DSPs y la Electrónica en Automoción

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1 DSPs y la Electrónica en Automoción Curso 2008/2009

2 2 Contenidos 1. Introducción 3 2. Procesadores Digitales de Señales (DSP) Características Generales Aplicaciones Arquitectura 4 - Organización de Memoria Velocidad Consumo Coste Arquitecturas de Altas Prestaciones La Electrónica en la Industria Automovilística Factores que Influyen en la Selección de un Procesador Procesadores de Procesado Digital de Señales en Automoción Ejemplos en la Industria Automovilística Sistema Antibloqueo de Frenos (ABS) Sistema de Control de Tracción (TCS) Sistema de Control de Estabilidad (ESP) Sistema de Distribución Automática de Frenado (EBD) Sistema de Suspensión Activa o Adaptativa Sistema de Presión de Neumáticos Noticias y Tendencias Futuras Conclusiones Bibliografía.. 19

3 3 1. INTRODUCCIÓN. Todos sabemos que la tendencia actual se centra en automatizar prácticamente todo lo que nos rodea, en llenar nuestro entorno de sensores y actuadores que nos ayuden a vivir de una manera más cómoda. Ante esta situación, podemos plantearnos la siguientes preguntas Quién/qué controla todos estos sensores?, Realmente los necesitamos? Para tratar de responder a éstas y otras preguntas, he realizado este documento, en el que intentaré explicar uno de los posibles dispositivos capaces de controlar estos elementos, los llamados DSP. Primeramente, intentaré explicar su significado, además de indicar cómo, poco a poco, el uso de estos procesadores se han adentrado en la industria automovilística, acompañándonos, entre otros, en un sistema presente en la mayoría de los automóviles, el sistema de frenada antibloqueo (ABS). 2. PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES (DSP). - Características Generales: En principio, el corazón de un sistema de procesado digital puede ser un microcontrolador, un procesador de propósito general o un procesador digital de señal (DSP). La principal diferencia entre un DSP y un microprocesador, es que el DSP tiene unas características diseñadas para soportar tareas de altas prestaciones, repetitivas y numéricamente intensas. Por el contrario, los procesadores de propósito general o microcontroladores, no están especializados para ninguna aplicación concreta. Es por esta razón, por la que en sistemas con una carga computacional muy alta, la solución óptima consistiría en usar un DSP. Los DSP, al igual que los microprocesadores, son sistemas programables que nos permiten implementar muchos tipos de aplicaciones en función de los requerimientos del sistema y de las habilidades del programador. - Aplicaciones:

4 4 Actualmente, tenemos DSP en muy diversas aplicaciones, desde sistemas radar, hasta la electrónica de consumo. Por ejemplo, algunas de las aplicaciones en las que podemos encontrarlos son: - Tarjetas con múltiples puertos serie en servidores para proveedores de acceso a Internet. - Compresión de voz en telefonía móvil. - Filtros complejos de sonido. - Decodificación de canales en telefonía móvil. - Procesamiento de imágenes. - Control de motores. Existen cuatro grandes fabricantes de DSP: Texas Instruments, Motorola, Lucent Technologies y Analog Devices. - Arquitectura: Además, utilizan arquitecturas optimizadas para acelerar los cálculos matemáticos intensos implicados en la mayoría de sistemas de procesado de señal en tiempo real. Esta optimización se consigue mediante algunos aspectos principales: - Implementación de operaciones por hardware. - Arquitecturas de memoria que permiten un acceso múltiple para cargar simultáneamente varios operandos. - Uso de instrucciones poco comunes que ejecutan varias operaciones en un solo ciclo. - Modos de direccionamiento especiales. - Características de control de flujo de programa diseñadas para acelerar la ejecución de operaciones repetitivas. - Interfaces de entrada salida que permiten al procesador comunicarse eficientemente con el resto de componentes del sistema. - Memoria de programa ancha, con más de 8 bits (esto permite codificar en una sola palabra, datos e instrucciones, reduciendo el número de accesos a memoria y aumentando el rendimiento del sistema). - Organización de Memoria: Para acelerar la ejecución de instrucciones, los DSP abandonan la arquitectura Von Neumann y apuestan por una arquitectura Harvard, donde tenemos una memoria de datos y otra de instrucciones separadas. Cada una de estas memorias se direccionan mediante buses separados (bus de datos y

5 5 bus de direcciones) y puede ocurrir que el ancho del bus de datos de la memoria de programa sea diferente. Con este diseño, se puede ejecutar simultáneamente la lectura de datos de la instrucción n y comenzar a decodificar la instrucción n+1, disminuyendo el tiempo total de ejecución de cada instrucción. - Velocidad: La medida clave para saber si un DSP es o no adecuado para una aplicación es su velocidad de ejecución, que se puede medir de muchas maneras, pero el parámetro más utilizado es el tiempo de ciclo de instrucción (tiempo necesario para ejecutar la instrucción más rápida del procesador). Su inverso dividido entre un millón da lugar a la velocidad del procesador en millones de instrucciones por segundo (MIPS). Actualmente, todos los DSP ejecutan una instrucción por ciclo de instrucción. El parámetro MIPS, al igual que MFLOPS, MOPS, MBPS y otros se miden de forma muy precisa, pero su valor no dice mucho acerca de lo que un determinado DSP es capaz de hacer. No obstante, dichos valores sirven para ubicar los DSP en diferentes categorías en cuanto a prestaciones. MIPS: (Million instructions per second). Número de instrucciones que el procesador puede ejecutar por segundo. La clave está en cuánto puede hacer cada instrucción. El parámetro MFLOPS es normalmente una medida más fiable de las prestaciones del procesador. MOPS: (Million operation per second). Número total de operaciones que el procesador puede realizar por segundo. Se incluye accesos DMA, transferencias de datos, operaciones de entrada salida. Este parámetro proporciona una idea aproximada de la capacidad de procesado y de entrada salida del procesador.

6 6 MFLOPS: (Million floating-point operations per second). Número de multiplicaciones, sumas, restas, etc. en coma flotante que el procesador puede realizar. Algunas veces este parámetro hace referencia a valores de pico en lugar de valores sostenidos. MBPS: (Mega-bytes per second). Proporciona una medida del rendimiento total de procesamiento de datos. - Consumo: El uso de los DSP en aplicaciones portátiles, como puede ser la telefonía móvil, hace que el consumo sea un factor importante a la hora de decidirse por un DSP u otro. Conscientes de esto, los fabricantes ya implementan DSP para bajas tensiones de trabajo (3-3.3V) que incorporan prestaciones de gestión de energía, como pueden ser: - Modos sleep o idle: inhiben la señal de reloj a todas o algunas partes del DSP. - Divisores de reloj programables: permiten realizar determinadas tareas a velocidades inferiores o el control directo de periféricos. - Coste: El coste del DSP es un parámetro principal en todos aquellos productos que se fabrican en grandes volúmenes. En dichas aplicaciones, se intenta utilizar un DSP que satisfaga todas las necesidades de la aplicación y que tenga bajo coste. - Arquitecturas de Altas Prestaciones: En la actualidad, los DSP de muy altas prestaciones están adoptando nuevas arquitecturas, las denominadas arquitecturas VLIW (Very Long Instruction Word). Sabemos que las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) demandan cada vez más recursos para poder procesar grandes volúmenes de datos. Hasta ahora, los avances en la capacidad de cómputo de los procesadores se han basado en aumentar la velocidad de reloj y mejorar la planificación del hardware. El número de instrucciones por ciclo y el número de interdependencias entre ellas aumenta, por lo que la lógica requerida para la planificación de las instrucciones ocupa gran parte del silicio del procesador, algo que ya deja de tener mucho sentido, ya que parece más interesante utilizar ese silicio para poder ejecutar más instrucciones por ciclo, incorporando más unidades funcionales y aumentar así el paralelismo de

7 7 ejecución, mientras que la planificación de instrucciones se realiza por el compilador. Éste es el principio en que se basa la arquitectura VLIW. Esta reducción de complejidad, hardware más sencillo y menor número de transistores, permite incrementar la velocidad de reloj y reducir el consumo. Ante esto, vemos que las arquitecturas VLIW están muy relacionadas con los procesadores superescalares, ya que ambos tratan de aumentar la velocidad de cómputo mediante paralelismo a nivel de instrucciones. 3. LA ELECTRÓNICA EN LA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA. En los últimos años, los automóviles han experimentado un cambio importante en lo que a dispositivos electrónicos se refiere, incorporando múltiples procesadores conectados a través de múltiples redes digitales, que controlan y optimizan el funcionamiento de la mayoría de los sistemas presentes en él. Muchos son los procesadores utilizados en la industria automovilística, cada uno de ellos con sus ventajas y desventajas, por lo que en los siguientes apartados comentaremos las características de algunos de ellos y los factores que influyen en su selección Factores que influyen en la selección de un procesador. Los factores más importantes que influyen en la selección de un procesador para la industria automovilística son: 1. Adecuados o no para la automoción. Existen sistemas en un automóvil (control del motor, airbag, frenos, etc.) que influyen críticamente en la seguridad, por lo que requieren procesadores que presenten una gran fiabilidad y durabilidad. Por ello, las aplicaciones que se usarán para controlarlos serán de una implementación más compleja y su producción requerirá de un diseño, fabricación y métodos de verificación específicos.

