EXTERNAL USE

YVES BRIANT

FIELD APPLICATION ENGINEER

18TH, JANUARY, 2018

AUTOMOTIVE

ELECTRONICS

1 EXTERNAL USE

AUTOMOTIVE ELECTRONICS : AGENDA

1) Automotive electronics and semiconductor:

• Trends

• Specificities

• Technology

• Examples of application

• Functional Safety

2) Dissection of an automotive Microcontroler

• Core, Memories, Internal bus, Peripherals

• Dual-core, lock-step architecture

2 EXTERNAL USE

Automotive Electronic Content Growth

“90% percent of innovation is

electronic”

“Impossible to comply with

regulation without electronic

systems”

-Automotive OEM

Paris 2008

Renault Ondelios concept

Honda Insight concept

GM Chevrolet Volt

50 % ?

Ele

ctr

on

ic c

ost a

s %

of to

tal ca

r co

st

Airbag

ABS / ESP

Body Electronics

Multiplexing

Electronic Fuel Injection

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005 2010

35%

30%

22%

15%

10%

5%2.5%

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005 2010

35%

30%

22%

15%

10%

5%2.5%

Advanced Driver Assistance

Active-Passive Safety

Green Powertrain

Radar / Vision

Telematics

Infotainment

Ele

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tal ca

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Airbag

ABS / ESP

Body Electronics

Multiplexing

Electronic Fuel Injection

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005 2010

35%

30%

22%

15%

10%

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1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005 2010

35%

30%

22%

15%

10%

5%2.5%

Advanced Driver Assistance

Active-Passive Safety

Green Powertrain

Radar / Vision

Telematics

Infotainment

2030

3 EXTERNAL USE

THIS TREND WILL CONTINUE

90% OF ALL AUTOMOTIVE INNOVATIONS ARE ENABLED BY ELECTRONICS

5 EXTERNAL USE

6 EXTERNAL USE

Market trends: Hybrid / full electrical vehicles

6

7 EXTERNAL USE

Increasing Electrification vs ICE Downsizing/Removal

Arbitrary

SegmentationE1 E2 E3 E4

Common name Mild Hybrid Full Hybrid Plug-in HybridRange extended

EV

Pure Electric

Vehicle

Example

Honda Insight Toyota Prius Volvo V60 PHEV BMW i3 Nissan Leaf

Combustion

engine

Battery system

Charging

Electric Traction

10kW 50kW 50kW 125kW 80kW

48V HV HV HV HVLV LVLVLV12V

8 EXTERNAL USE

Parallel vs Series Hybrids

Parallel Hybrid:

- Torques from the Internal Combustion

Engine (ICE) and from the Electric Motor

(EM) add together.

- ICE and EM rotates at the same speed

- Very efficient for urban « stop-and-go »

conditions

Series Hybrid:

- No mechanical link between

the ICE and the wheels

- The vehicle is driven only by

electric motor

- Also called extended-range

electric vehicles

9 EXTERNAL USE

Market trends: Hybrid / full electrical vehicles

9

10 EXTERNAL USE

Peugeot 508 Hybrid4: 4-wheeler and full hybrid

- Diesel 2.0 HDI - 163ch

- Alterno-démarreur haute tension

réversible doté de la fonction Stop & Start

- Batterie 200V Ni-Mh (50kg)

- Moteur à aimants permanents – 37ch

11 EXTERNAL USE

Electric Vehicles: a few figures…

France World

Sales Passenger cars 2016 2.015.186 75-80 M

Sales Electric Vehicles 2016 21.800 750.000

Sales Renault Zoé (k) 11.400 24.000

Initial goals for Renault Zoé sales:

150k/year

12 EXTERNAL USE

Market Trends : Autonomous Vehicles

13 EXTERNAL USE

Advanced Driver Assistance Systems &

Autonomous Vehicles

14 EXTERNAL USE

Simplified Autonomous Vehicle Model

15 EXTERNAL USE

Vehicle-to-X Communication:

Saves Lives, Reduces CO2, Reduces Congestion

A paradigm shift in mobility

• Intelligence Transport

System (ITS):

A solution to avoid road

accidents, improve traffic

flow and enable

autonomous driving

Example: Intersection Movement Assist

17 EXTERNAL USE

V2X Communication

Main Concerns

PRIVACY:

CAN OTHERS TRACK ME WHILE DRIVING?

HIGH DEGREE OF ANONYMITY (IDENTITY HIDING)

REQUIRED TO PREVENT TRACKING

SECURITY:

WAS THE MESSAGE NOT MODIFIED?

DID IT REALLY ORIGINATE FROM CAR A?

CAN I TRUST CAR A?

CAR AND MESSAGE AUTHENTICATION REQUIRED

TO PREVENT TRAFFIC DISRUPTION OR IMPERSONATION

18 EXTERNAL USE

AUTOMOTIVE ELECTRONICS : AGENDA

1) Automotive electronics and semiconductor:

• Trends

• Specificities

• Technology

• Examples of application

• Functional Safety

2) Dissection of an automotive Microcontroler

• Core, Memories, Internal bus, Peripherals

• Dual-core, lock-step architecture

19 EXTERNAL USE

Electronique automobile : contraintes environnementales

Température:

[-40; 85]°C ou [-40; 105]°C dans l’habitacle

[-40; 125]°C sous capot moteur

[-40; 150]°C pour certaines applications à forte dissipation

Compatibilité electromagnétiqueFaibles émissions dans la bande FM (87.5Mhz – 108Mhz)

Immunité aux perturbations conduites et rayonnées

Tension batterie:12V nominale

Régulée à 13.7V par l’alternateur

Atteint 40V pendant #500msec lors de déconnexions

Descend à 3V pendant le démarrage moteur

Peut être négative en cas d’inversion de polarité

20 EXTERNAL USE

Electronique automobile : Qualité

AEC-Q100 Automotive Qualification:

All automotive integrated components should have passed some

stress tests to make sure their design and manufacturability

ensure a suitable level of quality for automotive applications.

HTOL : High Temperature Operating Life

Ta = 125°C for 1008 hours (42 days)

5.5V supply

50k erase/write cycles in flash

3 lots of 77 pieces

EDR : Flash Endurance, Data Retention

50k erase/write cycles in flash @125°C, -40°C

1008hours (42 days)

3 lots of 77 pieces

24 EXTERNAL USE

Automotive Electronics : Agenda

1) Automotive electronics and semiconductor:

• Trends

• Specificities

• Technology

• Examples of application

• Functional Safety

2) Dissection of an automotive Microcontroler

• Core, Memories, Internal bus, Peripherals

• Dual-core, lock-step architecture

25 EXTERNAL USE

Regulators for alternators

26 EXTERNAL USE

Powertrain: Regulators for alternatorsKnown Good Die (KGD)

2. The dies are

tested (probed) by

NXP. Black plots

show bad dies

1. Wafer’s dies are

cut by NXP

3. The dies are

assembled on the

mechatronic

package by the

customer

27 EXTERNAL USE

TPMS application diagram

28 EXTERNAL USE

Solutions for TPMS

Networking:• RF Transmitter

Microcontroller:• Control and Data

Conversion

Diverse Sensing:• Pressure

• 2-Axis MEMS

Accelerometer

29 EXTERNAL USE

Automotive Electronics : Agenda

1) Automotive electronics and semiconductor:

• Trends

• Specificities

• Technology

• Examples of application

• Functional Safety

2) Dissection of an automotive Microcontroler

• Core, Memories, Internal bus, Peripherals

• Dual-core, lock-step architecture

30 EXTERNAL USE

Automotive electronics : Functional safety

2009–11 Toyota vehicle recalls:

As of January 28, 2010, Toyota had announced recalls of

approximately 5.2 million vehicles for an accelerator pedal

problem.

21 deaths were alleged due to the pedal problem since

2000.

On October 24, 2013, a jury found that unintended

acceleration could have been caused due to deficiencies in

the Electronic Throttle Control System (ETCS). Toyota did

not follow best practices for real time life critical software,

and that a single bit flip which can be caused by cosmic rays

could cause unintended acceleration.

As well, the run-time stack of the real-time operating system

was not large enough and that it was possible for the stack

to grow large enough to overwrite data that could cause

unintended acceleration.From Wikipedia, the free encyclopedia

31 EXTERNAL USE

Source of High Energy Particles

primary cosmic particles (80% protons. 19% Alpha-particles) with

kinetic energy of 1 GeV -100 EeV (1020eV) collide with

atmosphere generating a shower of secondary particles at

terrestrial level.

Freescale, the Freescale logo, AltiVec, C-5, CodeTEST, CodeWarrior, ColdFire, ColdFire+, C-Ware, the Energy Efficient Solutions logo, Kinetis,

mobileGT, PowerQUICC, Processor Expert, QorIQ, Qorivva, StarCore, Symphony and VortiQa are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.,

Reg. U.S. Pat. & Tm. Off. Airfast, BeeKit, BeeStack, CoreNet, Flexis, Layerscape, MagniV, MXC, Platform in a Package, QorIQ Qonverge, QUICC

Engine, Ready Play, SafeAssure, the SafeAssure logo, SMARTMOS, TurboLink, Vybrid and Xtrinsic are trademarks of Freescale Semiconductor,

Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. © 2012 Freescale Semiconductor, Inc.

