SoC programmabili per applicazioni Adas

L’attuale crescita del sotto-segmento Adas all’interno dell’industria automotive è trainata da diversi fattori, come le iniziative dei governi , i quali spingono fortemente verso una maggiore sicurezza sulle strade e cercano di eliminare, o almeno di ridurre, le morti su strada. Ma sono anche i protagonisti stessi dell’industria automobilistica che stanno spingendo verso la realizzazione di sistemi più sofisticati, che li differenzieranno da altri OEM ed attrarranno i consumatori più attenti alla sicurezza. Da un lato, gli OEM si avvalgono delle funzionalità per la sicurezza non solo per differenziarsi rispetto alla concorrenza, ma anche per poter offrire diverse fasce di prodotto a partire dai sistemi di alta fascia (come i sistemi di guida assistita nel traffico nei modelli di autovetture subcompact, fino ai sistemi di fascia intermedia o di bassa fascia nelle auto (che possono essere ordinati con A basati su radar o su videocamera). Dall’altro lato, i consumatori/clienti finali hanno anche riconosciuto i vantaggi dei sistemi ADAS in svariate situazioni di traffico. Benchè sia occorso del tempo prima che i consumatori fossero disponibili a spendere una somma significativa di denaro in sistemi che monitorano lo spazio circostante l’auto, molti di essi ora comprendono che il valore aggiunto di tali sistemi, come i sistemi di parcheggio assistito o di frenata automatica di emergenza, non solo contribuisce a salvare delle vite, ma potrebbe anche far risparmiare loro soldi evitando gli incidenti a bassa velocità. Un altro fattore che influenza questa tendenza, e che non dovrebbe essere sottovalutato, è la discussione in corso in merito alla guida (completamente) autonoma. Mentre questo, all’inizio, costituiva unicamente una discussione di carattere tecnico fra tecnici esperti all’interno dell’industria automobilistica, ora aziende come Google si sono buttate nella mischia e hanno esteso l’ambito della discussione per includere aspetti politici, legali e sociali, attirando diversi portatori di interessi. Questo, a sua volta, potrebbe influenzare direttamente le aziende tradizionali operanti nel settore automobilistico, aumentando la pressione su di esse per fornire un piano d’azione nel breve termine finalizzato allo sviluppo di tali tecnologie. Dunque, quali sono le implicazioni sulla catena del valore dell’industria automobilistica? Gran parte degli OEM ha già delineato un piano d’azione verso la guida autonoma. In altri termini, essi hanno definito un insieme di applicazioni che intendono offrire ai propri clienti finali entro il 2025. Tuttavia, la funzionalità di ciascuna applicazione potrebbe aumentare nel tempo con l’evoluzione progressiva dei sistemi ADAS. Ad esempio, si considerino i sistemi di parcheggio assistito: il tutto ha avuto inizio con aste meccaniche realizzate agli angoli dei paraurti che aiutavano il conducente a stimare le dimensioni fisiche dell’auto. Questi ultimi sono stati sostituiti quasi subito da sensori ad ultrasuoni che davano un riscontro sonoro (e successivamente anche visivo) della presenza di un ostacolo in stretta prossimità dell’auto. In seguito, i sensori ad ultrasuoni sul lato posteriore del veicolo sono stati sostituiti da, o affiancati da videocamere per la visione posteriore, le quali presentano alcuni vantaggi rispetto ai sensori ad ultrasuoni nel caso di parcheggio in retromarcia. Tuttavia, malgrado alcuni pensassero che i sensori ad ultrasuoni sarebbero stati surclassati, essi hanno assistito per contro ad una rinascita con i sistemi automatici di parcheggio assistito, i quali usano fino a 12 sensori per misurare le dimensioni dello spazio di parcheggio, e guidano l’auto all’interno dello spazio richiedendo al conducente di usare i pedali del freno e dell’acceleratore, mentre un’unità di controllo elettronico (ECU) gestisce il volante. Oggi, gli OEM e i fornitori di prodotti di punta hanno già presentato i primi sistemi di parcheggio, che consentirebbero al conducente non solo di avere l’auto che si parcheggia da sé semplicemente premendo un pulsante, ma anche di parcheggiarla pur essendo fuori dall’auto. E in un futuro non molto lontano, si lavorerà ad altri concetti, che prevedono che l’auto senza conducente trovi autonomamente il parcheggio e lo effettui all’interno di un’autorimessa o di un parcheggio.
Per i fornitori di soluzioni automotive di alta fascia, questo genera anche alcune nuove sfide, dato che, secondo Richard Hanna, responsabile globale per le soluzioni automotive presso PricewaterhouseCoopers, gli OEM richiedono più sottosistemi elettronici integrati. Gli effetti sul mercato sono chiaramente visibili sotto forma di acquisizione, del valore di 12,4 miliardi di dollari, di TRW Automotive da parte della società tedesca ZF Friedrichshafen, dando origine al secondo fornitore in campo automobilistico per dimensioni. Le funzioni automatizzate sono in cima all’agenda degli operatori del settore. Queste richiedono un aumento del livello di integrazione fra sensori, controllori ed attuatori oltre alle strategie di ridondanza,” spiega Tolga Oal, Vice Presidente presso TRW Global Electronics. Le società di semiconduttori che forniscono tradizionalmente sistemi Adas stanno inoltre incontrando delle resistenze. Difatti i requisiti tecnici per i “cervelli” dei sistemi stanno diventando più ardui da soddisfare ad ogni generazione di prodotto, al crescere delle aspettative degli OEM e dei protagonisti del settore in termini di 1) riduzione dei costi dei dispositivi e dei suoi componenti 2) di una maggiore integrazione a livello di sistema. Inoltre, le debolezze di alcuni mercati di tipo non automotive stanno spingendo diverse società di semiconduttori a cercare di generare profitti in applicazioni automotive come l’infotainment/connettività, i sistemi Adas e gli avantreni, che dovrebbero, secondo le previsioni, presentare una crescita significativa nel giro dei prossimi due anni. Ciascuno di questi sottosegmenti possiede le proprie caratteristiche specifiche, e mentre potrebbe essere giustificata l’introduzione di un progetto di un dispositivo consumer all’interno di un prodotto per l’infotainment, un dispositivo simile di sicuro non può essere usato per applicazioni all’avantreno (a causa dell’intervallo di temperature, solo per citare una ragione molto ovvia). Per i sistemi Adas, la valutazione in merito all’idoneità di un prodotto per l’applicazione non è così semplice, dal momento che le prestazioni di calcolo, la dissipazione di potenza e gli aspetti di sicurezza funzionale (che la maggior parte dei dispositivi su semiconduttore per l’elettronica consumer non è in grado di soddisfare), devono essere tutti presi in considerazione.

Zinq per sistemi ADAS basati su videocamera
Con il SoC Interamente Programmabile XA Zynq-7000, Xilinx ha sviluppato una linea di prodotti che supporta sia l’elaborazione seriale nei core ARM CortexTM A9, sia l’elaborazione parallela nella logica programmabile, e che è interamente qualificata AEC-Q100. Supportando un’architettura software-centrica omogenea con partizionamento per l’accelerazione funzionale, Zynq aumenta le prestazioni complessive a livello di sistema di oltre il 130% rispetto alle soluzioni tradizionali multi-chip. Con Zynq, Xilinx è l’unico produttore di SoC Interamente Programmabili in tecnologia da 28 nm utilizzati in sistemi ADAS ad oggi in produzione. Esistono diverse aspetti che rendono Zynq particolarmente adatto per le piattaforme ADAS. Zynq combina i vantaggi di due mondi diversi in un singolo dispositivo monolitico: la potenza di elaborazione software dei core duali ARM Cortex 9 (che operano a una frequenza massima di 667 MHz), e la flessibilità di un FPGA che si può trovare nella sezione costituita da logica programmabile. Mentre il sistema di elaborazione (PS) può essere usato analogamente ad un ASSP per ospitare algoritmi software per analisi di immagini in tempo reale, la logica programmabile può ospitare acceleratori hardware personalizzati specifici per funzioni ad alta intensità di calcolo associati a funzioni di rilevamento, riconoscimento, classificazione e tracciamento dell’oggetto. Questa flessibilità impareggiabile consente agli sviluppatori di creare un partizionamento ottimale fra gli acceleratori hardware e software, non possibile in altri tipi di dispositivi. Inoltre, la PL può essere usata per la cattura, la rettifica e l’assemblaggio di fotogrammi video, oltre alla generazione di grafica e di effetti di sovrapposizione. Con la PL, lo sviluppatore dispone inoltre di una risorsa preziosa che permette di gestire eventi inattesi. I compiti di riversaggio su hardware parallelizzato nella logica programmabile non solo aiutano a ridurre il carico sul processore e/o la dissipazione di potenza. Vale anche la pena di menzionare che il dispositivo Zynq XA costituisce una famiglia di dispositivi anziché un singolo dispositivo. XA Zynq consiste in tre dispositivi che vanno da 28k (XA7Z010) oltre a 85k (XA7Z020) per arrivare fino a 125k (XA7Z030) celle logiche, tutte disponibili con un PS identico, ma che differiscono unicamente per la densità di PL, consentendo così ai clienti di scalare i propri progetti e i propri costi per BOM (distinta materiali) in modo rapido ed efficiente. Xilinx è completamente consapevole dei requisiti di qualità e di affidabilità nell’industria automobilistica e ha optato per l’uso dello standard di qualifica AEC-Q100 unicamente come punto di riferimento per la sua qualifica automotive. A partire dalla famiglia XA Spartan 3A in tecnologia da 90 nm, Xilinx ha iniziato a collaudare i prodotti in base al proprio programma “Oltre AEC-Q100” sviluppato internamente, il quale introduce sul mercato i requisiti più stringenti provenienti dai principali produttori di autovetture e di componenti automotive, raddoppiando di fatto molti dei requisiti di test AEC-Q100. Questo ha portato ad una comprensione completa dei possibili meccanismi di guasto e consente di consegnare prodotti XA robusti e di alta qualità.

