Creazione di sistemi telematici e integrati per automobili

Zachariah Peterson
|  September 5, 2019
Creazione di sistemi telematici e integrati per automobili

Nel 2015, il costo dei componenti elettronici in un'auto nuova ha superato il costo dell'acciaio grezzo per la prima volta nella storia. Non dovrebbe sorprenderci: il numero crescente di sistemi elettronici posizionati nelle auto nel corso del tempo ha reso inevitabile questo cambiamento nella struttura dei costi. Con la crescita dell'autonomia, della connessione e del comfort delle auto, questa tendenza non farà che aumentare. 

Dopo la diffusione negli anni '90 del sistema OnStar da parte di General Motors, i sistemi telematici per il settore automobilistico sono diventati una presenza fissa nel settore. Oggi, i sistemi telematici e integrati per automobili consentono ai produttori di raccogliere dati da registratori di dati sugli eventi, sistemi di comunicazione, sistemi di navigazione GPS e sistemi di sicurezza. I recenti avanzamenti tecnologici e la spinta verso la realizzazione di veicoli completamente privi di conducente in futuro stanno facendo crescere l'uso di questi sistemi. I designer devono quindi pensare a come possono creare questi sistemi e integrarli nei nuovi veicoli.

Il panorama dei sistemi telematici

Si prevede che le entrate per i PCB per il settore automobilistico continueranno a crescere al ritmo del 5%-10% all'anno. Cosa sta promuovendo la crescita in quest'area? In aggiunta alle ultime novità in termini di funzioni di sicurezza, sistemi di infotainment e interconnettività, i sistemi telematici sono sempre più usati anche nei veicoli convenzionali e saranno indispensabili nei veicoli autonomi del futuro.

I sistemi telematici sono un'area in cui le aziende di componenti elettronici per il settore automobilistico e i principali produttori di auto possono ottenere una crescita elevata poiché con ogni probabilità questi sistemi dovranno essere inseriti in un numero maggiore di nuovi veicoli convenzionali, nonché nei veicoli autonomi. A partire dal 2018, il Regolamento UE 2015/758 richiede che tutti i nuovi veicoli venduti nell'UE includano ufficialmente un sistema telematico. Diversi stati negli Stati Uniti hanno adottato regole diverse sui sistemi telematici e integrati per automobili, ma la General Services Administration riconosce ufficialmente la loro importanza nelle flotte di veicoli attuali dal punto di vista della riduzione dei costi.

Nell'ambito dello sviluppo continuo di veicoli autonomi, i sistemi telematici consentono a produttori di veicoli, ricercatori e assicuratori di acquisire dati su questi nuovi veicoli prima che vengano presentati al pubblico. Il conducente umano medio può viaggiare approssimativamente per 80.500 chilometri prima di avere un incidente, mentre la distanza media percorsa da un veicolo autonomo durante una DARPA Grand Challenge è stata di circa 160 chilometri. La massa di dati che si muovono all'interno di un veicolo può essere acquisita con un sistema telematico per offrire agli ingegneri le informazioni di cui hanno bisogno per migliorare la loro tecnologia. Questi dati possono essere usati anche dagli assicuratori per creare piani tariffari sulla base del modello di assicurazione basato sull'utilizzo (UBI).

Conducente che preme il pulsante eCall, uno dei sistemi integrati per automobil

PCB per sistemi telematici nei veicoli

Che stiate implementando una soluzione per polizze assicurative di tipo UBI, auto senza conducente, diagnostica per veicoli, risposta automatizzata in caso di emergenza o incidente o sistemi per la comunicazione all'interno dei veicoli, si prevede che i servizi telematici evolveranno dalle loro applicazioni attuali. Queste modifiche saranno riflesse a livello del PCB e a livello del software integrato poiché la massa di dati generati nei nuovi veicoli deve essere elaborata e comunicata in tempo reale.

