Mouser: Dominare le sfide dell’automotive

L’automotive è un settore estremamente interessante dell’elettronica. Grazie ai miglioramenti delle tecniche di produzione e della qualità, un veicolo può durare 200.000 miglia (320.000 km). Questo equivale a oltre un decennio di funzionamento in condizioni ambientali eccezionalmente impegnative, dalla calura estiva di Atene in Grecia agli inverni gelidi di Kautokeino in Norvegia.

Figura 1: Vari standard ISO descrivono le sequenze di alimentazione e le discontinuità alle quali le unità di controllo elettroniche (ECU) dei veicoli a motore devono essere in grado di resistere. (Fonte: B&K Precision)

Per rendere ciò possibile, i fornitori di semiconduttori costruiscono componenti progettati per l’utilizzo nei veicoli o offrono progetti standard che subiscono ulteriori convalide per soddisfare i requisiti del settore automotive.

Una volta installati nelle unità di controllo elettroniche (ECU), questi sistemi vengono sottoposti a regimi di test che ai non addetti ai lavori possono sembrare bizzarri e forse eccessivamente scrupolosi. Ciononostante, ogni test ha la sua ragion d'essere. Molti vengono sviluppati dopo aver analizzato nei minimi dettagli i veicoli portati in assistenza per comprendere il tipo di guasto.

Dopotutto, nessuno vuole che un prodotto di qualità del valore di decine di migliaia di euro, dollari o sterline venga portato in assistenza perché uno specchietto elettrico smette di funzionare dopo un mese. Per supportare chi progetta, collauda ed effettua la manutenzione alle nostre auto, l’industria delle soluzioni di test e misura fornisce un’ampia gamma di apparecchi dedicati a mantenere in funzione il nostro mezzo di trasporto preferito.

Test dell’alimentazione all’avviamento in accelerata e sotto coppia
Sebbene in declino, i motori a combustione interna rappresentano ancora una fetta significativa della vendita di automobili ogni anno. L'energia necessaria per far girare il motore all’accensione è notevole e richiede l'afflusso di svariati ampere nel motorino di avviamento elettrico. Non solo: grazie alle tecnologie per la riduzione dei consumi di carburante come lo Start-Stop[endnoteRef:2], ciò avviene molto più di frequente che nei veicoli di una volta.



Figura 2: Il 9115-AT di B&K Precision è un alimentatore completamente programmabile da 1200 W con profili integrati per testare sistemi elettronici per automotive.

In conseguenza al picco di corrente assorbita, la tensione di alimentazione che percorre i chilometri di cavi tende a diminuire o a crollare, interferendo con il funzionamento delle ECU. In risposta a questa e ad altre modalità di guasto all’interno del veicolo, il settore automotive dispone di una vasta gamma di standard rispetto ai quali i fornitori devono testare i propri prodotti.

La norma ISO 7673-2 include gli impulsi negativi che si verificano a causa di carichi induttivi, con cadute superiori a -75 V al microsecondo, e impulsi positivi prodotti dalla rimozione dei carichi con impennate fino a 112 V. Quindi, seguendo la norma ISO 16750-2:2012, vengono predisposti profili di tensione complessi che riproducono l’alimentazione all’avviamento del veicolo (figura 1).

Questi test sono difficili da programmare negli alimentatori standard, ma apparecchi come il 9115-AT[endnoteRef:3] di B&K Precision includono all'interno del set di funzioni la generazione di questi transitori e discontinuità della linea di alimentazione (figura 2). Con una potenza massima di 1.200 W da 0 a 80 V e da 0 a 60 A, il 9115-AT offre una regolazione intelligente della corrente e della tensione che mantiene i valori all’interno dell'intervallo di funzionamento sicuro.

Il pannello frontale di questo alimentatore con montaggio a rack 1U presenta una tastiera numerica, un display fluorescente a vuoto (VFD) di facile lettura e manopole girevoli per configurare in modo semplice le uscite e le funzionalità. Sul retro presenta i terminali di misura remota, le ventole e le interfacce di controllo analogiche e digitali (GPIB, RS-232, RS-485, USB conforme a USBTMC). Naturalmente, l’unità può essere controllata anche tramite software come LabVIEW. Essa include anche i profili per il test dei sistemi dei veicoli a motore, che vanno dall’iniezione dei transitori di corrente secondo la norma ISO 7637 alle cadute e alle discontinuità secondo norma ISO 16750-2:2012.