Una guida rapida all’uso di logiADAK
Una volta che uno sviluppatore hardware o un architetto di Sistema ha compreso i vantaggi che un dispositivo come Zynq potrebbe apportare allo sviluppo di un sistema avanzato di guida assistita, potrebbero ancora esserci alcune scomodità legate all’uso di un nuovo dispositivo che, ad un primo sguardo, assomiglia ad un conglomerato di un ASSP e di un FPGA. Per superare questa barriera essenzialmente psicologica, Xilinx ha pensato di sviluppare una piattaforma di riferimento chiamata logiADAK (Kit per il Sistema Automobilistico di Guida Assistita) avvalendosi del proprio Premier Alliance Partner Xylon. L’ultima piattaforma logiADAK 3.0 è basata sulla scheda di sviluppo ZC706 del SoC Interamente Programmabile Zynq-7000, e include tutti i componenti di base in termini di hardware, tool di progettazione, proprietà intellettuale e progetti di riferimento pre-verificati. Questi ultimi includono applicazioni quali la visione posteriore con videocamera con un’ampia gamma di modalità di visualizzazione personalizzabili, che includono gli indicatori posteriori di avvicinamento, i rilevatori dei pedoni con possibilità di tracciamento per evitare la collisione attraverso videocamera anteriore, l’avviso di scostamento dalla carreggiata, il rilevamento dei punti ciechi usando un flusso ottico, oltre ad una vista panoramica a 360° con modalità di visualizzazione in 3D e a volo d’uccello. Riguardo quest’ultima applicazione, vale la pena di menzionare che la piattaforma supporta l’uso di un massimo di sei videocamere, consentendo lo sviluppo di sistemi per veicoli di dimensioni maggiori, inclusi gli autocarri commerciali o gli autobus. La piattaforma logiADAK non è solo adatta per il collaudo in un laboratorio, ma può anche essere facilmente integrata in un veicolo per i test su prototipi di videocamere o di algoritmi. Tuttavia, un problema comune dei sistemi di visione ADAS, specialmente per i sistemi con visione panoramica, è che le videocamere potrebbero non essere completamente allineate quando vengono montate su un veicolo – un problema che presenta un impatto ancora più marcato nella fabbricazione di veicoli e persino nelle officine per assistenza e riparazione. La complessità di questo problema sta aumentando con il numero di videocamere incluse nel sistema, e tenendo in considerazione quattro o anche sei videocamere per un sistema di visione panoramica, sta diventando sempre più difficile e più laborioso costruire una singola immagine contigua a partire dai vari ingressi delle videocamere. Tuttavia, dato che il corretto allineamento è cruciale per la precisione del sistema, è stata aggiunta al logiADAK 3.0 una funzionalità automatica di calibrazione in tempo reale delle immagini sovrapposte. L’algoritmo di calibrazione automatica è eseguito direttamente sul dispositivo Zynq, mentre il sistema è montato in un veicolo e richiede meno di dieci secondi per generare una visione panoramica assemblata in modo pulito. Non richiede un sito specifico di calibrazione e può anche essere eseguito da personale non addestrato, rendendo così il processo di calibrazione semplice ed economico.
I sistemi avanzati di guida assistita costituiscono una delle principali aree all’interno dell’industria dell’elettronica automotive soggette a crescita. Xilinx, con il proprio SoC Interamente Programmabile XA Zynq-7000 fornisce una soluzione altamente flessibile, ad alte prestazioni e conveniente per mettere a punto varie applicazioni, che includono ma non si limitano unicamente ai sistemi con visione panoramica basati su videocamera. La piattaforma di sviluppo logiADAK 3.0 semplifica il progetto fornendo tutti i blocchi di base di tipo hardware e software inclusi i tool di sviluppo, che sono necessari per mettere assieme un sistema di prototipazione in tempi rapidi. Inoltre la nuovissima funzione di calibrazione automatica delle immagini sovrapposte si occupa di un aspetto critico per la successiva produzione in volumi.

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