Come applicare PSI5 per un sensore affidabile nell'ambito della sicurezza ad alta intensità di sensori nei veicoli

La preoccupazione principale nella progettazione automotive è la sicurezza che assilla i progettisti incaricati di aggiungere più sensori e sistemi di assistenza alla guida. Il problema è che questi sistemi hanno bisogno di un'interfaccia comune e devono essere in grado di comunicare in modo affidabile e privo di errori nonostante ampie oscillazioni di temperatura e umidità, vibrazioni e problemi di compatibilità elettromagnetica.

Per i progettisti, vale la pena prendere in considerazione soluzioni basate su sensori compatibili con l'interfaccia dei sensori periferici (PSI5). Si tratta di un'interfaccia robusta e resistente alle interferenze, originariamente utilizzata per i sistemi di airbag, ma che sta trovando sempre nuove applicazioni automotive a uso intensivo dei sensori.

Questo articolo costituisce un'introduzione al bus PSI5 prima di presentare e descrivere una serie di soluzioni di sistema PSI5 e come utilizzarle per configurare un sistema di controllo basato su sensori.

Peripheral Sensor Interface (PSI5)

L'interfaccia PSI5 viene utilizzata per collegare più sensori a unità di controllo elettroniche (ECU) ed è stata normalmente utilizzata come bus di comunicazione del sensore primario degli airbag e dei relativi sistemi di ritenuta. È uno standard aperto disponibile sul sito Web dell'organizzazione PSI5 su PSI5.org. La specifica attuale è la PSI5 versione 2.3, rilasciata come standard di base comune a tutti i sub-standard, compresi quelli per airbag, chassis, controllo di sicurezza e gruppo motopropulsore.

Lo standard PSI5 è implementato come bus a due fili (doppino intrecciato) utilizzando la trasmissione di dati con codifica modulata Manchester con velocità di trasmissione di 125 kbps (189 kbps è opzionale). È un'interfaccia a velocità media rispetto agli altri bus dati diffusi in ambito automotive (Tabella 1).

Tabella 1: Confronto tra bus dati comuni nel settore automotive. PSI5 è un'interfaccia a velocità media. (Fonte dati: DigiKey)

Il bus PSI5 ha un vantaggio nella gamma media delle velocità essendo meno costoso da implementare rispetto a CAN o FlexRay, ma con una velocità di trasmissione dati compatibile con i dati del sensore. Anche il bus dati SENT è destinato alla trasmissione dei dati dei sensori, ma è limitato dalla possibilità di inviare dati solo dal sensore alla centralina elettronica (ECU). Il bus PSI5 è bidirezionale, il che consente l'indirizzamento e la configurazione dei sensori.

Un'implementazione tipica di PSI5 in una ECU automotive include un microcontroller che alimenta più interfacce (Figura 1).

Figura 1: Schema a blocchi di una centralina (ECU) per autoveicoli che include porte I/O per i bus dati comuni per veicoli, compreso PSI5. (Immagine per gentile concessione di DigiKey).

I riquadri a destra del microcontroller in Figura 1 mostrano le porte I/O supportate. Queste includono Ethernet, CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) e bus di comunicazione per veicoli FlexRay, oltre alle interfacce SENT (Single Edge Nibble Transmission) e PSI5. Queste ECU per autoveicoli sono altamente integrate e possono includere convertitori analogici/digitali delta-sigma (ADC) per misurazioni di sensori veloci e precise.

Strato fisico PSI5

L'ECU è collegata ai sensori tramite due fili. L'uso di un doppino intrecciato a due fili riduce il costo di implementazione rispetto agli altri bus che usano tre o più fili. Gli stessi due fili sono utilizzati sia per l'alimentazione che per la trasmissione dei dati. L'ECU può utilizzare un transceiver PSI5 integrato o separato per fornire una tensione regolata ai sensori e leggere i dati trasmessi. I dati del sensore vengono trasmessi alla centralina mediante la modulazione di corrente usando la codifica Manchester (Figura 2).

