Comment appliquer PSI5 pour une sécurité automobile extrême grâce à des capteurs fiables ?

La principale préoccupation en termes de conception automobile est la sécurité. Les concepteurs doivent donc ajouter plus de capteurs et de systèmes d'aide à la conduite. Le problème est que ces systèmes nécessitent une interface commune et doivent pouvoir communiquer de manière fiable et sans erreur malgré les importants écarts de température et d'humidité, les vibrations et les problèmes de de compatibilité électromagnétique.

Pour les concepteurs, il convient d'examiner les solutions basées sur des capteurs compatibles avec l'interface de capteur périphérique (PSI5). Il s'agit d'une interface robuste, tolérante aux interférences, utilisée à l'origine pour les systèmes d'airbags, mais qui trouve de plus en plus de nouvelles applications automobiles intensives basées sur des capteurs.

Cet article présente le bus PSI5 avant de décrire un certain nombre de solutions système PSI5 et leur utilisation pour configurer un système de commande basé sur des capteurs.

L'interface de capteur périphérique (PSI5)

L'interface PSI5 permet de connecter plusieurs capteurs à des calculateurs (ECU) et sert de bus de communication de capteur principal pour les airbags et les systèmes de retenue associés. Il s'agit d'une norme ouverte disponible sur le site Web de l'organisation PSI5 à l'adresse PSI5.org. La spécification actuelle est la version PSI5 2.3, publiée en tant que norme de base commune à toutes les sous-normes, notamment celles pour les airbags, le châssis et les commandes de sécurité, et le groupe motopropulseur.

La norme PSI5 est implémentée sous la forme d'un bus à deux fils (paire torsadée) utilisant une transmission de données à codage Manchester et à modulation de courant, à des débits de 125 kbps (189 kbps en option). Il s'agit d'une interface moyenne vitesse par rapport aux autres bus de données automobiles courants (Tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison des bus de données automobiles courants. PSI5 est une interface moyenne vitesse. (Source des données : DigiKey Electronics)

Le PSI5 présente l'avantage d'être moins coûteux à utiliser que CAN ou FlexRay, mais avec un débit de données compatible avec les données du capteur. Le bus de données SENT est également destiné à la transmission des données du capteur, mais peut uniquement envoyer des données du capteur au calculateur (ECU). PSI5 est bidirectionnel, ce qui permet l'adressage et la configuration des capteurs.

Une implémentation typique de PSI5 dans un calculateur automobile inclut un microcontrôleur qui alimente plusieurs interfaces (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un calculateur avec microcontrôleur automobile, qui inclut des ports E/S pour les bus de données automobiles courants, notamment PSI5. (Source de l'image : DigiKey Electronics).

Les cases à droite du microcontrôleur à la Figure 1 montrent les ports E/S pris en charge. Il s'agit notamment des bus de communication automobile Ethernet, CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) et FlexRay, ainsi que des interfaces de capteur SENT (Single Edge Nibble Transmission) et PSI5. Ces calculateurs automobiles sont hautement intégrés et peuvent inclure des convertisseurs analogique-numérique (CAN) Delta-Sigma pour des mesures de capteurs rapides et précises.

Couche physique PSI5

Le calculateur est connecté aux capteurs à l'aide de deux fils. L'utilisation d'une paire torsadée à deux fils réduit le coût de l'implémentation par rapport aux autres bus qui utilisent trois fils ou plus. Les deux mêmes fils sont utilisés pour l'alimentation et la transmission de données. Le calculateur peut utiliser un émetteur-récepteur PSI5 intégré ou séparé pour fournir une tension régulée aux capteurs et lire les données transmises. Les données du capteur sont transmises au calculateur par le biais d'une modulation de courant utilisant le codage Manchester (Figure 2).

Figure 2 : Le codage Manchester de l'interface PSI5 utilise les transitions de courant au milieu d'un intervalle de temps binaire. L'oscilloscope numérique HDO4104A de Teledyne LeCroy offre un décodeur Manchester en option. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les données sont transmises du capteur en faisant passer le courant du niveau de base (courant de repos nominal du capteur) au niveau supérieur. Le courant dans l'exemple présente un niveau de base de 10 mA et un niveau supérieur de 40 mA, soit un delta de 30 mA.

Le codage Manchester utilise les transitions de courant au milieu d'un intervalle de temps binaire. La modulation de courant est détectée dans l'émetteur-récepteur PSI5 où un « 0 » logique est représenté par une pente positive et un « 1 » logique par une pente négative. Dans la figure, un intervalle de temps binaire est marqué par les curseurs verticaux. L'oscilloscope HDO4101A de Teledyne LeCroy avec décodeur Manchester en option décompose le paquet PSI5 en treize périodes binaires indiquées par les lignes bleues verticales. Les transitions de courant au milieu des périodes binaires représentent les valeurs de données que l'oscilloscope imprime pendant la transition.

Le calculateur communique avec les capteurs PSI5 en utilisant la modulation de tension. Cette même méthode est utilisée pour synchroniser la transmission de données à partir des capteurs.

Lorsqu'un seul capteur est connecté au calculateur, ce capteur contrôle la temporisation et le taux de répétition de la transmission des données. Si plusieurs capteurs sont connectés, le calculateur contrôle la synchronisation et le transfert de données. Il est possible de connecter plusieurs capteurs dans une configuration à bus ou en parallèle, ou de les connecter en chaîne via une série de capteurs. Les configurations sont abordées plus en détail plus loin dans l'article.

Couche liaison de données

Les trames de données PSI5 offrent une grande flexibilité (Figure 3). Outre une structure de base à trois composants principaux, il existe une structure fonctionnelle étendue.

