Proiectarea circuitelor pentru automobile

CAD/CAM/CAE/PDM/PLM/ERP

de Mircea Badut

Proiectarea circuitelor pentru automobile

Pentru câteva decenii, acronimul EDA (Electronic Design Automation) a descris și cuprins mulţumitor aplicaţiile software destinate proiectării de circuite electronice, însă deja-cristalizatele specializări vizând piaţa în creștere a aplicaţiilor electronice pentru automobile probabil că vor propune noi abrevieri în completarea sa (precum LIN și CAN). Dar, până la urmă, importante sunt profilarea și performanţele acestor software-uri.

Acronimie structurală

Ne vom apropia de subiectul articolului poposind un pic în zona abrevierilor referitoare la cablurile care asigură interconectarea structurală a circuitelor electrice ale automobilului, fi e acesta autoturism, autocamion, autobuz, ş.a.m.d. (dar reţinem că segmentul proiectării circuitelor electrice este bine reliefat şi în cazul avioanelor şi în cel al navelor maritime, fi e prin soluţii EDA, fie prin module specifice ale software-urilor integrate PLM/CAD/MCAD.)

Poate că cel mai interesant acronim, prin similitudinea cu LAN, este VAN (Vehicle Area Network), propus şi folosit de fabricanţii francezi (PSA Peugeot Citroën şi Renault), care este un protocol de comunicaţie digitală serială cu o rată de transfer maximă de 125 kbit/s (conform standardului ISO 11519-3). Un alt concern de fabricanţi europeni propunea la începutul mileniului protocolul numit LIN (Local Interconnect Network), descriind o magistrală de comunicaţie serială dedicată nodurilor mecatronice distribuite în automobil. Simplu şi robust, protocolul LIN poate asigura o viteză de 20 kbit/s pe un cablu cu o lungime de până la 40 de metri.

Dar probabil că abrevierea cea mai răspândită este CAN (Controller Area Network), referitoare la o magistrală electrică destinată să permită diverselor microcontrolere şi dispozitive din automobil să comunice între ele. Dezvoltarea protocolului CAN (proiectat de Robert Bosch GmbH) a fost demarată în urmă cu trei decenii, iar în 1991 apărea primul automobil folosind cablare CAN (Mercedes-Benz W140). În 1993 se emitea şi standardul pentru acest protocol, ISO 11898, iar în 2012, apărea specifi caţia CAN FD (Flexible Data-Rate). (Ulterior aveau să fi e înregistrate şi standardele CAN-PN şi FlexRay.) Mai notăm, la încheierea secţiunii cu acronime, faptul că protocolul CAN este conform OBD-II şi EOBD, un standard obligatoriu pentru producătorii de autovehicule, referitor la diagnosticarea on-board a subsistemelor.

Contextul de proiectare

Automobilele moderne includ aproximativ 70 de unităţi electronice (ECU) pentru controlarea diverselor subsisteme: motorul; transmisia, airbagurile, ABS-ul, controlul vitezei de croazieră, servodirecţia, sistemele audio, acţionarea ferestrelor, încuierea uşilor, reglarea oglinzilor, monitorizarea bateriei-acumulator, gestionarea sistemului de reîncărcare pentru automobilele hibride/electrice, asistenţa la parcare, frânarea de urgenţă, ş.a.m.d. Câteva dintre subsisteme sunt independente, dar celelalte sunt obligate să colaboreze. De asemenea, unele subsisteme trebuie să-şi controleze bidirecţional actuatorii (adică să primească şi ecou calitativ/cantitativ privind acţiunea comandată) şi/ sau să recepteze semnale de la senzori, iar toată această comunicaţie se desfăşoară pe trasee electrice conforme standardului CAN. De exemplu, pentru moderna funcţie de oprire a motorului la staţionare (pentru optimizarea consumului şi minimizarea emisiilor), magistrala de date trebuie să colecteze informaţii de la diverşi senzori (viteză, unghiul volanului, temperatura motorului, regimul aerului condiţionat).

Mai trebuie spus că în ultimii ani standardul LIN a ajuns să fi e un complement pentru CAN, fi ind destinat pentru subsistemele mai puţin critice ale automobilului (aer condiţionat, informare/ divertisment). Şi încheiem cu o recapitulare tehnică: CAN este un standard pentru magistrala serială multimaster care conectează mai multe noduri (Electronic Control Units – ECU) ale circuitelor electronice. Altfel zis, nodurile folosesc reţeaua pentru a comunica (iar comunicaţia poate fi un simplu protocol I/O, dar şi un dialog complex implicând hardware/software sofi sticat). Reţeaua CAN foloseşte cabluri cu perechi de conductori răsuciţi, având impedanţa nominală de 120 Ω.

