Un veicolo moderno si basa su tecnologie di comunicazione automotive ad alta velocità in grado di spostare i dati più velocemente e più lontano in modo da migliorare la sicurezza e l'autonomia del veicolo. Ecco l'importanza di poter disporre di standard che siano utili alle gestione delle nuove architetture ADAS.

I componenti elettronici sono stati introdotti per la prima volta sui veicoli nel 1915, quando la Ford Motor Co. presentò le luci elettriche e un clacson elettrico per la sua automobile Model T. Da allora, la dipendenza dai sistemi elettrici ed elettronici delle automobili non ha fatto che aumentare costantemente. I primi sistemi tendevano a essere localizzati e indipendenti, ad esempio un interruttore per il controllo dei fari collegato direttamente alla batteria oppure un relè per ilcontrollo di un altoparlante monotono.

A mano a mano che le architetture si evolvevano, lo stesso è avvenuto per i meccanismi attraverso  i quali vari sottosistemi comunicano all'interno dell'auto. Ad esempio, quando l'auto rileva un calo della luce nell'ambiente all'esternodel veicolo, può accendere automaticamente i fari: ma non è tutto. Il veicolo potrebbe regolare i livelli di luminosità di tutti i display, correggere il bilanciamento del bianco di tutte le telecamere, aumentare la distanza dal veicolo che precedee aumentare l'effetto di tutti i moduli di frenata, il tutto per aumentare la sicurezza alla guida.

Con il procedere della ricerca dedicata ai veicoli autonomi, le comunicazioni devono diventare il più possibile sicure, protette e in tempo reale. Questa sfida è resa ancora più complessa dal fatto che la quantità di dati trasmessi e ricevuti non è più nell'ordine delle centinaia di kilobit al secondo, ma di decine di gigabit al secondo.

In questo documento sono analizzati quattro protocolli di comunicazione automotive: Ethernet, la tecnologia FPD-Link (un protocollo proprietario automotive a serializzatore/deserializzatore, ossia «SerDes»), bus CAN e bus PCIe, mettendo in luce le peculiarità principali di ciascuna tecnologia e presentando gli esempi e le caratteristiche che permettono a queste tecnologie di supportare le moderne architetture ADAS (automotive driver assistance systems).

ADAS e Ethernet

Ethernet è una delle più comuni interfacce ad alta velocità che si trovano in case e uffici e sta diventando un protocollo di comunicazione predominante per i veicoli. Alcuni veicoli utilizzano Ethernet per trasportare le più svariate tipologie di dati ad alta velocità: applicazioni automotive come i moduli radar e lidar utilizzano la tecnologia Single-Pair Ethernet. Single-Pair Ethernet utilizza lo standard Ethernet, ma trasmettendo i dati attraverso un singolo filo doppio ritorto,permettendo quindi di ridurre il peso e il costo dei cavi su un veicolo.

Ethernet è un sistema pacchettizzato nel quale i pacchetti trasferiscono le informazioni tra i nodi in varie parti della rete. Così come avviene in un bus CAN, Ethernet è bidirezionale e la velocità raggiungibile su un qualsiasi collegamento individuale diminuisce al crescere del numero di nodi nel sistema. Per la tecnologia Single-Pair Ethernet, la velocità su un qualsiasi collegamento individuale è limitata a una sola velocità specifica (10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps) e non si verifica alcun cambiamento dinamico della velocità sul collegamento. Inoltre, la tecnologia Single-PairEthernet è in grado di trasportare i dati attraverso un collegamento a una velocità fino a 1.000 volte maggiore rispetto a un bus CAN. Il passaggio a Single-Pair Ethernet permetterebbe di ottimizzare la velocità di trasmissione dei dati su un bus CAN, ma poiché il costo per nodo di Ethernet è maggiore, probabilmente non sostituirà il bus CAN, ma ne aumenterà le funzionalità. Oggi alcune auto utilizzano Single-Pair Ethernet per requisiti ad alta intensità di dati, come le telecamere di retromarcia e il radar. Ad esempio, i DP83TC812S-Q1 e DP83TG720S-Q1 di Texas Instruments (TI) sono livelli fisici (PHY) Single-Pair Ethernet selezionati per i gradi 1 e 2 dell'Automotive Electronics Council-Q100 e comprendono una modalità di test con loopback per agevolare la diagnostica del sistema in conformità con gli standard automotive IEEE 802.3bw e 802.3bp dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers. Per trasferire video su una rete Ethernet, anche se è presente un singolo canale video, il video deve essere compresso all'origine e quindi decompresso a destinazione perevitare di superare i limiti di larghezza di banda di Ethernet, a differenza della tecnologia FPD-Link, che consente la trasmissione dei dati video non compressi. Per un'applicazione come una telecamera di retromarcia, è necessaria lapresenza di un processore a potenza relativamente elevata all'interno della telecamera per comprimere l'immagine asufficienza in modo da farla passare nella rete Ethernet.

La necessità di un processore ad alta potenza, a sua volta, significa che la telecamera risulterà fisicamente più grande e più costosa. La telecamera presenterà una maggiore dissipazione di energia rispetto a un approccio che non richiede particolare elaborazione delle immagini. Un altro svantaggio di questa soluzione sta nella maggiore latenza aggiunta al collegamento dalla compressione e dalla decompressione del video. Se più telecamere o altre fonti video condividono la stessa rete Ethernet, è necessario trovare un equilibrio tra l'entità della compressione (e la corrispondente qualità video) e il numero di canali video supportati. È possibile moderare questa limitazione installando più reti sull'auto in una configurazione gerarchica. Una singola rete potrebbe essere utilizzata per gestire soltanto le centraline e la diagnostica del motore, una seconda rete potrebbe occuparsi dell'intrattenimento per i passeggeri posteriori e dell'impianto audio, mentre un'altra rete ancora gestirebbe le funzioni di assistenza al conducente, come le telecamere di miglioramento della visione. Alla fine, la tecnologia Single-Pair Ethernet offre una capacità maggiore rispetto al bus CAN per la trasmissione dei dati come radar e lidar, con lo svantaggio di una maggiore complessità, ma continua ad avere difficoltà nella gestione diapplicazioni a larghezza di banda particolarmente elevata, come i video.

ADAS e Tecnologia FPD-Link

FPD-Link è una tecnologia SerDes automotive proprietaria sviluppata per la trasmissione in tempo reale e senza compressione di dati ad alta larghezza di banda. In particolare, la tecnologia FPD-Link è stata sviluppata per trasmettere dati video all'interno dell'auto, il che ha consentito di migliorare l'analisi e l'elaborazione dei dati in applicazioni di assistenza al conducente. Ad esempio, può essere utilizzata per inviare un video non compresso su un display, mentre il canale di ritorno trasmette informazioni provenienti da una telecamera rivolta verso l'esterno al processore che utilizza l'elaborazione delle immagini e algoritmi per restituire un segnale di comando all'auto o al conducente, ad esempio per la frenata automatica. Il livello fisico per FPD- Link è un doppino ritorto o un cavo coassiale. Il cablaggio è dedicato, pertanto, quando si utilizza FPD-Link per una telecamera di retromarcia, un cavo va dalla telecamera a un processore e unsecondo cavo va dal processore al display nell'abitacolo. Il grosso vantaggio dell'utilizzo di FPD- Link in questa applicazione sta nel fatto che sia la telecamera che il display possono essere costituiti da circuiti molto più semplici, in quanto compressione e decompressione non sono richieste.

Inoltre, poiché i collegamenti sono dedicati, la qualità dell'immagine di un dato sistema video è indipendente dagli altri eventi che si verificano sul veicolo. FPD-Link presenta una larghezza di banda del canale di andata di 25 Gpbs+ e un canale di ritorno simultaneo a bassa velocità. Il canale di ritorno può essere utilizzato per trasmettere un bus I2C a 400 kbps oppure può controllare linee GPIO a velocità fino a 1 Mbps. È possibile utilizzare il canale di ritorno per configurare una telecamera, azionare una lente di zoom o restituire informazioni del touch screen a un controller senza interrompere il flusso video sul canale di andata. Per i veicoli a guida autonoma, un ulteriore importante fattore consiste nell'entità della latenza del collegamento. L'elaborazione richiesta per la compressione e la decompressione di un'immagine va ad aumentare tale latenza. Per applicazioni come l'intrattenimento dei passeggeri sul sedile posteriore, un eventuale ritardo fra la lettura dei dati di un DVD e la sua visualizzazione sullo schermo non è importante. Se l'immagine trasmessa proviene da una telecamera utilizzata per individuare i pedoni sul percorso del veicolo, invece, la latenza potrebbe avere conseguenze gravi. FPD-Link è l'ideale per i collegamenti in cui i fattori più importanti sono un'alta larghezza di banda e una bassa latenza. Inoltre, la capacità di supportare un canale di ritorno e l'alimentazione attraverso un singolo doppino ritorto o una connessione coassiale semplifica il cablaggio e può contribuire a ridurre la complessità diprogettazione del sistema nel suo insieme.

La Figura 1 mostra un processore video OMAP collegato a due diverse telecamere e un display con un singolo cavo adoppino ritorto verso ciascuna unità periferica. Questo cavo a doppino ritorto supporta i dati video della telecamera e i dati del touch screen o di impostazione della telecamera. Inoltre, il cavo è in grado di fornire alimentazione al display o alla telecamera. Poiché ciascun collegamento è dedicato a una singola unità periferica, si elimina il rischio di interferenzefra i segnali provenienti dalle due telecamere, migliorando quindi l'integrità dei dati per l'elaborazione e l'analisi e aumentando l'affidabilità e la precisione delle funzionalità ADAS. La capacità di trasmettere dati provenienti da più telecamere è particolarmente vantaggiosa nelle applicazioni di visualizzazione dell'area circostante, come il parcheggio automatico, in cui una visuale a 360° dei dintorni del veicolo può fornire ai conducenti informazioni fondamentali peraumentare la sicurezza alla guida. Ulteriori informazioni sulla tecnologia FPD-Link sono disponibili in Che cos'è FPD-Link?¹

ADAS e CAN bus

La comunicazione CAN si è sviluppata enormemente dopo il suo sviluppo da parte della Robert Bosch GmbH negli anni Ottanta. Questo protocollo di rete multidrop ha ridotto sensibilmente il cablaggio necessario sul veicolo, consentendo al tempo stesso di realizzare un sistema di comunicazione ad arbitraggio che consente l'accesso al bus al nodo di priorità piùelevata presente sul bus stesso. Il protocollo e il livello fisico CAN sono stati standardizzati in origine nei primi anni Novanta per velocità dati fino a 1 Mbps. Oggi, la comunicazione CAN ha raggiunto velocità fino a 10 Mbps, andandoquindi a coprire lo spazio tra il classico CAN degli anni Novanta e l'Ethernet automotive a bassa velocità, come il 10Base-T. CAN è un bus seriale multi-commander: in altre parole, non vi è un singolo nodo di comando che controlla quando i singoli nodi possono leggere e scrivere sul bus CAN. Ciascun frame messaggio contiene un identificatore che stabilisce la priorità del messaggio CAN. Se più nodi tentano di trasmettere sul bus CAN contemporaneamente, il nodocon la priorità più elevata (o con l'ID di arbitraggio più basso) prende il controllo del bus. La comunicazione CAN è affidabile in ambienti gravosi e consente alle ECU di comunicare utilizzando soltanto una singola coppia di fili.

Quando il CAN è stato sviluppato in origine negli anni Ottanta, il numero di ECU su un veicolo era relativamente ridotto. Oggi, i veicoli per trasporto passeggeri possono contenere più di 100 ECU che gestiscono funzioni che vanno dal fondamentale servosterzo a caratteristiche di lusso come i sedili massaggianti e i volanti riscaldati. All'aumentare del numero di ECU e con l'esigenza di funzioni di sicurezza più avanzate sui veicoli per trasporto passeggeri, anche la comunicazione CAN si è evoluta. La Tabella 1 mostra diverse informazioni sulle reti di comunicazione CAN, tra cui i nuovi standard come CAN FD Light, CAN Signal Improvement Capability (SIC) e CAN Extra Long (XL). Ulterioriinformazioni sul CAN sono disponibili in Introduzione alla Controller Area Network (CAN).²

ADAS e tecnologia PCIe

La tecnologia PCIe è uno standard di comunicazione per bus seriali bidirezionali ad alta velocità che soddisfa i requisiti prestazionali in termini di alta larghezza di banda e latenza estremamente bassa. Utilizzato più comunemente in applicazioni industriali, il PCIe si sta ora affermando nell'uso automobilistico in quanto le case costruttrici hanno iniziatoa ripensare l'architettura backbone per i dati al fine di supportare i sistemi ad alta larghezza di banda e bassa latenza che gestiscono l'aumento esponenziale di dati provenienti dai sensori e informazioni utente che richiedono un'elaborazione intempo reale.

Per superare questa sfida, si utilizza un nodo di calcolo centralizzato che supporti domini di molte tipologie diverse (ADAS, infotainment, powertrain). Questa unità di calcolo centralizzata comprende tipicamente molti moduli che supportano diverse funzioni dell'auto, offrendo alle case costruttrici la scalabilità verso l'alto e verso il basso e la possibilità di personalizzare in modo flessibile le caratteristiche dell'auto senza dover riprogettare l'intero controller didominio. Poiché il PCIe supporta un solo root complex o unità di elaborazione centrale (CPU) per molti end point oricevitori, la presenza di una struttura centralizzata e modulare con PCIe può ridurre sensibilmente il numero complessivodi ECU e cavi necessari su un'auto.

Quando l'industria automobilistica ha iniziato a richiedere il co-processing e la ridondanza lungo l'intero backbone dati, il PCIe si è fatto sempre più interessante in quanto molte CPU integrano un'interfaccia PCIe nativa e non richiedono conversioni di interfaccia aggiuntive attraverso il backplane. Il PCIe dispone di un enorme ecosistema con risorse software aperte e ha costantemente raddoppiato la propria larghezza di banda da una generazione all'altra, con unalarghezza di banda molto scalabile. Pertanto, è possibile che il protocollo PCIe riesca a tenere il passo con la larghezza di banda richiesta dalla crescita esponenziale posta dall'elaborazione dei dati nel settore automotive. Nel progettare un percorso di segnale dati ad alta velocità, il degrado del segnale può costituire una problematica enorme. Un condizionatore di segnale, come un redriver o retimer, potrebbe essere necessario per recuperare e compensare la perdita di inserzione e il rumore dovuti al materiale del circuito stampato, alle vie, ai connettori o ai cavi. Sia i redriver che iretimer hanno una lunga e affidabile storia all'interno dell'ecosistema PCIe,

migliorando l'integrità complessiva del segnale per il trasporto dei dati attraverso il protocollo PCIe. La Tabella 2 elenca le differenze fra un redriver e un retimer. Ulteriori informazioni sugli elementi che compongono il percorso di segnale PCIe sono disponibili nel video Come risolvere le problematiche di integrità del segnale PCIe.³

Conclusione

Quale interfaccia è la migliore per le comunicazioni automotive? Tutte lo sono, ma ciascuna a modo suo. Se i requisiti di larghezza di banda aumentano, ad esempio per la trasmissione di dati radar e LIDAR, Ethernet è in grado di supportare la larghezza di banda necessaria. Quando serve un collegamento a massima larghezza di banda e minima latenza, come un sistema di telecamere di visualizzazione dell'area circostante che fornisce un input a un veicolo autonomo, la tecnologiaFPD-Link è la soluzione giusta per risolvere il problema. Il bus CAN continua a offrire supporto ADAS per le applicazioni di controllo a bassa velocità in cui il costo è un fattore fondamentale, come per l'assegnazione di priorità ai dati, l'apertura di airbag e altro ancora. Il PCIe è in grado di soddisfare le esigenze di spostamento di quantitàsempre crescenti di dati provenienti dai sensori e informazioni utente che richiedono un'elaborazione in tempo reale. Insieme, questi quattro protocolli fondamentali per le comunicazioni in campo automobilistico vanno a creare un veicolointegrato e connesso che favorisce la sicurezza del conducente in tempo reale e soddisfa i sempre maggiori requisiti dellearchitetture ADAS. Ulteriori informazioni su come le nostre avanzate tecnologie di comunicazione migliorano l'affidabilità in applicazioni di assistenza al conducente fondamentali per la sicurezza sono disponibili in Sensor fusion.

NOTE

1. https://training.ti.com/ti-precision-labs-what-is-fpd-link?HQS=null-null-adas-adascomm-vanity-tr-fpd-link-wwe
2. Texas Instruments: Introduzione alla Controller Area Network (CAN) (https://www.ti.com/lit/pdf/SLOA101)
3. Come risolvere le problematiche di integrità del segnale PCIe (https://training.ti.com/pcie-signal-integrity-challenges?HQS=null-null-adas-adascomm-vanity-tr-pcie-wwe)