Sensorsysteme für zuverlässige Fahrzeugsicherheit dank PSI5

Sicherheit hat beim Automobilbau oberste Priorität, weswegen Entwickler immer mehr Sensoren und Fahrerassistenzsysteme integrieren. Das Problem dabei ist, dass diese Systeme eine gemeinsame Schnittstelle benötigen und trotz der enormen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, der Vibrationen und der Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit dazu in der Lage sein müssen, zuverlässig und fehlerfrei miteinander zu kommunizieren.

Entwickler sollten daher unbedingt einen Blick auf sensorbasierte Lösungen werfen, die mit der peripheren Sensorschnittstelle PSI5 (Peripheral Sensor Interface 5) kompatibel sind. Hierbei handelt es sich um eine robuste, wenig störungsanfällige Schnittstelle, die ursprünglich für Airbag-Systeme verwendet wurde und die in zunehmendem Maße in aktuellen Automobilanwendungen mit einer Vielzahl von Sensoren zum Einsatz kommt.

Dieser Artikel gibt eine Einführung zum PSI5-Bus, bevor verschiedene PSI5-Systemlösungen vorgestellt und beschrieben werden und auf ihre Verwendung zur Konfiguration eines sensorbasierten Steuersystems eingegangen wird.

Die periphere Sensorschnittstelle (PSI5)

Die PSI5-Schnittstelle wird zur Verbindung mehrerer Sensoren mit elektronischen Steuereinheiten (ECUs) verwendet. Sie wurde als primärer Bus für die Sensorkommunikation in Airbag- und den zugehörigen Rückhaltesystemen eingesetzt. Dieser offene Standard kann von der Website der PSI5-Organisation auf PSI5.org heruntergeladen werden. Die aktuelle Spezifikation ist die PSI5-Version 2.3, die als gemeinsamer Basisstandard für alle Sub-Standards inklusive derjenigen für Airbag-System, Fahrwerks- und Sicherheitskontrolle sowie Antriebsstrang veröffentlicht wurde.

Der PSI5-Standard ist als Zweidrahtbus (Twisted-Pair-Bus) implementiert, wobei eine strommodulierte Datenübertragung mit Manchester-Codierung bei Datenraten von 125 kbit/s (optional 189 kbit/s) verwendet wird. Im Vergleich zu anderen üblichen Datenbussen in der Automobiltechnik handelt es sich um eine Schnittstelle mittlerer Geschwindigkeit (Tabelle 1).

Tabelle 1: In der Automobiltechnik übliche Datenbusse im Vergleich. PSI5 ist eine Schnittstelle mittlerer Geschwindigkeit. (Datenquelle: DigiKey)

PSI5 bietet im Segment der mittleren Geschwindigkeiten den Vorteil, dass es günstiger ist als CAN oder FlexRay und dennoch eine mit Sensordaten kompatible Datenrate bietet. Der SENT-Datenbus ist ebenfalls für die Übertragung von Sensordaten gedacht, ist jedoch dahingehend eingeschränkt, dass er ausschließlich Daten vom Sensor an die elektronische Steuereinheit (ECU) senden kann. PSI5 ist bidirektional und ermöglicht dadurch die Adressierung und Konfiguration von Sensoren.

Eine typische Implementierung von PSI5 in einer ECU für die Automobiltechnik umfasst einen Mikrocontroller, der mehrere Schnittstellen unterstützt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Blockdiagramm einer Mikrocontroller-ECU aus der Automobiltechnik, die E/A-Ports für in der Automobiltechnik übliche Datenbusse bietet, PSI5 inklusive. (Bildquelle: DigiKey).

Die Kästchen rechts neben dem Mikrocontroller in Abbildung 1 zeigen die unterstützten E/A-Ports. Hierbei handelt es sich um Ethernet-, CAN- (Controller Area Network), LIN- (Local Interconnect Network) und FlexRay-Kommunikationsbusse für die Automobiltechnik sowie SENT- (Single Edge Nibble Transmission) und PSI5-Sensorschnittstellen. Diese Kfz-ECUs sind hochintegriert und können Delta-Sigma-Analog/Digital-Wandler (ADW) für schnelle und exakte Sensormessungen umfassen.

Bitübertragungsschicht von PSI5

Die ECU ist über zwei Drähte mit den Sensoren verbunden. Die Verwendung einer verdrillten Zweidrahtleitung reduziert die Implementierungskosten im Vergleich zu den anderen Bussen, die drei oder mehr Drähte verwenden. Dieselben zwei Drähte werden für die Strom- und die Datenübertragung verwendet. Die ECU kann einen integrierten oder einen separaten PSI5-Transceiver nutzen, um die Sensoren mit einer geregelten Spannung zu versorgen und die von den Sensoren übertragenen Daten zu lesen. Die Sensordaten werden durch Strommodulation unter Verwendung der Manchester-Codierung an die ECU übertragen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Manchester-Codierung der PSI5-Schnittstelle nutzt die Stromübergänge nach der Hälfte eines Bitzeit-Intervalls. Teledyne LeCroy hat mit dem Modell HDO4104A ein digitales Oszilloskop mit einem optionalen Manchester-Decoder im Angebot. (Bildquelle: DigiKey)

Die Daten werden vom Sensor übertragen, indem die Stromstärke vom Basisstrom (dem Nenn-Ruhestrom des Sensors) auf den Maximalwert erhöht wird. Im Beispiel betragen der Basisstrom 10 Milliampere (mA) und der Maximalwert 40 mA, was einen Unterschied von 30 mA bedeutet.

