I bus nel settore automotive

In questo periodo il mondo dell’automotive sta vivendo un periodo di sofferenza, principalmente dovuto alla recessione economica globale che sta interessando numerose attività industriali in tutto il mondo. I produttori di auto, d’altra parte, stanno cercando di superare questa difficile situazione allargando le proprie partnership e stabilendo nuove forme di joint-venture. L’elettronica, ora come nel passato, giocherà sicuramente un ruolo importante in quella che tutti ci si aspetta che sia una ripresa del settore automotive nella direzione di automobili sempre più avanzate, sicure, ed ecocompatibili.

Le moderne autovetture sono dotate di un numero sempre maggiore di dispositivi elettronici, anche molto sofisticati, rispetto al passato: differenti tipi di sensori, attuatori, sistemi di navigazione, sistemi per il controllo della stabilizzazione ed il controllo della trazione, sistemi multimediali audio e video, e così via. Tutti questi dispositivi richiedono di essere connessi tra loro, scambiandosi informazioni relative alla funzionalità che stanno supportando, e permettendo il monitoraggio del loro stato operativo.

In altre parole, per ottenere questo risultato sono richiesti una qualche forma di connessione elettrica oppure ottica ed un completo protocollo di comunicazione. Ciò è esattamente quello che è successo negli ultimi anni nel campo automotive: il numero di bus e protocolli sono cresciuti costantemente come il corrispondente numero di apparecchiature elettroniche installato sui nuovi modelli di auto.

Ciascun bus presenta delle caratteristiche ed un livello di prestazioni proprie. I parametri tipici che li caratterizzano sono i seguenti:

• la velocità (data rate)
• la complessità ed i costi comportati dal livello fisico e dal protocollo che lo supporta
• la robustezza
• il livello di sicurezza
• la capacità di lavorare in ambienti ostili
• il grado di immunità al rumore esterno

Il progettista, basandosi sui requisiti relativi ad ogni specifica applicazione, sarà perciò in grado di selezionare il tipo di bus maggiormente adatto per quella applicazione, ed in grado di offrire il miglior rapporto prezzo prestazioni.

Esamineremo ora i più comuni tipi di bus automotive, evidenziandone le peculiarità ed i principali campi di applicazione.

• CAN (acronimo di Controlled Area Network): è stato sviluppato nel 1986 in Germania, presso la Robert Bosch Gmbh. Il CAN è un bus seriale progettato per reti interne al veicolo; dal punto di vista elettrico adotta una coppia di fili incrociati per la comunicazione ed è stato espressamente progettato per offrire una soluzione affidabile anche in ambienti rumorosi e sottoposti ad interferenze di tipo elettromagnetico. In un veicolo possono essere presenti più istanze di CAN bus: per esempio il controllo dei finestrini e dei sedili è normalmente eseguito da un CAN bus a bassa velocità, mentre la gestione del motore ed il controllo dei freni richiedono un CAN bus ad alta velocità. Occorre notare si possono trovare applicazioni del CAN bus non soltanto nel campo automotive, visto che esso si è guadagnato una considerevole importanza anche nei settori dell’automazione industriale, dei sistemi aerospaziali, e della domotica. La massima velocità supportata è pari ad 1 Mbps per distanze fino a 40m, 125 Kbps per distanze fino a 500m, e 50 Kbps per distanze fino a 1000m.
• LIN (acronimo di Local Interconnect Network). Questo protocollo, sviluppato dal consorzio LIN, è un bus seriale progettato per la connessione e per la comunicazione tra sensori intelligenti ed attuatori all’interno di un veicolo. Tra gli appartenenti iniziali al consorzio figurano produttori quali BMW, DaimlerChrysler, Audi, Volvo, Motorola, VolksWagen, e Volcano. Un importante caratteristica di questo protocollo è che per la sua implementazione a livello fisico esso richiede soltanto un filo alimentato a 12V (lo chassis del veicolo è usato come cammino di ritorno). I componenti di un’autovettura maggiormente indicati ad essere gestiti da un LIN bus sono i seguenti: climatizzatori, sedili, portiere, attuatori per tetto apribile, tergicristalli intelligenti, piccoli motori, e sensori di pioggia e temperatura. Per tutti questi tipi di applicazioni, non sono richieste funzionalità quali elevata velocità, ridondanza, oppure tolleranza ai guasti. La massima velocità ottenibile con un bus LIN è pari a 19200 bps con una lunghezza dei cavi fino a 40 metri, ma esso supporta anche le velocità di 2400 e 9600 bps. Dal punto di vista elettrico, il bus LIN è basato su un’interfaccia UART ad 8 bit, e supporta un’architettura di tipo Single Master/Multi Slave. Con questa architettura, l’aggiunta o la rimozione di un nodo comporta delle conseguenze soltanto sul nodo Master: i nodi Slave non vengono influenzati in alcun modo. Un’altra caratteristica del bus LIN è che il nodo Master è in grado di sincronizzare tutti gli Slave, per cui non è necessaria la presenza di un clock od oscillatore esterno. Per tutti questi motivi, il bus LIN può essere considerato come una soluzione a basso costo.

• MOST (acronimo of Media Oriented Systems Transport): è stato progettato per le applicazioni multimediali nel campo automotive. Questo protocollo prevedeva inizialmente l’utilizzo di una fibra ottica come mezzo trasmissivo, per cui il bit rate che esso è in grado di fornire è piuttosto elevato. Il bus MOST rappresenta oggi una soluzione di tipo ottico per sistemi multimediali di bordo quali lettori CD e DVD, radio, e sistemi di navigazione GPS. Il data rate massimo raggiungibile dal bus MOST è pari a 23 Mbaud.
• SAE J1850: questo bus, sviluppato nel 1994, è principalmente utilizzato per applicazioni diagnostiche e condivisione dei dati su veicoli fuoristrada e stradali. Esistono due tipi di implementazioni del bus SAE J1850:
  • un’implementazione basata sull’utilizzo di una coppia di fili differenziale in grado di fornire una velocità pari a 41.6 Kbps con una modulazione di tipo PWM
  • un’implementazione basata sull’utilizzo di un singolo filo in grado di fornire una velocità pari a 10.4 Kbps con un sistema di trasmissione VPW (Variable Pulse Width).
• FlexRay: è un bus di comunicazione ad alta velocità per reti interne al veicolo, e fu inizialmente definito nel 1999 da un consorzio di aziende sotto la guida di BMW e DaimlerChrysler. Le sue principali caratteristiche sono le seguenti:
  • due canali di comunicazione ciascuno in grado di fornire una velocità pari a 10 Mbps. I due canali possono essere utilizzati insieme in modo tale da introdurre un meccanismo di ridondanza che fa del FlexRay un bus estremamente veloce ed affidabile, oppure indipendentemente l’uno dall’altro, permettendo di raggiungere una velocità aggregata pari a 20 Mbps.
  • tolleranza ai guasti e meccanismo di sincronizzazione tra I nodi della rete.
  • determinismo: nel protocollo FlexRay i messaggi sono divisi in sincroni (trattati in modo deterministico con una schedulazione basata su slot temporali rigidamente definiti) ed asincroni (usati per gestire messaggi associati a particolari eventi non sincroni). Ogni dispositivo gestito con il protocollo FlexRay ha associata una finestra temporale che si ripete periodicamente con una schedulazione temporale, durante la quale esso ha accesso esclusivo al bus; queste finestre temporali sono appunto quelle utilizzate per attuare il comportamento deterministico. Grazie alle sue proprietà, FlexRay è stato selezionato come il sistema maggiormente adatto ad introdurre meccansimi x-by-wire (steer-by-wire e brake-by-wire) sulle normali autovetture.

Se vuoi leggere di piu su FlexRay: Il protocollo FlexRay: i sistemi x-by-wire diventano realtà