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FEBBRAIO 2024 FIELDBUS & NETWORKS 46 Fieldbus & Networks rappresenta oggi una soluzione di tipo ottico per sistemi multimediali di bordo, quali lettori CD e DVD, radio e sistemi di navigazione GPS. - FlexRay FlexRay invece è un bus di comunicazione ad alta velocità per reti interne al veicolo, definito nel 1999 da un consorzio di aziende fra le quali BMW, DaimlerChrysler e Freescale, partendo dalla solida base fornita dal Byteflight. Il mezzo trasmissivo prevede 2 canali di comunicazione in grado di fornire una velocità pari a 10 Mbps; questi canali possono essere utilizzati insieme, in modo da introdurre un meccanismo di ridondanza che fa di FlexRay un bus estremamente veloce e affidabile, oppure indipendentemente l’uno dall’altro, permettendo di raggiungere una velocità aggregata pari a 20 Mbps. È un protocollo con tolleranza ai guasti (fault-tolerant), con meccanismo di sincronizzazione tra i nodi di rete e ampia larghezza di banda. Importante notare il comportamento deterministico: nel protocollo FlexRay i messaggi sono divisi in sincroni, trattati in modo deterministico con una schedulazione basata su slot temporali rigidamente definiti, e asincroni, usati per gestire messaggi associati a particolari eventi non sincroni. Ogni dispositivo gestito con questo protocollo ha associato uno slot temporale che si ripete periodi- camente con una schedulazione predefinita, durante la quale esso ha accesso esclusivo al bus. Queste finestre temporali sono appunto quelle utilizzate per attuare questo comportamento deterministico. Durante la configurazione di un sistema basato su FlexRay è necessario im- postare la lunghezza del ‘communication cycle period’, il quale è suddiviso in due finestre temporali: statica e dinamica. La prima è riservata alle comunicazioni di tipo sincrono ed è in grado di ga- rantire valori prefissati di latenza e jitter attraverso un meccanismo di sin- cronizzazione del clock tollerante ai guasti; la seconda invece è riservata ai messaggi triggerati sugli eventi, per i quali è previsto un meccanismo di pri- orità, simile a quello adottato dal CAN con l’identificatore, cioè impostando dei bit specifici nel campo header del messaggio. I messaggi FlexRay possono avere una lunghezza di frame variabile da 2 a 254 byte: un incremento significativo rispetto alla lunghezza di frame di 8 byte di CAN (standard). Come noto, CAN adotta una politica basata sulle priorità per la trasmissione dei messaggi, ciò significa che i messaggi di bassa priorità saranno inviati con ritardo (in caso di conflitto) rispetto ai messaggi di priorità maggiore. Con il determinismo significa che nulla avviene per caso: l’output corretto è sempre determinato dai corrispondenti input e questo in tutta la rete, facen- dola diventare un sistema predicibile. La sincronizzazione del clock è molto importante nell’architettura FlexRay al fine di garantire il comportamento de- terministico. Quindi, grazie alle caratteristiche citate, il protocollo FlexRay è stato selezionato come il sistema maggiormente adatto a introdurre gestioni di tipo ‘x-by-wire’, in particolare ‘drive-by-wire’, ‘steer-by-wire’ e ‘brake-by- wire’, sulle normali autovetture. ‘By-wire’ significa che i sistemi idraulici o meccanici tradizionalmente im- piegati per svolgere le funzionalità citate vengono eliminati e sostituiti da sistemi meccatronici più leggeri, efficienti e maggiormente manutenibili. Que- sto tipo di tecnologia è stata introdotta per la prima volta nel settore avionico, dove è nota come ‘fly-by-wire’, con lo scopo di assistere il pilota nella guida dei velivoli. Su aeroplani militari, come l’F16, il pilota non è costretto ad agire con forza sulla pedaliera o sulla cloche, può invece agevolmente controllare il velivolo per mezzo di un joystick connesso a un bus, a sua volta connesso con attuatori meccatronici e sensori smart. - TTP-Time Triggered Protocol Da citare anche i protocolli TTP/A e TTP/C (Time Triggered Protocol per appli- cazioni in classe A e C). TTP/A si basa anch’esso su un’architettura ‘time-triggered’, cioè costituita da istanti temporali deterministici prestabiliti, utilizzando il tipo di comunicazione master-slave, dove il master impone la base dei tempi. In particolare, la tecnica di accesso al bus che viene utilizzata è Tdma-Time Divi- sion Multiple Access, cioè una tecnica di accesso multiplo a divisione di tempo di tipo deterministico a un unico mezzo trasmissivo (bus), la quale alloca, a ogni nodo, uno slot sufficiente a trasmettere un’unità informativa. Quindi, sia LIN che TTP/A utilizzano una comunicazione pianificata time triggered per ottenere comportamenti temporali predefiniti e per fornire un clock di sincronizzazione comune. Il funzionamento in tempo reale di un’architettura time-triggered rappresenta certamente la caratteristica più importante di questo protocollo. Tale architettura in automotive comprende normalmente due protocolli di comunicazione: TTP/C fault-tolerant e TTP/A low-cost. I trend tecnologici del settore Oggi le necessità del settore automotive sono chiare: un’architettura sof- tware-centrica basata sul paradigma SOA-Service Oriented Architecture, che sia in grado di gestire grandi quantità di dati e di resistere a cyberat- tacchi. Di fronte a queste necessità l’architettura CAN based, che è stata dominante per oltre 30 anni, mostra i suoi limiti, motivo per cui molti co- struttori stanno migrando su tecnologie più moderne, come l’Automotive Ethernet nel campo dei bus di comunicazione e il 5G-LTE nella connettività V2X (Vehicle to Everything). Con l’avvento della guida semi-autonoma, degli Adas (Sistema Avanzato di Assistenza alla Guida), dell’infotainment avanzato e della connettività, l’au- tomobile moderna monta una copiosa quantità di sensori e microcontrollori. Tali dispositivi presentano la necessità di collegamenti veloci e affidabili con una banda sempre più ampia, performance non soddisfacibili con standard come CAN o FlexRay. Inoltre, il trend attuale è di rendere ogni componente software di un’automobile come un SaaS-Software as a Service in analogia con il mondo del cloud computing. Si tratta di un modello di distribuzione di software in cui gli utenti accedono a un’applicazione attraverso Internet senza doverla installare o gestirla sui propri PC. Il software è ospitato su ser- ver remoti ed è gestito da un’azienda che lo offre come servizio a pagamento o gratuito tramite API. Tale paradigma in ambito automotive si chiama ap- punto SOA e porterà numerosi vantaggi in termini di efficienza, funzionalità, interoperabilità e riduzione dei costi della componentistica. Fig.2 - Confronto fra l’architettura tradizionale e quella x-by-wire