Aggiunta di nodi CAN in sistemi PEPS Bluetooth Low Energy

In un sistema automotive PEPS (passive-entry-passive-start) che utilizza la tecnologia Bluetooth Low Energy, gli automobilisti salgono in macchina e mettono in moto il motore elettrico (o il motore a combustione interna) usando una chiave telecomando che comunica con i sistemi di accesso dell’auto, anziché una chiave tradizionale.

La Figura 1 mostra l’architettura tipica di un PEPS Bluetooth Low Energy in un’auto. In questa architettura, sono presenti un solo modulo smart key e nove moduli satellite. I nove moduli satellite mostrati qui sono solo un esempio; un’implementazione reale potrebbe avere un numero maggiore o minore di moduli satellite. La Figura 1 mostra inoltre che questi moduli comunicano utilizzando un bus di comunicazione.

Figura 1: Architettura PEPS Bluetooth Low Energy in un’auto

All’interno del nodo satellite

Dunque, che cosa si trova all’interno del nodo satellite? La Figura 2 mostra un tipico schema a blocchi di un modulo satellite Bluetooth Low Energy. Il modulo è dotato di un SoC (system-on-chip) Bluetooth Low Energy come il SimpleLink CC2640R2F-Q1 di Texas Instruments, un alimentatore e un’interfaccia di comunicazione (generalmente un transceiver). La Figura 2 mostra inoltre il resto dei moduli coinvolti in sistemi PEPS, tra cui il modulo smart key e anche il modulo di controllo per la carrozzeria.

Figura 2: Schema a blocchi di sistema PEPS automotive.

Opzioni per bus di comunicazione

Le due ovvie architetture per i bus di comunicazione per sistemi PEPS per automobili sono LIN (Local Interconnect Network) e CAN (Controller Area Network); per quest’ultima, può trattarsi di CAN classico o CAN Flexible Data Rate (CAN FD). Sia LIN che CAN sono protocolli di comunicazione standard utilizzati ampiamente in applicazioni automotive. Il baud rate massimo in un sistema di comunicazione LIN è 19,2 kbps. Il CAN classico gira a 1 Mbps e il CAN FD può raggiungere i 5 Mbps.

Sia LIN che CAN utilizzano frame messaggio come base per formare il protocollo di comunicazione; entrambi possono trasmettere al massimo 8 byte dati. Un frame messaggio con 8 byte dati è lungo 124 bit, mentre il frame messaggio in un frame CAN standard o frame CAN 2.0 (compreso lo spazio tra frame e ipotizzando il caso peggiore di stuffing dei bit) può essere 135 bit. Pertanto, la trasmissione di un frame messaggio LIN impiega 6,46 ms, mentre la trasmissione di un frame messaggio CAN standard impiega solo 135 µs.

Scelta fra LIN e CAN

Come mostrano questi calcoli, un frame messaggio LIN richiede più tempo di un frame CAN. Pertanto si potrebbe pensare che la soluzione più veloce sia anche la migliore, scegliendo quindi il bus CAN. Tuttavia, un bus CAN è un bus di comunicazione a due fili, mentre un bus LIN è un bus di comunicazione a filo singolo. Ne deriva che un sistema basato su un bus CAN è più costoso di un sistema che utilizza un bus LIN: pertanto, il bus CAN potrebbe non essere la soluzione migliore.

Come scegliere fra questi due protocolli? Un modo consiste nell’analizzare il numero totale di byte che devono essere trasmessi. Se il chip Bluetooth Low Energy implementa gli algoritmi computazionali nel nodo satellite, il numero di byte che deve essere trasmesso sarà inferiore e, pertanto, sarà sufficiente la comunicazione LIN. Se, al contrario, il chip Bluetooth Low Energy non esegue alcun calcolo, ma si limita a trasmettere tutti i dati grezzi misurati, sarà necessario trasmettere molti più byte e servirà un’architettura CAN.

Un’ulteriore considerazione riguarda il consumo energetico. I nodi basati sul bus LIN consumano solitamente meno energia rispetto al bus CAN in tutte le modalità di funzionamento. I valori specifici di consumo energetico sono disponibili nelle schede tecniche del transceiver in questione.

Esempi di implementazione

Il Progetto di riferimento per nodo satellite di accesso all’auto con Bluetooth Low Energy per automotive mostra l’implementazione di una scheda satellite basata su LIN. Questo progetto di riferimento utilizza il CC2640R2F-Q1 di TI come SoC Bluetooth Low Energy e il TLIN1029-Q1 come transceiver del bus LIN.

Le architetture dei bus CAN classico o CAN FD costituiscono una scelta ovvia quando è necessario scambiare grandi quantità di dati fra il modulo smart key e il modulo Bluetooth Low Energy satellite. È possibile aggiungere facilmente la funzionalità di comunicazione CAN ai nodi satellite utilizzando il nuovo chip SBC (system-basis chip) TCAN4550-Q1 di TI che integra un controller e un transceiver CAN FD. Oltre al controller e al transceiver integrati, l’SBC è auto-alimentato, ossia non sono necessari ulteriori dispositivi per l’alimentazione. L’SBC fornisce una sorgente di tensione per alimentare componenti aggiuntivi sul circuito stampato ed è dotato di un timer watchdog che può fungere da monitor SoC.

La Figura 3 mostra una possibile implementazione del nodo satellite utilizzando il TCAN4550-Q1 che trae vantaggio dalle caratteristiche di questo dispositivo.

Figura 3: Il TCAN4550-Q1 permette di aggiungere facilmente la comunicazione CAN al nodo satellite

In Figura 3, l’uscita a 5 V dal TCAN4550-Q1 è utilizzata come ingresso nel regolatore lineare a VIN bassa TLV733P-Q1. Questo regolatore genera i 3,3 V necessari per il SoC Bluetooth Low Energy CC2640R2F-Q1 ed elimina la necessità di un regolatore a VIN ampia per alimentare il SoC Bluetooth Low Energy. Si noti che l’uscita del regolatore a 3,3 V è utilizzata anche come VIO per il TCAN4550-Q1, eliminando quindi la necessità di un trasduttore di livello di tensione fra il SoC Bluetooth Low Energy e il TCAN4550-Q1. Il timer watchdog nel TCAN4550-Q1 può monitorare anche l’esecuzione del software del SoC Bluetooth Low Energy. Questo SBC ad elevata integrazione offre quindi una soluzione a costi ottimizzati per un nodo satellite Bluetooth Low Energy.

Conclusioni

Gli ingegneri progettisti stanno implementando i sistemi PEPS di nuova generazione sulle auto utilizzando la tecnologia Bluetooth Low Energy. Mentre i progettisti cercano il numero ottimale di nodi necessari per soddisfare i requisiti PEPS, l’architettura del bus di comunicazione gioca un ruolo importante per la soluzione. I progettisti possono scegliere fra LIN e CAN per la comunicazione. I transceiver LIN di TI e l’SBC TCAN4550-Q1 appena presentato, insieme al SoC Bluetooth Low Energy e ai dispositivi di gestione dell’alimentazione, offrono non soltanto una gamma completa di dispositivi tra cui scegliere, ma anche la flessibilità per sviluppare la soluzione ottimale per le piattaforme di automobili.

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