33 EXTERNAL USE

The problem

?

34 EXTERNAL USE

Functional Safety Defined

• Functional safety is the absence of

unreasonable risk due to hazards

caused by malfunctioning behavior of

electrical/electronic systems

− Hazards: potential source of harm

− Harm: physical injury or damage to the

health of people

− Systematic: failures, related in a deterministic

way to a certain cause, that can only be

eliminated by a change of the design or

manufacturing process, operational procedures,

documentation or other relevant factors

− Random: failures that can occur unpredictably

during the lifetime of a hardware element and

that follow a probability distribution

36 EXTERNAL USE

ASIL definition

• Hazard: Safety Dreaded Event at system level

• ASIL: Automotive SIL => criticality of a Hazard = f(E, C, S)

Failure

Exposure

(Use Case)

Sub-system

effect

System effect

HazardVehicle

effect

Controllability

Type of

accidentHarm

Severity of

the harm

µC output

goes off

Regulation

Loop OpenVoltage

Output

increasing

Driving At night

on wet road

Loss of

vehicle safety

functions

Ability of the driver

to stop his car

at a safe place

Frontal

shock

37 EXTERNAL USE

ASIL DefinitionAutomotive

SafetyIntegrity

Levels

SeverityEstimate of the extent of

harm to one or more

individuals that can occur

in a potentially hazardous

situation

ExposureState of being in an

operational situation that

can be hazardous if

coincident with the failure

mode under analysis

ControllabilityAbility to avoid a specified harm or

damage through the timely reactions

of the persons involved

- Steering lock

Air Bag Firing

38 EXTERNAL USE

Quantitative Requirements of ISO26262

ISO 26262:• Four Automotive SILs (ASIL)

• Three key metrics

- Probability of violation of safety goal (PVSG)

- Single Point Fault metric (SPFM)

- Latent Fault Metric (LFM)

• General requirements for CCF analysis

ASIL B ASIL C ASIL D

PVSG [1/h] <10-7 <10-7 <10-8

SPFM >90% >97% >99%

LFM >60% >80% >90%

39 EXTERNAL USE

Automotive Electronics : Agenda

1) Automotive electronics and semiconductor:

• Trends

• Specificities

• Technology

• Examples of application

• Functional Safety

2) Dissection of an automotive Microcontroler

• Core, Memories, Internal bus, Peripherals

• Dual-core, lock-step architecture

40 EXTERNAL USE

Leopard Family - MPC5643L

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

BA

M

Memory Protection Unit

Cross Bar SwitchMemory Protection Unit

FlexRay

RC

RC RC

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

RC

I/OBridge

SS

CM

FLP

LL

FM

PLL

IRC

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CM

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MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPUNexus

JTAG

Debug PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Core

• up to 120MHz PowerPC ISA Dual e200 zen4 core

• 2x4K I-cache

• Safety enhanced Cores + FPU + SPE + VLE + MMU

• Lock Step configuration + HW/SW monitoring

Memory

• Up to 1 MByte RWW Flash with ECC

• Up to 128 KByte SRAM with ECC

• EE emulation

• Dual crossbar with Memory Protection Units

I/O

• 2 x FlexCAN (32 message buffers each)

• 1 x FlexRay (32 msg. buffers, buffer payload size up 254 bytes)

• 2 x LINFlex

• 3 x DSPI

• 1 x External clock output

• 1 x FlexPWM (4x3 channels (A, B, X))

• 3 x eTimer modules (6 channels each)

• 2 x ADC (11 channels each, 12bit), 1 S/H per ADC

• 1 x Cross-triggering unit for motor control

System

• 16 Channels eDMA

• Autonomous Fault Collection and Control Unit

• CRC computing unit

• Software watchdog timer (inc. window mode, flow monitoring)

• 2 x Junction temperature sensor

• Nexus debug interface (up to N3+)

• FM-PLL + FlexRay PLL

• 3.3 V Single supply with external and internal ballast transistor

• 3.3 V I/Os (ADC 5 V capable)

• 144 LQFP / KGD

• Tj = 150°C

41 EXTERNAL USE

Power e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Power:

32bit RISC core

E200 is a low-cost variant used for automotive

FPU : Floating Point Unit (single

precision)

Extend computation capabilities

that are otherwise limited to

integer calculations

VLE : Variable Length Encoding

Instruction set allowing a mix of

16 and 32 bit instructions for a

better code density

MMU : Memory

Management Unit

- Allows to protect some

areas of the memory

against accidental

read/write/execution

- Define cacheability options

Intruction CACHE :

Accelerate access to on-chip

memories (RAM, Flash) that

are typically slower than the

core

Interfaces to the bus:

Dedicated ports for data and

instruction, allowing

simultaneous fetch of intruction

in flash and data in SRAM

42 EXTERNAL USE

Memories

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

BA

M

Memory Protection Unit

Cross Bar SwitchMemory Protection Unit

FlexRay

RC

RC RC

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

RC

I/OBridge

SS

CM

FLP

LL

FM

PLL

IRC

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Power

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MMU

VLE

CACHE

FPUNexus

JTAG

Debug PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Internal memories (Flash and

SRAM) are protected by ECC

(Error Correction Code).

These ECC allows to

automatically correct single

error, and detect double errors

43 EXTERNAL USE

Internal Bus

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

BA

M

Memory Protection Unit

Cross Bar SwitchMemory Protection Unit

FlexRay

RC

RC RC

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

RC

I/OBridge

SS

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FLP

LL

FM

PLL

IRC

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MMU

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CACHE

FPUNexus

JTAG

Debug PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Core

• up to 120MHz PowerPC ISA Dual e200 zen4 core

• 2x4K I-cache

• Safety enhanced Cores + FPU + SPE + VLE + MMU

• Lock Step configuration + HW/SW monitoring

Memory

• Up to 1 MByte RWW Flash with ECC

• Up to 128 KByte SRAM with ECC

• EE emulation

• Dual crossbar with Memory Protection Units

I/O

• 2 x FlexCAN (32 message buffers each)

• 1 x FlexRay (32 msg. buffers, buffer payload size up 254 bytes)

• 2 x LINFlex

• 3 x DSPI

• 1 x External clock output

• 1 x FlexPWM (4x3 channels (A, B, X))

• 3 x eTimer modules (6 channels each)

• 2 x ADC (11 channels each, 12bit), 1 S/H per ADC

• 1 x Cross-triggering unit for motor control

System

• 16 Channels eDMA

• Autonomous Fault Collection and Control Unit

• CRC computing unit

• Software watchdog timer (inc. window mode, flow monitoring)

• 2 x Junction temperature sensor

• Nexus debug interface (up to N3+)

• FM-PLL + FlexRay PLL

• 3.3 V Single supply with external and internal ballast transistor

• 3.3 V I/Os (ADC 5 V capable)

• 144 LQFP / KGD

• Tj = 150°C

44 EXTERNAL USE

Internal bus

The Crossbar

Switch is the internal

bus connecting all

the « masters »

(cores, eDMA) to the

resources -« slave »

- (memories,

peripherals)

The Crossbar

Switch allows

concurrent accesses,

as long as different

pairs of slave/master

are involved.

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

45 EXTERNAL USE

Peripherals

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

BA

M

Memory Protection Unit

Cross Bar SwitchMemory Protection Unit

FlexRay

RC

RC RC

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

RC

I/OBridge

SS

CM

FLP

LL

FM

PLL

IRC

OS

C

CM

U

CM

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MC

XO

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DS

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PI

DS

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CU

PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPUNexus

JTAG

Debug PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Typical peripherals embedded in an

automotive MCU:

- Communication

(LIN, CAN, FlexRay, SCI, SPI)

- Generation of PWM signals

- Analog to digital conversions

- Handling of clocks

46 EXTERNAL USE

Leopard Family - MPC5643L

Cross Bar Switch

I/O

Bridge

BA

M

Memory Protection Unit

Cross Bar SwitchMemory Protection Unit

FlexRay

RC

RC RC

FLASH

(ECC)

SRAM

(ECC)

RC

I/OBridge

SS

CM

FLP

LL

FM

PLL

IRC

OS

C

CM

U

CM

U

CR

C

PIT

MC

XO

SC

SIU

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S

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DS

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PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPUNexus

JTAG

Debug PMU

SWT

MCM

STM

INTC

eDMACACHE

Power

e200

MMU

VLE

CACHE

FPU

Core

• up to 120MHz PowerPC ISA Dual e200 zen4 core

• 2x4K I-cache

• Safety enhanced Cores + FPU + SPE + VLE + MMU

• Lock Step configuration + HW/SW monitoring

Memory

• Up to 1 MByte RWW Flash with ECC

• Up to 128 KByte SRAM with ECC

• EE emulation

• Dual crossbar with Memory Protection Units

I/O

• 2 x FlexCAN (32 message buffers each)

• 1 x FlexRay (32 msg. buffers, buffer payload size up 254 bytes)

• 2 x LINFlex

• 3 x DSPI

• 1 x External clock output

• 1 x FlexPWM (4x3 channels (A, B, X))

• 3 x eTimer modules (6 channels each)

• 2 x ADC (11 channels each, 12bit), 1 S/H per ADC

• 1 x Cross-triggering unit for motor control

System

• 16 Channels eDMA

• Autonomous Fault Collection and Control Unit

• CRC computing unit

• Software watchdog timer (inc. window mode, flow monitoring)

• 2 x Junction temperature sensor

• Nexus debug interface (up to N3+)

• FM-PLL + FlexRay PLL

• 3.3 V Single supply with external and internal ballast transistor

• 3.3 V I/Os (ADC 5 V capable)

• 144 LQFP / KGD

• Tj = 150°C

47 EXTERNAL USE

Dual Core Architecture: Modes of Operation

► 1x performance

► MCU mode which allows SIL3 with

minimal software overhead

► Formal check of outputs for replicated

IP modules

► Checker (RC) guarantee detection of

non-common cause faults when

redundant channels are merged

► 1.7x performance

► MCU mode which allows SIL3 with

algorithm diversity

► CPU cores and subsystems run

independently

► Checker units (RC) are disabled in this

mode

LSMLockStep Mode

DPMDecoupled Parallel Mode

▪ Device concept supports static configuration of the operating mode during Reset

▪ Selection between the two modes is done by programming a user option bit stored

in the shadow sector of the flash array

48 EXTERNAL USE

49 EXTERNAL USE

49

50 EXTERNAL USE

51 EXTERNAL USE

Automotive Electronic : Quiz

1. How many passenger cars were sold in 2016 ? What was the

proportion of electric/hybrid vehicles ?

2. What is the maximum battery voltage that a standard automotive ECU

must sustain ?

3. How the level of quality of automotive IC (integrated components) is

guaranteed ?

4. What is the difference between an automotive alternator and a bicycle’s

dynamo ?

5. How can memory corruption be detected in internal memories (Flash,

SRAM, Cache) ?

6. In a 32bit automotive MCU using a 90nm technology, what is the area

of the die used by 1M of flash ?

52 EXTERNAL USE

Code Correcteur d’erreur : exemple 1/3

Soit un bloc de 3 nombres que l’on souhaite stocker/transmettre.

23 15 12

A ce bloc de 3 nombres, on adjoint 2 nombres de contrôle:

• le premier est la somme des 3 nombres

23 + 15 + 12 = 50

• le deuxième est la somme pondérée des 3 nombres

23x1 + 15x2 + 12x3 = 89

Les 2 champs (données + contrôle) sont stockées en mémoire:

23 15 12 50 89

53 EXTERNAL USE

Code Correcteur d’erreur : exemple 2/3

Imaginons qu’une particule cosmique tombant sur la zone

de flash d’un micro ait changé un des nombres:

23 15 12 50 89 >> 23 19 12 50 89

A la lecture de cette case mémoire, le contrôleur flash

recalcule les 2 sommes de contrôle

23 + 19 + 12 = 54 ≠ 50

23x1 + 19x2 + 12x3 = 97 ≠ 89

Les sommes sont différentes: Il y a eu corruption de la

mémoire

54 EXTERNAL USE

Correction des erreurs:

Différence entre la somme calculée et la somme

stockée:

54 – 50 = 4

>> indique la valeur de l’erreur

Différence entre la somme pondérée calculée et la

somme pondérée stockée, divisée par la valeur de

l’erreur:

(97 – 89) / 4 = 2

>> indique le rang de l’erreur

23 19 12 >> 23 15 12

Code Correcteur d’erreur : exemple 3/3

55 EXTERNAL USE

AUTOMOTIVE COMMUNICATION BUSES

1) Multiplexing: What does it bring ?

2) LIN protocol

3) CAN protocol

4) FlexRay protocol

56 EXTERNAL USE

Qu’est-ce que le multiplexage ? 1/2

Exemple d’un module de portes, incluant les

fonctions de réglage de rétroviseurs, de verrouillage

de portes et d’ouverture des fenêtres

Système non-multiplexé:

57 EXTERNAL USE

Système multiplexé:

Qu’est-ce que le multiplexage ? 2/2

Les commandes (ouverture de fenêtres, réglages de rétroviseur,

verrouillage de portes, etc…) sont échangées sur le(s) même(s) fil(s): les

informations sont multiplexées.

58 EXTERNAL USE

M M

M M

M M M M

MM

59 EXTERNAL USE

M

M M

M

M

MM

M

M

M

M

M

Communication

60 EXTERNAL USE

Pourquoi le multiplexage ?

Le multiplexage permet:

• de réduire le nombre de fils et de connecteurs entre les

unités de calcul

• de réduire le poids du véhicule

• d’implémenter un diagnostic centralisé

• d’implémenter des fonctions électroniques plus élaborées

Source PSA

61 EXTERNAL USE

✓ 1985 Naissance du CAN (Robert Bosch Gmbh)

✓ 1991 Sortie de la Mercedes SL500, le premier véhicule de série avec multiplexage

✓ 1995 L’Audi A4 sort avec la gestion moteur multiplexée

✓ 1997 C'est le tour du Ford Galaxy d'avoir un réseau.

