Tiêu chuẩn Ô tô cho Điện tử: Bức tranh về Xe tự lái

Cá nhân tôi thích lái xe của mình, và tôi không chắc mình sẽ cảm thấy thoải mái như thế nào nếu quá trình này được tự động hóa hoàn toàn. Tôi thích ý tưởng có thể kiểm soát xe của mình khi cần, nhưng sẽ thật tuyệt nếu có thể nằm dài trên ghế sau trong một chuyến đi dài. Ngành công nghiệp ô tô chưa đưa xe tự lái đến mức độ này chỉ mới đây, nhưng hãy yên tâm, điều này được dự định sẽ trở thành hiện thực trong tương lai không xa.

Khi xem xét bối cảnh quy định và ngành công nghiệp xung quanh xe không người lái, có rất nhiều vấn đề cần xem xét liên quan đến sự an toàn và độ tin cậy của các hệ thống này. Đối với ngành công nghiệp điện tử và các nhà thiết kế PCB, bối cảnh tiêu chuẩn vẫn chưa rõ ràng, và việc thiết kế theo các tiêu chuẩn ngành sẽ là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong một ngành được quy định nghiêm ngặt như vậy. Hãy cùng xem xét bối cảnh tiêu chuẩn hiện tại dành cho các nhà thiết kế PCB đang làm việc trên các hệ thống kết nối và điều khiển xe tự lái.

Bối cảnh Tiêu chuẩn cho Xe Tự Lái

IHS Market ước tính rằng sẽ có 78 triệu xe tự lái hoặc không cần lái trên đường vào năm 2035. Xe tự động cấp độ 4, được định nghĩa là hoàn toàn tự động và không cần sự chú ý của người lái theo SAE, đã có mặt trên đường, mặc dù chưa được bán ra thị trường. Xe tự động cấp độ 2 đã có thể được mua từ các hãng xe lớn, nhưng chiếc xe cấp độ 3 đầu tiên vẫn đang gặp phải một tình trạng pháp lý phức tạp tại Mỹ.

Vấn đề về tiêu chuẩn không phải là về chức năng. Mà thực sự là về độ tin cậy. Xe tự lái yêu cầu các cấp độ dự phòng và biện pháp an toàn để đảm bảo an toàn cho hành khách. Nếu một PCB cho một hệ thống kiểm soát hoặc an toàn quan trọng nào đó trong xe tự lái bị hỏng, xe cần phải có một số cấp độ dự phòng, ít nhất là cho phép xe tự đưa mình an toàn đến dừng lại. Những hệ thống này cũng có thể yêu cầu người lái phải kiểm soát xe để ngăn chặn tai nạn.

Bối cảnh quy định đã đủ rối rắm và còn biến đổi rộng lớn. Ngoài bối cảnh quy định khó hiểu xung quanh xe tự lái, ngành công nghiệp vẫn chưa thể đồng lòng về các tiêu chuẩn nhất quán sẽ điều chỉnh đám đông các thiết bị điện tử mới mà kích hoạt tất cả các nhiệm vụ cần thiết cho xe tự lái an toàn. Người ta có thể mong đợi rằng các tiêu chuẩn mới về xe hơi sẽ vượt qua các tiêu chuẩn IATF, IPC, ISO, AEC, và SAE hiện tại về an toàn và chức năng.

Bên cạnh tổ chức tiêu chuẩn được liệt kê ở trên, Hội đồng Điện tử Ô tô (AEC) định rõ các yêu cầu kiểm tra cho các thành phần và hệ thống cấp ô tô. Tiêu chuẩn ISO-26262 đã bao gồm các khía cạnh chức năng của thiết kế, tích hợp, và cấu hình cho hệ thống ô tô. Tiêu chuẩn ISO 26262 được phát triển vào năm 2011, và xe hơi mới hiện nay chứa nhiều phần mềm hơn so với năm 2011. Phần II của ISO 26262 đã được phát hành gần đây, và tiêu chuẩn ISO/WD PAS 21448 cho hệ thống ADAS gần đây đã là đề tài thảo luận tại hội nghị SAFECOMP 2019. Chúng ta có thể thấy các chứng nhận mới về an toàn chức năng của hệ thống điện/tử đang xuất hiện từ nhiều tổ chức. Những tiêu chuẩn này, cũng như các tiêu chuẩn ISO khác về sản xuất PCB, nên được coi là cơ sở cho các nhà thiết kế hiện tại của điện tử cho xe tự lái.

Đối với các nhà phát triển phần mềm, chứng chỉ ASPICE cũng sẽ tiếp tục có liên quan, ngay cả khi số lượng xe tự lái xuất hiện trên đường ngày càng tăng. ASPICE định nghĩa "phần mềm nên trông như thế nào", thay vì "phần mềm nên được phát triển như thế nào." Mặc dù phần mềm cho xe tự lái là phức tạp, quy trình phát triển phần mềm khó có khả năng thay đổi đáng kể. Tôi mong đợi nhiều đội ngũ phát triển hơn sẽ áp dụng ASPICE như một phần của mô hình linh hoạt.

Kết nối Trong và Giữa các Phương tiện

Một vấn đề tiêu chuẩn khác trong xe tự lái là việc kết nối giữa số lượng lớn hệ thống nhúng cần thu thập và xử lý dữ liệu sau đó sử dụng dữ liệu này để thực hiện các chức năng điều khiển trong xe không người lái. Các phương tiện cũng cần phải giao tiếp với các phương tiện khác qua một mạng không dây ad-hoc dành cho xe cộ (VANET) sử dụng một giao thức không dây tiêu chuẩn.

Những chiếc xe tự lái này sẽ cần hình thành một mạng không dây ad-hoc khi chúng di chuyển

Đã có nhiều tiêu chuẩn quy định về truy cập không dây trong VANETs, như 4G LTE/5G, DSRC và WAVE. Các giao thức định tuyến và topologies MANET hiện có cũng được sử dụng để đưa ra quyết định định tuyến trong các phương tiện kết nối mạng. Tiêu chuẩn IEEE 802.11p thường được sử dụng trong các hệ thống thử nghiệm, và việc sử dụng giao thức này để thiết kế các hệ thống kết nối xe tự hành là một chủ đề nghiên cứu hiện tại.

Mạng lưới bên trong một phương tiện cũng nên tập trung vào tính dự phòng. Nếu một ECU bên trong phương tiện gặp sự cố, những chức năng đó có thể cần được thực hiện bởi một ECU khác, điều này đòi hỏi một mạng lưới nội bộ phương tiện sử dụng topologies lưới để cung cấp tính dự phòng. Tại đây, các quy tắc thiết kế tiêu chuẩn cho việc thiết kế các hệ thống kết nối mạng có thể được tuân theo về việc duy trì tính toàn vẹn tín hiệu, mặc dù những hệ thống này cần phải cực kỳ đáng tin cậy để đảm bảo an toàn. Đây là một khía cạnh khác của xe tự lái đang được nghiên cứu liên tục.

Độ Tin Cậy Bắt Đầu Từ Chất Nền Của Bạn

PCB ô tô phải tồn tại trong môi trường khắc nghiệt hơn so với PCB được sử dụng trong các ứng dụng khác. Điều này bao gồm việc vượt qua các bài kiểm tra độ tin cậy nhiệt và ổn định lâu dài trong môi trường khắc nghiệt. Việc đáp ứng các yêu cầu độ tin cậy này bắt đầu từ việc chọn chất liệu nền phù hợp.

PCB trong khoang động cơ đã cần phải chịu được nhiệt độ cao, do đó có thể sử dụng chất nền gốm alumina hoặc nitride nhôm, hoặc PCB đồng dày, tùy thuộc vào mục tiêu chi phí. FR4 vẫn là chất nền được ưa chuộng cho hệ thống an toàn. PCB lõi kim loại thường được sử dụng cho hệ thống chống bó cứng phanh. Hệ thống tránh va chạm trong xe tự lái dựa vào LiDAR hoặc radar, đòi hỏi PCB có tổn thất thấp ở tần số cao.

Thiết kế HDI cũng đang trở nên quan trọng hơn khi số lượng linh kiện và kết nối sử dụng trong PCB cho xe không người lái sẽ tiếp tục tăng lên. Hệ thống giải trí đã trở nên phức tạp hơn khi màn hình tích hợp nhiều tính năng hơn, đòi hỏi tích hợp cao hơn mà không làm tăng kích thước bảng mạch đáng kể.

Hãy mong đợi mật độ cao hơn nữa trong PCB cho xe tự lái

Độ tin cậy về năng lượng và yêu cầu về nhiệt của PCB trong xe điện, hybrid và xe sử dụng nhiên liệu pin không thể bỏ qua. Ngành công nghiệp đã sử dụng PCB với đồng dày để những bảng mạch này có thể chịu được dòng điện cao hơn và nhiệt độ cao hơn trong việc sạc, quản lý năng lượng và hệ thống phân phối năng lượng. Các kỹ thuật quản lý nhiệt sẽ cần được sử dụng trong những bảng mạch này để ngăn chặn hư hại cho linh kiện và chính bảng mạch.

Tích hợp Lớn hơn trong Xe Tự Lái

Trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi sẽ thấy sự tích hợp lớn hơn giữa các hệ thống trước đây tách biệt và sức mạnh xử lý lớn hơn trong các phương tiện. Điều này đòi hỏi sự tích hợp giữa các cảm biến, ECU và các hệ thống điện cơ khác nhau điều khiển mọi khía cạnh của một phương tiện tự hành. Độ phức tạp của phần mềm cũng đang tăng lên khi lượng dữ liệu lớn cần được sử dụng ngay lập tức cho việc nhận dạng đối tượng, giao tiếp qua VANETs và nhiều nhiệm vụ khác trong thời gian gần như thực tế. Bối cảnh tiêu chuẩn sẽ tiếp tục thay đổi khi những thiết kế tốt nhất chứng minh giá trị của chúng.

Sự tích hợp lớn hơn trong không gian hạn chế cũng sẽ đòi hỏi một mức độ thu nhỏ nào đó ở cấp độ bảng mạch, linh kiện và kết nối. Điều này không chỉ về mặt thẩm mỹ; các hệ thống cồng kềnh được sử dụng trên các xe tự lái thử nghiệm sẽ cần được tích hợp bên trong phương tiện. Điều này đảm bảo rằng các hệ thống quan trọng có thể được bảo vệ đầy đủ chống lại thời tiết khắc nghiệt, rung động cơ học và độ ẩm. Điều này sẽ vượt ra ngoài bảng điều khiển của xe.

Nếu nhóm thiết kế của bạn làm việc trên điện tử cho xe tự lái, thì bạn cần phần mềm thiết kế PCB tiên tiến cho phép nhóm của bạn phát huy sự sáng tạo trong khi vẫn tuân thủ các tiêu chuẩn ô tô quan trọng. Altium Designer^® cung cấp cho bạn một bộ công cụ đầy đủ về thiết kế và lập kế hoạch sản xuất, tất cả trong một chương trình. Bạn sẽ có tự do và công cụ bạn cần để thiết kế điện tử cho bất kỳ ứng dụng nào.

Giờ đây bạn có thể tải về phiên bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất hàng đầu ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để biết thêm thông tin.