česky english Vítejte, dnes je úterý 05. červenec 2022

Hradlová pole FPGA a jejich využití v automobilovém průmyslu

01.06. 2022 | Vývoj - články
Autor: Martin Kellermann, Microchip Technology
01.jpg

Automobilové aplikace znamenají v případě elektronických systémů řešení spousty úkolů – od řízení elektrických motorů hnacího ústrojí přes zachytávání či analýzu dat ze snímačů až po předkládání informací řidiči nebo též posádce vozu.

Pro zmíněné účely se budou skvěle hodit programovatelná hradlová pole, resp. FPGA. Spoustu takových součástek lze programovat opakovaně, takže je možné s flexibilitou odpovídající počítačovému softwaru implementovat různé logické funkce. To pak znamená, že obsah dokážeme upravovat přímo v terénu, často i bezdrátově. Vzhledem k tomu, že zde využívají paralelních výpočtů, vykazují též nízké prodlevy a budou proto rychlejší, než další alternativy v podobě mikrokontrolérů. Při porovnání s obvody typu ASIC (Application Specific Integrated Circuit) se může paralelní HW přístup jevit sice podobně, nicméně FPGA zde podporují zmiňované provozní aktualizace, zatímco prvky ASIC zůstanou neměnné.

Hlavním kritériem však bude odolnost vůči SEU (Single Event Upset). Jedná se o schopnost hradlového pole vzdorovat vlivu částic, jako jsou neutrony. Takové situace totiž mohou pozměnit naše nastavení FPGA a ovlivňovat činnost součástky. Zvlášť znepokojivé to může být v aplikacích s klíčovým požadavkem na bezpečnost, např. u autonomních vozidel a jejich systémů pro předcházení střetu nebo sledování jízdního pruhu. Pole FPGA využívající paměti Flash jsou vůči takovým situacím z pohledu SEU imunní, čímž se také liší od systémů založených na SRAM.

Vyhoďte zrcátka a šetřete palivo

Jedna z možností polí FPGA spočívá v řízení kamer na místě původních zrcátek. Z pohledu aerodynamiky lze odstraněním zpětných zrcátek u velkých užitkových vozidel zvýšit účinnost zhruba o 6 %. Vzhledem k tomu, že se odpor vzduchu podílí na spotřebě paliva přibližně z 54 %, může náhrada v podobě kamery dávat smysl.

Uvažujme spotřebu kamionu, která se obvykle pohybuje okolo 30 litrů na 100 km, a také typický roční nájezd cca 130 000 km. Díky 6% zlepšení u odporu vzduchu tak může firma za rok ušetřit 1 200 litrů nafty, což jen v době psaní článku odpovídalo 1 560 euro.

Kvůli rostoucímu výskytu světel s LED může být v moderních vozidlech u FPGA vyžadováno rozhraní se snímačem a sítí ve vozidle, včetně zpracování surových dat z kamery. LEDková světla zde totiž mohou „problikávat“ a rozptylovat řidiče. Takového vlivu se musíme zbavit.

Motory pod kontrolou

S rostoucím zastoupením elektromobilů, ať již osobních či dodávek, význam polí FPGA při řízení motorů jen poroste. Zejména u výkonných systémů totiž požadujeme synchronní provoz, takže se kola neotáčí s různými rychlostmi. Něco takového vyžaduje synchronizaci řízení a FPGA umožňující precizní řízení spojené s nízkou a pevně danou prodlevou. Platí to i pro různé zatěžovací podmínky vozidla, třeba při rozjezdu nebo dalším pohybu konstantní rychlostí.

Z dalších požadavků pak vybíráme monitorování a prediktivní údržbu s využitím polí FPGA, na kterých poběží malá aplikace se systémy strojového učení využívající údaje ze snímačů. Nesmíme však zapomenout ani na požadavek obrovské spolehlivosti v prostředí s vysokou teplotou.

Odlehčujeme řidiči

Jedním z hlavních technologických trendů se v automobilech stávají pokročilé asistenční systémy ADAS. Nabízí funkce, jako jsou automatické nouzové brzdění, sledování jízdního pruhu nebo sledování řidiče, takže vozidlo a jeho posádku pomáhají udržet v bezpečí. Hovoříme zde o třech funkčních oblastech, kdy systémy budou „vidět, myslet a také jednat“.

„Vidět“ představuje prostor pro řadu senzorů venku, ale také uvnitř vozidla, např. kamery či LIDAR.

„Myslet“ je výsada centrální jednotky ECU zaznamenávající a rozpoznávající svět okolo sebe. Plánuje, co se také stane.

„Jednat“ konečně dostaly za úkol akční systémy brzd, řízení, plynu a dalších funkcí klíčových pro bezpečnost. Veškeré tyto funkce pak s různými součástkami a také odlišnými úrovněmi spoluutváří systém vyhovující z pohledu ASIL (Automotive Safety Integrity Level).

Skvělou oblastí pro FPGA se stává právě „vidění“. Pole zde zpracovávají a také agregují data ze snímačů, jako jsou čelní kamery nebo systémy s rybím okem, a postupují je do centrální ECU. Životně důležitým požadavkem bude malé zpoždění. Znamená totiž menší prodlevu nezbytnou k přenosu a zpracování dat a také více času na reakci.

Chytré vestavné aplikace pro „vidění“ zahrnují několik dílčích podskupin s ohledem na přenos informací, rozhraní, úpravu obrazu a také strojové učení. Společnost Microchip nebo její partneři mohou dodat pole FPGA i další součástky pro všechny zmíněné úlohy.

FPGA pro každou aplikaci

Oproti jiným polím FPGA jsou produkty firmy Microchip založeny na non-volatilní konfigurační paměti, která je činí odolnými vůči SEU. Řada FPGA vhodných pro automobilový průmysl zde přichází v zásadě ve třech generacích a pokaždé je lze začít okamžitě používat.

Pole FPGA generace 3, založená na řadě IGLOO, nabízí nízký příkon a odolnost vůči SEU. Konkrétní aplikace zde při buzení motoru zahrnují řízení trakce, což vyžaduje imunitu vůči SEU a okamžitou připravenost. Struktura FPGA vystavěná na paměti Flash nevyžaduje konfigurační cyklus, takže řízení motoru je k dispozici hned po spuštění.

Nízkou spotřebu a odolnost vůči SEU, stejně jako vynikající teplotní výdrž při práci poblíž motoru, rovněž vyžadujeme u řízení vstřikování. Řada IGLOO může pracovat s teplotami přechodu až +135 °C.

Telemetrické aplikace pro vozidla a jejich data si také žádají energeticky nenáročnou součástku, protože snímače zde mohou nepřetržitě odesílat informace do dalších částí vozu.

V generaci 4 Microchip nabízí řady SmartFusion2 a IGLOO2. Díky své nízké spotřebě, odolnosti vůči SEU a zabezpečení se uplatní u řízení čerpadel a DC/DC měničů, které musí běžet nepřetržitě, takže imunita vůči SEU je jako prevence výpadků zcela zásadní.

Generace 5, to je rodina PolarFire. Nabízí malý proudový odběr, odolnost vůči SEU, zabezpečení s vyhrazenými prostředky pro šifrování, malé rozměry a možnosti Linuxu v reálném čase. Bude to důležité pro aplikace, jako je slučování obrazů z více snímačů. Kokpit s AI může zase využít strojového učení při sledování řidiče nebo vnitřku vozu. Monitorování řidiče již může být u nových vozidel dokonce nařizováno zákonem.

Vysoká spolehlivost

Zřejmě nejpádnějším argumentem pro nasazení polí FPGA v automobilovém průmyslu bude jejich spolehlivost. A tím se opět dostáváme ke klíčovým SEU. Dopad zde stanovíme s využitím FIT nebo chyb vztažených na 1*10 e9 hodin, což odpovídá 114 077 rokům.

Pokud u součástek založených na SRAM předpokládáme FIT rovno 400, obdržíme jedno selhání každých 285 let. To ještě nevypadá zle, pokud si ovšem výsledek nepromítneme do vozového parku, řekněme o 100 000 autech, kde se již budeme potýkat s 350 poruchami ročně. V případě FPGA od Microchipu založených na Flash je ekvivalentní počet roven nule, tj. ani jedno selhání za rok.

Stejná pole však poskytnou i řadu dalších výhod. Nízká spotřeba zde znamená, že uživatelé ušetří až polovinu energie vyžadované jinými součástkami. Díky crypto procesoru odolnému vůči útokům typu DPA (Differential Power Analysis) máme rovněž ošetřeno zabezpečení. Takové útoky analyzují vztah mezi spotřebou čipu chytré karty a šifrovacím klíčem, který obsahuje. Analýza zde pokaždé odhalí části klíče a pokračuje, dokud jej nezjistí celý.

Pole FPGA mají automobilovému průmyslu hodně co nabídnout. Snadno se (re)programují a vytváří tím adaptabilní řešení pro účely řízení či analýzy dat v řadě souvisejících úloh, od ovládání motoru až po rychlý rozbor dat ze snímačů. Spousta takových aplikací zde přitom vyžaduje spolehlivost, nízkou spotřebu a vysokou míru zabezpečení, tedy vlastnosti, které mohou pole FPGA od Microchipu pokaždé nabídnout.


Martin Kellermann - Microchip technology

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik