Microcontrolerele conduc la progresul dezvoltării modulelor de control electronic în industria auto

20 NOIEMBRIE 2007

OEM-urile din industria auto lucrează în mod continuu la dezvoltarea de vehicule mai sigure, mai inteligente şi mai eficiente din punct de vedere energetic. Multe dintre soluţiile implementate sunt datorate noilor module de control electronic (ECM), făcând ca electronica să fie sectorul cu dezvoltarea cea mai rapidă din cadrul elementelor auto. Microcontrolerele cu memorie flash, înalt integrate, ce dispun de management energetic, se află la baza ECM-urilor, şi sunt elemente cheie ale sistemelor embedded pe care proiectanţii le doresc pentru implementarea în sistemele curente şi viitoare. Este tot mai pregnantă competiţia legată de consumul energetic redus, constrângerile legate de spaţiul ocupat, conectivitatea ECM pentru posibilitatea de diagnosticare a sistemului, în timp ce costurile trebuie menţinute cât mai reduse.

Disponibilitatea energetică

Figura 1 Exemplu de aplicaţie cu economie de energie

După cum numărul de ECM-uri continuă să crească, disponibilul energetic necesar al vehiculului este sub o presiune din ce în ce mai mare. Unele vehicule de înaltă clasă dispun de peste 80 de ECM-uri, ceea ce înseamnă sarcini de curent foarte ridicate.
O cale de a răspunde acestei cerinţe energetice poate fi creşterea dimensiunilor bateriei. Însă, bateriile de dimensiuni mai mari nu sunt o afacere într-un domeniu în care spaţiul este limitat, iar masa este critică pentru a asigura un minim de consum de carburant.
O opţiune mai bună este concentrarea asupra cerinţelor de consum energetic ale ECM-urilor care operează atunci când contactul este în stare off. Cu mai multe sarcini de putere prezente atunci când nu există contact, OEM-urile auto restrâng disponibilul energetic la mai puţin de 1mA pe ECM. O familie de microcontrolere cu management energetic este un element cheie pentru proiectanţii de sisteme embedded în acest mediu, în care o mare valoare este pusă pe operaţii eficiente energetic fără sacrificarea performanţelor.
Microcontrolerele cu management energetic oferă proiectantului memorie flash pe cip, o eficienţă bună a sistemului, o robusteţe crescută cu minimizarea costurilor şi spaţiului de placă, prin eliminarea componentelor externe. Designerii au la dispoziţie o mai mare versatilitate prin posibilitatea de a comuta între diverse moduri de management energetic, care încorporează rutine de economisire de energie în aplicaţiile software. Tehnologia nanoWatt ce caracterizează microcontrolerele Microchip Technology PIC® oferă o bună gestionare energetică pe întreaga lor gamă de frecvenţe de operare. Aceste caracteristici au fost dezvoltate pentru a le furniza proiectanţilor opţiuni tehnice fezabile şi economice pentru provocările complexe asociate cu operarea sigură de joasă putere.

Până la 6 moduri de management energetic
Moduri de rulare intermitentă
Moduri multiple de inactivitate
Mod de comutare în timpul funcţionării
Temporizator 1 de curent redus şi temporizator watchdog

Semnal de comutare flexibil
Până la 9 opţiuni de oscilator selectabile
Gamă largă de opţiuni hardware

Pornire cu viteză duală
Pornire imediată prin oscilator intern
Executarea programului cod în timpul intervalului de timp de pornire

Monitorizare ceas de siguranţă
Sursa de ceas principală este monitorizată prin comparaţie cu un semnal de referinţă
Implementarea unui bloc oscilator intern la apariţia de erori
Tabelul 1 Caracteristicile de gestionare energetică ale microcontrolerelor PIC