8 8 No obstante, existen otros sistemas que no necesitan procesadores específicos para la automoción, como pueden ser los sistemas de navegación o entretenimiento. 2. Grado de Integración. Es interesante disponer de un procesador que tenga integrados en el mismo chip, la memoria, los interfaces de entrada y salida y los periféricos necesarios, ya que de esta manera se consigue mayor rendimiento, se reduce el consumo de energía, se aumenta la fiabilidad y se reduce el coste final del producto. Suelen ser procesadores específicos para estas aplicaciones. Un sistema de control del motor, por ejemplo, recibe una docena de señales analógicas desde sensores que monitorizan parámetros de funcionamiento del motor (posición del pedal del acelerador, velocidad del motor, temperatura, etc.). La siguiente figura muestra un sistema de control del motor convencional. Después de digitalizar todas las entradas mediante el convertidor A/D, filtrarlas y analizarlas, el controlador genera unas salidas actualizadas de inyección de carburante.

9 9 También debemos destacar que existen varios protocolos de red diseñados para los sistemas de automoción, como por ejemplo el protocolo CAN (Controller Area Network), usado generalmente para la red de control del motor y la transmisión, y el protocolo MOST (Media Oriented System Transport), que se utiliza en algunos vehículos para las aplicaciones de entretenimiento (video, música, etc.). 3. Rendimiento. En un vehículo actual, necesitaremos procesadores de un mayor o menor rendimiento, dependiendo de las aplicaciones a las que van a ser destinados. Por ejemplo, el control de los sistemas críticos (control del motor, frenos, etc.) necesitará chips capaces de trabajar en entornos más hostiles, cosa que se puede conseguir con las tecnologías de fabricación de 0.18 o 0.25 micras. Dado que la velocidad de procesado a la que trabajan no es muy alta, la frecuencia de estos procesadores estará entre MHz. Por otro lado, un vehículo equipado con un sistema de entretenimiento reciente, incluirá un sistema de audio multicanal, un reproductor DVD, un sistema de navegación GPS y un manos libres para el teléfono móvil; siendo estos sistemas los que necesitan un más potencia de procesado digital, utilizando procesadores que funcionan a frecuencias de MHz. Estos procesadores pueden ser: procesadores digitales de señales (DSP), procesadores de propósito general mejorados para el procesado digital de señales (DSP-enhanced GPP) e híbridos entre los dos anteriores. 4. Precio. El precio es un elemento clave a la hora de seleccionar un procesador. Actualmente los fabricantes de procesadores destinados a este tipo de aplicaciones, han sido capaces de crear procesadores altamente especializados con un alto nivel de integración, permitiendo unos precios asequibles, aunque mayores que el de los procesadores de propósito general. 5. Consumo de Energía.

10 10 Este apartado no plantea muchos problemas, ya que casi todos los sistemas se ponen en funcionamiento cuando el vehículo se pone en marcha y por tanto, la batería está siendo cargada. El problema puede surgir cuando se mantienen activos determinados sistemas cuando el vehículo ya no está en marcha. 6. Criterios Software. También influyen factores como la facilidad de uso y la calidad de los programas que se utilizarán para desarrollar aplicaciones para ese procesador. El software para procesado digital de señales de automoción puede estar desarrollado tanto en lenguajes de alto nivel como en lenguaje ensamblador. Los lenguajes de alto nivel se escogen cuando se valora la facilidad de validación y la portabilidad de los programas, mientras que el lenguaje ensamblador se utiliza cuando la eficiencia del programa es una prioridad. Además, el software destinado al control de los sistemas críticos debe ser testeado rigurosamente, por lo que las herramientas de desarrollo deben tener un buen soporte para el debug de estos programas Procesadores de procesado digital de señales en automoción. La tecnología actual nos permite disponer de muchos tipos de procesadores de procesado de señales en automoción, como por ejemplo: microcontroladores de 8 bits (MCU), DSPs y FPGAs. No obstante, los microcontroladores no suelen utilizarse debido a su poco rendimiento en el procesado digital de señales. En la siguiente tabla, podemos observar algunos procesadores comunes, ejemplos de ellos y sus fabricantes:

11 11 Tipos de Procesadores, ejemplos y fabricantes Tipo de Procesador Fabricante Procesadores de Propósito General de 32 bits Freescale, Infineon, Renesas, Texas Instrument DSPs, DSP/GPP hybrids, DSP-enhanced GPPs Texas Instruments, Analog Devices, Freescale, Renesas, Infineon, STMicroelectronics Ejemplo Freescale MPC565 Texas Instruments TMS320F2812 FPGAs Xlinx, Altera Altera Cyclone II EP2Cx Velocidad Máxima 56 MHz 150 MHz < 250Mhz Rango de Temperatura -40 a 125 ºC -40 a 125ºC -40 a 100ºC unidades precio/unidad Procesadores de Propósito General (GPP): Los procesadores de propósito general de 32 bits (GPP) están basados en arquitecturas RISC, usan instrucciones simples, genéricas y de bajo nivel de paralelismo. Estos procesadores ofrecen una gran eficiencia en algoritmos en los que la toma de decisiones y cambios de control de flujo son importantes; no obstante, nos pueden ir bien en determinadas aplicaciones de procesado digital de señales. Las arquitecturas más conocidas de estos procesadores pueden ser MIPS, ARM o PowerPC. Como ejemplos tenemos la familia TMS470 de Texas Instruments (basados en el núcleo ARM7) y los MPC500 de Freescale (basados en el núcleo PowerPC). Ambas familias integran periféricos específicos para automoción con un procesador de 32 bits de propósito general. La siguiente gráfica nos muestra un diagrama de bloques de un Freescale MPC566, procesador destinado a aplicaciones de control del motor y la transmisión. Como vemos, integra multitud de periféricos (conversores A/D), múltiples memorias flash e interfaces de E/S preparadas para estas aplicaciones (CAN).

12 12 - DSP, Híbridos y otros. Los DSP, híbridos DSP/GPP y los GPP mejorados para tareas DSP suelen usarse en los sistemas de cabina (entretenimiento, GPS, etc.) o en los sistemas de control que necesitan un alto rendimiento de procesado. Las instrucciones específicas de estos procesadores hacen que el rendimiento en procesado de señales se acelere muchísimo con respecto a los GPP. El problema se presenta cuando tratamos de programar aplicaciones para ellos, ya que los compiladores no suelen estar optimizados para trabajar con DSP y el código que generan no aprovecha del todo esas instrucciones específicas. Por ello, para aprovechar todo el potencial de estos procesadores, se programa en lenguaje ensamblador del propio procesador, siendo una tarea mucho más complicada y con diversos problemas de verificación y test. Los híbridos DSP/GPP y los GPP mejorados, han sido creados para combinar las ventajas de los DSP (capacidad de procesado digital) y los GPP (eficiencia en algoritmos basados en decisiones y código compilado). Como ejemplos de estos procesadores encontramos la familia TMS320C2000 de Texas Instruments, la familia MC56F83xx de Freescale, los SH7760 de Renesas y los ADSP-BF53x de Analog Devices. En la siguiente gráfica se muestra el diagrama de bloques del procesador de Texas Instruments TMS320F2812, el cual dispone de: un núcleo híbrido DSP/GPP de 32 bit con periféricos integrados para automoción, una memoria Flahs, una interfaz CAN, una interfaz de debug de hardware y un conversor A/D multicanal.

13 13 4. EJEMPLOS EN LA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Sistema de Frenada Antibloqueo (ABS). El sistema ABS es un dispositivo que evita el bloqueo de las ruedas al frenar, mejorando notablemente la seguridad dinámica de los vehículos, ya que reduce la posibilidad de pérdida de control del vehículo en situaciones extremas, permite detener el vehículo en menos metros y mantener el control de la dirección. Su funcionamiento, descrito de una manera muy básica, sería el siguiente: un sensor electrónico de revoluciones instalado en la rueda, detecta en cada instante de la frenada si una rueda está a punto de bloquearse. En caso afirmativo, envía una orden que reduce la presión de frenado sobre esa rueda y evita el bloqueo. Como vemos, el ABS es un sistema crítico, por lo que debe funcionar muy rápido y exacto, lo que conlleva una electrónica muy compleja. En la figura izquierda vemos el esquema de un circuito de frenos convencional sin ABS, mientras que en la de la derecha tenemos un esquema de un circuito de frenos con ABS.

14 14 En ambos esquemas, el circuito de frenos convencional es el mismo, pero en el circuito con ABS se le han añadido varios elementos: - Un Hidrogrupo: formado por válvulas, acumulador de baja presión y conjunto motor-bomba. - Unos Detectores de Régimen: rueda. miden la velocidad instantánea en cada - Una Centralita Electrónica de Mando (ECU): es el corazón del sistema ABS, ya que controla todo el sistema. Recibe las señales captadas por los Detectores de Régimen y las convierte A/D para que posteriormente puedan ser tratadas en paralelo por dos DSP. Además, la ECU trabaja según el principio de redundancia simétrica, los dos DSP son diferentes, tratan la misma información y utilizan un mecanismo de cambio de información jerarquizada para comunicarse. En caso de que la ECU detecte algún error, fallo o disconformidad con las señales tratadas, activará un testigo en el cuadro de instrumentos y limita el funcionamiento de los sistemas según su capacidad para tratar los errores. El esquema que sigue la ECU es el siguiente:

15 Sistema de Control de Tracción (TCS). Consiste en un sistema similar al ABS pero que no actúa en casos de frenado, sino en casos de excesiva aceleración. Este sistema busca un mejor control del par motor para evitar que los vehículos patinen sobre un firme deslizante o bajo una fuerte aceleración. La siguiente figura muestra un dispositivo de control de tracción Sistema de Control de Estabilidad (ESP).

16 16 Incluye los sistemas ABS y TCS y trata de mejorar las prestaciones del vehículo en cualquier combinación de estas tres situaciones: aceleración, frenado y curva. Los ESP reconocen cuando un conductor puede perder el control de un vehículo y activan los frenos individualmente en cada rueda, además de reducir el par motor para ayudar a mantener la estabilidad. El sistema se compone de sensores de velocidad, de aceleración y de giro del volante, actuadores en los frenos para cada rueda y un procesador que analiza la dinámica del vehículo más de 100 veces por segundo Sistema de Distribución Automática de Frenado (EBD). El EBD representa un perfeccionamiento del sistema ABS y proporciona una mejor estabilidad al frenar bruscamente en curvas, regulando individual y electrónicamente la presión de frenado en cada una de las cuatro ruedas. Este sistema utiliza la infraestructura del ABS y le agrega un sensor del ángulo de la dirección y un control sobre la gestión del motor. Con este sistema se logra la independencia total del frenado de las cuatro ruedas, logrando una frenada ótima Sistema de Suspensión Activa o Adaptativa. Este sistema resuelve el conflicto entre confort y estabilidad, manteniendo un contacto suficiente entre neumáticos y eliminando tanto el balanceo en las curvas como el cabeceo en la frenada. La siguiente figura muestra los componentes de este sistema (actuadores hidraúlicos, bombas, sensores, ECU y servoválvulas).

17 Sensor de Presión de Neumáticos. Este sistema se compone de sensores en las cuatro ruedas que monitorizan continuamente la presión de los neumáticos, una unidad de control y un display en el tablero de instrumentos que puede contar con una alarma sonora. Cuando el sistema detecta una pérdida de presión en algún neumático, alerta al conductor activando alguna señal en el tablero de instrumentos. En la gráfica siguiente podemos ver los el esquema que sigue este sistema y los dispositivos con los que cuenta: 5. NOTICIAS Y TENDENCIAS FUTURAS. Con el fin de seguir mejorando estos sistemas, se han creado diferentes proyectos de investigación. Entre ellos podemos destacar el proyecto MERASA, con el que se pretende obtener un mejor rendimiento de los procesadores para lograr coches y aviones más seguros y económicos. En este proyecto, investigadores de seis países distintos tratan desarrollar procesadores específicos para aplicaciones como las vistas anteriormente, pero de núcleos múltiples capaces de trabajar en tiempo real.

18 18 Esta noticia podemos verla en la siguiente dirección: Además, podemos visitar la página oficial del proyecto: Otra noticia destacada puede ser la siguiente, en la que vemos un vehículo equipado con un sistema de entretenimiento relativamente reciente que hace uso de un DSP:

19 19 6. CONCLUSIONES. Los DSP poseen arquitecturas específicas diseñadas para acelerar los cálculos matemáticos en los sistemas de procesador de señal en tiempo real. Hemos visto que un DSP está muy ligado al tipo de aplicación, por lo que la tendencia que siguen es la de crear arquitecturas cada vez mejor adaptadas a las particularidades de las diferentes aplicaciones, pudiendo reunir los requisitos de coste, consumo, precio, etc. para convertirse en ideales para esas aplicaciones. Por otro lado, la aparición de compiladores realmente eficaces capaces de extraer el paralelismo de un programa, ha propiciado la recuperación de las arquitecturas VLIW y con ello la aparición de DSP de altas prestaciones. 7. BIBLIOGRAFÍA. ECA/seda/documentos/dsps/transparencias/introdsps.pdf Seguridad%20Activa.doc