Guidare sulla strada della connettività

CAR-INFOTAINMENT –

Tutti i progressi in atto nell’ambito dell’infointrattenimento in auto terranno conto dei futuri requisiti di comunicazione, sempre più stringenti, che richiederanno velocità di trasmissione più alte

Negli ultimi decenni le funzioni di infointrattenimento offerte dalle automobili si sono evolute costantemente. Tutto ebbe inizio con semplici sistemi audio adattati alle esigenze dei veicoli a motore; successivamente furono aggiunti altri servizi, quali ad esempio il 'sistema di informazioni radio per gli automobilisti' (Autofahrer-Rundfunk-Informationssystem) attivato in Germania a metà degli anni settanta, che permetteva di ricevere annunci sul traffico diffusi dalle stazioni radio. Quel sistema fu seguito nel 1998 dall'Rds (Radio data system), successivamente integrato con il Tmc (Traffic message channel), che rende possibile la ricezione diretta dei dati riguardanti il traffico.
Quei servizi erano implementati tramite trasmissioni radio analogiche, pertanto tutte le funzioni necessarie erano contenute nell'autoradio. Negli anni novanta, però, la nascita dei sistemi di navigazione Gps portò a un aumento delle funzionalità offerte dall'autoradio convenzionale. Fu l'inizio di una nuova era per l'infointrattenimento in auto. Il Gps richiedeva maggiore capacità di elaborazione, funzionalità di valutazione del segnale e l'impiego di sensori per calcolare l'esatta posizione del veicolo. Per gestire il sistema Gps e fornire informazioni all'automobilista, inoltre, si resero necessari un'interfaccia utente più complessa ed altri miglioramenti dell'intero sistema, tra cui sofisticate unità di visualizzazione in grado di offrire maggiore densità di informazione, display a colori ad alta risoluzione, comandi avanzati come manopole a rotazione e pressione. Più recentemente, per questi sistemi sono state adottate modalità di gestione comprendenti schermi tattili, comandi vocali e gestuali.

Le nuove sfide legate ai nuovi progetti

Queste interfacce utente sofisticate hanno reso possibile l'integrazione di altre funzioni che in precedenza erano disponibili solo come unità indipendenti, quali il computer di bordo, la telefonia, configurazioni personalizzate e, naturalmente, una varietà di applicazioni multimediali. Iniziamo esaminando la ricezione radio nel veicolo. La tradizionale radio Am/Fm si è trasformata oggi in un sistema di infointrattenimento. I vari standard di trasmissione sviluppati nel corso degli anni impiegano spesso una struttura molto eterogenea. Le singole funzioni sono spesso realizzate sotto forma di blocchi hardware separati, che impiegano software specifici. Tra gli esempi si possono citare la radio analogica Am/Fm, la radio Dab (Digital audio broadcasting), la Tv analogica/digitale, la funzione di navigazione e la ricezione del segnale satellitare digitale.
Ogni tipo di radiocomunicazione impiega componenti hardware e software separati, che concorrono ad aumentare il costo, gli ingombri ed i tempi di sviluppo. Questo approccio, inoltre, riduce la flessibilità disponibile per i nuovi progetti. L'esistenza di standard di trasmissione diversi nei vari paesi aumenta ulteriormente la complessità, il che di solito si accompagna a un maggior costo. Occorrono quindi nuovi progetti esenti da ridondanze e capaci di riunire tutte le versioni necessarie per i vari paesi. L'approccio attuale, inoltre, limita le possibilità di fornire aggiornamenti software per tenere il passo con il cambiamento dei requisiti. Occorre poi soddisfare vincoli di consumo energetico, anche perché l'aumento della densità dei componenti comporta problemi di dissipazione termica. Rappresenta una sfida, infine, anche la necessità di integrare i sistemi e assicurare il facile riutilizzo dei blocchi funzionali.

Una nuova generazione di moduli ricevitori

Oggi esiste un nuovo approccio di progetto che risponde a tutti questi requisiti. È nata, infatti, una nuova generazione di moduli ricevitori basati sull'architettura Rf to Bits di Maxim Integrated, ed è già disponibile il primo sintonizzatore Dab/Fm di questa famiglia, il MAX2173. I vecchi coprocessori Asic che un tempo erano dedicati ai singoli sistemi di ricezione vengono oggi rimpiazzati da moderni processori standard, che offrono alta potenza di calcolo ad un prezzo relativamente basso. Il nuovo front-end radio ha oggi il compito di fornire a questi processori il segnale ricevuto in forma digitale. Le funzioni specifiche del sistema sono svolte in software, pertanto i progettisti possono godere di maggiore libertà nella realizzazione della parte Rf del sistema. Facendo ampio uso di interfacce standardizzate (come I2S o Lvds) diviene possibile configurare e dimensionare il sistema in modo molto flessibile. Oggi i front-end non sono più dedicati a singoli protocolli radio (ad esempio solo alla Fm), ma si occupano di diversi standard in modo flessibile. Ciò consente di eliminare la ridondanza che in passato era inevitabile, poiché ogni standard richiedeva un proprio ricevitore. Oggi è sufficiente disporre di un sintonizzatore universale, mentre un potente processore esegue in software tutti i compiti di sistema, come la demodulazione e la decodifica. Questa nuova architettura centralizzata consente pertanto di risolvere una varietà di problemi.

Una sola unità hardware per più standard diversi

L'impiego di uno stesso front-end per più standard diversi contribuisce a ridurre la ridondanza dell'architettura, il che consente di ridurre sensibilmente il numero di componenti e quindi il costo complessivo del sistema. Un processore di banda base con interfacce standardizzate per tutte le applicazioni ed i sistemi può essere configurato per soddisfare requisiti relativi a più paesi diversi. Il software specifico dell'applicazione viene attivato solo quando necessario, pertanto è sufficiente disporre della potenza di calcolo richiesta dalle applicazioni attive in ogni dato momento. Le funzioni specifiche di sistema, come la demodulazione e la decodifica, sono realizzate esclusivamente in firmware, con conseguente aumento della flessibilità. Gli aggiornamenti del software - software over the air - consentono l'adattamento a nuovi requisiti e nuovi standard nel corso dello sviluppo del progetto ed anche quando il prodotto si trova già sul campo. Ne consegue che questa architettura offre anche possibilità di aggiornamento. Diviene ora possibile reagire più rapidamente ai cambiamenti dei requisiti posti dal cliente e alla nascita di nuovi standard, senza necessità di modifiche hardware significative. Questa flessibilità, a sua volta, aumenta il livello di soddisfazione del cliente nel corso della vita del prodotto. Eliminando le ridondanze, inoltre, il nuovo approccio consente di realizzare strutture hardware compatte e quindi meno ingombranti. In sintesi, un solo front-end copre ora diversi standard e sistemi.
C'è anche un altro vantaggio da non sottovalutare: la riduzione del consumo energetico, ottenuta diminuendo il numero di Ic, contribuisce a mitigare i problemi di dissipazione termica. L'adozione di architetture meglio organizzate e di interfacce ben definite tra i front-end e la banda base consente infine di abbreviare il time-to-market del progetto. I blocchi analogici e digitali, infatti, possono essere sviluppati indipendentemente, inoltre l'impiego di interfacce standardizzate permette di evitare un'assegnazione fissa dei collegamenti tra il front-end Rf e la banda base, il che contribuisce a migliorare la scalabilità.