Requisiti di base

Questi sistemi possono essere integrati in qualsiasi punto sotto il cofano o nel cruscotto, o possono essere aggiunti come funzione aftermarket mediante la porta OBD-II del veicolo. In entrambi i casi, ciò consente al dispositivo di accedere direttamente ai dati del veicolo dall'ECU dello stesso. Questi dispositivi hanno un fattore di forma ridotto (inferiore a 10 cu. in.) e sfruttano l'energia CC dell'auto. I sensori del veicolo acquisiscono i dati archiviati nelle ECU, che vengono quindi inviati all'unità telematica per essere elaborati, archiviati e trasmessi. Una possibilità su un dispositivo aftermarket è includere una porta USB o una porta per una scheda microSIM; questo avviene nel famoso sistema Freematics ONE+ (consultate lo schematico qui sotto).

Schematico del sistema telematico Freematics ONE+

Questi sistemi integrati vengono in genere eseguiti a clock di decine o centinaia di MHz e non richiedono una logica a velocità estremamente alta. Se il sistema telematico viene collocato sotto il cruscotto, potete costruire la scheda su FR4. Un sistema telematico collocato nel vano motore offre le prestazioni migliori se viene costruito su un PCB in ceramica, sebbene questa posizione non aggiunga alcun vantaggio in termini di funzionalità. 

Comunicazione wireless

L'inclusione della connettività Wi-Fi e/o Bluetooth in un modulo telematico consente di scaricare i dati telematici su un dispositivo esterno, sebbene i sistemi telematici più recenti che forniscono dati ad assicuratori, produttori o datori di lavoro abbiano bisogno dell'accesso alla rete dati cellulare per trasmettere i dati. Una possibilità consiste nel trasmettere su WCDMA, HSPA+ o altri protocolli wireless. Indipendentemente dal protocollo usato per la comunicazione, dovrete includere un ricetrasmettitore e il collegamento a un chip (per i sistemi integrati) o un'antenna in gomma (in genere sui moduli after-market).

In questo modo il sistema telematico viene portato nel regime del segnale misto, che richiede una strategia di messa a terra dell'RF. I segnali analogici e digitali devono essere separati in aree diverse del piano di terra per prevenire le interferenze. Di norma una scheda a quattro strati con un solo piano di terra solido funziona bene per questi sistemi, sebbene una buona strategia prevede l'uso di un piano di terra per fornire una certa schermatura tra l'RF e le sezioni digitali. In questo caso userete una frequenza non superiore a 5 GHz, a seconda del protocollo wireless.

Integrazione GPS

In genere le auto più recenti includono già sistemi integrati di navigazione GPS che sono inseriti nel sistema di infotainment. Questi dati di navigazione si stanno già spostando tra il display (display del sistema di infotainment o display digitale inserito nel cruscotto) e un'ECU centrale, e i dati possono essere inviati all'unità telematica mediante la porta OBD-II. Affinché ciò sia possibile serve una pacth software e idealmente una modifica del design dell'OBD-II.

Per un sistema telematico aftermarket l'antenna GPS deve essere collegata a un'unità esterna attraverso il lato del pacchetto e deve essere montata nella posizione appropriata per ricevere il segnale migliore. La parte superiore del cruscotto accanto al centro del parabrezza è il punto ideale in cui collocare l'antenna, sebbene questo tipo di antenna possa essere fissato anche nella parte anteriore o posteriore del parabrezza se piegata.

Il ruolo del software integrato nei sistemi telematici

Gli aspetti regolatori della privacy dei dati, in particolare nell'UE, avranno molto probabilmente un ruolo sempre più importante a livello software piuttosto che a livello hardware. Tuttavia, ci si può aspettare che i sistemi telematici avranno requisiti minimi in termini di funzionalità più alti nei Paesi industrializzati man mano che la tecnologia continua ad avanzare. I problemi relativi alla sicurezza rispecchieranno quelli che emergono nei dispositivi IoT mentre i veicoli diventano sempre più connessi, mettendo gli ingegneri di sofware integrati davanti a sfide reali. Gli ingegneri devono aspettarsi la comparsa di piattaforme software e hardware aperte e scalabili man mano che smartphone e tablet diventano il metodo principale di interazione con i sistemi telematici nei veicoli.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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