L’aumento del numero di dispositivi elettrici ed elettronici installati a bordo degli autoveicoli ha reso necessario il ricorso a metodi di comunicazione basati su bus, cioè su interfacce standardizzate che consentono di collegare numerosi elementi utilizzando un unico cavo. I vantaggi offerti dai bus in campo automobilistico sono fondamentalmente gli stessi che hanno decretato il successo di queste soluzioni nell’automazione industriale e nella domotica: da un lato la possibilità di ridurre drasticamente il numero dei cavi necessari per collegare tra loro tutti i dispositivi, dall’altro l’adozione di interfacce standardizzate che facilitano la comunicazione. Le condizioni applicative tipiche del settore automobilistico, però, sono spesso più severe di quelle che si riscontrano nelle normali applicazioni industriali, particolarmente per quanto riguarda le interferenze elettromagnetiche; alcune delle funzioni legate alla sicurezza dei passeggeri, inoltre, richiedono tempi di trasmissione certi e quindi l’impiego di bus deterministici. Per questi motivi, anziché tentare di adattare soluzioni preesistenti mutuate dal mondo dell’automazione, l’industria automobilistica ha preferito sviluppare nuovi bus appositamente rivolti agli autoveicoli.
Principali categorie di bus
L’autoveicolo è un prodotto di largo consumo caratterizzato da una notevole complessità. I bus rivolti alle applicazioni automobilistiche devono pertanto soddisfare le esigenze comunicative di sottosistemi molto diversi tra loro, assicurando a ciascuno di essi un “costo per nodo” il più basso possibile. Per questo motivo l’industria automobilistica ha sviluppato una varietà di bus diversi, che possono essere classificati in quattro principali categorie. Al livello più basso, in termini di prestazioni e di costo, troviamo i bus destinati a collegare dispositivi elettrici che svolgono funzioni accessorie senza particolari requisiti di velocità, come ad esempio gli alzacristalli elettrici o la regolazione degli specchi retrovisori. Seguono poi i bus rivolti alle funzioni riguardanti il motore e gli altri organi meccanici principali, funzioni caratterizzate da maggiori requisiti di velocità. Al livello più alto in termini di prestazioni si collocano i bus utilizzabili anche per le funzioni critiche ai fini della sicurezza (ad esempio la frenata elettronica, brake-by-wire), che richiedono tempi di trasmissione certi, e dotati di una velocità sufficiente per costituire la dorsale di comunicazione dell’intero veicolo. Una quarta categoria di bus, totalmente diversa dalle altre tre, è nata per facilitare il collegamento tra i sistemi audio-video di infointrattenimento installati a bordo del veicolo. Oggi in Europa gli standard più affermati in queste quattro categorie sono rispettivamente Lin, Can, FlexRay e Most. Non mancano, comunque, soluzioni alternative e interfacce destinate a funzioni particolari. Normalmente in uno stesso autoveicolo convivono più bus diversi; una configurazione tipica, almeno nelle auto europee di fascia alta, è costituita da una dorsale FlexRay alla quale sono connesse varie reti Can, altre reti FlexRay e una rete Most. Il bus Lin è solitamente utilizzato come “sotto-bus” per realizzare piccole reti collegate a un nodo Can.
Il bus Lin
Lin (Local Interconnect Network) è un protocollo di comunicazione seriale time-triggered a filo singolo (il secondo conduttore è costituito dalla carrozzeria del veicolo) che raggiunge una velocità di trasmissione massima di 20 kilobit al secondo. Si basa sull’interfaccia Uart, disponibile come modulo a basso costo in quasi tutti i micrococontrollori e implementabile anche in software o come macchina a stati. L’accesso al bus è controllato dal nodo master, pertanto nei nodi slave non occorre alcun meccanismo di arbitraggio o di gestione delle collisioni. Oltre a semplificare la circuiteria elettronica, questa caratteristica consente di garantire la trasmissione dei segnali entro un certo tempo massimo. Il bus Lin impiega un meccanismo di sincronizzazione che consente ai nodi slave di recuperare il clock pur essendo sprovvisti di quarzi o risonatori ceramici. Il singolo nodo non utilizza nessuna informazione riguardante la configurazione della rete nel suo complesso; ciò consente di aggiungere e togliere nodi slave senza apportare alcuna modifica software o hardware al resto della rete. Le applicazioni tipiche di Lin riguardano sottosistemi circoscritti come le portiere (regolazione degli specchi, azionamento della chiusura ecc.), i comandi vicini al volante (tergicristallo, indicatori di direzione ecc.), i sedili (regolazione motorizzata, sensore di rilevamento del passeggero ecc.), la climatizzazione, le luci, il tetto (sensore di pioggia, sensore di luce esterna, illuminazione interna ecc.). Il basso costo di LIn consente di mettere in rete anche dispositivi semplici come sensori, attuatori e lampade, rendendoli disponibili per la diagnostica o altre funzioni.