Un'architettura adatta alla comunicazione

Gli odierni sistemi di infointrattenimento delle automobili non sono più semplici apparati autosufficienti di ricezione radio e navigazione; si sono trasformati in apparati complessi e distribuiti, capaci di accedere alle funzionalità offerte da numerose unità di controllo integrate nel veicolo e di elaborare in parallelo le informazioni così ottenute. Sistemi con questo grado di interconnessione richiedono un'architettura adatta alla comunicazione, perché i singoli segnali sono troppo numerosi per poter utilizzare connessioni punto-punto. Per svolgere tutte queste attività simultanee, occorre scalabilità.
A fianco delle soluzioni 'proprietarie' che venivano impiegate in un passato non troppo lontano, si sono affermati bus e protocolli di comunicazione come Lin, Can, FlexRay e Most (e recentemente anche bus basati su Ethernet). Ogni veicolo impiega più bus, dello stesso tipo o di tipi diversi. Ad esempio, il Lin è utilizzato per comandare le luci interne e mantenere la comunicazione con le unità dei comandi nelle portiere e nel 'cielo' dell'abitacolo; diversi bus Can effettuano le comunicazioni necessarie per il controllo del motore e delle sospensioni e per le funzioni legate al comfort; il protocollo Most, infine, collega gli elementi del sistema multimediale di infointrattenimento con gli amplificatori audio, i sintonizzatori e i lettori di Cd/Dvd Si presenta anche la necessità di trasmettere dati video non compressi, criptati oppure in chiaro, a velocità di 2 Gbps o superiori. Queste trasmissioni richiedono connessioni aggiuntive punto-punto, che solitamente impiegano componenti SerDes (Serializers-Deserializers). Anche in questo caso la tecnologia si è evoluta, passando dalla semplice trasmissione video ad alta velocità a metodi combinati che uniscono segnali video e audio e canali di controllo, in alcuni casi con la possibilità di utilizzare il protocollo IP. Non sorprende che anche le tecnologie dell'elettronica di consumo stiano facendo il loro ingresso nelle applicazioni automobilistiche. È in questi casi che la tecnologia Gmsl (Gigabit Multimedia Serial Link) diviene davvero preziosa. I dispositivi dotati di Gmsl si applicano a comunicazioni audio, video e di controllo e offrono un'ampia gamma di larghezze di banda. Un chipset SerDes Gmsl come il MAX9263/MAX9264, in combinazione con un MAX9266 serializzato con interfaccia Lvds, costituisce una soluzione ottimizzata per il pilotaggio di display; il SerDes MAX9271/MAX9272 è invece ottimizzato per il collegamento di telecamere. La tecnologia Gmsl supporta anche mezzi di trasmissione differenziali o coassiali che soddisfano speciali requisiti di Emc, Esd, consumo energetico e limiti di costo.

Banda larga a un prezzo ragionevole

Grazie ai recenti, rapidi progressi nel campo dei computer e delle applicazioni multimediali, sono oggi disponibili a un costo accettabile processori molto potenti, memorie di grande capacità, display sofisticati e connessioni ad alta velocità di trasmissione. Non sorprende che gli automobilisti si attendano dalle loro automobili le stesse funzioni e applicazioni disponibili nell'intrattenimento domestico, nelle comunicazioni mobili e nella tecnologia dell'informazione. Tra gli esempi più comuni sono compresi le configurazioni individuali (personalizzazione), l'integrazione di telefoni cellulari e smartphone, l'aggiunta di nuove capacità tramite app software, e un'attraente Hmi allo stato dell'arte, molto comoda da usare. Nelle automobili, pertanto, vengono oggi integrate le versioni automobilistiche dei processori e delle memorie utilizzate nell'elettronica di consumo. Questi nuovi dispositivi devono supportare interfacce come Usb, Hdmi e Mhl, oltre a tecnologie wireless come Bluetooth e Wi-Fi, e alla modalità di ricarica wireless. Mentre in passato le tecnologie utilizzate nel settore automobilistico e nell'elettronica di consumo erano molto diverse tra loro, oggi è evidente una notevole convergenza tecnica.

