Giroscopi Mems conformi a Iso26262

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I giroscopi e gli accelerometri Mems sono adottati in misura sempre maggiore in un gran numero di dispositivi destinati ad applicazioni sia consumer sia industriali. Dagli smartphone agli elettrodomestici, un numero via via crescente di progetti prevede l’adozione di questi dispositivi miniaturizzati. Nelle moderne autovetture il numero di questi sensori è in continuo e costante aumento. Fino a non molti anni fa il loro utilizzo era limitato ai modelli di fascia alta ma attualmente, complice anche la progressiva riduzione dei prezzi, i Mems trovano spazio anche nei modelli di fascia più bassa. Tuttavia, a parere di alcuni, i giroscopi e gli accelerometri Mems non rappresentano il compromesso ideale tra costi e prestazioni. Le sospensioni attive, ad esempio, richiedono quattro sensori estremamente stabili e accurati montati sulle ruote al fine di gestire in modo appropriato i segnali di ingresso necessari per garantire un comportamento dinamico stabile e regolare dello chassis. Il costo di sensori caratterizzati da stabilità e accuratezza elevate è sempre stato tradizionalmente molto alto. Un’altra applicazione, ora obbligatoria negli Stati Uniti, è impedire ai passeggeri che si trovano sul sedile anteriore di essere sbalzati fuori dall’abitacolo in caso di incidente. Il verificarsi di questo evento è più probabile per i veicoli con un centro di gravità posto molto in alto, come nel caso dei Suv e dei pick-up: per questo tipo di mezzi i casi di passeggeri proiettai fuori dal veicolo quando si verifica un ribaltamento sono molto numerosi. In molte applicazioni automotive che utilizzano un giroscopio Mems viene rilevata solamente la velocità di imbardata (yaw rate). Per poter rilevare il ribaltamento è necessario anche misurare la velocità di rollio. Ciò richiede l’impiego di un altro giroscopio per effettuare il rilevamento lungo l’asse X del veicolo. Un rilevamento di questi tipo è del tutto analogo è adottato per regolare l’inclinazione della luce quando un veicolo trasporta un carico di notevole entità: questo tipo di regolazione è obbligatorio per i fari allo Xeno. I sensori basati su Mems sono una presenza costante nella vita quotidiana anche se i dispositivi adottati nelle applicazioni più diffuse, come ad esempio gli smartphone, non possono competere, in termini di stabilità e accuratezza, con quelli usati nelle applicazioni automobilistiche e le loro caratteristiche variano in modo sensibile a causa di escursioni di temperatura, vibrazioni e altri fattori ambientali. Un dispositivo Mems è il componente centrale di un sistema che nella maggior parte dei casi richiede il filtraggio via software del rumore, l’esecuzione di algoritmi di apprendimento adattativi e la possibilità di azzerare qualsiasi sbilanciamento degli effetti dovuti alle variazioni di temperatura e alle vibrazioni: senza dimenticare le variazioni che si verificano durante il processo di produzione di un’automobile. Nel complesso, le applicazioni che coinvolgono il controllo elettronico della stabilità e del telaio attivo sono in realtà molto sofisticate. Con un numero di applicazioni così elevato, compreso il sensore Mems, il software embedded è onnipresente.


L’importanza del software
Tutto il software utilizzato a bordo del veicolo deve risultare conforme allo standard Iso26262. Denominato “Road vehicles – Functional Safety”, lo standard fa parte di una norma più generale, la Iso61508, che indica i criteri di realizzazione al fine di ottenere un livello di sicurezza funzionale dei sistemi elettrici, elettronici ed elettronici programmabili per applicazioni di sicurezza. Lo standard si applica a tutti gli aspetti delle funzioni critiche per la sicurezza che prendono il controllo al posto del guidatore delle funzioni di sterzo, velocità e frenata. Tutti i progettisti che sviluppano funzioni di sicurezza utilizzando i Mems devono assicurarsi che i loro design siano conformi a Iso26262. Il mancato rispetto delle specifiche contenute nello standard potrebbe sfociare in un contenzioso nel caso si verificasse un incidente, ragion per cui questo aspetto deve essere tenuto nella massima considerazione. La fase più importante del processo di sviluppo è identificare tutti i requisiti dell’applicazione e mettere in luce quelli che hanno un potenziale impatto sulla sicurezza. Sulla base di questa analisi di sicurezza, viene eseguita una correlazione con la piattaforma hardware e software e si procede a una classificazione del rischio per la sicurezza in conformità ai livelli Asil (Automotive Safety Integrity Level) Qm (Quality Management), A, B, C o D. Il livello Asil D, quello più rigoroso, indica che nel caso di malfunzionamento, è possibile che si verifichino lesioni molto gravi o potenzialmente fatali: per questo motivo è richiesto il più alto livello di garanzia della qualità. La diagnostica è un elemento fondamentale di ogni certificazione Iso26262 e viene usata per ridurre il tasso di guasto. La certificazione deve essere ottenuta dal sistema nel suo complesso ma parte dell'intero processo si basa sul fatto che gli stessi componenti di rilevamento, dalla quale l'applicazione riceve gli ingressi, siano in grado di indicare il loro stato operativo. Per il sensore SCC2000 di Murata, già conforme con lo standard Iso26262, viene fornita una certificazione "fail safe" (sicurezza intrinseca) a tutti i progettisti che vogliono integrare il sensore nel loro design, oltre naturalmente al supporto per la progettazione di Murata. Un approccio di questo tipo è denominato ‘Safety Element out of Context’. Il sensore è progettato per una generica applicazione e, in funzione di essa, viene messo a punto un framework di self-test (autodiagnostica). Il sensore di Murata è conforme ai requisiti previsti dallo stress test Aec-Q100 al quale devono essere sottoposti i componenti elettronici impiegati in ambito automobilistico. Si tratta della piattaforma ideale per il progetto di sistemi di sicurezza attivi e passivi quali ad esempio assistenza alla partenza in salita, assistenza durante la sterzata e controllo adattativo della velocità di crociera presenti nei sistemi Adas.

