L’evoluzione dei gateway automotive per veicoli di nuova generazione

 

Le architetture per l’automotive sono in rapida evoluzione con una tendenza verso i veicoli semi-autonomi e, in definitiva, completamente autonomi. I costruttori automobilistici, inoltre, includono una gran varietà di funzionalità come smart access, car sharing, manutenzione predittiva, tracciamento dei veicoli, gestione delle flotte e aggiornamenti over-the-air (OTA) per aumentare la connettività e la comunicazione all’interno del veicolo. Queste funzionalità avanzate generano un sempre maggiore quantitativo di dati che devono essere elaborati, da un processore ad alte prestazioni, e comunicati in modo sicuro e protetto attraverso interfacce come CAN, LIN e reti ad alta velocità, come Ethernet. Ne risulta che le case automobilistiche stanno riconsiderando l’architettura del gateway automotive e dei sistemi per centraline telematiche.

Il gateway automotive

Un gateway automotive è un sistema la cui funzione principale consiste nel trasferire dati in modo sicuro e protetto all’interno del veicolo. All’interno del veicolo vi è il potenziale per installare diversi gateway: il gateway centralizzato e più gateway di dominio.

Una gateway centralizzato in un’automobile trasferisce i dati in modo sicuro e protetto fra numerosi domini, come la centralina telematica (TCU), il gruppo powertrain, la carrozzeria, il sistema di infotainment, il digital cockpit, e le applicazioni ADAS.

Un gateway di dominio (o controller di dominio) svolge una funzione simile, ma instrada i dati fra le ECU all’interno di quel dominio specifico.

I gateway centralizzati, solitamente, richiedono maggiori prestazioni di elaborazione, interfacce e protocolli di rete a larghezza di banda maggiore rispetto ai gateway di dominio. La Figura 1 mostra come implementare i due tipi di gateway in un veicolo.

 

 Figura 1. Esempio di architettura SoC, con un gateway centralizzato e due gateway di dominio.

TCU

La TCU è la ECU sui veicoli che fornisce la connettività per Internet e per il cloud.

Le auto che si collegano a Internet e al cloud stanno aumentando sempre più la loro diffusione e le case costruttrici dotano quindi i loro veicoli di opzioni quali Wi-Fi®, Bluetooth® e dati mobili.

Questa connettività permette di effettuare chiamate di emergenza (eCall) e di accedere a proposte di intrattenimento e altri contenuti on-line durante il viaggio, oltre a fornire aggiornamenti software OTA per i contenuti digitali dell’auto.

Nuove tendenze, come il car sharing, la sostituzione delle chiavi telecomando con l’accesso tramite telefono cellulare, la gestione e il tracciamento delle flotte, il monitoraggio delle abitudini di guida in remoto da parte delle compagnie assicurative e il monitoraggio in remoto dello stato di salute del veicolo da parte dei rivenditori per pianificare la manutenzione preventiva, come il cambio dell’olio, richiedono tutte una connessione a Internet e al cloud.

Un’ulteriore tendenza emergente verso la piena autonomia è la capacità di un veicolo di comunicare con altre entità come automobili, infrastrutture (come i semafori) o addirittura con le persone. Queste caratteristiche sono note come vehicle-to-vehicle (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I) e vehicle-to- pedestrians (V2P). La connettività di tipo DSRC (Dedicated Short Range Communication) o c-V2X, solitamente, agevola tale comunicazione.

In breve, la telematica collega l’automobile al mondo esterno. La Figura 2 mostra graficamente il sistema telematico.

 

 Figura 2. Esempio di telematica.

L’evoluzione del gateway e delle TCU richiede processori applicativi

I processori di gateway automotive sono tradizionalmente microcontroller (MCU) a 32 bit che supportano interfacce gateway a basse velocità, come Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) e FlexRay™. Tuttavia, poiché sta aumentando l’impiego di ADAS e di funzionalità per la connettività sulle auto, i veicoli si trovano a dover elaborare e comunicare un sempre maggior quantitativo di dati in modo sicuro e protetto, a latenze bassissime e fra svariati domini.

Poiché interfacce come CAN-Flexible Data Rate e LIN non sono progettate per gestire grandi quantità di dati a basse latenze, le case automobilistiche stanno passando ad un protocollo basato su TCP/IP Ethernet per gestire il movimento di dati a maggiore larghezza di banda. Il TCP/IP è interessante perché è un protocollo di comunicazione ben affermato in ambito consumer e, pertanto, è considerato meno rischioso rispetto ad un protocollo meno collaudato.

Poiché le MCU stesse potrebbero non essere in grado di tenere il passo con i requisiti di elaborazioni dei futuri gateway, esistono processori applicativi più performanti che stanno sostituendo o aumentando certe funzioni delle MCU in modo da elaborare e instradare i dati dei futuri gateway. Inoltre, mentre le reti all’interno dei veicoli stanno migrando verso una rete basata su Ethernet, i gateway automotive supportati da un processore applicativo possono agevolare l’elaborazione e l’instradamento dei dati fra diversi domini in modo rapido ed efficiente.

La connettività è necessaria per gli aggiornamenti OTA volti a rinfrescare i contenuti di intrattenimento e altri servizi, come le app di condivisione dei veicoli/dei tragitti e l’accesso remoto al veicolo. Le TCU dispongono di un modem per rete mobile o Wi-Fi® per fornire la connettività e di un processore applicativo per elaborare i dati ricevuti dal modem. L’elaborazione comporta la decodifica dei dati, la convalida dei dati e il loro instradamento verso il gateway o verso la ECU di un altro dominio. Nelle attuali architetture, il modem e il processore sono integrati su un singolo dispositivo a semiconduttore. Tuttavia, poiché gli standard dei modem sono in costante evoluzione, le case automobilistiche stanno passando ad un’architettura che separi il modem dal processore. Inoltre, sia i gateway automotive sia le TCU stanno vivendo una migrazione verso una rete basata su un Ethernet servita da un processore applicativo con supporto periferico per la connettività ad alta velocità, come PCIe, ed elevata potenza di calcolo per elaborare e instradare i dati fra i vari domini.

Il vantaggio di separare il processore dal modem consiste nel fatto che la ECU può migrare rapidamente verso un nuovo standard per il modem sostituendo soltanto il modem e mantenendo il processore e tutto il software correlato che gira su di esso.

Inoltre, la sicurezza e la protezione per gateway automotive e le TCU stanno diventando sempre più importanti in quanto le auto si fanno più connesse e autonome. Un processore o un sottosistema di sicurezza incorporati e dedicati possono aiutare a proteggere l’accesso ai codici di sicurezza del veicolo, migliorare la protezione dei canali di comunicazione e garantire che gli aggiornamenti software attendibili non possano essere utilizzati come parte di un attacco informatico. Le funzioni di sicurezza sono solitamente implementate in MCU discrete con certificazione di sicurezza. Tuttavia, un SoC che integri sia i processori applicativi sia una MCU di sicurezza, offre agli OEM automotive costi di distinta base (BOM) inferiori.

Costi di sviluppo

Come discusso nella parte precedente, i sistemi gateway e TCU stanno diventando sempre più complessi in termini di funzionalità. Ne derivano elevati costi di sviluppo per le case automobilistiche. L’ideale sarebbe che tali costi non influissero su ogni tier/modello di veicolo.

Gli OEM e i fornitori Tier-1 possono ottimizzare i costi di sviluppo adottando un dispositivo della famiglia di processori Jacinto™ DRAx, che offre una piattaforma scalabile e compatibile a livello software in grado di agevolare il soddisfacimento delle esigenze dei gateway e dei sistemi TCU di nuova generazione. I processori Jacinto DRA8x possono migliorare la connettività in tutto il veicolo supportando una gran varietà di I/O ad alta velocità, come PCIe, USB3.x e Gigabit Ethernet, nonché tradizionali periferiche automobilistiche, come CAN-FD e LIN. Inoltre, questi processori sono realizzati su misura per l’impiego in gateway automotive e includono sottosistemi MCU su chip che aiutano a soddisfare le esigenze di elaborazione in tempo reale e le prestazioni richieste dalle TCU, dai processori applicativi e dai gateway automotive.

Il DRA829V è il più recente dispositivo nella gamma di processori DRA8x. Il dispositivo DRA829V è un system-on-a-chip (SOC) avanzato, che integra numerosi elementi computazionali e di elaborazione per aiutare i gateway automotive a gestire in modo efficace e supportare un maggiore throughput di dati in tempo reale. Caratteristiche come un cluster di MPU Arm Cortex-A72 e cluster di core Arm Cortex-R5F per l’elaborazione in tempo reale e periferiche ad alta velocità, come USB-3, switch PCIe e switch Gigabit Ethernet integrati, eliminano la necessità di componenti esterni per trasferimenti di dati a maggiore larghezza di banda. Un’ulteriore caratteristica del processore DRA829V è il suo sottosistema MCU integrato per la sicurezza funzionale, che supporta operazioni di sicurezza funzionale su chip da ASIL-B ad ASIL-D. Il processore DRA829V inoltre, comprende una suite di periferiche automotive tradizionali, come CANFD, LIN e MOST. Per applicazioni critiche per la sicurezza, il dispositivo DRA829 supporta il secure boot e l’ambiente run time attraverso un modulo ad alta sicurezza integrato (HSM, High Security Module).

Inoltre, i processori DRA829V sono disponibili in varie potenze computazionali e combinazioni di periferiche, in modo da offrire dispositivi a costi ottimizzati per svariati gateway automotive.

La famiglia di processori Jacinto DRA8x include il supporto per numerosi sistemi operativi di fascia alta e in tempo reale nel Processor SDK oltre a kit di sviluppo software (SDK) pienamente compatibili e scalabili che permettono agli OEM di sfruttare e riutilizzare i progetti svolti nella propria linea di prodotti, ottenendo in definitiva minori costi di sviluppo. Grazie al software unificato, le case automobilistiche possono scalare i costosi investimenti di ricerca e sviluppo software e implementare il software sulla loro intera piattaforma gateway centralizzata in veicoli entry-level e di fascia premium.

Innovazione per sistemi gateway di nuova generazione

L’architettura dei gateway e delle TCU automotive è in rapido cambiamento al fine di elaborare e spostare in modo efficiente grandi quantità di dati fra i vari domini di un’automobile. Un SoC scalabile con un sottosistema MCU integrato, processori applicativi e funzionalità di I/O ad alta velocità agevolerebbe il soddisfacimento delle esigenze di questa nuova architettura con una BOM di sistema ridotta.

La famiglia scalabile e compatibile a livello hardware e software di SOC DRA8x di TI aiuta a rispondere alle esigenze delle nuove architetture gateway e TCU, facilitando la riduzione dei costi di BOM di sistema e il costo di sviluppo per il gateway automotive.

Risorse supplementari

 

A cura di Subbu Venkat, Business Development Manager, Jacinto™ Processors, Texas Instruments

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