Integrazione e protezione
delle connessioni Usb nei veicoli

L'Usb (Universal serial bus), nato negli anni novanta come interfaccia per consentire all'utilizzatore finale di connettere a un computer una varietà di dispositivi, è divenuto in seguito l'interfaccia standard per i dispositivi di comunicazione mobile. Oggi i consumatori vogliono automobili dotate di connessioni Usb per poter collegare i loro dispositivi mobili; si attendono inoltre che anche a bordo tutte le funzioni dello smartphone rimangano attive e, naturalmente, che la batteria del dispositivo sia ricaricata dal sistema elettrico del veicolo. Rendere l'interfaccia Usb utilizzabile nelle automobili pone sfide significative. Occorre infatti proteggere le linee dei dati e l'alimentazione VBUS a 5V dai cortocircuiti verso massa e verso la tensione di batteria. Devono inoltre essere mantenuti gli stessi livelli di protezione Esd che sono normalmente garantiti in un veicolo. Dispositivi come il MAX16984 di Maxim consentono di realizzare connessioni Usb con una protezione Esd di ±25 kV (Air-Gap Discharge), in conformità con lo standard Iso10605. Per integrare l'interfaccia Usb in un veicolo, inoltre, occorre utilizzare cavi di connessione molto lunghi tra il processore host e il terminale Usb dell'utilizzatore. I cavi fissi oggi installati comunemente nei veicoli raggiungono una lunghezza di tre metri, a cui si aggiunge il cavetto volante dalla presa allo smartphone. Gli odierni dispositivi mobili assorbono correnti di ricarica molto alte, fino a 2 A, pertanto le perdite ohmiche nel cavo rendono necessario compensare la caduta di tensione. Questa compensazione può essere ottenuta aumentando la tensione VBUS in funzione del carico. Oggi è possibile assicurare che la porta Usb di una nuova auto soddisfi tutti i requisiti specifici del settore automobilistico, pur servendo fedelmente il dispositivo portatile del consumatore. Il convertitore Dc-Dc per applicazioni automobilistiche MAX16984 è ottimizzato per questo ruolo ed è dotato di un emulatore di caricabatterie Usb. Utilizzando il MAX16984, la tensione VBUS dell'Usb viene generata direttamente dalla batteria del veicolo, con un circuito di regolazione retroattiva integrato che si adatta automaticamente alla corrente del carico, per compensare le perdite dovute al cavo. Inoltre il MAX16984 assicura il soddisfacimento dei requisiti di protezione dai cortocircuiti e protezione Esd, sia per le linee dei dati, sia per la tensione VBUS.

Il futuro: trasmissioni fino a 10 Gbps

Nel prossimo futuro, la convergenza tra l'elettronica di consumo e le applicazioni automobilistiche porrà nuove sfide tecniche. Le velocità di comunicazione e di trasmissione dei dati continueranno a crescere; la velocità disponibile per le interfacce video, in particolare, triplicherà rispetto ad oggi, rendendo necessario sostenere trasmissioni fino a 10 Gbps. Occorrerà quindi prestare molta attenzione all'uso di cavi e connettori adeguati. Un approccio promettente a questo proposito è l'uso di collegamenti fisici coassiali. I test condotti con questi cavi e con gli Ic oggi disponibili mostrano che questo approccio è in grado di soddisfare le necessità delle connessioni punto-punto nell'autoveicolo per alcuni anni a venire. È allo studio, inoltre, la possibilità di aumentare la banda di trasmissione per le applicazioni automobilistiche fino a 1 Gbps, velocità necessaria per le comunicazioni basate su Ip. I progettisti stanno studiando cavi e connettori il più possibile semplici, non schermati e poco costosi. Il filo conduttore di questa discussione è la connettività: connettività all'interno del veicolo, tra veicoli diversi, tra il veicolo e l'ambiente immediatamente circostante. Poiché la domanda di connettività diventa sempre più complessa, aumenta anche la complessità delle le misure necessarie ad assicurare la sicurezza dei dati e a prevenire la manipolazione degli stessi. Particolare attenzione viene dedicata oggi ai sistemi rilevanti ai fini della sicurezza, che devono essere conformi ai relativi livelli Asil e soddisfare anche tutti i requisiti legali. Tutto ciò richiederà uno sforzo progettuale notevole.

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