Sistema di segnalazione acustica per veicoli elettrici

Introduzione

Anche quando viaggiano a bassa velocità, i tradizionali veicoli con motore a combustione interna emettono rumori. Solitamente, pedoni e altri utenti stradali usano la vista per percepire la presenza di veicoli in avvicinamento o in partenza o l’udito, quando questi non si trovano nel loro campo visivo. I veicoli elettrici ibridi (HEV) o ibridi di tipo plug-in (PHEV), viaggiando a bassa velocità, prima che intervenga il tradizionale motore a combustione interna (ICE), si muovono in modo quasi del tutto silenzioso. Al di sotto dei 30 km/h è difficile percepirne il rumore, mentre a velocità superiori, il rumore di pneumatici diventa dominante.

I governi, a livello globale, stanno studiando regolamenti volti a stabilire un livello minimo di emissione acustica per veicoli PHEV e HEV, in modo che persone con visibilità limitata, pedoni e ciclisti possano sentirli determinandone la direzione di avvicinamento. Un esempio di tali regolamenti si può trovare sul sito Web del National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA).

Un sistema di segnalazione acustica per veicoli elettrici (EVWSS) produce una serie di suoni con lo scopo di avvisare i pedoni della presenza di EV, HEV e PHEV. Il conducente ha la possibilità di attivare le segnalazioni acustiche, con un suono simile a quello del clacson di un’autovettura, ma meno impattante. Tuttavia alle basse velocità il rumore deve essere abilitato automaticamente, variando da toni artificiali a suoni realistici che imitano il rumore del motore e degli pneumatici.

Analog Devices offre due differenti soluzioni per applicazioni avanzate, destinate a un EV, con il suono del motore diffuso sia all'interno dell'abitacolo sia all'esterno. La prima soluzione è basata sull’ADSP-BF706, mentre per i sistemi entry-level, ADI ha sviluppato una soluzione basata su SigmaDSP® ADAU1450. Queste soluzioni sono in grado di sintetizzare il suono e regolarne la frequenza, volume e altri parametri secondo la velocità di marcia, e possono inviare il segnale audio a un amplificatore di potenza. Secondo i regolamenti in vigore, la segnalazione acustica può essere simulata utilizzando i rumori del motore a combustione o qualsiasi altro tono sintetizzato.

Soluzione basata su Blackfin

Il processore Blackfin+® ADSP-BF706 offre la soluzione in un singolo chip per l'elaborazione dell'audio e l'interfacciamento al bus Control Area Network (CAN). Analog Devices ha sviluppato uno stack software CAN che gira sull’ADSP-BF706, che consente agli utenti di realizzare dimostrazioni di livello automotive con il minimo sforzo (si può anche utilizzare uno stack CAN Vector®). Inoltre, Analog Devices garantisce piena compatibilità hardware e software al progetto di riferimento e al sistema di sviluppo SigmaStudio®, per gestire la regolazione dei parametri durante il funzionamento.

La Figura 1 mostra i diversi blocchi di elaborazione all'interno dell’ADSP-BF706. File Waveform Audio (WAV) esterni contengono i rumori caratteristici del motore o i segnali acustici. Attraverso la Serial Peripheral Interface (SPI) è possibile avere accesso simultaneo fino a 25 file WAV. I toni derivati da questi file vengono sottoposti a variazione di frequenza e miscelati all'interno del Digital Signal Processor (DSP) prima che venga applicato il controllo dinamico del volume.

Figura 1. Blocchi di elaborazione di un processore Blackfin+

L’ADSP-BF706 utilizza un'interfaccia SPI memory mapped, che fornisce un accesso più rapido e semplice alla memoria esterna eliminando, per questa applicazione, la necessità di una memoria esterna double data rate (DDR). Dalla memoria flash SPI è possibile avere accesso simultaneo fino a 25 file WAV. Il gran numero di file WAV accessibili permette di creare suoni di motore più realistici.

L’ADSP-BF706 è inoltre in grado di implementare una variazione del tono fino a 16×, come raccomandato dall’NHTSA negli Stati Uniti, aumentando di fatto la frequenza del suono in uscita secondo la velocità del veicolo. L’ADSP-BF706 è in grado di controllare il volume in modo dinamico, seguendo l'aumento della velocità rilevata sul CAN bus del veicolo.

La Figura 2 illustra uno schema a blocchi dettagliato. Un regolatore monolitico step-down sincrono a quattro uscite LT8602 Power by Linear™ fornisce le linee di alimentazione richieste dal sistema, ricavando l’alimentazione dalla batteria a 12 V della vettura. La frequenza di commutazione di 2 MHz permette agli utenti di evitare le bande di frequenza critiche e sensibili al rumore quali, per esempio, le AM. L'intervallo della tensione d’ingresso da 3 V a 42 V dell’LT8602 lo rende ideale per applicazioni automotive, che devono mantenere la regolazione attraverso scenari che vanno dall'avviamento a freddo al funzionamento start-stop, con tensioni minime di ingresso che possono scendere fino a 3 V e transienti di load dump che possono superare i 40 V.

Figura 2. Schema a blocchi dettagliato di un sistema con processore Blackfin+ dotato di tutte le funzionalità

La Figura 3 mostra uno schema blocchi alternativo dotato di un insieme ridotto di periferiche e un connettore idoneo per automotive che riporta tutti i segnali rilevanti. Questa configurazione permette di progettare una scheda con un fattore di forma più ridotto. L'ADSP-BF706 svolge contestualmente le funzioni di microcontrollore e di processore audio, portando a una riduzione dei costi della lista delle parti (BOM).

Figura 3. Schema a blocchi dettagliato di un sistema con processore Blackfin+ con un numero di componenti ridotto

Per i dettagli completi, potete consultare i manuali demo EVWSS v1 e EVWSS v2, inclusi nel pacchetto software scaricabile. Quest'ultimo (EVWSS-BF_SRC-Rel2.0.0) è disponibile a richiesta sulla pagina Software Request Form del sito web di Analog Devices. Per i dettagli ADSP-BF706, consultate l’ADSP-BF70x Blackfin+TM Processory Hardware Reference e l’ADSP-BF7xx Blackfin+TM Processor Programming Reference.

Architettura software EVWSS per i processori Blackfin+ ADSP-BF706

L'architettura software EVWSS è basata su quella hardware dell’ADSP-BF706. La dipendenza del processore dall’architettura hardware è dovuta alla caratteristica di memory mapping dell’SPI. L'interfaccia CAN legge i dati direttamente dalla memoria flash usando l’SPI memory mapped. Questa caratteristica riduce il livello di complessità della libreria EVWSS e rende più efficiente l'accesso alla memoria per la generazione dei segnali acustici.

Componenti software

L'architettura software EVWSS consiste dei componenti illustrati in Figura 4. La caratteristica SPORT callback si associa alla frequenza di campionamento dei dati audio ed è eseguita nel contesto della routine di servizio dell’interrupt (ISR) del transceiver SPORT, leggendo i file su flash (SPI memory mapped), eseguendo la manipolazione audio con l’uso della libreria EVWSS e inviando l’audio modificato all'interfaccia del transceiver SPORT. La libreria EVWSS contiene le diverse funzioni necessarie alla sintesi della segnalazione acustica. La stessa EVWSS riceve anche informazioni sulla velocità del veicolo dallo stack CAN (o dall’interfaccia “Universal Asynchronous Receiver and Transmitter” (UART) per il debug). Il driver TDA7803 controlla l'amplificatore di potenza esterno per generare la segnalazione acustica. Il framework d'applicazione EVWSS configura le periferiche di sistema, lo stack CAN e il driver TDA7803.

Funzionalità della libreria EVWSS

Le sezioni seguenti descrivono le funzioni della libreria EVWSS. Per i dettagli completi, è possibile consultare le “Electronic Vehicle Warning Sound System Release Notes”, reperibili nel pacchetto software scaricabile.

Figura 4. Schema a blocchi dell'architettura software EVWSS

Controllo del tono (Pitch control)

La variazione di tono (pitch shifting) consiste nella trasposizione dello spettro del segnale audio, riferendosi a un segnale di controllo in entrata. Nell'applicazione EVWSS, il tono di base del file WAV viene variato secondo il segnale correlato alla velocità del veicolo.

Modulazione di frequenza e di ampiezza

Il rumore del motore dipende dalle sue fasi, che includono aspirazione, compressione, scoppio (espansione) e scarico. Invece di semplici toni puri, le fasi generano toni modulati in frequenza. La variazione del parametro “pitch shift” tra i campioni permette la modulazione di frequenza. In questa applicazione sono inclusi due tipi di modulazione (a dente di sega e triangolare). Nella modulazione a dente di sega, la frequenza sale da un minimo a un massimo per poi tornare repentinamente al minimo. Nella modulazione triangolare la frequenza sale da un minimo a un massimo, per poi ridiscendere al minimo con la stessa progressione.

Mixing audio in serie

Per la miscelazione audio, configura i diversi guadagni rispetto alla velocità del veicolo.

Riproduzione di file WAV

Nonostante i file WAV necessari siano presenti nella memoria flash, secondo le condizioni dinamiche l'utente può riprodurre o escludere alcuni di questi.

Soluzione basata su SigmaDSP

Per applicazioni entry-level, in alternativa all’ADSP-BF706 è possibile utilizzare un processore SigmaDSP ADAU1450. A questo scopo è possibile utilizzare la scheda di valutazione EVAL-ADAU1452. La Figura 5 mostra i differenti blocchi di elaborazione all'interno del processore SigmaDSP.

Figura 5. Blocchi di elaborazione del processore SigmaDSP

Utilizzando l'ambiente di sviluppo SigmaStudio, l’ADAU1450 soddisfa i seguenti requisiti software:

  • Generazione multi-tonale
  • Controllo dinamico del volume fino a 64 intervalli
  • Miscelazione del suono
  • Limitazione
  • Pitch shifting per l’incremento del tono dell’audio all’aumentare della velocità
  • Riproduzione simultanea fino a 5 file WAV dalla memoria flash SPI

In SigmaStudio Analog Devices include un modulo di simulazione del suono del motore, destinato a semplificare la messa a punto del suono stesso e a ridurre il numero di file WAV esterni contestualmente necessari. Il simulatore può generare internamente fino a 32 armoniche, il cui ordine e ampiezza sono programmabili mediante l'interfaccia grafica utente (GUI).

Il modulo generatore di armoniche è disponibile come parte del Toolbox ESS e può essere scaricato direttamente dalla pagina  SigmaStudio download page (dalla Rev 4.4. in poi). Notate che SigmaStudio non è in grado di supportare uno stack software CAN, per il quale è necessario un microprocessore esterno.

SigmaStudio

SigmaStudio è un ambiente di programmazione grafico progettato originalmente per il portafoglio di processori SigmaDSP. Questo software dispone di una libreria di algoritmi interna, sviluppata espressamente per applicazioni automotive. La GUI semplifica il processo di messa a punto e fornisce controlli e coefficienti di filtraggio che possono essere variati rapidamente senza la necessità di scrivere linee di codice. SigmaStudio può essere scaricato dalla pagina Web SigmaStudio  del sito Web di Analog Devices.

Conclusioni

Analog Devices offre soluzioni complete sia per un sistema entry-level, sia per un sistema avanzato che supporti la generazione del suono del motore tanto in abitacolo quanto all'esterno del veicolo. Questo articolo si prefigge di facilitare il processo decisionale dell'utente, così come di ridurre il time to market. Analog Devices offre una soluzione di sistema completa, che comprende tutti i componenti software necessari per una rapida prototipazione e sviluppo del prodotto.

 

 

Articolo pubblicato da Andreas Pellkofer, Applications Engineer, Jagannath Rotti, Software Lead e Danny Ko, Applications Engineer per Analog Devices.

 

 

 

 

 

 

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Una risposta

  1. SuperG72 SuperG72 28 Febbraio 2020

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