Suchen

PEPS-System – Hinzufügen von CAN-Knoten auf Basis von Bluetooth Low Energy

| Autor/ Redakteur: Arun T. Vemuri* / Benjamin Kirchbeck

Designer sind inzwischen dabei, in modernen Automobilen PEPS-Systeme der nächsten Generation auf der Basis von Bluetooth Low Energy zu implementieren. Bei der Ermittelung der optimalen Anzahl an Knoten zum Erfüllen der PEPS-Anforderungen spielt die verwendete Kommunikationsbus-Architektur eine wichtige Rolle.

Firma zum Thema

Nach dem Motto „je schneller, desto besser“ erscheint klar, dass die Wahl auf CAN fallen muss. Allerdings ist CAN ein Zweidraht-Bus, während LIN ein Singe-Wire-Kommunikationsbus ist. Folglich ist ein auf dem CAN-Bus basierendes System teurer.
Nach dem Motto „je schneller, desto besser“ erscheint klar, dass die Wahl auf CAN fallen muss. Allerdings ist CAN ein Zweidraht-Bus, während LIN ein Singe-Wire-Kommunikationsbus ist. Folglich ist ein auf dem CAN-Bus basierendes System teurer.
(Bild: TI)

PEPS-Systeme (Passive Entry Passive Start) geben Autofahrern die Möglichkeit, die Autotüren zu entriegeln und loszufahren, ohne dass sie dafür einen Schlüssel in ein Tür- oder Zündschloss stecken müssen. Stattdessen reicht ein Schlüsselanhänger, der mit dem Zugangssystem des Fahrzeugs kommuniziert.

Bild 1 zeigt eine typische Architektur eines auf Bluetooth Low Energy basierenden PEPS-Systems in einem Auto. In dieser Architektur gibt es neben einem zentralen Schlüsselmodul insgesamt neun Satellitenmodule. Die Zahl neun wurde in diesem Beispiel willkürlich gewählt – in einer realen Implementierung können es auch weniger oder mehr Satellitenmodule sein. Aus Bild 1 geht ferner hervor, dass diese Module über einen Kommunikations-Bus miteinander kommunizieren.

Bild 1: Architektur eines auf Bluetooth Low Energy basierenden PEPS-Systems in einem Auto.
Bild 1: Architektur eines auf Bluetooth Low Energy basierenden PEPS-Systems in einem Auto.
(Bild: TI)

Das Innenleben der Satellitenknoten

Aus welchen Funktionsabschnitten besteht ein Satellitenknoten? Hierüber kann das Blockschaltbild eines typischen Satellitenknotens in Bild 2 Auskunft geben. Wie man sieht, besteht das Modul aus einem Bluetooth Low Energy-SoC (z.B. SimpleLink CC2640R2F-Q1), einer Stromversorgung und einer Kommunikations-Schnittstelle (meist ein Transceiver). Außerdem sind in Bild 2 die übrigen Module zu sehen, aus denen PEPS-Systeme bestehen, wie etwa das Smart-Key-Modul und das Body-Control-Modul.

Bild 2: Blockschaltbild eines PEPS-Systems für Automobile.
Bild 2: Blockschaltbild eines PEPS-Systems für Automobile.
(Bild: TI)

Kommunikationsbus-Optionen

Es gibt zwei Kommunikationsbus-Architekturen, die sich für PEPS-Systeme im Auto anbieten, nämlich das Local Interconnect Network (LIN) und das Controller Area Network (CAN). Bei letzterem kommt entweder das klassische CAN oder CAN Flexible Data Rate (CAN FD) in Frage. LIN und CAN sind standardmäßige Kommunikations-Protokolle, die in Automotive-Anwendungen sehr verbreitet sind. Die maximale Baudrate in einem LIN-Kommunikationssystem beträgt 19,2 kBit/s, während es beim klassischen CAN 1 MBit/s und bei CAN FD bis zu 5 MBit/s sind.

Bei LIN und CAN baut das Kommunikations-Protokoll auf Message Franes auf, die in beiden Fällen maximal 8 Daten-Bytes enthalten können. Ein LIN Message Frame mit 8 Daten-Bytes hat eine Länge von 124 Bit, während der ein Frame in einem standardmäßigen CAN-Frame oder einem CAN-2.0-Frame 135 Bit umfassen kann (dies schließt den Interframe Space und den maximalen Umfang an Bit Stuffing ein). Somit dauert die Übertragung eines LIN Message Frames 6,46 ms, während ein standardmäßiges CAN Message Frame in nur 135 µs übertragen werden kann.

Die Wahl zwischen LIN und CAN

Diese Berechnungen zeigen also, dass ein LIN Message Frame mehr Zeit benötigt als ein CAN Frame. Nach dem Motto „je schneller, desto besser“ erscheint klar, dass die Entscheidung zugunsten von CAN fallen muss. Allerdings ist CAN ein Zweidraht-Bus, während LIN ein Singe-Wire-Kommunikationsbus ist. Folglich ist ein auf dem CAN-Bus basierendes System teurer als eines, das auf dem LIN-Bus beruht, sodass CAN nicht unbedingt die beste Wahl ist.

Wie wählt man also zwischen diesen beiden Protokollen? Eine Möglichkeit ist, die Gesamtzahl der zu übertragenden Bytes zu analysieren. Wenn der Bluetooth Low Energy-Chip Rechenalgorithmen im Satellitenknoten implementiert, dürfte die Zahl der zu übertragenden Bytes geringer sein, sodass die LIN-Kommunikation ausreichend wäre. Nimmt dagegen der Bluetooth Low Energy-Chip keinerlei Berechnungen vor und überträgt stattdessen alle gemessenen Rohdaten, so müssen mehr Bytes übertragen werden. In diesem Fall würde man also die CAN-Architektur benötigen.

Ein weiterer Aspekt ist der Stromverbrauch. Auf dem LIN-Bus basierende Knoten verbrauchen in der Regel weniger Strom als der CAN-Bus – und zwar in sämtlichen Betriebsarten. Die genauen Angaben zum Stromverbrauch finden sich in den Datenblättern der jeweiligen Transceiver.

Implementierungsbeispiele

Das Automotive Bluetooth Low Energy Car Access Satellite Node Reference Design veranschaulicht die Implementierung eines LIN-basierten Satelliten-Boards. Das Referenzdesign nutzt den CC2640R2F-Q1 als Bluetooth Low Energy-SoC und den TLIN1029-Q1 als LIN-Bus-Transceiver.

Architekturen auf der Basis des klassischen CAN oder des CAN FD-Bus sind immer dann die richtige Wahl, wenn große Datenmengen zwischen dem Smart-Key-Modul und dem Bluetooth Low Energy-Satellitenmodul übertragen werden müssen. Mit dem TCAN4550-Q1, dem neuen System-Basis Chip (SBC), der einen CAN FD-Controller und einen Transceiver integriert, lassen sich Satelliten-Knoten problemlos mit CAN-Fähigkeit ausstatten. Abgesehen von dem integrierten Controller und Transceiver hat der SBC den Vorteil, dass er völlig ohne zusätzliche Stromversorgungs-Bauelemente auskommt. Vielmehr stellt der SBC sogar eine Spannungsquelle für die Versorgung zusätzlicher Bauelemente auf der Leiterplatte bereit und enthält außerdem einen Watchdog-Timer, der als SoC-Monitor fungieren kann.

Bild 3: Mögliche Satellitenknoten-Implementierung mit dem TCAN4550-Q1, in der die Features dieses Bauelements genutzt werden.
Bild 3: Mögliche Satellitenknoten-Implementierung mit dem TCAN4550-Q1, in der die Features dieses Bauelements genutzt werden.
(Bild: TI)

In Bild 3 wird der 5-V-Ausgang zur Versorgung des Low-VIN-Linearreglers verwendet. Dieser Regler erzeugt die für das Bluetooth Low Energy-SoC benötigte Spannung von 3,3 V, sodass zur Versorgung des Bluetooth Low Energy-SoC kein Regler mit weitem Eingangsspannungsbereich benötigt wird. Der Ausgang des 3,3-V-Reglers wird übrigens auch als VIO für den TCAN4550-Q1 genutzt, sodass kein Pegelumsetzer zwischen dem Bluetooth Low Energy-SoC und dem TCAN4550-Q1 erforderlich ist. Der Watchdog-Timer kann außerdem die Software-Verarbeitung des Bluetooth Low Energy-SoC überwachen. Mit diesem hochintegrierten SBC wird folglich eine kostenoptimierte Lösung für den Bluetooth Low Energy-Satellitenknoten realisierbar.

* Arun T. Vemuri ist als General Manager im Sektor Automotive Body Electronics and Lighting für Texas Instruments tätig

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46142133)