Die Manchester-Codierung nutzt die Stromübergänge nach der Hälfte eines Bitzeit-Intervalls. Die Strommodulation wird im PSI5-Transceiver erkannt, wobei eine logische „0“ durch eine positive Flanke und eine logische „1“ durch eine negative Flanke repräsentiert werden. In der Abbildung ist ein Bitzeit-Intervall durch die vertikalen Cursor markiert. Das Oszilloskop HDO4101A von Teledyne LeCroy mit einem optionalen Manchester-Decoder unterteilt das PSI5-Paket in dreizehn Bitzeiten, die durch die vertikalen blauen Linien angezeigt werden. Die Stromübergänge nach der Hälfte eines Bitzeit-Intervalls repräsentieren die Datenwerte, die das Oszilloskop den Übergängen überlagert.

Die ECU kommuniziert mit den PSI5-Sensoren mittels Spannungsmodulation. Diese Methode wird auch verwendet, um die Datenübertragung von den Sensoren zu synchronisieren.

Wenn nur ein Sensor mit der ECU verbunden ist, steuert dieser Sensor Timing und Wiederholungsrate der Datenübertragung. Sind mehrere Sensoren angeschlossen, werden Synchronisierung und Datenübertragung von der ECU gesteuert. Mehrere Sensoren können in einer Parallel- oder Buskonfiguration oder in einer Reihenschaltung von Sensoren angeschlossen werden. Auf die verschiedenen Konfigurationen wird im Artikel später genauer eingegangen.

Datenverbindungsschicht

Die Daten-Frames von PSI5 bieten ein hohes Maß an Flexibilität (Abbildung 3). Zusätzlich zu einer Basisstruktur mit drei primären Komponenten gibt es eine erweiterte funktionale Struktur.

Abbildung 3: Die Struktur des Datenrahmens von PSI5 zeigt sowohl die Basis- als auch die erweiterten Segmente im Bereich der Nutzdaten. (Bildquelle: DigiKey)

Die Basisstruktur enthält die folgenden Pflichtbestandteile:

1. Ein Startbit-Feld, das zwei Bit enthält, die immer als „00“ codiert sind.
2. Ein Datenfeld mit Nutzdaten, die eine beliebige Bitanzahl zwischen 10 und 28 Bit enthalten, die mit D0 bis D27 bezeichnet sind.
3. Ein Fehlerkorrektursegment, das sowohl ein einzelnes Paritätsbit P als auch einen 3-Bit-CRC (Cyclic Redundancy Check) – C0 bis C2 – unterstützt.

Die erweiterte Datenstruktur umfasst Steuer-, Kommunikations- und Statusdaten (siehe Tabelle 2).

Tabelle 2: Zusätzliche optionale Feldsegmente für das PSI5-Datenpaket mit Unterfeldern sorgen für mehr Flexibilität. (Datenquelle: DigiKey)

Das PSI5-System

NXP Semiconductors bietet mit dem RDAIRBAGPSI5-001 ein Referenzdesign für ein Airbag-Steuersystem an, das die Elemente eines PSI5-basierten Sensordesigns aufweist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein Blockdiagramm einer Airbag-Referenzplattform von NXP Semiconductors zeigt die Elemente einer PSI5-basierten Sensorschnittstelle. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

In diesem Referenzdesign wird ein PSI5-Transceiver-ASSP von NXP als Schnittstelle zwischen den Sensoren und dem Mikrocontroller verwendet. Dieses ASSP ist eine Mixed-Mode-Komponente (analog/digital), die für mehrere Funktionen im Zusammenhang mit dem Rückhaltesystem zuständig ist. Auf der Sensorseite werden bis zu vier Sensorkanäle unterstützt, die für Stromversorgung und Steuerung zuständig sind.

PSI5-Sensoren

In Fahrzeugen kommen häufig Beschleunigungs-, Temperatur- und Drucksensoren zum Einsatz. In Airbag-Systemen werden primär Beschleunigungsmesser verwendet. In der Regel befindet sich in der Nähe der ECU ein lokaler Beschleunigungsmesser. Darüber hinaus sind im ganzen Fahrzeug mehrere Beschleunigungsmesser verteilt, die als Satellitensensoren bezeichnet werden. Die ECU des Airbag-Systems arbeitet mit den Daten mehrerer Sensoren, um den ausfallsicheren Betrieb zu gewährleisten. Falls ein Satellitensensor eine Verlangsamung misst, fragt die ECU auch die Daten des lokalen Beschleunigungsmessers ab, um zu prüfen, ob es sich tatsächlich um einen „Aufprall“ handelt und nicht nur um einen ausgefallenen Beschleunigungsmesser.

Bei einem typischen Beschleunigungsmesser eines Airbag-Systems handelt es sich um einen 1-Achsen-Sensor, der für die Anwendung in der Automobiltechnik geeignet ist und über einen in Zweierschritten konfigurierbaren Sensorbereich von ±30 g bis ±480 g verfügt. Er unterstützt eine direkte PSI5-Verbindung und die bidirektionale Kommunikation – synchron parallel und per Reihenschaltung. Diese Beschleunigungsmesser können als Frontal- oder Seitenaufprallsensoren, als Stoß- und Vibrationssensoren oder zur Vermeidung einer Kollision mit Fußgängern verwendet werden.

Verbindungstopologien für PSI5-Sensoren

Bei der Verwendung von Beschleunigungsmessern bietet PSI5 mehrere Möglichkeiten, um die Sensoren mit der ECU zu verbinden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Vier Beispiele für PSI5-Sensorverbindungstopologien, die von Entwicklern verwendet werden können, um Beschleunigungsmesser in ihre Designs zu integrieren. In allen Beispielen werden von der ECU über den PSI5-Transceiver der Sensor mit Strom versorgt und die Sensordaten gelesen. (Bildquelle: DigiKey)

Die Abbildung zeigt vier mögliche Sensorverbindungen mit der ECU, die von PSI5 unterstützt werden. In allen Beispielen werden von der ECU über den PSI5-Transceiver der Sensor mit Strom versorgt und die Sensordaten gelesen. In den synchronen Topologien ist die ECU außerdem für die Steuerung der Sensoren zuständig. Das Timing-Diagramm in Abbildung 6 verdeutlicht die Unterschiede zwischen den verschiedenen Betriebsmodi.

Abbildung 6: Die Timing-Sequenzen für die vier PSI5-Verbindungstopologien reichen von einfachen Point-to-Point- bis hin zu synchron-parallelen Verbindungen. Das Timing in den synchronen Modi geht von der ECU aus, die hierfür einen spannungsmodulierten Synchronisationsimpuls verwendet. (Bildquelle: DigiKey)

Am einfachsten lässt sich ein Beschleunigungsmesser über eine direkte oder Point-to-Point-Verbindung anschließen. In diesem Modus versorgt die ECU den Sensor mit Strom, der in regelmäßigen Abständen die Daten überträgt. Timing und Wiederholungsrate der Datenübertragungen werden dabei vom Sensor gesteuert.

Ein ähnlicher Modus liegt vor, wenn ein aus mehreren Sensoren (z. B. Temperatur-, Druck- oder mehrachsige Bewegungssensoren in einem Paket) bestehendes Sensor-Cluster direkt angeschlossen wird. Diese Verbindung kann entweder in einem synchronen oder einem asynchronen Timing-Modus implementiert werden. Die Daten der verschiedenen Sensoren können gemultiplext oder, wie hier gezeigt, in zwei verschiedenen Datensegmenten innerhalb desselben Pakets zusammengefasst werden.

Das Timing in den synchronen Modi geht von der ECU aus, die hierfür einen spannungsmodulierten Synchronisationsimpuls verwendet.

Die Parallelschaltung verteilt die einzelnen Sensoren über den gesamten Bus. Die Datenübertragung wird durch das Synchronisationssignal von der ECU ausgelöst. Jeder Sensor überträgt seine Daten daraufhin innerhalb des ihm zugewiesenen Zeitfensters.

In der Reihenschaltung haben die einzelnen Sensoren keine feste Adresse und können mit jedem Anschluss des Busses verbunden werden. Bei der Inbetriebnahme wird jedem Sensor eine individuelle Adresse zugewiesen und anschließend wird die Versorgungsspannung an den nachfolgenden Sensor angelegt. Die Adressierung erfolgt über eine bidirektionale Kommunikation zwischen ECU und Sensor über ein spezielles Synchronisationssignalmuster, das als Adressierungssequenz bezeichnet wird. Nach der Zuweisung der individuellen Adressen beginnen die Sensoren auf die von der ECU generierten Synchronisationsimpule hin innerhalb der entsprechenden Zeitfenster mit der Datenübertragung.

Fazit

Damit unsere Fahrzeuge sicherer werden, wird von den Entwicklern verlangt, immer mehr Sensoren einzubauen. Wie gezeigt, bietet der PSI5-Bus eine überaus zuverlässige und interoperable Möglichkeit zum Anschluss mehrerer Sensoren. Er bietet dabei Flexibilität sowohl bei der physischen Konfiguration als auch bei der Datenpaketstruktur.