Aplicațiile auto pentru sistemele electronice includ o mare varietate de sarcini, de la controlul motoarelor electrice pentru trenurile de rulare, la captarea și analizarea datelor de la senzori și prezentarea de informații șoferului și pasagerilor.
Structurile logice programabile sau FPGA-urile sunt ideale pentru aceste sarcini. Multe FPGA-uri pot fi reprogramate pentru a implementa diferite funcții logice, ceea ce le face la fel de flexibile precum software-ul pentru computer. Aspectul reprogramabil înseamnă că pot fi modificate în teren, adesea pe calea aerului. Deoarece acestea utilizează calcul paralel, au o latență scăzută și sunt mai rapide decât alte alternative, cum ar fi microcontrolerele. Atunci când le comparăm cu circuitele integrate specifice aplicației (ASIC), abordarea implementării hardware paralele poate părea similară, însă FPGA-urile permit actualizări în teren, în timp ce ASIC-urile sunt prestabilite.
Un aspect important de luat în considerare este imunitatea la evenimente de tip SEU (Single Event Upsets). Aceasta este abilitatea unui FPGA de a rezista la efectele unor particule precum neutronii. Astfel de evenimente pot altera programul creat în FPGA și pot afecta funcționarea dispozitivului. Acest lucru poate fi deosebit de problematic în aplicațiile critice din punct de vedere al siguranței, cum ar fi evitarea coliziunii și menținerea benzii de rulare pentru vehiculele autonome. FPGA-urile bazate pe memorie Flash sunt imune la SEU în ceea ce privește configurarea, în timp ce FPGA-urile bazate pe SRAM necesită scheme de atenuare.
Eliminați oglinzile și economisiți combustibil
Una dintre posibilitățile oferite de FPGA-uri este controlul camerelor de luat vederi pentru a înlocui oglinzile. Îndepărtarea oglinzilor de pe vehiculele comerciale mari poate îmbunătăți eficiența aerodinamică cu aproximativ 6%. Deoarece rezistența aerului reprezintă aproximativ 54% din consumul de combustibil, ar putea fi utilă înlocuirea oglinzilor cu un ansamblu de camere.
Consumul de combustibil pentru un camion este, de obicei, de aproximativ 30 de litri la 100 km, iar un camion obișnuit parcurge aproximativ 130.000 km pe an. Cu o îmbunătățire de 6% în privința rezistenței aerului, o companie ar putea economisi 1200 de litri de motorină pe an, ceea ce înseamnă 1560 de euro.
Menținerea controlului asupra motoarelor
Odată cu creșterea utilizării vehiculelor electrice, atât a celor destinate consumatorilor, cât și a celor comerciale, controlul motoarelor poate fi o aplicație FPGA extrem de importantă. În special pentru motoarele de mare putere, dorim ca acestea să funcționeze sincronizat, astfel încât roțile să nu se rotească la viteze diferite. Acest lucru necesită sincronizarea mecanismelor de acționare, solicitând FPGA-uri care să ofere un control foarte precis combinat cu o latență fixă și redusă. În același timp, este valabil și atunci când vehiculul se confruntă cu diferite condiții de încărcare, cum ar fi pornirea la drum sau rularea la viteză de croazieră.
Alte cerințe includ monitorizarea și întreținerea predictivă, necesitând un FPGA care să poată rula o mică aplicație de învățare automată care să funcționeze pe baza datelor provenite de la senzori. De asemenea, dispozitivul trebuie să fie foarte fiabil într-un mediu cu temperaturi ridicate.
Eliberarea șoferului de sarcini
Una dintre tendințele majore în tehnologia auto este reprezentată de sistemele avansate de asistență pentru șofer sau ADAS. Acestea oferă capabilități precum frânarea automată de urgență, menținerea benzii de rulare și monitorizarea șoferului pentru a contribui la menținerea siguranței vehiculului și a ocupanților acestuia. Putem împărți aceste sisteme în trei domenii funcționale – “Vedere”, “Gândire” și “Acțiune”.
“Vedere” este domeniul senzorilor multipli de pe și din vehicul, cum ar fi camerele de luat vederi și Lidar.
“Gândire” este rolul calculatorului central, care detectează și recunoaște lumea exterioară și planifică ceea ce trebuie să se întâmple.
“Acțiune” este responsabilitatea actuatoarelor pentru frâne, direcție, accelerație și alte funcții esențiale pentru siguranță.
Toate aceste funcții formează un sistem care necesită un nivel de integritate a siguranței auto (Automotive Safety Integrity Level – ASIL), diferitele componente fiind clasificate la niveluri diferite.
