Konstruowanie lepszych systemów motoryzacyjnych i elektromobilności przy wykorzystaniu cyfrowych kontrolerów sygnałów

Zarówno konwencjonalne systemy motoryzacyjne, jak i systemy elektromobilności zależą od efektywnego działania niezliczonych urządzeń elektronicznych realizujących funkcje komfortu, jak również krytyczne funkcje bezpieczeństwa funkcjonalnego. Tak zróżnicowany wachlarz zastosowań wymaga przede wszystkim możliwości działania w ekstremalnych warunkach przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodnego, wysokoparametrowego reagowania w czasie rzeczywistym.

W rezultacie deweloperzy stają przed rosnącym zapotrzebowaniem na spójną, wydajną, dobrze wspieraną i skalowalną platformę, która ułatwiłaby projektowanie i rozwój coraz szerszej gamy zastosowań w motoryzacji i elektromobilności.

W niniejszym artykule omówiono grupę cyfrowych kontrolerów sygnałów (DSC) firmy Microchip Technology, które mogą spełnić te wymagania, a także opisano zastosowanie tych kontrolerów w projektach referencyjnych w celu osiągnięcia funkcji niezbędnych dla systemów motoryzacyjnych i elektromobilności.

Różnorodne wyzwania projektowe wymagają elastycznych rozwiązań

Niezależnie od tego, czy projektowane są pojazdy konwencjonalne czy elektryczne, deweloperzy muszą zmierzyć się z rosnącą listą zastosowań obejmującą podsystemy konwersji zasilania, bezprzewodowe ładowanie w pojazdach, cyfrowe systemy oświetleniowe oraz systemy sterowania silnikami, począwszy od stosunkowo prostych zastosowań z silnikami krokowymi po złożone systemy hamowania odzyskowego w pojazdach elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV). Obok krytycznych wymogów dotyczących bezpieczeństwa funkcjonalnego, na znaczeniu zyskują także wymagania dotyczące przestrzeni projektowej i wykazu materiałów (BOM), ponieważ producenci pojazdów starają się odpowiedzieć na potrzeby konsumentów oraz presję konkurencji w zakresie poprawy bezpieczeństwa, wygody, funkcjonalności i parametrów działania.

Odpowiadając na te wymagania, branża już wykonała gwałtowny zwrot w kierunku rozwiązań cyfrowych w niemal każdym podsystemie pojazdu. Podsystemy w konwencjonalnych pojazdach osobowych już teraz opierają się na mikrokontrolerach (MCU) zawierających cztery razy obszerniejsze kody oprogramowania niż samoloty komercyjne[1].

Jednak wraz ze zmieniającym się popytem i presją konkurencji, wcześniejsze rozwiązania mikrokontrolerów mogą nie spełniać całej gamy wymagań, przed którymi stają obecnie projektanci samochodów. Potrzeba stosowania różnych szyn zasilających w większej liczbie podsystemów elektronicznych i związanych z tym funkcji wysokonapięciowej konwersji prądu stałego, szczególnie w pojazdach elektrycznych, wymaga bardziej zaawansowanych możliwości sterowania cyfrowego. Inne zastosowania, takie jak bezprzewodowe ładowanie urządzeń mobilnych w pojazdach, wprowadzają szereg zupełnie nowych wymagań projektowych dla wielocewkowych bezprzewodowych nadajników energii zgodnych ze standardowymi odbiornikami energii wbudowanymi w coraz większą liczbę urządzeń konsumenckich. W projektach oświetlenia pojazdów trzeba uwzględniać parametry techniczne, takie jak regulacja jasności, temperatura, starzenie się komponentów itp., aby móc uzyskać jaśniejsze reflektory, przyjemne kolory i efekty ściemniania na tablicy przyrządów. Wreszcie, precyzyjne, sterowane cyfrowo silniki są wszechobecne nawet w konwencjonalnych pojazdach i stanowią oczywiście funkcjonalną podstawę elektromobilności.

Aby sprostać tym różnorodnym wymaganiom firma Microchip Technology zaprojektowała grupę cyfrowych kontrolerów sygnałów dsPIC33, do której należą produkty o wyspecjalizowanych możliwościach funkcjonalnych. Najnowszy kontroler z tej grupy, dsPIC33C, dysponuje lepszymi w stosunku do kontrolerów dsPIC33E oraz dsPIC33F parametrami działania oraz możliwościami i jest przeznaczony dla deweloperów ukierunkowanych na bardziej wyrafinowane zastosowania.

Oparte na rdzeniu cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) cyfrowe kontrolery sygnałów łączą w sobie prostotę mikrokontrolera z wydajnością cyfrowego procesora sygnałowego, wychodząc naprzeciw zmieniającym się wymaganiom w zakresie parametrów działania, małych latencji i możliwości pracy w czasie rzeczywistym przy zachowaniu minimalnej powierzchni i krótkiego wykazu materiałów BOM. Korzystając z obszernego ekosystemu płytek rozwojowych dsPIC33, projektów referencyjnych i narzędzi do tworzenia oprogramowania firmy Microchip, deweloperzy mogą korzystać z różnych produktów z grupy dsPIC33, aby skalować swoje projekty i zrealizować szerokie spektrum zastosowań w systemach motoryzacyjnych i elektromobilności.

Bardziej efektywna baza sprzętowa dla projektów motoryzacyjnych i elektromobilności

Grupa produktów dsPIC33C firmy Microchip została zaprojektowana specjalnie w celu zmniejszenia latencji i poprawy szybkości wykonywania szybkich cyfrowych pętli sterowania opartych na oprogramowaniu, stanowiących podstawę wielu podsystemów samochodowych. Aby zapewnić tę możliwość, omawiane urządzenia integrują w sobie aparat cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), szybkie rejestry i ściśle powiązane peryferia, w tym wiele przetworników analogowo-cyfrowych (ADC), przetworników cyfrowo-analogowych (DAC), komparatorów analogowych i wzmacniaczy operacyjnych.

Funkcje takie jak jednocyklowe mnożenie i dodawanie (MAC) 16 x 16 aparatu cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) z 40-bitowym akumulatorem, pętle z zerowym narzutem i przesuwanie słów maszynowych zapewniają szybkie wykonywanie cyfrowych pętli sterujących. Niezależne działanie precyzyjnych interfejsów pętli sterowania jest możliwe dzięki peryferiom takim jak modulatory szerokości impulsu (PWM) o rozdzielczości 150ps, układy czasowe przechwytywania/porównywania/PWM (CCP), peryferyjne generatory wyzwalające i programowane przez użytkownika komórki logiczne.

Rozbudowana funkcjonalność tych urządzeń mikroukładowych w obudowach o rozmiarach zaledwie 5x5mm pomaga deweloperom osiągnąć minimalną powierzchnię i wykaz materiałów BOM, aby spełnić wymagania dla mniejszych urządzeń w eleganckich systemach samochodowych. Urządzenia te współpracują z wieloma interfejsami komunikacyjnymi, takimi jak magistrala CAN (Controller Area Network), lokalna sieć wzajemnych połączeń (LIN) i protokół DMX, stosowanymi w zaawansowanych systemach motoryzacyjnych, jeszcze bardziej upraszczając projekty motoryzacyjne. Ponadto urządzenia te są dostępne z różnej wielkości pamięcią, zarówno w konfiguracjach jedno-, jak i dwurdzeniowych, zapewniając rodzaj skalowalnego rozwiązania wymaganego w zaawansowanych zastosowaniach motoryzacyjnych i elektromobilności.

Omawiane części są przeznaczone do pracy w trudnych warunkach motoryzacyjnych i posiadają certyfikat AEC-Q100 klasy 0 oraz są w stanie spełnić rygorystyczne wymagania pracy pod maską w rozszerzonym zakresie temperatur od -40°C do +150°C. Co najważniejsze w przypadku projektów motoryzacyjnych o znaczeniu krytycznym, wybrane produkty z grupy dsPIC33 umożliwiają łatwe uzyskanie bezpieczeństwa funkcjonalnego, aby ułatwić zapewnienie zgodności z normami bezpieczeństwa, w tym ISO 26262 (ASIL A lub ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) i IEC 60730 (klasa B). Produkty z grupy dsPIC33 zawierają specjalistyczne sprzętowe funkcje bezpieczeństwa, w tym czuwakowy i dozorowy układ czasowy, monitorowanie zegara w razie awarii, pamięć o dostępie swobodnym (RAM), wbudowany autotest (BIST) i kodowanie korekcyjne.

Wykorzystywane do tworzenia oprogramowania kompilatory MPLAB XC C firmy Microchip posiadają certyfikat TÜV SUD w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego, a w niektórych przypadkach dostępne są biblioteki oprogramowania diagnostycznego. Ponadto firma Microchip zapewnia powiązane raporty dotyczące rodzajów awarii, ich skutków i analizy diagnostycznej (FMEDA) oraz instrukcje bezpieczeństwa potrzebne w ramach procesu certyfikacji bezpieczeństwa.

Sprzętowe funkcje bezpieczeństwa i możliwości rozwoju potrzebne do certyfikacji bezpieczeństwa funkcjonalnego są tylko częścią bogatego ekosystemu rozwojowego wspierającego projektowanie oparte na urządzeniach dsPIC33 zarówno dla konwencjonalnych samochodów, jak i pojazdów elektrycznych. Poprzez zintegrowane środowisko programistyczne MPLAB X (IDE) firma Microchip oferuje szeroki zestaw niżej opisanych specjalistycznych narzędzi projektowych i bibliotek dla różnych obszarów zastosowań.

Aby jeszcze bardziej skrócić proces rozwojowy z użyciem cyfrowych kontrolerów sygnałów dsPIC33, firma Microchip oferuje bogaty ekosystem płytek rozwojowych dsPIC33, a także dostępne do pobrania materiały projektowe, w tym informacje o produktach, uwagi dotyczące zastosowań i projekty referencyjne. Wśród tych materiałów jest kilka projektów referencyjnych dsPIC33C, które dotyczą niektórych kluczowych obszarów zastosowań w motoryzacji i elektromobilności, takich jak ładowanie bezprzewodowe, oświetlenie cyfrowe, konwersja energii i sterowanie silnikami. Oprócz demonstracji zastosowań cyfrowego kontrolera sygnałów dsPIC33C w poszczególnych obszarach, wspomniane projekty referencyjne wraz z powiązanym oprogramowaniem mogą również służyć jako punkt wyjścia do wdrażania projektów niestandardowych.