✓ 1998 Sur la Volkswagen Passat, le confort du véhicule est multiplexé.

✓ 2002 Sortie de la Renault Laguna II avec un réseau multiplexé véhicule qui relie

douze calculateurs, deux réseaux privatifs (un pour le contrôle de trajectoire, un autre

pour la fonction lève-vitre impulsionnel avec siège mémorisé), un réseau multimédia.

Historique du multiplexage automobile

62 EXTERNAL USE

Quelques standards de multiplexage dans l’automobileS

pee

d [

bit

/s]

LINmaster-slavesingle wire busno quartz

CAN-Bevent triggeredfault tolerantdual wire

CAN-Cevent triggered

dual wire

FlexRaytime triggered

fault tol, dependable

2x2 wire

25.6M

20K

2M

1M

125K

incremental cost per node [$]

D2B, MOSTtoken ring

optical bus

1 2 4.5 10

100MEthernetdual-wire

twisted pairs

63 EXTERNAL USE

Le protocole LIN

64 EXTERNAL USE

In the late 1990s, the LIN Consortium was founded by five automakers

(BMW, Volkswagen Audi Group, Volvo Cars, Mercedes-Benz), with the

technologies supplied (networking and hardware expertise) from Volcano

Automotive Group and Motorola.

65 EXTERNAL USE

Les spécificités du LIN

• Liaison série asynchrone sur un fil (enhanced ISO 9141)

• Vitesse de communication jusqu’à 20Kbit/s

• Accès au bus: Maître / Esclave (Maître unique)

✓ Pas de collisions

✓ Pas d’arbitrage nécessaire

• Implémentation bas-coût, à partir d’une liaison série “standard” (SCI,

UART)

✓ Pratiquement tout type de microcontrôleur dispose de cette interface

• Les noeuds esclaves se synchronisent sur le maître, sans avoir

besoin de cristal ou de résonateurs précis.

✓ Réduction des coûts pour l’implémentation des modules esclaves

67 EXTERNAL USE

La trame LIN

0 to 8 data fields checksum

message response

synch break

13 bit

synch field identifier

message header

byte field

SCI / UART format

start stop

0 1 2 3 4 5 6 7

LSB

68 EXTERNAL USE

Synchronisation: Echantillonnage d’un bit (1/2)

• Une UART échantillonne à un rythme 16x plus élevé que le datarate

• Seuls les échantillons 8, 9 et 10 déterminent la valeur du bit

• Le compteur du numéro des échantillons est mis à 1 après un front

descendant, ou lorsque ce compteur atteint 16

• Cette mise à zéro du compteur sur un front descendant est seulement

une correction de phase: le rythme de l’horloge n’est pas modifié

69 EXTERNAL USE

Synchronisation: Echantillonnage d’un bit (2/2)

Dans le cas le plus défavorable (octet de donnée 0x00), il n’y a qu’un front

descendant tous les 10 bits.

Il n’y a donc qu’une correction de phase tous les 10bits

Ce pire-cas détermine une synchronisation nécessaire entre le maître et les

esclaves de +/- 4%

Synchro 1

Stop-Bit 1Start-Bit 1

Octet 1 Octet 2

Start-Bit 2

Synchro 2

10 bits sans synchro

Synchro 2

70 EXTERNAL USE

Synchronisation: Echantillonnage d’un bit

Start Stop

Caractère

émis par

le maître

Synchronisation

0x00

Caractère recu

par un esclave

« lent »

(delta = +4%)

Mauvais stop bit0x01

Mauvais stop

bit

Caractère recu

par un esclave

« rapide »

Delta = -4%

0x00

0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

71 EXTERNAL USE

Synchronisation: Effet du décalage de masse entre noeuds

Le protocole LIN autorise un décalage de masse entre les ECU pouvant atteindre jusqu’à

20%. Ce décalage de masse a une influence sur la détection des fronts, et donc sur l’instant

de synchronisation des noeuds entre-eux.

Data timing

Sense v

oltage

Ceci a un impact direct sur la tolérance requise entre les horloges des noeuds

+/-4% +/-1.5%

72 EXTERNAL USE

Synchronisation

• +/-1.5% est une tolérance d’horloge difficilement atteignable par

des oscillateurs internes faible-coûts.

• Le “synch field” envoyé par le maître permet aux esclaves ayant

des horloges plus déviantes de se re-synchroniser, et de se placer

à l’intérieur des +/-1.5%

Ajustement du baudrate en

conséquence

Mesure du temps entre

chaque front du synchro

field, grâce à un timer

Synch field

73 EXTERNAL USE

LIN / Tolérance d’horloge

0 to 8 data fields checksumsynch break

13 bit

synch field identifier

Précision req = +/-14%

Resynchronisation

Précision req = +/-1.5%

74 EXTERNAL USE

LIN / Interface physique

UARTRx

Tx

Electronic Control Unit

master: 1k

slave: 30k

Bus

Example capacitances

master: 2.2nF

slave: 220pF

VBAT

8...18V

GND

logic ‘1’

logic ‘0’

60%

40%

Bus Voltage

Time

controlled slope

~2V/µs

75 EXTERNAL USE

LIN: Quiz

1. Quelles « fautes » le protocole LIN supporte t-il ?

2. Que se passe t-il si l’ ECU maître ne fonctionne plus ?

3. Que se passe t-il si deux ECUs essaient d’emettre des niveaux

différents en même temps ?

76 EXTERNAL USE

LIN / Interface physique

UARTRx

TxUART

Rx

Tx

Bus

VBAT

GND

1k 30k

Noeud 1 : Master Noeud 1 : Slave

Courant de court-circuit:

Vbat / 1kOhm # 10mA

77 EXTERNAL USE

Le protocole CAN

78 EXTERNAL USE

Development of Controller Area Network bus started originally in 1983

at Robert Bosch GmbH.[1]

The first CAN controller chips, produced by Intel and Philips, came on the

market in 1987. Bosch published the CAN 2.0 specification in 1991.

In 2012 Bosch has specified the improved CAN data link layer protocol, called

CAN FD, which will extend the ISO 11898-1.

Wolfhard LawrenzUwe Kiencke

79 EXTERNAL USE

Caractéristiques du bus CAN :

• Liaison série asynchrone sur deux fils

• Vitesse de communication jusqu’a 1Mbit/sec (500kbit/sec dans l’auto)

• Accés au bus CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ✓Des collisions peuvent se produire, elles sont detectées et arbitrées

• Détection et signalisation d'erreurs par tous les noeuds du réseau

✓Distinction entre des erreurs temporaires et des non-fonctionnalités permanentesau niveau d'un noeud

✓Déconnexion automatique des noeuds défectueux

Généralités

80 EXTERNAL USE

Représentation logique

A la prise de parole (lors de l’accès au bus), plusieurs noeuds

peuvent essayer d’emettre sur le bus (on parle de “collision”)

Ces collisions ne doivent pas provoquer de dommages electriques

Notion de bits récessif et dominant.

r

Emetteur 1

Emetteur 2

Bus

D

r

D

r

D

81 EXTERNAL USE

Si plusieurs trames sont émises en même temps:

1. Chaque noeud émet normalement et observe l’état du bus

2. L’état du bus est dicté par le caractère récessif ou dominant des bits émis

3. Un noeud émetteur observant sur le bus un état différent de celuiqu’il a émis, cesse l’émission et devient récepteur

Supposition: Noeuds synchronisés

CAN / Accès au bus: Arbitrage

82 EXTERNAL USE

Arbitrage -Exemple-

Bus Idle

SOF

Bus Idle

Bus Idle

Bus Idle

Emetteur 1

Emetteur 2

Emetteur 3

Etat du bus

Perte d’arbitrage

Plus d’emission

Perte d’arbitrage

Plus d’emission

Bit dominant

Bit recessif

83 EXTERNAL USE

La trame de données

DLC: Data Length Code

CRC: Cyclic Redundancy Check

ACK: ACKnowledge field

Start of Frame(SOF)

11 bits

Arbitrage

4 bits

Contrôle Données

0....8 octets

DLC

15 bits

CRC

Délimiteur CRC

Acquittement

ACK

7 bits

End Of Frame

(EOF)

3

Intermission

Identificateur

Recessif

Dominant

Variable

84 EXTERNAL USE

Contient 2 bits:

➢Le second est toujours récessif

➢L’emetteur du message envoie le premier dans l’état

récessif

➢Un récepteur ayant reçu le message avec succés, met ce

bit dans l’état dominant (acquittement)

Champ d’acquittement

85 EXTERNAL USE

Bit stuffing: Exemple

Séquence à

émettre

Séquence

émise

Séquence

traitée en

réception

s s

86 EXTERNAL USE

Compteurs d’erreurs

Deux compteurs au sein de chaque noeud:

➢Transmit Error Count (TEC)

➢Receive Error Count (REC)

Modifications de ces compteurs:

➢ Erreur "grave" TEC (ou REC) + 8

➢Erreur "normale" TEC (ou REC) +1

➢Trame émise correcte TEC-1

➢Trame reçue correcte REC-1

87 EXTERNAL USE

Etat des noeuds: lois de passage

Mode

Error Active

Mode

Bus OFF

Mode

Error Passive

REC < 128

et TEC < 128

REC > 127

ou TEC > 127

Requéte de Normal mode après

128 x (11 bits récessifs consécutifs)

TEC > 255

88 EXTERNAL USE

Trames d’erreur

• 2 TYPES DE TRAMES D'ERREURS :

− ACTIVE (Module en “error active”)

− PASSIVE (Module en “error passive”)

• FORMAT:

− ERROR FLAG: 6 bits dominants (active) ou récessifs (passive)

− ERROR DELIMITER: 8 bits récessifs

− entre ces deux champs, superposition des Flags des autres stations

Error Flag (6 bits)

Superposition des Error Flags(entre 6 et 12 bits)

Error Delimiter (8 bits)

89 EXTERNAL USE

Trames d’erreur -Exemple 1-

ERROR FLAG

Erreur détectée (pe CRC ERROR) Emission d’un flag d’erreur

Etat du Bus

Noeud 2 (active)Bit émis

Noeud 1 (active)Bits émis

ERROR FLAG

ERROR DELIMITER

ERROR DELIMITER

Erreur détectée (STUFF ERROR)

Bit récessif observé

sur le bus

Bit récessif observé

sur le bus

Trame de

données

90 EXTERNAL USE

Transceiver

Tx

Rx

d r d0v

5v

d r d0v

5vTra

nsceiv

er

CAN_H

CAN_L

VDIFF = CAN_H - CAN_L

TX et RX sont unidirectionnels

CAN_H et CAN_L sont bidirectionnels

91 EXTERNAL USE

Transceiver

125 kbits/sec 1 Mbits/sec

HIGH SPEED TRANSCEIVERSFAULT TOLERANT TRANSCEIVERS

3.5V

2.5V

1.5V

Dominant Récessif

VDIFF = 2V VDIFF = 0V

3.6V

2.5V

1.4V

Dominant Récessif

VDIFF = 2.2V VDIFF = - 5V

0V

5V

CAN_HIGH

CAN_LOW

92 EXTERNAL USE

CAN: Quiz

1. Que se passe t-il si une ECU cesse de fonctionner (coupure

d’alimentation par exemple) ?

2. Que se passe t-il si une ECU envoie très fréquemment des trames

CAN de haute priorité ?

3. Si une ECU cherche à émettre un message au temps T, au bout de

combien de temps ∆T le message sera effectivement transmis sur le

bus ?

93 EXTERNAL USE

Le protocole FlexRay

94 EXTERNAL USE

FlexRay is an automotive network communications protocol developed

by the FlexRay Consortium to govern on-board automotive computing.

It is designed to be faster and more reliable than CAN and TTP, but it is

also more expensive.

The FlexRay Consortium was made up of the following core members:

Freescale Semiconductor

Robert Bosch GmbH

NXP Semiconductors

BMW AG

Volkswagen AG

Daimler AG

General Motors

There were also Premium Associate and Associate members of

FlexRay consortium. By September 2009, there were 28 premium

associate members and more than 60 associate members.

95 EXTERNAL USE

Le bus CAN présente quelques défauts:

• Débit limité à 1Mbit/s théorique mais 500kbit/sec en pratique

• Bus non déterministe: selon la charge du bus, certaines trames peu

prioritaires peuvent être bloquées, ou retardées. Il n’est pas possible de

garantir l’instant d’émission d’un message

• Failles de sécurité:

✓Une simple erreur sur un noeud peut empecher toute communication

(“babling idiot”: un noeud envoie sans arrêt des messages prioritaires)

✓Interface physique unique

Motivation du bus FlexRay

96 EXTERNAL USE

Media Access Control

Time Division Multiple Access

5b

1d

3d

3e

4b5a

5a

1c

1c

3c

3c2a

1a

1b

Ch

an

ne

l B

Ch

an

ne

l A

4a

Communication Cycle

t

t

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

89

9

10

11

3a

Flexible Time DivisionMultiple Access

NIT

1

0

1

3b 2b

10

14

➢ Example FlexRay communication cycle

➢ Each node can send/receive messages only in a predefined slot

➢ Requires at least 2 static slots

➢ Dynamic slots are optional

(3a = Node 3 message A, 3b = Node 3 message B)

97 EXTERNAL USE

Flexray: avantages et cibles

• Le bus FlexRay est déterministe dans sa partie statique: l’instant

d’envoi d’un message est sous contrôle et prédictible.

• FlexRay a d’abord été conçu pour les applications dites « Safety

critical »:

• Electrical Power Steering

• Steering angle sensors

•X-by-Wire applications

• etc…