Figura 3: La soluzione 88V/A di Fluke combina il robusto multimetro dotato di classica guaina gialla con sonde, cavi e sensori adatti per le misure di ogni giorno sui sistemi elettrici dei veicoli. (Fonte: Fluke)

La ricerca guasti in automotive
Luci tremolanti, fusibili che si bruciano regolarmente e gruppi di lampade che si illuminano anche quando sono spente, sono solo alcuni dei problemi elettrici che i conducenti riscontrano nelle proprie auto. Tuttavia, con chilometri di cavi da controllare, trovare quello guasto è difficile. Inoltre, ci sono presenti gli effetti dell'ambiente circostante che portano alla corrosione dei collegamenti e a problemi di accesso ai conduttori nei connettori. Il kit multimetro combo per automotive della Serie 88 V/A[endnoteRef:4] di Fluke è ideale per chi lavora all'interno, al di sotto e intorno al veicolo, alla ricerca delle cause dei problemi elettrici (figura 3).

Come tutti i prodotti Fluke, questa unità palmare dispone di un guscio giallo rimovibile di protezione dalle cadute, con puntale e sonda incorporati. Con un intervallo di misura da 600 mV a 1000 V e da 60 mA a 10A per tensioni DC e AC, questo strumento soddisfa tutte le esigenze di misura del settore automotive. Include anche un ohmmetro (da 600 Ω a 50 MΩ).

Ciò che lo differenzia da un multimetro standard è la gamma di sonde e accessori. La sonda di acquisizione induttiva RPM80 è perfetta per le misurazioni RPM, mentre il supporto magnetico TPAK permette di avere entrambe le mani libere per impugnare le sonde. Dispone anche di sonde TP220 per i terminali corrosi, morsetti a coccodrillo, e offre la sonda di temperatura 80BK. Tra gli accessori opzionali c’è l’ago di perforazione dell’isolante[endnoteRef:5] e i pin posteriori per sonde[endnoteRef:6], oltre che un trasduttore di pressione per vuoto.



Figura 4: Il DAQ MCC 134 è un HAT per Raspberry Pi di Digilent che supporta quattro termocoppie e può essere impilato fino a otto volte.

Test dei bus dati
Molti dei fili nel cablaggio di un’automobile trasportano dati e supportano una varietà di protocolli seriali destinati a diverse applicazioni automotive. Il Controller Area Network (CAN), sviluppato negli anni ‘80 da Bosch, fornisce un’interfaccia seriale robusta che collega le ECU centrali con le funzioni del veicolo come i freni di stazionamento elettronici, lo start/stop e gli ausili di parcheggio, per citarne alcuni. Essendo necessari due cavi, microcontrollori con una periferica CAN dedicata e un ricetrasmettitore, questa rete automotive può risultare troppo complessa o costosa per alcune applicazioni.

Il LIN, o Local Interconnect Network, è un bus su filo singolo che funziona fino a 19.2 Kbits/s su un cavo lungo fino a 40 m. Avendo bisogno solo di un’interfaccia seriale UART standard e di un ricetrasmettitore adatto, il protocollo LIN è impiegato spesso per le funzioni di comfort, per l’illuminazione ambientale e per i controllori dei motori elettrici, applicazioni in cui lo standard CAN sarebbe considerato troppo oneroso. Infine, FlexRay fornisce un’interfaccia con larghezza di banda maggiore rispetto al protocollo CAN e un migliore determinismo. Si rivolge ai sistemi x-by-wire per lo sterzo e i freni.



Figura 5: Diagramma a blocchi del DAQ HAT MCC 134, con convertitore A/D e compensazione del giunto freddo, in combinazione con la memoria EEPROM I2C per la configurazione della scheda.

Gli oscilloscopi a segnale misto (MSO) e a dominio misto (MDO), con la loro combinazione di acquisizione analogica e digitale, permettono agli sviluppatori di esaminare nel dettaglio cosa succede nelle centraline complesse. Tuttavia, per la decodifica e l’analisi delle reti dei veicoli a motore è necessarioun aggiornamento, come il DPO4AUTO[endnoteRef:7] per la serie MDO4000C[endnoteRef:8] di Tektronix. Una volta installato, l’oscilloscopio può acquisire dati CAN o LIN sui canali analogici o digitali e supporta CAN, CAN-FD, LIN 1.x, e LIN 2.x.

La decodifica di questi protocolli è semplificata grazie alla colorazione unica delle funzioni di start, sync, identificatore, dati, errori di bit stuffing e checksum, per citarne alcuni. Il contenuto dei pacchetti dati può essere utilizzato anche per attivare l’oscilloscopio. Il modulo applicativo seriale MDO4000C supporta l’esplorazione dei pacchetti, consentendo agli utenti di restringere l’area problematica per velocizzare la risoluzione dei problemi. Supporta anche una visualizzazione tabellare dei dati registrati sul bus.

Il DPO4AUTOMAX[endnoteRef:9] supporta inoltre FlexRay, mentre il software basato su PC consente l’analisi del diagramma a occhio a partire dalle acquisizioni tracciate rispetto alla maschera TP1 come definito nello standard. Per i possessori di un oscilloscopio WaveSurfer 4000HD[endnoteRef:10] di Teledyne LeCroy, è disponibile un aggiornamento simile che supporta tutti e tre i sistemi bus per automotive, il WS4KHD-AUTO TD[endnoteRef:11].

Tenere sotto controllo la temperatura
I veicoli raggiungono temperature elevate, sia all’interno dell'abitacolo che sotto il cofano. Il monitoraggio simultaneo di tutte le posizioni possibili può essere difficile, poiché i sistemi di acquisizione dati (DAQ) esauriscono rapidamente i canali. Tuttavia, con un computer economico come Raspberry Pi e un’ampia memoria per le misurazioni registrate, questo problema può essere facilmente risolto. La soluzione MCC 134[endnoteRef:12] di Digilent è un DAQ HAT di misura per termocoppie che può essere impilato fino a otto unità sul connettore del modulo Raspberry Pi (figura 4 )




Il DAQ HAT dispone di terminali a vite per un massimo di quattro termocoppie (TC), che vengono convertite tramite un convertitore A/D a 24 bit con ingresso differenziale (figura 5). Il dispositivo fornisce anche la compensazione del giunto freddo e la linearizzazione, e monitora le termocoppie per rilevare le connessioni aperte che possono essere segnalate mediante il software disponibile. L’alimentazione viene prelevata direttamente dal connettore. A causa del calore generato dal modulo Raspberry Pi, si consiglia di utilizzare una piccola ventola per garantire il flusso d’aria e ridurre gli errori di misura nel DAQ HAT più vicino al processore.

Come per tutte le piattaforme di questo tipo, esistono numerosi esempi di software in linguaggio C, C++, e Python ospitati su GitHub[endnoteRef:13]. È disponibile anche un servizio di attivazione condizionale (IFTTT), scritto in Python. In archivio sono incluse le istruzioni complete per l’installazione. Le termocoppie compatibili sono quelle di tipo J, K, R, S, T, N, E, e B.

Uno strumento di test per ogni sfida dell’automotive
L’industria automobilistica presenta una serie di sfide per gli sviluppatori che costruiscono nuovi veicoli e per coloro che effettuano la manutenzione e la riparazione una volta che il veicolo è su strada. Le linee di alimentazione dei veicoli a motore sono particolarmente rumorose, e le aspettative sulle prestazioni della centralina in queste condizioni sembrano estreme per i non addetti ai lavori. Gli alimentatori programmabili capaci di simulare tutti i profili di test standard più comuni sono ideali per dimostrare la conformità in laboratorio.

I kit multimetri per automotive contengono tutte le sonde e i trasduttori essenziali, che permettono di effettuare misure anche sui connettori più corrosi. Per chi opera con le reti automotive, gli aggiornamenti degli oscilloscopi consentono non solo di decodificare ma anche di attivare i dati e i protocolli di errore. Insieme agli altri segnali, essi aiutano i team a trovare rapidamente la causa dei problemi. Infine, la temperatura costituisce una sfida importante nei veicoli a motore. Qualora il vostro DAQ avesse raggiunto i suoi limiti, una estensione HAT in combinazione con un modulo Raspberry Pi potrebbe essere la soluzione per registrare i picchi termici durante un test drive.

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