Standardy motoryzacyjne dla elektroniki: Krajobraz samochodów autonomicznych

Osobiście lubię prowadzić własny pojazd i nie jestem pewien, jak komfortowo czułbym się, gdyby proces był w pełni zautomatyzowany. Podoba mi się możliwość przejęcia kontroli nad pojazdem, gdy tego potrzebuję, ale miło byłoby móc się rozsiąść na tylnym siedzeniu podczas długiej podróży. Przemysł motoryzacyjny nie wprowadził jeszcze samochodów autonomicznych na ten poziom, ale możesz być pewien, że jest to wizja, która ma stać się rzeczywistością w nie tak odległej przyszłości.

Przyglądając się regulacjom i krajobrazowi branżowemu wokół pojazdów bez kierowcy, jest wiele kwestii do rozważenia, które dotyczą bezpieczeństwa i niezawodności tych systemów. Dla branży elektronicznej i projektantów PCB krajobraz standardów jest jeszcze niejasny, a projektowanie zgodnie ze standardami branżowymi z pewnością będzie ważnym aspektem w tak ściśle regulowanej branży. Spójrzmy na obecny krajobraz standardów dla projektantów PCB pracujących nad systemami do łączenia i kontrolowania pojazdów autonomicznych.

Krajobraz standardów dla samochodów autonomicznych

IHS Market szacuje, że do 2035 roku na drogach pojawi się 78 milionów samochodów półsamodzielnych lub całkowicie autonomicznych. Pojazdy zautomatyzowane na poziomie 4, które są zdefiniowane jako w pełni automatyczne i nie wymagają uwagi kierowcy według SAE, są już na drogach, chociaż nie są jeszcze dostępne komercyjnie. Pojazdy zautomatyzowane na poziomie 2 można już kupić od głównych producentów samochodów, ale pierwszy pojazd na poziomie 3 nadal napotyka na problemy prawne w USA.

Problem dotyczący standardów nie jest kwestią funkcjonalności. Jest to raczej kwestia niezawodności. Samochody autonomiczne wymagają poziomów redundancji i środków bezpieczeństwa, aby zapewnić bezpieczeństwo pasażerów. Gdyby PCB dla pewnego krytycznego systemu kontroli lub bezpieczeństwa w samochodzie autonomicznym miało ulec awarii, pojazd musi posiadać pewien poziom redundancji, który przynajmniej pozwoli bezpiecznie zatrzymać pojazd. Te systemy mogą również wymagać, aby kierowca przejął kontrolę nad pojazdem, aby zapobiec wypadkowi.

Krajobraz regulacyjny jest już wystarczająco zagmatwany i różni się szeroko. Oprócz mylącego krajobrazu regulacyjnego dotyczącego samochodów autonomicznych, branża nadal nie zdołała zjednoczyć się wokół spójnych standardów, które będą regulować masę nowych elektronik umożliwiających wszystkie zadania wymagane do bezpiecznej jazdy autonomicznej. Można już oczekiwać, że nowsze standardy dotyczące pojazdów wykraczają poza istniejące standardy IATF, IPC, ISO, AEC i SAE dotyczące bezpieczeństwa i funkcjonalności.

Oprócz wymienionych powyżej organizacji standardowych, Rada Elektroniki Motoryzacyjnej (AEC) definiuje wymagania testowe dla komponentów i systemów motoryzacyjnych klasy. Standard ISO-26262 już obejmuje funkcjonalne aspekty projektowania, integracji i konfiguracji dla systemów motoryzacyjnych. Standard ISO 26262 został opracowany w 2011 roku, a nowsze samochody zawierają znacznie więcej oprogramowania niż miały to miejsce w 2011 roku. Niedawno wydano część II ISO 26262, a standard ISO/WD PAS 21448 dla systemów ADAS był niedawno przedmiotem dyskusji na konferencji SAFECOMP 2019. Już teraz możemy obserwować pojawianie się nowych certyfikatów dla funkcjonalnego bezpieczeństwa systemów elektrycznych/elektronicznych z licznych organizacji. Te standardy, jak również inne standardy ISO dotyczące produkcji PCB, powinny być traktowane jako punkt wyjścia dla obecnych projektantów elektroniki dla pojazdów autonomicznych.

Dla programistów certyfikacja ASPICE będzie nadal istotna, nawet gdy liczba autonomicznych samochodów na drogach wzrośnie. ASPICE definiuje "jak powinien wyglądać oprogramowanie", a nie "jak powinno być rozwijane oprogramowanie". Chociaż oprogramowanie dla samochodów autonomicznych jest skomplikowane, proces rozwijania oprogramowania prawdopodobnie nie zmieni się znacząco. Spodziewałbym się, że więcej zespołów programistycznych przyjmie ASPICE jako część modelu zwinnego.

Łączność wewnątrz i między pojazdami

Kolejnym problemem standardów w samochodach autonomicznych jest łączność między dużą liczbą systemów wbudowanych, które muszą zbierać i przetwarzać dane, a następnie wykorzystywać te dane do wykonania funkcji kontrolnych w pojeździe bez kierowcy. Pojazdy będą również musiały komunikować się z innymi pojazdami za pomocą bezprzewodowej sieci ad-hoc dla pojazdów (VANET) korzystając ze znormalizowanego protokołu bezprzewodowego.

Te samochody autonomiczne będą musiały tworzyć ad-hoc sieć bezprzewodową podczas jazdy

Już istnieje wiele standardów określających dostęp bezprzewodowy w VANETach, takich jak 4G LTE/5G, DSRC i WAVE. Istniejące protokoły i topologie routingu MANET również są wykorzystywane do podejmowania decyzji o trasowaniu w sieciowanych pojazdach. Standard IEEE 802.11p jest zazwyczaj używany w systemach eksperymentalnych, a wykorzystanie tego protokołu do projektowania systemów sieciowania pojazdów autonomicznych jest obecnym tematem badań.

Sieciowanie wewnątrz pojazdu powinno również skupiać się na redundancji. Jeśli jeden ECU w pojeździe zawiedzie, te funkcje mogą potrzebować być wykonane przez inny ECU, co wymaga wewnętrznej sieci pojazdu wykorzystującej topologię mesh do zapewnienia redundancji. Tutaj można stosować standardowe zasady projektowania systemów sieciowych pod kątem utrzymania integralności sygnału, chociaż te systemy muszą być niezwykle niezawodne, aby zapewnić bezpieczeństwo. To kolejny aspekt samochodów autonomicznych, który jest przedmiotem bieżących badań.

Niezawodność zaczyna się od Twojego Substratu

PCB samochodowe muszą przetrwać w bardziej surowych środowiskach niż PCB używane w innych aplikacjach. Obejmuje to przechodzenie testów niezawodności termicznej i długoterminowej stabilności w surowych warunkach. Spełnienie tych wymagań niezawodności zaczyna się od wyboru odpowiedniego materiału substratu.

PCB w komorze silnika muszą już wytrzymywać wysokie temperatury, dlatego w zależności od celów kosztowych mogą być używane podkłady ceramiczne z tlenku glinu lub azotku glinu, lub PCB z grubą warstwą miedzi. FR4 nadal pozostaje materiałem wyboru dla systemów bezpieczeństwa. PCB z rdzeniem metalowym są zwykle używane w systemach antyblokujących hamulce. System unikania kolizji w samochodzie autonomicznym opiera się na LiDAR lub radarze, wymagając PCB z niskimi stratami przy wysokiej częstotliwości.

Projektowanie HDI staje się również coraz ważniejsze, ponieważ liczba komponentów i połączeń używanych w PCB dla samochodów bez kierowcy będzie nadal rosnąć. Systemy infotainment stają się już bardziej skomplikowane, ponieważ wyświetlacze integrują więcej funkcji, wymagając większej integracji bez znacznego zwiększania rozmiaru płyty.

Spodziewaj się wyższej gęstości niż ta w PCB dla samochodów autonomicznych

Integralność mocy i wymagania termiczne PCB w samochodach elektrycznych, hybrydowych i z ogniwami paliwowymi nie mogą być ignorowane. Przemysł już używa PCB z grubą warstwą miedzi, aby te płyty mogły wytrzymać wyższy prąd i wyższą temperaturę w systemach ładowania, zarządzania mocą i dystrybucji mocy. Techniki zarządzania ciepłem będą musiały być stosowane w tych płytach, aby zapobiec uszkodzeniu komponentów i samej płyty.

Większa integracja w samochodach autonomicznych

W przyszłości możemy spodziewać się większej integracji dotychczas oddzielnych systemów oraz większej mocy obliczeniowej w pojazdach. Wymaga to integracji między sensorami, jednostkami sterującymi (ECU) oraz różnymi systemami elektromechanicznymi, które kontrolują wszystkie aspekty pojazdu autonomicznego. Złożoność oprogramowania również rośnie, ponieważ masa danych musi być natychmiastowo wykorzystywana do rozpoznawania obiektów, komunikacji przez VANETy i wielu innych zadań niemal w czasie rzeczywistym. Krajobraz standardów będzie się nadal zmieniać, jako że najlepsze projekty udowadniają swoją wartość.

Większa integracja w ograniczonej przestrzeni będzie również wymagać pewnego poziomu miniaturyzacji na poziomie płytek, komponentów i połączeń. To nie tylko kwestia estetyki; obszerne systemy używane w eksperymentalnych samochodach autonomicznych będą musiały zostać zintegrowane wewnątrz pojazdu. Zapewni to odpowiednią ochronę ważnych systemów przed surowymi warunkami pogodowymi, wibracjami mechanicznymi i wilgocią. To wyjdzie poza deski rozdzielcze pojazdu.

Jeśli Twój zespół projektowy pracuje nad elektroniką dla samochodów autonomicznych, potrzebujesz zaawansowanego oprogramowania do projektowania PCB, które pozwoli Twojemu zespołu uwolnić ich kreatywność, jednocześnie przestrzegając ważnych standardów motoryzacyjnych. Altium Designer^® oferuje pełny zestaw narzędzi do projektowania i planowania produkcji, wszystko w jednym programie. Będziesz miał wolność i narzędzia potrzebne do projektowania elektroniki dla dowolnej aplikacji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.