Zastosowanie PCB dla systemów telematycznych

Zachariah Peterson
|  September 5, 2019
Automotive Telematics System Design

W 2015 koszty układów elektronicznych w nowym samochodzie po raz pierwszy w historii przekroczyły koszty surowej stali. Nie powinno to nas zaskakiwać: rosnąca liczba układów elektronicznych montowanych w samochodach musiała w końcu doprowadzić do takiej struktury kosztów. Ponieważ samochody stają się bardziej autonomiczne, mają więcej funkcji łączności oraz układów zwiększających komfort, ten trend z pewnością będzie kontynuowany. 

Po spopularyzowaniu systemu OnStar przez General Motors w latach 90., samochodowe układy telematyczne trwale zadomowiły się w branży. Współczesne samochodowe układy telematyczne umożliwiają producentom gromadzenie danych z rejestratorów zdarzeń, systemów komunikacji, systemów nawigacji GPS oraz systemów bezpieczeństwa. Ostatnie postępy technologiczne i dążenie do wprowadzenia w przyszłości pojazdów bez kierowcy stymulują większe zastosowanie tych układów i projektanci muszą rozważyć, jak tworzyć takie układy i wdrażać je w nowych pojazdach.

Krajobraz układów telematycznych

Oczekuje się, że przychody z produkcji samych płytek drukowanych do samochodów będą nadal rosły o 5–10% każdego roku. Co napędza wzrost w tym obszarze? Oprócz nowych funkcji bezpieczeństwa, systemów informacyjno-rozrywkowych oraz systemów łączności, układy telematyczne są coraz powszechniej stosowane w konwencjonalnych pojazdach i będą niezbędne w autonomicznych samochodach przyszłości.

Układy telematyczne to obszar, w którym firmy produkujące elektronikę samochodową oraz główni producenci samochodów mogą spodziewać się dużego rozwoju, ponieważ te układy najprawdopodobniej będą wymagane w coraz większej liczbie pojazdów konwencjonalnych i autonomicznych. W 2018 zaczęło obowiązywać Rozporządzenie UE 2015/758, które wymaga, aby wszystkie nowe pojazdy sprzedawane w Europie były wyposażone fabrycznie w układ telematyczny. W różnych stanach USA obowiązują różne regulacje w zakresie układów telematycznych, ale amerykańska agencja ds. usług GSA oficjalnie uznaje ich znaczenie w aktualnie istniejących flotach pojazdów z perspektywy redukcji kosztów.

W ramach dalszego rozwoju pojazdów autonomicznych układy telematyczne pozwolą producentom, badaczom i ubezpieczycielom gromadzić dane dotyczące tych nowych pojazdów, zanim zostaną one wprowadzone na rynek. Przeciętny kierowca może przejechać ok. 50 000 mil (ok. 80 tys. km) bez wypadku, podczas gdy średnia odległość przejechana bezwypadkowo przez pojazd autonomiczny w ramach DARPA Grand Challenge wynosiła ok. 100 mil (ok. 160 km). Układy telematyczne mogą gromadzić ogromną masę danych dotyczących pojazdu, dzięki czemu inżynierowie mogą lepiej zrozumieć, co trzeba zrobić, aby udoskonalić ich technologie. Te same dane są również wykorzystywane przez ubezpieczycieli do ustalania planów cenowych w oparciu o model UBI (ubezpieczenie zależne od wykorzystania).

System telematyczny eCall jest teraz obowiązkowy na terenie UE

Płytki PCB dla układów telematycznych w samochodach

Niezależnie od tego, czy wdrażamy rozwiązanie w zakresie ubezpieczeń UBI, pojazdów bez kierowców, systemów diagnostycznych, zautomatyzowanych systemów wzywania służb ratunkowych czy też komunikacji między pojazdami, można się spodziewać, że nastąpi ewolucja usług telematycznych z ich obecnych aplikacji. Te zmiany znajdą swoje odzwierciedlenie na poziomie płytek PCB oraz na poziomie oprogramowania wbudowanego, ponieważ ogrom danych generowanych w nowych pojazdach trzeba przetwarzać i komunikować w czasie rzeczywistym.

Wymogi podstawowe

Te układy mogą być zainstalowane gdzieś pod pokrywą komory silnika lub w tablicy rozdzielczej, ale można je również zamontować w ramach obsługi posprzedażnej, wykorzystując gniazdo OBD-II w samochodzie. W każdym z tych przypadków urządzenie uzyskuje bezpośredni dostęp do danych pojazdu z modułu ECU. Te urządzenia są bardzo małe (mniejsze niż 10 cu. in. (ok. 164 cm3)) i są zasilane prądem stałym pojazdu. Czujniki w pojeździe pobierają dane, które są zapisywane w modułach ECU, a następnie wysyłane do jednostki telematycznej w celu przetworzenia, zapisania i przesłania. Jedną z opcji urządzenia dostępnego na rynku wtórnym jest zastosowanie gniazda USB lub gniazda na kartę microSIM; tak właśnie jest to zrealizowane w popularnym systemie Freematics ONE+ (patrz schemat poniżej).

Schemat schematu telematycznego Freematics ONE+

Takie układy zwykle działają z częstotliwościami cyklu zegara rzędu dziesiątek lub setek MHz i nie wymagają wyjątkowo szybkich układów logicznych. Jeśli układ telematyczny ma zostać zamontowany pod tablicą rozdzielczą, można przygotować dla niego płytkę na substracie FR4. Układ telematyczny, który ma zostać zamontowany w przedziale silnikowym, najlepiej zbudować na ceramicznej płytce PCB, chociaż takie umieszczenie układu nie daje żadnych korzyści pod względem funkcjonalności. 

Komunikacja bezprzewodowa

Dodanie łączności WiFi i/lub Bluetooth w module telematycznym umożliwia pobieranie danych telematycznych na urządzenie zewnętrzne, chociaż nowsze moduły telematyczne, które dostarczają dane do ubezpieczycieli, producentów cze pracowników, potrzebują dostępu do telefonu komórkowego w celu przesłania danych. Jedną z opcji jest transmisja z wykorzystaniem WCDMA, HSPA+ lub innego protokołu bezprzewodowego. Bez względu na to, jakiego protokołu używamy do komunikacji, układ musi mieć nadajnik/odbiornik i połączenie z chipem (w przypadku modułów zintegrowanych) lub anteną helikalną (zazwyczaj w modułach z rynku wtórnego).

To sprawia, że układy telematyczne działają z wykorzystaniem sygnału mieszanego, co wymaga zastosowania strategii uziemiania dla układów radiowych. Sygnały analogowe i cyfrowe należy rozdzielić między różne obszary płaszczyzny masy, aby zapobiec powstawaniu zakłóceń. Zazwyczaj w tego rodzaju układach dobrze sprawdzają się czterowarstwowe płytki z jedną całkowicie wypełnioną płaszczyzną masy, chociaż dobrą strategią jest zastosowanie płaszczyzny masy zapewniającej pewne ekranowanie między sekcjami sygnałów RF i sygnałów cyfrowych. Układ będzie pracować z częstotliwościami nieprzekraczającymi 5 GHz w zależności od protokołu komunikacji bezprzewodowej.

Integracja GPS

Nowsze samochody zazwyczaj mają już wbudowane systemy nawigacji GPC zintegrowane w systemie informacyjno-rozrywkowym. Te dane nawigacji już są przesyłane między wyświetlaczem (albo w systemie informacyjno-rozrywkowym, albo w tablicy rozdzielczej) a centralnym modułem ECU i można je wysłać do jednostki telematycznej poprzez gniazdo OBD-II. Wymaga to tak naprawdę łaty programowej i być może zmodyfikowania konstrukcji OBD-II.

W przypadku układów telematycznych z rynku wtórnego antenę GPS należy podłączać jako urządzenie zewnętrzne z boku pakietu i montować ją w miejscu zapewniającym najlepszy odbiór sygnału. Górna część tablicy rozdzielczej przy środku przedniej szyby to idealne miejsce na umieszczenie anteny, choć takie anteny można również mocować do przedniej lub tylnej szyby po obróceniu.

Rola oprogramowania wbudowanego w układach telematycznych

Aspekty prawne ochrony danych osobowych, zwłaszcza w Unii Europejskiej, będą prawdopodobnie odgrywać większą rolę na poziomie programowym niż na poziomie sprzętowym. Jednak można się spodziewać, że w krajach uprzemysłowionych układy telematyczne będą podlegać surowszym minimalnym wymogom funkcjonalnym w miarę rozwoju technologicznego. Kwestie bezpieczeństwa w pojazdach będą odzwierciedlać kwestie związane z urządzeniami IoT, ponieważ pojazdy będą w większym stopniu połączone, rodząc prawdziwe wyzwania dla inżynierów oprogramowania wbudowanego. Inżynierowie powinni oczekiwać pojawienia się skalowalnego otwartego oprogramowania i platform sprzętowych, w miarę jak smartfony i tablety będą stawać się dominującym sposobem komunikowania się z układami telematycznymi w pojazdach.

Projektanci urządzeń elektronicznych w branży motoryzacyjnej muszą mieć dostęp do systemów projektowania z odpowiednimi wbudowanymi narzędziami do projektowania układów PCB dla układów telematycznych oraz rozmaitych innych systemów. Altium Designer® udostępnia funkcje projektowania dla tych zastosowań samochodowych oraz wielu innych w ujednoliconym środowisku projektowym.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną oprogramowania Altium Designer, aby uzyskać dostęp do najlepszych w branży narzędzi do rozmieszczania podzespołów, prowadzenia ścieżek oraz symulacji. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.

About Author

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies. Zachariah works with other companies in the PCB industry providing design and research services. He is a member of IEEE Photonics Society and the American Physical Society.

most recent articles

Back to Home