Figura 2: La codifica Manchester dell'interfaccia PSI5 utilizza le transizioni di corrente al centro di un intervallo temporale di bit. L'oscilloscopio digitale HDO4104A di Teledyne LeCroy offre un decodificatore Manchester opzionale. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I dati vengono trasmessi dal sensore variando la corrente rispetto al livello base, la corrente di quiescenza nominale del sensore, fino al livello massimo. La corrente nell'esempio ha un livello base di 10 milliampere (mA) e un livello massimo di 40 mA, con un delta di 30 mA.

La codifica Manchester utilizza le transizioni di corrente al centro di un intervallo temporale di bit. La modulazione di corrente viene rilevata all'interno del transceiver PSI5 in cui uno '0' logico è rappresentato da una pendenza positiva e una logica '1' da una pendenza negativa. Nella figura, un intervallo temporale di bit è contrassegnato dai cursori verticali. L'oscilloscopio modello HDO4101A di Teledyne LeCroy con decodificatore Manchester opzionale spezza il pacchetto PSI5 in periodi di tredici bit indicati dalle linee blu verticali. Le transizioni di corrente a metà del periodo di bit rappresentano i valori dei dati che l'oscilloscopio stampa sulla transizione.

L'ECU comunica con i sensori PSI5 usando la modulazione di tensione. Questo stesso metodo viene utilizzato per sincronizzare la trasmissione dei dati dai sensori.

Quando all'ECU è collegato un singolo sensore, questo controlla la sincronizzazione e la frequenza di ripetizione della trasmissione dei dati. Se sono collegati più sensori, è invece l'ECU che controlla la sincronizzazione e il trasferimento dei dati. È possibile collegare più sensori in una configurazione parallela o a bus o anche in serie attraverso una serie di sensori. Le configurazioni saranno trattate in modo dettagliato più avanti nell'articolo.

Livello di collegamento dati

I frame di dati del PSI5 offrono una grande flessibilità (Figura 3). Oltre a una struttura di base con tre componenti primari, esiste una struttura funzionale estesa.

Figura 3: La struttura del frame di dati del PSI5 mostra sia i segmenti di base che quelli estesi nella regione del carico utile dei dati. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La struttura di base contiene i seguenti elementi obbligatori:

1. Un campo di bit di start che include due bit sempre codificati come '00'.
2. Un campo dati con un carico utile contenente da 10 a 28 bit designati da D0 a D27.
3. Un segmento di correzione degli errori che supporta sia un singolo bit di parità P, sia un controllo di ridondanza ciclico a tre bit (CDC), da C0 a C2.

La struttura dati estesa include dati di controllo, di messaggistica e di stato come riepilogato nella Tabella 2.

Tabella 2: I segmenti di campo opzionali aggiuntivi del pacchetto di dati PSI5 con campi secondari offrono ulteriore flessibilità. (Fonte dati: DigiKey)

Il sistema PSI5

Il progetto di riferimento di NXP Semiconductors RDAIRBAGPSI5-001 è idoneo per un sistema di controllo dell'airbag. Vengono illustrati i componenti di un progetto di sensori basato su PSI5 (Figura 4).

Figura 4: Lo schema del progetto di una piattaforma di riferimento per airbag di NXP Semiconductors mostra i componenti di un'interfaccia sensori basata su PSI5. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Questo progetto di riferimento utilizza un ASSP transceiver PSI5 NXP come interfaccia tra i sensori e il microcontroller. L'ASSP è un dispositivo in modalità mista (analogico/digitale) che gestisce più funzioni correlate al sistema di ritenuta. Sul lato sensore supporta fino a quattro canali sensore, fornendo alimentazione e controllo.

Sensori PSI5

Nei veicoli vengono comunemente utilizzati sensori per l'accelerazione, la temperatura e la pressione. I sensori associati ai sistemi di airbag sono principalmente gli accelerometri. Di solito c'è un accelerometro locale vicino alla centralina. Ci sono anche altri accelerometri in vari punti del veicolo che vengono chiamati sensori satelliti. La centralina dell'airbag utilizza i dati di più sensori per garantire un funzionamento sicuro. Se un sensore satellite subisce una decelerazione, l'ECU interroga anche l'accelerometro locale per controllare se si sta verificando un evento di "urto" e che non si tratti di un accelerometro guasto.

Un tipico accelerometro per airbag è un sensore ad asse singolo che è qualificato per applicazioni automotive e ha un intervallo di sensibilità configurabile da ±30 g a ±480 g in passi di 2. Supporta la connessione diretta PSI5, così come la comunicazione bidirezionale sincrona parallela e seriale. Questi accelerometri possono essere utilizzati per rilevare impatti frontali o laterali, urti e vibrazioni o collisioni con pedoni.

Topologie di connessione del sensore PSI5

Quando si utilizzano gli accelerometri, il bus PSI5 offre diversi modi per collegarli alla ECU (Figura 5).

Figura 5: Esempi di quattro diverse topologie di connessione del sensore supportate dal bus PSI5 che possono essere utilizzate dai progettisti per collegare gli accelerometri. In tutti i casi, la ECU tramite il transceiver PSI5, alimenta il sensore e ne legge i dati. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La figura mostra quattro possibili collegamenti del sensore all'ECU supportati dal bus PSI5. In tutti i casi, la ECU tramite il transceiver PSI5, alimenta il sensore e ne legge i dati. Nelle topologie sincrone, l'ECU, inoltre, controlla i sensori. Il diagramma di sincronizzazione di Figura 6 aiuta a spiegare le differenze tra le varie modalità operative.

Figura 6: Le sequenze di sincronizzazione per le quattro topologie di connessione PSI5 vanno dal semplice punto-punto al parallelo sincrono. La sincronizzazione nelle modalità sincrone viene iniziata dall'ECU utilizzando un impulso di sincronizzazione modulato in tensione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il modo più semplice per connettere un accelerometro è utilizzare una connessione diretta o punto-punto. In questa modalità, l'ECU fornisce energia al sensore che trasmette i dati periodicamente. La sincronizzazione e la frequenza di ripetizione delle trasmissioni di dati sono controllate dal sensore.

Si produce una modalità correlata quando viene collegato direttamente un cluster di più sensori, ad esempio per temperatura, pressione o accelerazione multiasse, riuniti in un package singolo. Questa connessione può essere implementata in modalità di sincronizzazione sincrona o asincrona. I dati dei diversi sensori possono essere multiplati o, come mostrato qui, combinati in due diversi segmenti di dati all'interno dello stesso pacchetto.

La sincronizzazione nelle modalità sincrone viene iniziata dall'ECU utilizzando un impulso di sincronizzazione modulato in tensione.

La connessione parallela posiziona ciascun sensore lungo il bus. Il trasferimento dei dati viene iniziato dal segnale di sincronizzazione proveniente dall'ECU. Ogni sensore trasmette quindi i suoi dati nel corrispondente intervallo di tempo assegnato.

Nella configurazione in serie, i sensori non hanno un indirizzo fisso e possono essere collegati a qualsiasi posizione sul bus. Durante l'avvio, ciascun sensore riceve un singolo indirizzo e passa la tensione di alimentazione al sensore successivo. L'indirizzamento viene effettuato mediante comunicazione bidirezionale dall'ECU al sensore utilizzando uno specifico schema di segnale di sincronizzazione denominato sequenza di indirizzamento. Dopo aver assegnato i singoli indirizzi, i sensori iniziano a trasmettere i dati nelle corrispondenti fasce di tempo in risposta agli impulsi di sincronizzazione generati dall'ECU.

Conclusione

Ai progettisti viene chiesto di aggiungere più sensori ai veicoli per renderli più sicuri. Come mostrato, il bus PSI5 offre un mezzo altamente affidabile e interoperabile per connettere più sensori con flessibilità, sia nella configurazione fisica che nella struttura dei pacchetti di dati.