Il bus Can
Il bus Can (Controller Area Network) corrisponde allo standard Iso 11898, che contiene specifiche riguardanti soltanto i due livelli più bassi del modello Iso/Osi, precisamente il livello del data link e il livello fisico. La definizione dei cinque livelli superiori è lasciata all’utilizzatore. Le specifiche contenute nella norma citata e nello standard SAE/J2411 definiscono tre diverse possibilità per il livello fisico, cioè – in altri termini – tre varianti del bus: HS-Can (High Speed) per le alte velocità di trasmissione, fino a 1 megabit al secondo; FT-Can (Fault Tolerant) per le applicazioni che richiedono tolleranza ai guasti, con velocità limitata a 125 kilobit al secondo; e SW-Can (Single Wire) per reti economiche a singolo filo, con velocità fino a 41,6 kilobit al secondo. Esiste inoltre una versione time-triggered, indicata come TT-Can, che garantisce tempi di trasmissione certi.
Can è un bus seriale di tipo multi-master: tutti i nodi hanno la capacità di trasmettere dati e più nodi possono richiedere contemporaneamente l’uso del bus. Le contese sono evitate tramite l’assegnazione di diversi livelli di priorità ai messaggi. La relativa semplicità del protocollo Can consente di contenere i costi di formazione del personale, poiché i chip di interfaccia rendono abbastanza facile la programmazione delle applicazioni. Un’altra dote di Can è l’alta affidabilità della trasmissione.
Il bus FlexRay
Le specifiche di FlexRay definiscono due canali di comunicazione indipendenti, ciascuno dei quali è in grado di raggiungere una velocità di trasmissione di dieci megabit al secondo. I due canali possono essere utilizzati indipendentemente l’uno dall’altro, offrendo una velocità complessiva di venti megabit al secondo, oppure impiegati “in parallelo”, per così dire, al fine di ottenere ridondanza nella trasmissione di segnali critici per la sicurezza dei passeggeri. Il protocollo FlexRay definisce due tipi di messaggi: sincroni (trattati in modo deterministico tramite finestre temporali definite rigidamente) e asincroni (usati per gestire messaggi associati a singoli eventi). Nel funzionamento deterministico ogni dispositivo dispone di una propria finestra temporale che si ripete periodicamente, durante la quale esso ha accesso esclusivo al bus; in questa modalità, la trasmissione dei messaggi avviene con valori garantiti di latenza e di jitter. La sincronizzazione impiega un sistema di clock distribuito con tolleranza ai guasti, che consente di mantenere tutti i nodi all’interno di un margine temporale ben definito. Oltre a definire un protocollo, il sistema FlexRay stabilisce anche le caratteristiche di un transceiver ad alta velocità e delle interfacce hardware/software tra i vari elementi del nodo.
Il bus Most
Most (Media Oriented Systems Transport) è un bus per applicazioni multimediali governato da un timing master che fornisce il clock a tutti i nodi della rete, eliminando la necessità di buffer e di convertitori della frequenza di campionamento. Ciò consente di mettere in rete anche dispositivi semplici ed economici. Il data frame di Most è suddiviso tra tre canali indipendenti rivolti a funzioni diverse: un canale sincrono per la trasmissione “streaming” dei contenuti audio o video, un canale asincrono per pacchetti di dati (come ad esempio informazioni sul traffico, messaggi provenienti dal navigatore satellitare) e un canale di controllo. La completa separazione tra i tre flussi consente di evitare rallentamenti o interruzioni nella trasmissione dei contenuti audio e video, che si tradurrebbero in difetti percepibili dall’utilizzatore. Al bus possono essere collegati fino a 64 dispositivi in modalità plug and play. L’evoluzione di Most è legata allo sviluppo del settore audio-video; l’avvento della televisione ad alta definizione, in particolare, ha comportato la messa a punto di nuove generazioni dello standard dotate di velocità di trasmissione più alte. Most50 offre una banda di 50 Mbps, mentre Most150 raggiunge 150 Mbps. Lo standard, inoltre, prevede la possibilità di utilizzare - anche all’interno dell’autoveicolo - un sistema di protezione dei contenuti coperti da diritto d’autore (Digital Rights Management).
I consorzi
Per quanto riguarda la creazione, lo sviluppo tecnologico e la gestione industriale degli standard, il modello organizzativo prevalente nel campo dei bus per applicazioni automobilistiche è quello del “consorzio”, struttura che generalmente comprende un nucleo composto da tre o quattro costruttori di automobili e da uno o due produttori di semiconduttori. Al gruppetto dei membri fondatori si aggiungono poi molti altri membri gerarchicamente inferiori. Il comitato direttivo del consorzio Lin comprende Audi, Bmw, Daimler, Freescale, Mentor Graphics, Volkswagen e Volvo. Nel caso di FlexRay i partner principali sono Bmw, Daimler, Freescale, General Motors, Nxp, Bosch e Volkswagen. Nell’organizzazione che controlla Most i soci prioritari sono Audi, Bmw, Daimler, Harman Becker Automotive Systems (società tedesca) e Smsc (produttore statunitense di circuiti integrati). Diverso il caso del protocollo Can, che è coperto da brevetti di proprietà Bosch. Salta all’occhio, in tutti i casi, il ruolo preminente dell’industria automobilistica tedesca e del relativo indotto.
Dal punto di vista dell’industria dei semiconduttori, i bus rivolti alle applicazioni automobilistiche “vivono” sotto diverse forme: interfacce integrate nei microcontrollori, dispositivi transceiver, blocchi di proprietà intellettuale (utilizzabili anche nell’ambito di Fpga) ecc. La produzione di componenti legati ai bus automotive riguarda praticamente tutti i principali produttori di circuiti integrati.
Altri bus per applicazioni automobilistiche
Oltre a Lin, Can, FlexRay e Most, esistono molti altri bus rivolti al settore automobilistico. In alcuni casi si tratta di soluzioni alternative per le stesse applicazioni, in altri di interfacce specificamente orientate ad impieghi particolari. Qui ci limiteremo a fornire cenni su alcuni di questi bus, unicamente a titolo d’esempio.
L’interfaccia PSI5 (Peripheral Sensor Interface) si rivolge al collegamento dei sensori. Impiega un singolo doppino non schermato (sia per i dati sia per l’alimentazione dei dispositivi) ed è basata sulla codifica Manchester: i bit non sono associati ai livelli dei segnale, bensì ai fronti di salita o di discesa. La soluzione offre costi paragonabili a quelli di Lin, ma una velocità di trasmissione maggiore (125 kbps). I membri direttivi dell’organizzazione PSI5 sono Autoliv, Bosch e Continental.
Il bus Safe-by-Wire Plus si rivolge specificamente ai dispositivi di sicurezza che hanno il compito di evitare gli impatti tra il passeggero e l’interno della vettura: le cinture di sicurezza con i relativi pretensionatori e i sensori che rilevano l’avvenuto allacciamento, gli air bag intelligenti connessi a sensori che rilevano il peso del passeggero ecc. Il bus consente di utilizzare gli stessi fili sia per lo scambio di segnali sia per fornire alimentazione ai dispositivi. Il consorzio promotore di Safe-by-Wire Plus è nato dalla fusione tra due iniziative preesistenti, in concorrenza tra loro, che avevano dato vita agli standard Safe-by-Wire e BST. Tra i membri del consorzio sono compresi Analog Devices, Autoliv, Delphi, Key Safety Systems, Philips, Special Devices, Trw Automotive, Bosch, Siemens Vdo Automotive e Continental Temic.
L’interfaccia Apix (Automotive Pixel Link), per collegamenti punto a punto, è stata sviluppata dalla società tedesca Inova Semiconductors che ha successivamente stretto una partnership con Fujitsu. Si rivolge principalmente alla distribuzione di segnali video, non solo per i sistemi di infointrattenimento ma anche per il collegamento delle telecamere esterne (ad esempio quelle utilizzate per la retromarcia e per coprire i punti ciechi tra gli specchi retrovisori). Apix offre una banda di 1 gigabit al secondo su due doppini schermati e affianca al canale video due canali di controllo. La soluzione offre prestazioni Emi particolarmente buone ed ha riscosso interesse da parte di Bmw.
Sempre in campo multimediale, va ricordato il bus IDB-1394, basato su FireWire, che può raggiungere la velocità di 400 megabit al secondo su cavi in rame (versione 1394Cu).
