Trzydzieści lat temu samochody były cudami inżynierii mechanicznej, ale – według dzisiejszych standardów – były też niezwykle proste. Deska rozdzielcza miała elektromechaniczny prędkościomierz i kilka lampek ostrzegawczych. Szyby otwierały się przy pomocy ręcznych podnośników, a jedynymi elementami elektronicznymi w klasie podstawowej były radio i zapłon. Moc przepływała bezpośrednio z akumulatora do reflektorów za pomocą przełącznika na desce rozdzielczej. Nie było ABS, poduszek powietrznych ani scentralizowanego komputera. Wszystko było analogowe i odizolowane.

Obecnie pojazdy są wyposażone w setki funkcji, z których wiele jest wymaganych przez przepisy lub oczekiwanych przez konsumentów. Aby je wdrożyć, producenci samochodów montowali kolejne elektroniczne jednostki sterujące (ECU – ang. Electronic Control Unit). Każdy system (hamowania, oświetlenia, informacji i rozrywki i inne) zyskał własne ECU, oprogramowanie i okablowanie. Z czasem stworzyło to coraz bardziej złożoną sieć ponad 100 do 150 ECU w jednym pojeździe.

Źródło: onsemi

Przełamując tę złożoność, producenci samochodów przyjęli architekturę pojazdów zdefiniowanych programowo (SDV – ang. Software Defined Vehicle) w celu scentralizowania kontroli oprogramowania, ułatwienia aktualizacji, zarządzania i rozszerzania funkcji. Jednak nawet przy tej zmianie, podstawowe okablowanie i rozproszony sprzęt mogą pozostać wąskim gardłem, chyba że producenci samochodów przemyślą również architekturę fizyczną pojazdu.

Czym jest architektura strefowa?

Architektura strefowa to zmiana paradygmatu, polegająca na organizowaniu elektroniki pojazdu według lokalizacji, a nie funkcji. Zamiast przypisywać każdemu podsystemowi własny dedykowany ECU, kontrolery strefowe są instalowane w każdym regionie pojazdu, takim jak przedni lewy róg, tylny prawy róg lub kabina. Zarządzają lokalnymi urządzeniami, takimi jak światła, przełączniki i czujniki w obrębie odpowiednich stref. Działa jako hub, obsługując dystrybucję zasilania i komunikację danych.

Źródło: onsemi

Kontrolery strefowe łączą się z komputerem centralnym, który zawiera podstawowe oprogramowanie definiujące zachowanie pojazdu. Zamiast więc mieć oddzielne ECU do centralnego zamka, oświetlenia lub sterowania klimatyzacją, centralna jednostka obliczeniowa podejmuje decyzje, które realizują kontrolery strefowe.

Ta zmiana zastępuje setki przewodów typu punkt-punkt znacznie prostszym, łatwiej zarządzanym układem strefowym. Dzięki temu znacznie poprawia się przejrzystość projektu i wydajność systemu.

Realne wyzwania wdrażania architektury strefowej

Choć korzyści są przekonujące, wdrażanie architektury strefowej nie jest pozbawione wyzwań. Po pierwsze, nie wszystkie moduły brzegowe można całkowicie pozbawić inteligencji. Niektóre komponenty, takie jak zaawansowane systemy oświetleniowe, nadal wymagają lokalnego przetwarzania w celu zapewnienia wydajności, bezpieczeństwa lub zastrzeżonej funkcjonalności. Renomowani producenci dostarczają te moduły już z wbudowanym oprogramowaniem, ponieważ posiadają specjalistyczną wiedzę na temat tego, jak je zaprogramować i kontrolować.

Pojazdy definiowane programowo (SDV), wykorzystujące projekty strefowe, muszą zrównoważyć scentralizowane sterowanie z lokalną elastycznością. W wielu przypadkach producenci samochodów obsługują centralne oprogramowanie obliczeniowe, podczas gdy dostawcy modułów elektronicznych zarządzają oprogramowaniem wbudowanym dla modułów. Celem jest czysty, wyłącznie programowy mózg centralny, choć często konieczne są kompromisy.