 Elemente/componente de circuit:

  • Microcontroler-e/CPU/ECU
  • Actuatori (servomotoare)
  • Transceiver-e
  • Senzori/traductori (temperatură, presiune, proximitate, torsiune, tensiune electrică, curent electric, câmp magnetic, câmp electric, etc.)
  • Relee
  • Comutatoare/întrerupătoare
  • Regulatoare
  • unităţi de (auto) diagnosticare
  • interfeţe de semnal
  • memorii
  • PLC
  • surse de energie electrică
  • redresoare
  • cabluri

Capital Systems de la Mentor

În vara 2018, compania americană Mentor Graphics (parte a concernului Siemens din 2017) a lansat un nou software, Capital Systems Networks, ca parte a familiei Capital Electrical Design – suită software deja consacrată în domeniul aplicaţiilor proiectării de arhitecturi electrice pentru vehicule. Iar despre acest Capital Systems Networks afl ăm în primul rând că asigură conformitatea cu standardele SAE J1939 şi ISO 11898, ceea ce înseamnă că software-ul este destinat să asiste proiectarea reţelelor CAN pentru automobile.

capital systems

Mentor Graphics este renumită la nivel mondial pentru soluţiile EDA (alături de nume precum OrCAD-Cadence, Zuken-Cadstar şi National Instruments) atât prin soluţiile PCB (proiectarea circuitelor imprimate – subdomeniu clasic), cât şi pentru gama de soluţii destinate proiectării de circuite integrate (inclusiv VLSI). De asemenea, compania a achiziţionat şi încorporat în portofoliul său o serie de soluţii destinate analizei/simulării de diverse circuite şi dispozitive electronice (inclusiv dispozitive semiconductoare experimentale), precum Ikos, LogiVision, Nimbic. Revenind la Capital Systems, trebuie să notăm, pe lângă abilităţile concrete de proiectare a circuitelor electronice destinate automobilelor (dar şi navelor aeriene/maritime), şi potenţialul de integrare cu soluţiile/domeniile adiacente, MCAD şi PLM.

Revenind la contextul industriei auto, notăm că mai toate autovehiculele de serie includ câteva CAN-uri, iar producătorii respectivi cam sunt nevoiţi să actualizeze aceste reţele cu fi ecare model nou. Mai mult, numărul de microcontrolere/ ECU, de senzori şi de actuatori creşte la fi ecare remodelare, astfel că apare benefi că existenţa software-urilor care ajută proiectanţii/inginerii să gestioneze această creştere de complexitate.

mentor graphics

Noua unealtă „Capital Systems Networks” îngăduie dezvoltatorilor să unifi ce (integrând într-un singur mediu) proiectările de subsisteme electrice/ electronice pentru vehicule (rutiere, aeriene, maritime/ fl uviale). Iar integrarea deschide calea inclusiv către abordarea „proiectării generative” (prin subordonare la obiective de proiectare sintetice). Pentru a-şi îndeplini misiunea, Capital Systems Networks include o bibliotecă substanţială de entităţi, funcţii şi semnale electrice/electronice, pe care proiectanţii le vor folosi judicios în contextul proiectului de vehicul pentru a-şi urmări obiectivele de concepţie. Capital Systems fi ind un software „bazat-pe-model”, permite (şi chiar încurajează) refolosirea proiectelor anterioare, uşurând astfel obţinerea de noi proiecte pentru modele/variante de vehicule similare, derivate sau extinse/scalate.

eps

Suita software „Capital Systems” de la Mentor Graphics:

  • Capital Systems Capture – pentru proiectarea funcţională (proiectarea conceptual-modulară) a circuitelor electrice (atât prin componentele proprii, cât şi prin importarea de proiecte existente). Proiectanţii pot aici descrie funcţionalitatea subsistemelor electrice/electronice la un nivel de abstractizare convenabil, prin includerea/angajarea de blocuri funcţionale reprezentând componente hardware, module software, senzori, actuatori etc. Aici, funcţiile pot fi legate prin semnale (comunicaţie între blocurile funcţionale dintr-o reţea purtătoare, între componente software, sau ca semnale discrete).
  • Capital Systems Architect – este unealta pentru proiectarea completă a arhitecturii electrice: aici, funcţiile defi nite în Capital Systems Capture pot fi asociate la componente concrete, iar semnalele sunt incluse în mod automat în schema de conectivitate a sistemului. Modulul acesta, prin funcţia „Insight Metrics”, permite proiectanţilor să obţină o optimizare arhitecturală: diversele decizii de proiectare (precum alegerea componentei care să materializeze o funcţie defi nită în faza de concepţie modulară) sunt evaluate în mai multe scenarii (what-if), ajutând astfel la analizarea comparativă a impactului asupra costului, gabaritului, greutăţii, consumului electric, consumului de resurse (rată de transfer, memorie, procesor).
  • Capital Systems Networks – sintetizează semnalele rutate de Capital Systems Architect prin reţelele purtătoare, pentru revizuire şi pentru exportare către alte aplicaţii software (adiacente sau în aval) sau pentru schimb de date cu furnizorii de componente/subansambluri. Pe lângă verifi carea şi materializarea semnalelor electrice/electronice aferente subsistemelor proiectate, Capital Systems Network asigură coerenţa intrărilor/ieşirilor în/din aceste reţele (minimizând totodată redundanţele de date).

Mircea Băduț este inginer consultant CAD/IT


 


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord