Ohjelmistopohjaiset ajoneuvot avaavat valtavan määrän uusia mahdollisuuksia. Sovelluksia ja toimintoja syntyy jatkuvasti lisää, ja niiden avulla ajokokemuksesta pyritään tekemään entistä turvallisempi, miellyttävämpi ja paremmin verkottunut. Jos ADAS ja V2X ovat muotitermejä, tarkka ajoitus on perusta.

Näiden pyörillä kulkevien datakeskusten käyttäjäkokemuksen taustalla on yksi keskeinen mahdollistaja, joka tuo järjestelmiin johdonmukaisuutta ja luotettavuutta. Se on tarkka ajoitus. Tyypillisessä ajoneuvossa on jo nyt 70–100 ajoituspiiriä. Määrä kasvaa edelleen, kun ajoneuvotekniikka kehittyy sähköistymisen ja automaation suuntaan.

Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten uusimmat ajoitusteknologiat auttavat insinöörejä vastaamaan näihin haasteisiin joustavuuden ja ohjelmoitavuuden avulla.

Synkronointi on datavetoisen liikenteen perusedellytys

Autotekniikkaa muovaavat tällä hetkellä neljä megatrendiä. Ne ovat sähköistyminen, ajamisen automaatio, jaettu liikkuvuus ja aktiivinen turvallisuus. Näiden seurauksena korkean suorituskyvyn elektroniikkaa löytyy käytännössä jokaisesta ajoneuvon osasta.

Ajoneuvojen sisäiset verkot siirtävät ennennäkemättömiä tietomääriä suurilla nopeuksilla. Automaattiset ajoneuvot voivat tuottaa yli 20 teratavua dataa tunnissa. Järjestelmien monimutkaisuus kasvaa nopeasti, kun nykyaikaisiin ajoneuvoihin integroidaan satoja ohjausyksiköitä, kameroita, tutkia ja lidareita. Arkkitehtuurit keskitetään yhä enemmän, ja ohjelmistopohjaisissa ajoneuvoissa toiminnot kootaan tehokkaan laskentokeskuksen ympärille.

Kaikki tämä edellyttää entistä tarkempaa synkronointia. Siksi tarkasta ajoituksesta on tullut monissa tapauksissa turvallisen ja tehokkaan toiminnan avaintekijä. Kvartsipohjaisen ajoituksen korvaava piipohjainen MEMS-tekniikka on mahdollistanut kehittyneemmät ratkaisut. Yksi MEMS-kellopiiri voi synkronoida useita kelloja ja valvoa jatkuvasti kellosignaalin eri toiminnallisia osia. Järjestelmä saa välittömästi tiedon, jos jokin osa ei toimi oikein.

Kokonaisvaltainen valvonta ja kvartsikiteitä pienempi vikaantumisriski tarkoittavat, että tarkka ajoitus tukee ohjelmistopohjaisten ajoneuvojen kahta keskeistä tavoitetta. Ne ovat turvallisuus ja tehokkuus. Tästä syystä tarkasta ajoituksesta on tullut ajoneuvoille kriittinen toiminnallinen perusta.

Kun millisekunnit ratkaisevat

Tarkan ajoituksen merkitys korostuu tilanteissa, joissa millisekunnit ratkaisevat turvallisuuden ja järjestelmän toimintavarmuuden.

Hyvä esimerkki on hätäjarrutus ADAS-järjestelmässä. Etututka havaitsee esteen, kamerajärjestelmä tunnistaa sen ja ohjausyksikkö päättää jarrutuksesta. Ilman täsmällistä synkronointia pienikin ajoitusvirhe voi heikentää sensorifuusion tarkkuutta ja viivästyttää jarrukäskyä.

Ajoituksen epävakaus voi aiheuttaa ketjureaktion. Se voi häiritä nopeita Ethernet- tai PCIe-tiedonsiirtoja, lisätä värinää, joka heikentää kameran, tutkan tai lidarin suorituskykyä, tai aiheuttaa katkoksia V2X- ja 5G-yhteyksissä. Tämä heikentää ajoneuvon tilannetietoisuutta.

Yhteen MEMS-kellopiiriin perustuva valvontatoiminto havaitsee viat ajoissa kelloketjun alkuvaiheessa ja mahdollistaa nopean reagoinnin. Ilman tätä ominaisuutta vika havaittaisiin vasta satojen millisekuntien kuluttua järjestelmän myöhemmissä osissa. Uusimmissa MEMS-ratkaisuissa järjestelmä on turvattomassa tilassa vain välttämättömän lyhyen ajan.

Autojen ajoitusjärjestelmien vaativa toimintaympäristö

Kvartsikidepohjaiset oskillaattorit ovat pitkään toimineet ajoneuvoelektroniikan sydämenä. Järjestelmien kasvanut monimutkaisuus paljastaa kuitenkin niiden rajoitukset koon, kestävyyden ja lämpötilavakauden osalta.