Rola Ethernetu w projektach strefowych

Tradycyjne ECU używały starszych protokołów komunikacyjnych, takich jak CAN i LIN, które były odpowiednie dla modułów izolowanych, ale stały się nieporęczne podczas skalowania w architekturze strefowej. Rozwiązaniem jest Ethernet samochodowy, a konkretnie 10BASE-T1S.

10BASE-T1S to standard Ethernetu wielopunktowego o niskiej prędkości (10 Mb/s), zaprojektowany specjalnie do zastosowań motoryzacyjnych. Umożliwia on wielu węzłom (np. reflektorom, kierunkowskazom i zamkom drzwi) współdzielenie jednej skręconej pary przewodów, zmniejszając potrzebę kosztownych połączeń typu punkt-punkt.

Przykład połączeń wielopunktowych Ethernet 10BASE-T1S w pojeździe – architektura strefowa. Źródło: onsemi

Takie podejście upraszcza okablowanie, obniża koszty i wykorzystuje dojrzały ekosystem Ethernetu, w tym synchronizację czasu i odzyskiwanie błędów, bez konieczności stosowania szybszego Ethernetu, takiego jak 100BASE-T1 lub gigabitowy Ethernet, które są zbędne w przypadku urządzeń o stosunkowo niskiej przepustowości.

Inteligentne przełączniki w dystrybucji energii

Kontrolery strefowe nie tylko przekazują dane, ale także dystrybuują energię elektryczną do komponentów w swojej strefie. Oznacza to, że odgrywają kluczową rolę w bezpieczeństwie i diagnostyce systemu. Inteligentne przełączniki onsemi oferują:

• Monitorowanie napięcia i prądu dla każdego kanału
• Obsługę norm bezpieczeństwa samochodowego, takich jak ASIL B i ASIL D
• Tryby fail-safe i fail-operational, zapewniające ciągłość działania nawet w przypadku wykrycia usterek

W przypadku awarii inteligentny przełącznik może zmniejszyć moc, odizolować usterkę lub przejść w bezpieczny tryb awaryjny, zamiast całkowicie wyłączać krytyczne systemy, takie jak reflektory. Ten poziom wglądu oraz kontroli jest kluczowy i obowiązkowy dla wyższych poziomów zautomatyzowanej jazdy pojazdu.

Przykład zasilania modułów elektronicznych przy zastosowaniu architektury strefowej. Źródło: onsemi

Zalety architektury strefowej

Architektura strefowa zapewnia pięć głównych zalet w zakresie rozwoju, produkcji i eksploatacji pojazdu:

1. Mniejsza złożoność i waga wiązki przewodów: Mniej przewodów i złączy zmniejsza zarówno wagę pojazdu, jak i czas budowy.
2. Niższy koszt materiałów i montażu: Uproszczone okablowanie oznacza niższe koszty produkcji i łatwiejszą konserwację.
3. Ulepszona skalowalność: Nowe funkcje można dodawać lub zmieniać za pomocą oprogramowania, bez konieczności przeprojektowywania układów sprzętowych.
4. Scentralizowane sterowanie oprogramowaniem: Usprawnia rozwój i umożliwia aktualizacje bezprzewodowe (OTA), co jest kluczowym czynnikiem w pojazdach SDV.
5. Inteligentniejsza koordynacja funkcji: W starszych pojazdach miganie światłami po odblokowaniu wymagało współpracy wielu jednostek sterujących ECU. W projektach strefowych komputer centralny wysyła pojedyncze polecenie, a odpowiedni kontroler strefy je wykonuje — nie jest wymagane żadne redundantne okablowanie ani oddzielna logika oświetlenia.

Architektura strefowa stanowi zmianę paradygmatu w sposobie projektowania i budowy pojazdów. Poprzez grupowanie funkcji według lokalizacji fizycznej i wykorzystywanie komunikacji opartej na sieci Ethernet producenci samochodów znacznie zmniejszają złożoność systemu, koszty okablowania i wyzwania związane z konserwacją.

W połączeniu z programowo zdefiniowanymi zasadami pojazdu (SDV), projekty strefowe torują drogę do szybszej innowacji, większej personalizacji i inteligentniejszej diagnostyki.