Oggi, il legame tra tecnologia e auto è strettamente connesso, e la sempre maggior integrazione di questa all’interno dei moderni autoveicoli è un plusvalore che condiziona sempre più il mercato. In questo articolo si considera, con una breve panoramica, quello che è stato il percorso evolutivo dell’elettronica auto negli ultimi decenni.
Facendo un “passo indietro” fino a un centinaio di anni fa, i primi autoveicoli possedevano in pratica solo il sistema di trazione, manovra e trasmissione, costituito rispettivamente da: motore, freni, sistema di manovra e trasmissione della trazione alle ruote. Tutti quei componenti, che non erano direttamente connessi ad uno dei quattro macro elementi appena indicati, erano considerati opzionali. Nei successivi 30 anni, la tecnologia connessa all’elettricità ha avuto un ruolo sempre più forte all’interno dello sviluppo dei “comfort”, rendendo dei componenti di serie gli elementi che prima erano considerati quasi esclusivamente come “costosi optional”. La vera svolta è arrivata con l’avvento dei sistemi di controllo elettronico, comunemente definiti “centraline”, al posto di quelli precedentemente attuati in modo meccanico o elettromeccanico. Ad esempio, cruciale è stata l’introduzione della centralina di controllo motore, attraverso la quale si sono ottimizzate le dinamiche di funzionamento di tutto il sistema di trazione, riducendo i costi a vantaggio dell’affidabilità e delle prestazioni. Oggi, in un veicolo sono presenti mediamente tra le venti e le cinquanta centraline (detti nodi), tutte dotate di software più o meno complesso. I sistemi più semplici sono dotati esclusivamente di logiche interne, gestiscono eventi come input e output, con segnali analogici e digitali ad esse collegati, detti segnali “Filari”. Le centraline di categoria più complessa, oltre ad elaborare i dati ricevuti dai canali filari, comunicano con le altre centraline ricevendo e trasmettendo informazioni utili attraverso un protocollo di comunicazione. Il vantaggio di un’architettura di questo tipo è la semplicità di ottenere informazioni anche senza la connessione diretta al sensore. Ad esempio, un’informazione utile come la temperatura del motore è utilizzata da molteplici centraline; poiché è impensabile cablare per ogni centralina un cavo che porti la grandezza analogica, si è scelto allora di connettere il sensore solamente alla centralina addetta al controllo motore: sarà poi questa a distribuire le informazioni agli altri dispositivi di controllo attraverso la rete di comunicazione.
LA SCELTA DEL PROTOCOLLO
Nella progettazione di un sistema elettronico all’interno di un veicolo, è necessario prendere in considerazione molteplici fattori, anche quelli che in qualsiasi altro ambito si valuterebbero come ininfluenti. Il primo problema da affrontare è l’instabilità dell’alimentazione, la quale ha una fortissima dipendenza dal numero dei giri del motore e dalle condizioni di carico dell’impianto. Infatti, nel normale funzionamento, solitamente la centralina deve poter funzionare in escursioni di tensioni di anche di ±7 V rispetto al valore nominale, senza che l’utente finale percepisca variazioni o anomalie di servizio. Ovviamente, per poter rendere tollerabili queste notevoli variazioni di alimentazione, sono state sviluppate efficaci strategie progettuali che proteggono i dispositivi di bordo anche da eventuali segnali che, nella generalità dei casi, potrebbero compromettere definitivamente l’integrità del sistema. Com’è noto, per isolare un sistema da eventuali disturbi generati da sorgerti esterne, è bene isolarlo attraverso uno schermo metallico, di modo che i disturbi elettromagnetici (EMC) siano riflessi senza attraversarlo. In un’automobile i disturbi provenienti dall’ambiente esterno vengono notevolmente ridotti dalla carrozzeria (che funge, in un certo qual modo, da gabbia di faraday), però questo vantaggio ha un risvolto negativo che, se non considerato, può compromettere i sistemi elettronici presenti al suo interno. La carrozzeria, infatti, oltre a riflettere le OEM provenienti dall’esterno del veicolo, riflette allo stesso modo tutti i disturbi elettromagnetici generati dalle molteplici centraline presenti al suo interno, rischiando così fastidiose risonanze che potrebbero influenzare quelle che sono le normali dinamiche di funzionamento del veicolo. È facile intuire come la prima grande soluzione a questo problema non possa che consistere nella riduzione delle stesse emissioni, attraverso le tecniche già note descritte anche in un altro articolo “Evitare le Emissioni Elettromagnetiche nella progettazione di PCB” pubblicato nel numero 97 della rivista cartacea Firmware. Oltre alla riduzione delle emissioni elettromagnetiche, è fondamentale proteggere l’intero sistema, progettandolo in modo che queste interferenze non ne condizionino il corretto funzionamento. I componenti maggiormente soggetti a questa tipologia di interferenza sono quelli che hanno dinamiche molto rapide, ma con escursioni di tensioni di qualche volt; stiamo quindi parlando della rete di scambio dati presente a bordo del veicolo. Per i motivi sopra indicati, si è preferito adottare una tipologia di comunicazione bifilare associata ad un protocollo molto “robusto”, in modo da garantire il corretto funzionamento nelle diverse condizioni di lavoro cui un veicolo può essere soggetto. In ambito industriale, il protocollo che si avvicina di più a quanto descritto sopra è l’RS-485, costituito da una linea bifilare con all’interno una comunicazione seriale. In campo automobilistico questa tipologia di comunicazione è stata leggermente modificata nello standard e nominata K-Line. Oggi, questo genere di rete di comunicazione è ancora utilizzato, ma principalmente come rete ausiliaria, ad esempio per la diagnosi. La maggior parte dei produttori di veicoli utilizza il protocollo che oggi è diventato quasi lo standard in ambito automobilistico, ovvero il CAN.