Ohjelmistopohjaisten ajoneuvojen ajoitusjärjestelmien on toimittava luotettavasti erittäin vaativissa olosuhteissa. Lämpötilat voivat vaihdella talven –40 asteesta kesän yli 125 asteeseen. Järjestelmiä rasittavat jatkuva tärinä, mekaaniset iskut ja sähkömagneettinen häiriö, jota syntyy sähköisistä voimalinjoista, latausjärjestelmistä ja tiheästä elektroniikasta. Jaetun liikkuvuuden mallit lisäävät kuormitusta entisestään, kun ajoneuvot ovat käytössä pidempiä aikoja ja komponenttien lämpösyklit lisääntyvät.

Piipohjaiset MEMS-ajoituspiirit kestävät tärinää ja iskuja huomattavasti paremmin. Ne ovat käytännössä herkistymättömiä tärinälle ja kestävät jopa 20 000 g:n iskuja. Tämä tekee niistä jopa sata kertaa kestävämpiä kuin kvartsiratkaisut. Hyvä häiriönsietokyky tekee MEMS-piireistä erinomaisia sähköautoihin, ja ne tarjoavat alle ppm-tason vakauden koko autoteollisuuden lämpötila-alueella. Lisäksi MEMS-resonaattorien erittäin pieni massa mahdollistaa pienet kotelot ja helpottaa sijoittamista tiiviisiin sensorimoduuleihin.

Pyörillä kulkeva datakeskus

SiTimen varatoimitusjohtaja Piyush Sevalia osallistui hiljattain asiantuntijapaneeliin, jossa käsiteltiin ohjelmistopohjaisten ajoneuvojen vaikutusta koko toimitusketjuun. Muutos koskee ajoneuvovalmistajia, järjestelmätoimittajia, puolijohdeyrityksiä ja ohjelmistokehittäjiä.

Perinteisesti ajoneuvot on suunniteltu toimialuekohtaisilla arkkitehtuureilla, joissa jokaisella toiminnolla on oma ohjausyksikkönsä. Ohjelmistot mukautettiin laitteistoon. Ohjelmistopohjaisessa ajoneuvossa asetelma kääntyy toisin päin. Laitteisto suunnitellaan palvelemaan ohjelmistoa.

Muutos on merkittävä. Yksittäisten toimintojen lisäämisen sijaan ajoneuvo perustuu keskitettyyn laskenta-alustaan, joka ajaa useita sovelluksia. Tämä parantaa skaalautuvuutta ja tehokkuutta, mutta lisää huomattavasti järjestelmien kehityksen monimutkaisuutta.

Tarkka ajoitus helpottaa tätä haastetta. Ajoneuvon sisäisten järjestelmien on kyettävä kommunikoimaan keskenään ja ulkoisen infrastruktuurin kanssa. Luotettava ajoitussignaali on edellytys sille, että datavirrat pysyvät synkronoituina. Fyysisen kerroksen tarkka ajoitus varmistaa, että suorituskyky ja turvallisuus eivät vaarannu.

Turvallisuuskriittiset toiminnot, kuten lukkiutumattomat jarrut, hyötyvät nopeammista vasteajoista, jotka saavutetaan vikaturvallisilla ajoitusratkaisuilla. Esimerkkinä ovat kellogeneraattorit, joissa MEMS-resonaattori, oskillaattori ja turvamekanismit on yhdistetty yhteen koteloon. Lisäksi tarkka ajoitus tukee useita ajoneuvoalustoja ja ADAS-tasoja ja toimii myös tilanteissa, joissa ajoitusprotokollat eivät ole vielä täysin standardoituja.

Tulevaisuus rakentuu tarkkuudelle

Parempien ohjelmistopohjaisten ajoneuvojen kehittäminen ei perustu pelkästään tehokkaampiin suorittimiin, älykkäämpiin algoritmeihin tai parempiin sensoreihin. Yhtä tärkeää on varmistaa, että kaikki nämä järjestelmät toimivat täsmällisesti samassa ajassa.

Tarkka ajoitus on huomaamaton mutta välttämätön tekijä tulevaisuuden verkottuneiden ja automatisoitujen ajoneuvojen turvallisuudessa, luotettavuudessa ja suorituskyvyssä. Kun kehitys etenee kohti yhä autonomisempia ajoneuvoja, järjestelmien monimutkaisuus kasvaa ja turvallisuusvaatimukset kiristyvät. Tässä ohjelmistovetoisessa tulevaisuudessa, jossa millisekunnit ratkaisevat, MEMS-pohjainen piiajoitus nousee ajoneuvojen sykkiväksi sydämeksi.

Lataa artikkeli pdf-muodossa.