Tabelul 1 prezintă caracteristicile de management energetic oferite de familia de microcontrolere PIC.
Platformele Microchip includ o matrice de periferice pe cip, ce dispune de opţiuni de oscilator selectabil, moduri de ceas extern, moduri de oscilator extern RC, plus un bloc oscilator intern care generează multiple frecvenţe de ceas sub control software. Figura 1 prezintă un exemplu de economisire energetică bazat pe tehnologie nanoWatt.
Beneficiind de un număr de opţiuni de oscilator disponibile pe microcontroler, proiectantul poate câştiga un mai mare control asupra consumului de putere al ECM, se poate adapta schimbărilor în timpul funcţionării şi poate reduce numărul componentelor externe.
Microcontrolerele cu gestionare energetică oferă proiectanţilor versatilitatea de a crea cele mai potrivite soluţii pentru proiectele lor, minimizând pierderile de curent şi reducând consumul energetic.

Constrângerile legate de spaţiu
Dezvoltarea tot mai puternică a ECM-urilor poate fi atribuită dorinţei producătorilor de maşini de a răspunde cerinţelor funcţionale ale cumpărătorilor de autoturisme. Drept rezultat al acestei creşteri a ECM, spaţiul disponibil este limitat. Microcontrolerele utilizate se doreşte a avea un înalt nivel de periferie pe cip, atât digitală cât şi analogică şi să respecte scopul urmărit cu privire la conservarea spaţiului.
După cum microcontrolerele pot fi văzute ca elemente de construcţie ale ECM-urilor, este important de notat că o singură dimensiune nu acoperă toate cerinţele. Este critic faptul că o gamă largă de microcontrolere compatibile este disponibilă pentru proiectanţi, astfel încât aceştia să poată alege dispozitivul cel mai potrivit pentru fiecare aplicaţie. Conceptul de familie compatibilă este cel mai puternic atunci când există compatibilitate de software şi de pini.
De exemplu, arhitectura de microcontroler este foarte important să suporte migrarea software. Una dintre cele mai populare arhitecturi de microcontroler din industrie este PIC, care se bazează pe un set de instrucţiuni Harvard RISC modificate şi suportă o cale largă de migrare.
Cu instrucţiunile sale cu lăţimi de bit variabile, compatibilitatea ascendentă a microcontrolerelor PIC este realizată pentru a optimiza performanţele şi eficienţa proceselor. Prin combinarea caracteristicilor RISC cu o arhitectură Harvard modificată, magistrală duală, instrucţiunile şi datele sunt transferate pe magistrale diferite. Ca rezultat, aşa numitele gâtuiri ale proceselor sunt evitate, iar performanţele globale ale sistemului sunt îmbunătăţite.
Compatibilitatea puternică de migrare facilitează reutilizarea anumitor blocuri, element important în reducerea timpului de dezvoltare şi a costului global. Compatibilitatea este cheia în reutilizarea unor proiecte cu microcontrolere PIC. Schemele cu pini de ieşire standard permit dezvoltarea unei biblioteci de programe care nu este uzual disponibilă la alţi furnizori de microcontrolere. În mod unic, arhitectura microcontrolerului PIC oferă de asemenea compatibilitate de soclu, software şi periferice. Ca exemplu, fiecare pin este capabil de a găzdui câteva funcţii periferice, ceea ce permite proiectanţilor să adauge sau să schimbe funcţionalităţi fără schimbarea PCB. Acest lucru minimizează sau chiar elimină costurile de re-proiectare.
Re-utilizarea unor blocuri care s-au dovedit performante nu numai că economiseşte timp şi cost, dar poate de asemenea îmbunătăţi în mod direct calitatea globală a sistemului – de vreme ce inginerii au acces la performanţele din proiectele anterioare şi pot aplica concluziile trase pentru proiectul curent. În cele din urmă, eficienţa globală a dezvoltării produsului este câştigată prin compatibilitate şi reutilizare, ceea ce este critic în mediul industrial curent în care există o lipsă de proiectanţi embedded cu experienţă.

Figura 2 Protocoale auto de reţea

Conectivitate economică
Numărul în creştere al ECM-urilor în cadrul vehiculelor creează un mediu pentru o “reţea” în cadrul vehiculului. Electronica de control îmbunătăţeşte confortul şi siguranţa unui vehicul prin simplificarea operaţiilor sale şi eliberarea şoferului de activităţi secundare care distrag atenţia. Reţelele sunt elementele cheie ale arhitecturii electrice a vehiculelor. Figura 2 prezintă diferite reţele de comunicaţii utilizate în cadrul vehiculelor, împreună cu costurile de implementare a unui nod din fiecare. Două dintre cele mai uzuale reţele auto sunt CAN (Controller Area Network) şi LIN (Local Interconnect Network).
CAN oferă o ierarhie multi-master, care suportă dezvoltarea de sisteme inteligente redundante. În cadrul acestui tip de reţea, dacă un nod este defect, reţeaua rămâne funcţională. Mesajele sunt trimise în reţea. Toate nodurile primesc mesajele, sunt capabile să le citească şi să determine când unul este relevant şi necesită acţiune. În acest mediu, integritatea datelor este asigurată – după cum toate nodurile din sistem utilizează aceeaşi informaţie. Integritatea datelor este suportată prin mecanisme de detecţie a erorilor şi retransmiterea mesajelor incorecte.
Protocolul LIN este un concept holistic de comunicaţie pentru reţele mici pentru vehicule. Specificaţiile acoperă definirea protocolului şi stratului fizic, precum şi definirea interfeţelor pentru unelte de dezvoltare şi software de aplicaţii. LIN permite o reţea de comunicaţii economică pentru aplicaţii auto de comutaţie, aplicaţii cu senzori inteligenţi şi aplicaţii de acţionare în care lăţimea de bandă şi versatilitatea CAN nu este necesară. Acest protocol de comunicaţie este bazat pe formatul de date SCI (UART), cu un concept single-master/multiple-slave, o singură magistrală de 12V, şi sincronizarea ceasurilor pentru noduri fără o bază de timp stabilită.
Cu LIN pentru aplicaţii de joasă clasă, doi factori sunt critici: costul pe nod al comunicaţiilor trebuie sa fie semnificativ mic, comparativ cu CAN; iar performanţa, lăţimea de bandă şi versatilitatea CAN nu este necesară. Economiile principale ale LIN în comparaţie cu CAN derivă din: transmisie pe un singur fir; cost redus al implementării ca hardware şi software; evitarea rezonatoarelor ceramice sau cristalelor de cuarţ în nodurile slave. Caracteristicile principale ale protocoalelor LIN şi CAN sunt prezentate în tabelul 2.

Sunt disponibile microcontrolere cu periferice pe cip care suportă protocoalele de comunicaţii LIN şi CAN. Microcontrolere poartă sunt utilizate pentru a oferi tranziţia între magistralele CAN de mare viteză şi joasă viteză, precum şi între magistrala CAN de joasă viteză şi alte reţele – precum reţele multimedia pe fibră optică point-to-point şi protocol MOST (Media Oriented Systems Transport). LIN este o reţea sub-magistrală ce se poate conecta direct la reţeaua CAN. Suportul integrat pe microcontrolere pentru aceste protocoale de comunicaţie facilitează tendinţa de reducere a numărului de componente şi a costurilor sistemului fără creşterea numărului de ECM-uri în cadrul vehiculului.

Concluzie
Microcontrolerele sunt unelte vitale pentru proiectanţii de module electronice pentru industria auto, şi care răspund provocărilor legate de:
• Implementarea în cadrul vehiculului de reţele economice de module ECM;
• Furnizarea funcţionalităţii dorite în parametrii de spaţiu alocaţi;
• Adaptarea la disponibilul energetic alocat.
Familiile de microcontrolere cu management energetic, cu o gamă largă de periferice integrate, oferă proiectanţilor posibilitatea de creare de soluţii inovative care răspund aşteptărilor cumpărătorilor auto.
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre