduzione dei costi, incremento dell'efficienza e riduzione del time to market. Quest'ultimo punto è determinato dalla possibilità, per il costruttore, di usare sistemi di connessione e interfacce standard, semplificando diverse fasi del processo di progettazione di un nuovo veicolo.
L'elettronica in un veicolo
Anche se il numero di sistemi elettronici installati a bordo dei veicoli più recenti è elevato, è possibile ridurre le categorie di componenti facendo riferimento ai cosiddetti domini. Una suddivisione comunemente applicata è quella visualizzata in Figura 1.
Figura 1. Suddivisione dei domini all'interno di un veicolo
Per ragioni storiche, ciascuno di questi domini dispone di propri controlli indipendenti, siano essi elettrici, meccanici oppure controllati remotamente. Anche se i vari domini possono interagire tra loro, ognuno dispone di una propria centralina o sistema elettronico di controllo (ECU). Il primo dominio, in ordine di importanza, è sicuramente il powertrain, inteso come il gruppo minimo di componenti richiesti per generare il moto del veicolo su strada. Il powertrain include pertanto il motore, la trasmissione, la frizione e le ruote. Inoltre, fanno parte di questo dominio tutti i sensori e gli attuatori che migliorano il movimento del veicolo, ne incrementano l'efficienza e la sicurezza e limitano le emissioni di sostanze inquinanti. Fanno parte di questo dominio i flussometri, i sensori di pressione, velocità, coppia, posizione, volume, angolo e i differenti sistemi per la stabilità del veicolo. I powertrain delle auto attuali (in Figura 2 è visibile un esempio riferito a un veicolo commerciale) includono un discreto numero di circuiti digitali, tipicamente controllati da microcontrollori, con l'obiettivo di massimizzare l'efficienza e ridurre sia il consumo di carburante che le emissioni nocive.
Figura 2. Powertrain di un veicolo di recente produzione
La centralina di controllo del motore svolge molte di queste funzionalità, utilizzando i dati forniti da un elevato numero di sensori e applicando algoritmi con vincoli temporali molto stringenti. L'aspetto legato alla variabile tempo è fondamentale: per evitare malfunzionamenti o danni al motore causati da dati non corretti, è infatti necessario disporre di una latenza molto ridotta (dell'ordine dei microsecondi). Un secondo dominio importante è il telaio (chassis), che include la struttura interna del veicolo che ospita il powertrain e tutti gli altri componenti richiesti per la guida: sistema frenante, sterzo e sospensioni. Anche in questo caso è presente un elevato numero di sensori, con tempistiche e latenze massime ristrette come nel caso del powertrain. Il dominio body include invece la serie di sistemi che controllano funzionalità ausiliarie del veicolo come luci, finestrini, sedili, climatizzazione e riscaldamento. I sensori coinvolti in questi circuiti presentano la caratteristica di richiedere un'ampiezza di banda più ristretta e messaggi di comunicazione a bassa latenza (dell'ordine di alcuni millisecondi). Il dominio relativo ai sistemi di assistenza alla guida include il sistema di navigazione integrato, il cruise control e il sistema per il parcheggio automatico. Più in generale, fanno parte di questo dominio tutte le funzionalità che assistono il conducente durante la guida, inclusi i sistemi che aumentano la sicurezza di guidatore, passeggeri e pedoni. Questi sistemi sono sempre più diffusi già a partire dai veicoli di classe media ed includono il sistema anticollisione, il lane departure warning, il regolatore di velocità adattativo, il limitatore intelligente della velocità, il rilevamento della stanchezza del conducente e il sistema di rilevamento degli ostacoli nell'angolo cieco. Su quest'ultimo dominio si stanno attualmente concentrando i maggiori sviluppi, in quanto la tecnologia elettronica impiegata ha raggiunto un grado di maturazione elevato, sono disponibili sensori a un costo accettabile e l'hardware è in grado di supportare l'elevata complessità degli algoritmi richiesti. I sistemi di controllo relativi a questo dominio presentano un elevato grado di integrazione con altri domini, come powertrain, chassis e HMI. Il sistema anticollisione, ad esempio, può, se abilitato, intervenire automaticamente sul sistema frenante e fornire opportune segnalazioni audio-visive al conducente, interagendo quindi con altri domini presenti sul veicolo. Mentre la latenza richiesta da questi sistemi, dell'ordine delle centinaia di microsecondi, non rappresenta un grosso problema per gli attuali bus di comunicazione, un discorso differente deve essere fatto per l'ampiezza di banda, la cui domanda sta crescendo in modo inarrestabile (si pensi al numero sempre maggiore di telecamere e sensori richiesti per implementare queste funzionalità avanzate). L'ampiezza di banda limitata è proprio uno dei fattori chiave che sta spingendo le case automobilistiche a migrare verso sistemi di comunicazione ad elevata velocità ed elevato throughput. L'ultimo dominio è rappresentato dai sistemi di interfacciamento uomo-macchina (HMI), che includono i sistemi multimediali e la telemetria del veicolo. HMI comprende tutti i controlli e i display utilizzati dagli occupanti per visualizzare o modificare alcuni parametri di configurazione del veicolo. Relativamente al sistema di infotainment, ad esempio, l'utente può interagire con i controlli presenti sul volante o sulla consolle per cambiare stazione radio, modificare toni e volumi, impartire comandi vocali o interagire con il telefono. Questo dominio si interfaccia inoltre con i dispositivi multimediali (smartphone o chiavette USB) e supporta diversi standard di comunicazione: Bluetooth, WiFi, GSM, LTE e altro ancora. Grazie all'ampia interazione con altri domini e alla possibilità di interfacciarsi con l'esterno, il dominio HMI integra spesso delle funzionalità legate alla diagnostica del veicolo, anche quella remota. Le latenze di questo dominio non sono particolarmente ridotte, ma anche in questo caso l'ampiezza di banda richiesta è considerevole. In Tabella 1 sono riassunti i requisiti di ampiezza di banda e latenza richiesti da ogni dominio.
| Dominio | Latenza richiesta | Ampiezza di banda richiesta |
| Powertrain | inferiore a 10 microsecondi | bassa |
| Chassis | inferiore a 10 microsecondi | bassa |
| Body | inferiore a 10 millisecondi | bassa |
| Sistemi di assistenza alla guida | inferiore a 1 millisecondo | tra 20 e 100 Mbps per ogni telecamera |
| HMI | inferiore a 10 millisecondi | variabile, ma in continua crescita |
Tabella 1. Latenza e ampiezza di banda richiesta da ogni dominio
Considerazioni sul cablaggio
Il cablaggio dei veicoli attuali è sempre più complsso e diversificato. La presenza simultanea di più standard proprietari come CAN, LIN, MOST, FlexRay, LVDS, con segnali elettrici di vario formato, fa sì che non esista un cablaggio standard: ogni veicolo è diverso dagli altri. Dopo motore e telaio, il cablaggio e il sistema di comunicazione di un veicolo rappresentano la terza principale voce di spesa, in parte perché sono realizzati in fasi successive e integrati tra loro solo alla fine, in parte perché comportano un significativo costo di manodopera. Oltre al costo, il cablaggio è il terzo componente di un veicolo in ordine di peso: ogni tecnologia in grado di renderlo meno ingombrante e più leggero contribuisce direttamente alla riduzione dei consumi.
Automotive Ethernet
Con il termine automotive Ethernet si intende la rete fisica che gestisce lo scambio dati tra i principali componenti di un veicolo utilizzando una connessione cablata. Lo standard è in grado di soddisfare i requisiti attuali e futuri del settore automotive, espressi in termini di ampiezza di banda, latenza massima, sincronizzazione e compatibilità elettromagnetica EMI. Al fine di soddisfare i molteplici requisiti imposti dal settore automotive, nuove revisioni e nuove specifiche sono state integrate negli standard IEEE 802.3 e 802.1. Il gruppo OPEN (One-Pair Ethernet), al quale fanno capo numerosi produttori mondiali di autoveicoli, ha promosso l'utilizzo della soluzione BroadR-Reach sviluppata da Broadcom. Basata sull'utilizzo [...]
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Grazie Stefano! proprio un bell’articolo che spiega in modo esauriente lo scheletro ‘elettronico’ di un autoveicolo dei giorni nostri….praticamente meglio di un’astronave di qualche anno fa.
Chiaro che questo punto di arrivo è il frutto di anni-uomo di ricerca e sviluppo che non ci sarebbero stati senza un mercato auto così attivo negli ultimi anni.
Di certo è che il costo di un’auto è determinato non solo dai ‘chili di ferro’ di cui è composta, ma anche da tutta l’elettronica, sensori, cablaggi che tanti anni fa ci potevamo solo sognare!
Mi piacerebbe leggere un approfondimento su come cablare la propria autovettura da soli, rendendo di fatto l’abitacolo “Domotico”. Penso ad esempio a PC portatili/Tablet che, via Lan o Wireless, si collegano ad una rete “artigianale” interna all’abitacolo a sua volta collegata ad un’antenna Wi-Fi montata a bordo per intercettare il segnale proveniente dai Wi-Fi degli Hotspot gratuiti sparsi ormai nelle città; accedendo così ad internet. Funzioni non solo per consentire magari l’invio di mail o attività di lavoro, ma pure applicazioni ludiche: far vedere ai propri figli un cartone animato su tablet mentre si è in fila per accompagnarli a scuola!