Figure 3 : La structure de la trame de données PSI5 montre les segments de base et les segments étendus dans la région des données utiles. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La structure de base contient les éléments requis suivants :

1. Un champ de bit de départ qui comprend deux bits toujours codés « 00 ».
2. Un champ de données avec une charge utile contenant de 10 à 28 bits désignés D0 à D27.
3. Un segment de correction d'erreur prenant en charge à la fois un seul bit de parité P et un contrôle par redondance cyclique à trois bits (CRC), C0 à C2.

La structure de données étendue inclut les données de contrôle, de messagerie et d'état, telles que résumées dans le Tableau 2.

Tableau 2 : Des segments de champ facultatifs de paquets de données PSI5 supplémentaires avec sous-champs offrent une plus grande flexibilité. (Source des données : DigiKey Electronics)

Le système PSI5

Le RDAIRBAGPSI5-001 de NXP Semiconductors est une conception de référence pour système de contrôle d'airbag automobile qui montre les éléments d'une conception de capteur basée sur PSI5 (Figure 4).

Figure 4 : Ce schéma fonctionnel de la conception de plateforme de référence pour airbag de NXP Semiconductors montre les éléments d'une interface de capteur basée sur PSI5. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Cette conception de référence utilise un ASSP d'émetteur-récepteur PSI5 de NXP pour assurer l'interface entre les capteurs et le microcontrôleur. L'ASSP est un dispositif à mode mixte (analogique/numérique) qui gère plusieurs fonctions liées au système de retenue. Du côté du capteur, il prend en charge jusqu'à quatre canaux de capteur, et fournit à la fois l'alimentation et la commande.

Capteurs PSI5

Des capteurs d'accélération, de température et de pression sont fréquemment utilisés dans les véhicules. Les capteurs associés aux systèmes d'airbag sont principalement des accéléromètres. Généralement, un accéléromètre local se situe près du calculateur. Plusieurs accéléromètres sont également répartis autour du véhicule. Il s'agit des capteurs satellites. Le calculateur de l'airbag utilise les données de plusieurs capteurs pour assurer un fonctionnement sûr. Si un capteur satellite subit une décélération, le calculateur interroge également l'accéléromètre local pour vérifier s'il y a un événement « collision » et pas seulement un accéléromètre défaillant.

Un accéléromètre pour airbag typique est un capteur à un seul axe qui est certifié pour les applications automobiles et présente une plage configurable de ±30 g à ±480 g en facteur de 2 étapes. Il prend en charge la connexion directe PSI5, ainsi que la communication bidirectionnelle en chaîne et parallèle synchrone. Ces accéléromètres peuvent être utilisés pour la détection de collisions frontales ou latérales, la détection de chocs et de vibrations ou la détection de collisions avec des piétons.

Topologies de connexion du capteur PSI5

Lorsque vous utilisez des accéléromètres, PSI5 offre plusieurs manières de les connecter au calculateur (Figure 5).

Figure 5 : Exemples de quatre topologies de connexion de capteur différentes prises en charge par PSI5 et pouvant être utilisées par les concepteurs qui souhaitent connecter des accéléromètres. Dans tous les cas, le calculateur alimente le capteur et lit ses données via l'émetteur-récepteur PSI5. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La figure illustre quatre connexions possibles entre le capteur et le calculateur, prises en charge par PSI5. Dans tous les cas, le calculateur alimente le capteur et lit ses données via l'émetteur-récepteur PSI5. Dans les topologies synchrones, le calculateur contrôle également les capteurs. Le chronogramme à la Figure 6 permet d'expliquer les différences entre les différents modes de fonctionnement.

Figure 6 : Les séquences de temporisation pour les quatre topologies de connexion PSI5 s'étendent de point-à-point simple à parallèle synchrone. La temporisation des modes synchrones est initiée par le calculateur grâce à une impulsion de synchronisation modulée en tension. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La manière la plus simple de connecter un accéléromètre consiste à utiliser une connexion directe ou point-à-point. Dans ce mode, le calculateur alimente le capteur qui transmet les données périodiquement. La temporisation et le taux de répétition des transmissions de données sont contrôlés par le capteur.

Il existe un mode connexe, rencontré lors de la connexion directe d'un groupe de capteurs contenant plusieurs capteurs comme des capteurs de température, de pression ou d'accélération à plusieurs axes dans un boîtier commun. Il est possible d'implémenter cette connexion en mode de temporisation synchrone ou asynchrone. Les données provenant des différents capteurs peuvent être multiplexées ou, comme indiqué ici, combinées en deux segments de données différents dans le même paquet.

La temporisation des modes synchrones est initiée par le calculateur grâce à une impulsion de synchronisation modulée en tension.

La connexion parallèle place chaque capteur de part et d'autre du bus. Le transfert de données démarre par le signal de synchronisation du calculateur. Chaque capteur transmet ensuite ses données dans le créneau temporel correspondant.

Dans la configuration en chaîne, les capteurs n'ont pas d'adresse fixe, ce qui permet de les connecter à chaque position du bus. Lors du démarrage, chaque capteur reçoit une adresse individuelle puis transmet la tension d'alimentation au capteur suivant. L'adressage est réalisé par communication bidirectionnelle depuis le calculateur vers le capteur grâce à un schéma de signal de synchronisation spécifique appelé séquence d'adressage. Après avoir assigné les adresses individuelles, les capteurs commencent à transmettre des données dans leur créneau temporel correspondant en réponse aux impulsions de synchronisation générées par le calculateur.

Conclusion

Les concepteurs doivent ajouter plus de capteurs dans les véhicules pour les rendre plus sûrs. Comme démontré ici, le bus PSI5 offre un moyen hautement fiable et interopérable de connecter plusieurs capteurs avec une grande flexibilité à la fois dans la configuration physique et dans la structure des paquets de données.