“Vederea” este o aplicație bună pentru FPGA-uri. Acestea procesează și cumulează datele provenite de la senzori, cum ar fi camerele de tip “fisheye” și le transmit către unitatea centrală (ECU). O latență scăzută este vitală aici, deoarece aceasta înseamnă mai puțin timp necesar pentru transferul și procesarea datelor și mai mult timp pentru răspuns.
Aplicațiile inteligente de viziune încorporată constau în mai multe subaplicații – rețea, interfațare, ajustare a imaginii și învățare automată. FPGA-urile și alte componente pentru dezvoltarea tuturor acestor sarcini pot fi achiziționate de la Microchip sau de la partenerii săi.
Un FPGA pentru toate aplicațiile
Spre deosebire de alte FPGA-uri, produsele din catalogul Microchip se bazează pe o memorie nevolatilă pentru configurare, ceea ce le face imune la SEU. Gama de FPGA-uri Microchip potrivite pentru aplicații auto se prezintă în esență în trei generații. Toate acestea oferă operare instantanee.
Generația 3 de FPGA-uri, bazată pe gama IGLOO, oferă o putere redusă și imunitate la SEU. Printre aplicațiile specifice se numără controlul tracțiunii motorului care necesită imunitate SEU și pornire instantanee – o structură FPGA bazată pe memorie Flash nu are nevoie de un ciclu de configurare, astfel încât controlul motorului este disponibil la pornire.
Controlul injecției unui motor necesită, de asemenea, un consum redus de putere și imunitate la SEU, precum și o rezistență foarte bună la temperatură pentru a funcționa în apropierea motorului. Gama IGLOO poate lucra la temperaturi de joncțiune de până la 135°C.
Aplicațiile de telemetrie pentru datele vehiculului au nevoie de un dispozitiv care să utilizeze o putere redusă, deoarece senzorii ar putea trimite constant informații către alte părți ale mașinii.
În generația 4, Microchip oferă gamele SmartFusion2 și IGLOO2. Cu o putere redusă, imunitate la SEU și securitate, acestea își găsesc o utilizare deosebită în controlul pompelor și în convertoarele DC-CC. Acestea trebuie să funcționeze constant, astfel încât imunitatea SEU este vitală pentru a evita întreruperile.
Generația 5 este reprezentată de gama PolarFire. Acestea oferă un consum redus de putere, imunitate SEU, securitate cu criptografie offload, un factor de formă mic și capabilități Linux în timp real. Acestea sunt importante pentru aplicații precum agregarea imaginilor de la mai mulți senzori. Inteligența artificială în habitaclu poate utiliza învățarea automată pentru a monitoriza șoferul sau interiorul mașinii. Unele legislații impun deja utilizarea de sisteme de monitorizare a șoferului în vehiculele noi.
Fiabilitate ridicată
robabil cel mai mare atribut pe care îl poate avea un FPGA în aplicațiile auto este fiabilitatea, unde avem de-a face tot cu SEU. Efectele datorate SEU se măsoară folosind conceptul FIT (defecțiuni în timp) sau numărul de defecțiuni apărute într-o perioadă de 1*109 ore, adică echivalentul a 114.077 ani.
Pentru un dispozitiv bazat pe SRAM, dacă presupunem o rată FIT de 400, aceasta echivalează cu o defecțiune la fiecare 285 de ani. Acest lucru pare bun, dar dacă extindem situația la o flotă de, să zicem, 100.000 de vehicule, acestea vor avea 350 de defecțiuni pe an. Cifra echivalentă pentru FPGA-urile bazate pe Flash de la Microchip este zero – nicio defecțiune pe an.
FPGA-urile de la Microchip oferă, de asemenea, o serie de alte avantaje. Datorită consumului redus de putere, utilizatorii pot economisi până la 50% din puterea necesară pentru alte dispozitive. Securitatea este asigurată, de asemenea, de un procesor criptografic rezistent la atacurile de analiză diferențială a puterii (DPA). Aceste atacuri analizează corelația dintre consumul de energie electrică al unui cip dintr-un card inteligent și cheia de criptare pe care o conține. Analiza dezvăluie de fiecare dată părți din cheia de criptare, repetându-se până când este dezvăluită întreaga cheie.
FPGA-urile oferă mari avantaje pentru aplicațiile din domeniul auto. Ușor de programat și reprogramat, acestea reprezintă o metodă adaptabilă de a furniza control și analiză de date pentru o gamă largă de sarcini ale vehiculelor, de la controlul motorului la analiza rapidă a datelor senzorilor. Multe dintre aceste aplicații necesită fiabilitate, consum redus de putere și securitate ridicată, atribute pe care FPGA-urile Microchip le pot oferi.
Autor: Martin Kellermann,
Marketing Manager FPGA
Microchip Technology | https://www.microchip.com
