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Una linea dati superveloce a bordo delle autovetture: la fibra ottica per automotive.

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Lo sviluppo dei sistemi di trasmissione dati multiplexati ebbe un forte incremento verso la metà degli anni ’80 quando, su richiesta della Mercedes, Bosch sviluppò un sistema di trasmissione dati all’interno del veicolo. Le funzioni di controllo dei sistemi (sicurezza, comfort, ecc) infatti diventavano sempre più complesse e le velocità di trasmissioni dei segnali stessi cominciavano ad essere critiche, specie nella gestione di sistemi importanti quali ABS, iniezione e accensione, impianto clima, Airbag, ecc. Fino a quel momento si era assistito ad un incremento delle funzioni richieste aumentando il numero di componenti con collegamento tipicamente punto a punto, ovvero con cablaggio dedicato. Tutto ciò cominciava a porre dei seri problemi di ingombro sia per le numerose centraline installate che per il volume dei cavi e di conseguenza di peso e di costo del rame necessario. Sempre nello stesso periodo, lo sviluppo dei sistemi a microprocessore aveva raggiunto un grado di affidabilità e dei costi accettabili per la produzione di componentistica su larga scala e con un livello di miniaturizzazione interessante, che ne permetteva l’installazione in ambito automobilistico.

Si cominciò a prendere in seria considerazione l’idea di ridurre i cablaggi ed il proliferare di sensori che, in alcuni casi risultavano duplicati se non triplicati. Le sempre più stringenti normative per il contenimento delle emissioni inquinanti diede un ulteriore impulso allo sviluppo di sistemi di controllo ridondanti, ovvero con possibilità di controllare l’efficienza del veicolo anche con qualche componente in avaria adottando opportune strategie di “recovery” utilizzando segnali provenienti da altri sensori oppure elaborati da altre centraline. Lo scambio di dati basato su sistemi di comunicazione di tipo seriale (ad esempio attraverso un protocollo di comunicazione CAN – Controller Area Network è in tutto e per tutto simile ad una rete di calcolatori di un ufficio, rete locale o LAN – Local Area Network. Le tipologie di rete oggi a disposizione vengono scelte sulla base della “robustezza“ della trasmissione, ovvero sulla base dell’affidabilità nella trasmissione delle informazioni senza errori e sulla base dei costi.

Un tipo di comunicazione dati è quello in fibra ottica realizzata in modo da poter condurre al loro interno segnali ottici, cioè la luce. Analizzando la struttura di una fibra ottica troviamo che ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 micrometri, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 micrometri. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso; il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1.475) rispetto al core (vale circa 1.5). Come ulteriore caratteristica il mantello (Buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. All’esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno.

Figura 1 - Cavo in fibra ottica

 

Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell’indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche). Tra i sistemi a fibra ottica possiamo annoverare il Byteflight sviluppato da BMW; è un sistema molto affidabile per cui viene utilizzato in quelle applicazioni in cui la sicurezza e l’affidabilità devono risultare totali, come ad esempio nel comando dei sistemi airbag o dei sistemi di pretensionamento. Fra le caratteristiche principali di tale protocollo si ricordano:

  • Possibilità di effettuare delle comunicazioni sincrone oppure asincrone;
  • Elevatissima velocità di trasmissione (con velocità fino a 10 Mbit/s) utilizzando un transceiver ottico;
  • Tempi di ritardo noti per segnali ad alta priorità;
  • Larghezza di banda flessibile per ogni nodo;

A tali caratteristiche va aggiunta la possibilità di espandere facilmente la rete ed avere un’ottima immunità dai disturbi proprio per l’utilizzo di un segnale luminoso anziché elettrico. La rete ha una configurazione a stella con comunicazione bidirezionale. Il transceiver ottico è provvisto di fotodiodo e fotoricevitore integrati nel connettore.

Un altro sistema di comunicazione in fibra ottica è il MOST (Media Oriented Systems Transport) adottato sempre da BMW che realizza un traffico dati tra le centraline tramite una struttura ad anello.

Figura 1 - Anello MOST

La trasmissione nell’anello avviene solo in una direzione. I messaggi possono essere trasmessi nell’anello MOST solo se l’anello è chiuso e funzionante. In presenza di un difetto nell’anello MOST, è ancora possibile comunicare soltanto con l’Headunit (unità principale): ciò è possibile perché la centralina è collegata direttamente al bus dati CAN K. Ogni centralina MOST dispone di un’unità comprendente un modulo trasmittente (transmitter) e un modulo ricevitore (receiver) per collegarsi al bus MOST. In questa unità sono integrati un diodo trasmittente e un diodo ricevente. Con il sistema ottico di controllo e programmazione è possibile controllare il transmitter e il receiver di una centralina. In caso di interruzione dell’anello (guasto tra due centraline) si possono presentare i seguenti tipi di difetti:

  • Alimentazione di tensione della centralina trasmittente guasta;
  • Difetto interno della centralina trasmittente;
  • Transmitter della centralina trasmittente guasta;
  • Alimentazione di tensione della centralina ricevente guasta;
  • Difetto interno della centralina ricevente;
  • Receiver della centralina ricevente guasta;
  • Conduttore a fibre ottiche tra centralina trasmittente e centralina ricevente guasto.

 

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