Obiettivi di sicurezza
Il sensore ha degli obiettivi di sicurezza: qualora inizi a produrre dati errati sarà posto in modalità “fail safe” e questa situazione verrà comunicata attraverso i flag di guasto all'applicazione host. Il sensore SCC2000, inoltre, fa girare una funzione di auto-diagnostica in fase di avviamento che esegue la verifica delle funzioni critiche del sensore. Un controllo su base continuativa di circa 20 parametri viene effettuata dal dispositivo Asic presente nel sensore senza questa operazione influenzi il processo di rilevamento espletato dal sensore. Il sensore SCC2000 di Murata ha cinque registri di stato che forniscono le seguenti indicazioni: stato complessivo, stato del primo giroscopio, stato del secondo giroscopio, stato dell'accelerometro e stato dei blocchi comuni. Il dispositivo Asic prevede interfacce sia per il sensore della velocità angolare sia per l'accelerometro a più assi. Entrambe le interfacce sono realizzate con un'architettura a segnali misti che include le funzioni di pre-elaborazione del segnale analogico, di conversione A/D e di post-elaborazione del segnale digitale. Le interfacce condividono alcuni blocchi comuni nella sezione analogica (regolatori di alimentazione, riferimenti di tensione, oscillatore, sensore di temperature) e in quella digitale (Spi, mappa dei registri, interfaccia della memoria non volatile). Se per esempio la diagnosica fail-safe interna rileva condizioni di superamento dei range imposti (over – range) o di saturazione, i corrispondenti registri che contengono i bit di stato sono impostati in modo da indicare un malfunzionamento. Il sensore SCC2000 si distingue per le eccellenti caratteristiche in termini di dipendenza dalla temperatura, sensibilità alle sollecitazioni e stabilità di polarizzazione: esso è formato da un accelerometro a tre assi a basso g, da un sensore di velocità angolare (in grado di eseguire rilevazioni lungo l'asse X oppure lungo l'asse Z) e da un'interfaccia digitale Spi a 32 bit. Il sensore prevede un filtro passa basso a 10 o 60 Hz (selezionabile tramite software) che può essere configurato attraverso l'interfaccia Spi. Il range di misura del giroscopio è compreso tra +/- 125 °/s gradi per secondo) con una sensibilità di 50 Lsb (°/s): a richiesta sono disponibili ulteriori range di misura. Nel caso dell'accelerometro la deriva dell'offset dovuta alla temperatura è pari a +/- 6 mg (per il sensore 2g) e a +/- 12 mg (per la versione a 6g). Nel caso del giroscopio, invece, la deriva dell'offset imputabile alla temperatura è compresa tra +/- 0,5°/s per le versioni in grado di eseguire misure di velocità angolare lungo gli assi X e Z in un range di 125°/s. Il giroscopio è caratterizzato da una stabilità della polarizzazione sul breve periodo di 1°/h (nella versione per rilevazioni di velocità angolare lungo l'asse X nel range di 125°/s) e di 2°/h (nella versione per rilevazioni lungo l'asse Z nel range di 125°/s).
Grazie ai sensori Mems è ora possibile implementare una pluralità di funzioni per aumentare la sicurezza dei viaggi in auto. Per sistemi caratterizzati da un tal grado di complessità, la disponibilità di componenti chiave conformi con gli standard di sicurezza in vigore nel settore automobilistico, come ad esempio Iso26262, rappresenta un valido ausilio per tutti i progettisti.

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