Diseño de sistemas telemáticos automotrices

En 2015 el coste de la electrónica en un vehículo nuevo superaba por primera vez en la historia el coste del acero en bruto. No debería sorprendernos; el aumento continuo del número de sistemas electrónicos que se instalan en los vehículos hace que este cambio en la estructura de costes fuese inevitable. Como los vehículos son cada vez más autónomos, están más conectados e incluyen más prestaciones, esta es una tendencia que continuará en aumento. 

Después de que General Motors popularizará en los años noventa el sistema OnStar, los sistemas telemáticos automotrices han sido una constante en el sector. En la actualidad, un sistema telemático automotriz permite a los fabricantes recopilar datos de los registradores de datos, los sistemas de comunicación, los sistemas de navegación GPS y los sistemas de seguridad. Los últimos avances tecnológicos y el auge de los vehículos sin conductor en el futuro está fomentando un mayor uso de estos sistemas, y los diseñadores deberían tener en cuenta cómo pueden crear estos sistemas e incorporarlos en los nuevos vehículos.

El panorama de los sistemas telemáticos

Se espera que los beneficios derivados solamente de las PCB sigan creciendo interanualmente entre un 5 % y un 10 %. Entonces, ¿qué es lo que está generando crecimiento en esta área? Además de las últimas funciones de seguridad, los sistemas de información y entretenimiento y la interconectividad, los sistemas telemáticos se están usando cada vez más en los vehículos convencionales y se exigirán en los vehículos autónomos del futuro.

Los sistemas telemáticos son un área en la que las compañías de electrónica automotriz y los principales fabricantes de vehículos pueden prever un importante crecimiento, ya que es muy probable que estos sistemas sean necesarios en vehículos nuevos más convencionales y en los vehículos autónomos. A partir de 2018, el Reglamento 2015/758 de la UE exige que todos los vehículos nuevos que se vendan en la UE incluyan oficialmente un sistema telemático. Los distintos estados de EE. UU. tienen diferentes normas sobre los sistemas telemáticos, pero la Administración de Servicios Generales reconoce oficialmente su importancia en los parques móviles actuales desde el punto de vista del ahorro de costes.

Como parte del desarrollo continuo de los vehículos autónomos, los sistemas telemáticos permiten a los fabricantes de vehículos, los investigadores y las aseguradoras recopilar datos sobre estos nuevos vehículos antes de que se pongan a disposición del público. El conductor humano típico puede viajar unos 80 500 km antes de tener un accidente, mientras que la distancia típica que recorrió un vehículo autónomo como parte de un DARPA Grand Challenge fue de unos 160 km. La cantidad de datos que pasan por un vehículo puede recopilarse con un sistema telemático para vehículos, lo que facilita a los ingenieros la información que necesitan para mejorar su tecnología. Las aseguradoras utilizan esos mismos datos para crear planes de precios bajo el modelo de seguro basado en el uso (UBI, por sus siglas en inglés).

PCB para sistemas telemáticos en vehículos

Tanto si estás implementando una solución para seguros UBI, vehículos sin conductor, diagnósticos de vehículos, respuesta ante accidente o automática de emergencia, como sistemas para comunicación entre vehículos, se espera que los servicios telemáticos evolucionen a partir de sus aplicaciones actuales. Estos cambios se verán reflejados a nivel de PCB y están integrados a nivel de software, ya que la gran cantidad de datos generados en los nuevos vehículos debe ser procesada y comunicada en tiempo real.

Requisitos básicos

Estos sistemas pueden integrarse en algún lugar debajo del capó o en el salpicadero, o pueden añadirse como una función posventa a través del puerto OBD-II del vehículo. En cualquier caso, esto da al dispositivo acceso directo a los datos del vehículo desde su ECU. Estos dispositivos son pequeños (menos de 165 cm3) y se alimentan de la CC del vehículo. Los sensores del vehículo recopilan los datos que se almacenan en la ECU, que a continuación se envían a la unidad telemática para su procesado, almacenamiento y transmisión. Una opción en un dispositivo posventa es incluir un puerto USB o un puerto para una tarjeta microSIM; esto se hace en el popular sistema Freematics ONE+ (ver esquemático más abajo).

Estos sistemas suelen funcionar a frecuencias de reloj de decenas o cientos de MHz y no exigen una lógica de velocidad sumamente alta. Si el sistema telemático se coloca debajo del salpicadero, entonces puedes construir tu tarjeta con FR4. Un sistema telemático que se coloque en el compartimento del motor es mejor construirlo sobre una PCB cerámica, aunque esta ubicación no aporta ninguna ventaja en lo que respecta a su funcionalidad. 

Comunicación inalámbrica

Incluir conectividad WiFi o Bluetooth en un módulo telemático permite descargar tus datos telemáticos en un dispositivo externo, aunque los módulos telemáticos más nuevos que proporcionan datos a aseguradoras, fabricantes o empresas necesitan acceso móvil para transmitir los datos. Una opción consiste en transmitir sobre WCDMA, HSPA+ u otro protocolo inalámbrico. Independientemente del protocolo que utilices para la comunicación, tendrás que incluir un transceptor y conexión con un chip (para módulos integrados) o antena de goma (normalmente en los módulos posventa).

Esto introduce el sistema telemático en el régimen de señal mixta, que exige una estrategia de conexión a tierra de RF. Las señales analógicas y digitales deben separarse en áreas distintas del plano de tierra para evitar interferencias. Una tarjeta de cuatro capas con un solo plano de tierra sólido suele funcionar bien para estos sistemas, aunque una buena estrategia consiste en usar un plano de tierra a fin de proporcionar cierta protección entre las secciones digitales y de RF. Aquí estarás funcionando a no más de 5 GHz, dependiendo del protocolo inalámbrico.

Integración con GPS

Los vehículos más nuevos ya suelen incluir sistemas de navegación GPS que se integran dentro del sistema de información y entretenimiento. Estos datos de navegación ya se mueven entre la pantalla (información/entretenimiento o salpicadero digital) y una ECU central, y los datos pueden enviarse a la unidad telemática a través del puerto OBD-II. Esto exige un parche de software y posiblemente una modificación del diseño del OBD-II.

Para un sistema telemático posventa, la antena GPS debe conectarse como una unidad externa a través del lateral del paquete y debe montarse en la ubicación apropiada para recibir la mejor señal. La parte superior del salpicadero, cerca del centro del parabrisas, es el lugar ideal para situar la antena, aunque estas antenas también pueden acoplarse al parabrisas delantero o trasero cuando estén abiertas.

El papel del software integrado en los sistemas telemáticos

Es posible que los aspectos normativos relacionados con la privacidad de los datos, sobre todo en la UE, tengan un papel más importante en el software que en el hardware. Sin embargo, cabe esperar que se exija a los sistemas telemáticos unos mayores requisitos mínimos de funcionalidad en los países industrializados según vaya avanzando la tecnología. Los problemas de seguridad en los vehículos serán reflejo de los que surjan con los dispositivos de la Internet de las cosas al aumentar la conectividad de los vehículos, lo que planteará verdaderos retos a los ingenieros de software integrado. Los ingenieros deben tener en cuenta que unas plataformas de hardware y software abiertas y escalables a través de smartphones y tablets serán la forma predominante de interactuar con los sistemas telemáticos en los vehículos.

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