センサとアクチュエータの統合とインタフェース

最近の車両システムでは、多数の部品の正確かつ効果的な相互作用が重要です。この種の効率は、センサとアクチュエータが使用するインタフェースに大きく依存します。これらのインタフェースは、情報の流れを制御するだけでなく、通信の信頼性と品質を決定します。では、アナログインタフェースとデジタルインタフェースの違いと、存在する通信プロトコルの範囲について調べてみましょう。

アナログインタフェースとデジタルインタフェース

アナログインタフェース

• 特性: アナログインタフェースは、周波数または振幅が変動する連続信号を使用してデータを送信します。
• 長所: 測定または制御された量を明確に表示し、使いやすく、価格も手頃です。
• 短所: 範囲が限られており、ノイズ干渉の影響を受けやすいため、複雑なシステムや長距離通信には適していません。実際には、アナログセンサの配線には特別な注意が必要です。隣接する車両部品からのグランド誘導ノイズを防止するために、接続するECUは、そのセンサ専用の個別のセンサグランドを供給する必要があります。
• 用途: 圧力センサや温度センサなどの単純なセンサでよく見られ、出力信号は測定される量に比例する場合があります。たとえば、NTC抵抗器はコストが非常に低いため、自動車市場で頻繁に使用されています。

デジタルインタフェース

• 特性: 離散信号 (主にバイナリ信号、0と1) は、デジタルインタフェースによってデータを送信するために使われます。
• 長所: 正確で強力なノイズ耐性を提供します。
• 短所: 通常、アナログセンサよりもコストが高くなります。さらに、DSPとマイクロコントローラインタフェースからのさらなる演算能力も必要になります。たとえば、シンプルなホール効果センサは軸の速度に比例したパルスのストリームを生成しますが、SPIやI2Cなどのデジタルプロトコルを使用するデジタルセンサでは、あらゆる可能性のあるプロトコル障害のタイプから保護し、回復するために信頼性の高い回避策が必要です。
• 用途: 正確な制御とデータ収集が不可欠な現代の自動車システムでは一般的です。

センサの通信プロトコル

現在の車載システムでは、シームレスな操作と統合を実現するために、センサと電子制御ユニット (ECU) 間、または複数のセンサ間の通信が不可欠です。これを実現するために、車載センシング専用に設計された通信プロトコルが数多く開発されています。

インターインテグレーテッドサーキット (I²C)

• 用途: これは、パケット交換、シングルエンド、マルチマスター、マルチスレーブ方式のシリアル通信プロトコルです。低速の周辺集積回路 (IC) をマイクロコントローラやプロセッサに接続するためによく使用されます。
• 例: この例としては、車の周辺光センサが挙げられます。これは、ダッシュボードの照度を決定する際に車のシステムを支援し、I²Cプロトコルは、使いやすさと低速データ転送の有効性により採用されています。

シングルエッジニブル伝送 (SENT)

• 用途: SENTは、センサの読み取り値をコントローラからセンサに送信できるようにするポイントツーポイントプロトコルです。消費電力が低く、センサ接続ピンが最小限に抑えられるように設計されています。
• 例: SENTプロトコルは、システムのオーバーヘッドをあまりかけずに高分解能のデータ配信を可能にするため、多くの最新のスロットルポジションセンサで使用されています。

ワンワイヤ

• 用途: このプロトコルは、その名前が示すように、通信に1本のワイヤだけを必要とします。低速データ伝送用の自動車設定での使用を目的としています。
• 例: タイヤ空気圧モニタリングセンサは、接続がそれほど複雑ではなく、データの送信頻度も低いため、ワンワイヤプロトコルを使用する場合があります。

シリアル ペリフェラル インタフェース (SPI)

• 用途: SPIは、個別のクロックラインとデータラインに加えて選択ラインを使用してターゲットデバイスを選択する同期シリアル通信プロトコルです。
• 例: SPIの全二重伝送と高速データレートにより、一部の高速ジャイロセンサは自動車の高度な安定制御システムに使用されています。

コントローラ エリア ネットワーク (CAN)

• 用途: CANは、より高レベルの車両通信用の一般的なプロトコルですが、特に異なるシステム間でデータを転送する必要がある一部のセンサでも使用されます。信頼性が高く、ノイズの多い環境でも機能し、リアルタイムのアプリケーションに適しています。
• 例: CANの信頼性と送信されるデータの重要性により、トラクションコントロールやアンチロックブレーキシステム (ABS) に不可欠なホイールスピードセンサは、多くの場合CANを介して通信します。

ローカル相互接続ネットワーク (LIN)

• 用途: 車内の重要でないサブネットワークの場合、CANよりも手頃なオプションです。これは、自動車部品間の通信を容易にするシリアル ネットワークプロトコルです。CANの信頼性と送信されるデータの重要性により、トラクションコントロールやアンチロックブレーキシステム (ABS) に不可欠なホイールスピードセンサは、多くの場合CANを介して通信します。
• 例: LINは使いやすく、価格も手頃なので、外部の状況に応じてワイパーやヘッドライトを調整する雨や光を検出するモジュールに活用される場合があります。

自動車内のセンサと制御ユニットが効果的に通信するには、いくつかのプロトコルが不可欠です。これらを使用することで、自動車は幅広いセンサをスムーズに統合し、パフォーマンス、安全性、運転体験全体を向上させることができます。

統合の課題とソリューション

車載システムの複雑化が進むにつれて、複数のセンサとアクチュエータの複雑な統合が必要になります。この種の接続は、洗練された機能と最適化に大きな期待が寄せられていますが、欠点もあります。これらの障害に効果的に対処することは、信頼性と最高のパフォーマンスを保証するために不可欠です。部品が互いに互換性があることを確認し、電磁障害 (EMI) を制御することは、統合における最も重要な2つの問題です。

部品間の互換性の確保

課題

車載システムにおける課題は、さまざまなメーカー、さまざまな技術の時代、さまざまな設計パラダイムに由来する可能性のある、さまざまなセンサとアクチュエータです。これらの違いにより、物理コネクタ、通信プロトコル、電圧レベル、電流能力に問題が発生する可能性があります。

ソリューション

標準化: 標準化されたインタフェース、電圧、通信プロトコルを使用することで、互換性の問題を大幅に軽減できます。たとえば、SAE規格やISO規格では、特定の自動車の用途に関する推奨事項を提供できます。

• 国際標準化機構 (ISO): 安全性と品質の両方を保証する世界基準を提供します。たとえば、ISO 14229とISO 15765は車両通信システムの標準を確立し、ISO 26262は車両電子システムの機能安全性を扱っています。
• 国際標準化機構 (SAE): 自動車とその部品の規格はSAEによって規定されています。特に、SAE J1979はオンボード診断システムの標準を確立し、SAE J1939は過酷な環境での通信を容易にします。

インタフェースモジュール: 異なる部品が問題なく相互に通信できるようにするには、異なるプロトコル間で変換したり、電圧や電流レベルを変更したりできるインタフェース モジュールまたはゲートウェイを使用します。

統合開発プラットフォーム: 同じプラットフォームまたは環境で開発とテストを行うことで、不整合を減らすことができます。たとえば、さまざまな部品を収容できる、自動車専用に設計されたプラットフォームを使用すると有利になる可能性があります。

包括的なドキュメント: すべての部品について、そのインタフェース、仕様、要件を概説した包括的なドキュメントを保持することが不可欠です。システムインテグレータは、この情報を使用して互換性を判断し、賢明な判断を下すことができます。

センサとアクチュエータ用の手順

センサとアクチュエータが連携して動作し、干渉に対処できることを確認することだけが、車載システムにそれらをうまく統合するために必要なことではありません。これらの部品が正確に、確実に、そして一貫して動作することを確認することが重要です。ここで、信頼性分析、品質保証、校正とテスト、検証が重要になります。

センサまたはアクチュエータを較正するプロセスでは、その応答を修正して、その読み取り値または動作が実際の値に対応することを確認します。

センサの較正

• 手順: このプロセスでは、さまざまな既知の状況にセンサをさらした後のセンサの反応を記録します。その後、出力は (ハードウェアまたはソフトウェアを使用して) 予想される値と一致するように変更されます。
• 例: 温度センサは、出力が既知の入力値と一致することを保証するために変更が加えられながら、正確な温度範囲にさらされる場合があります。センサ製造元、自動車業者、またはその両方が較正プロセスを実行する場合があります。

アクチュエータの較正

• 手順: アクチュエータに供給される制御信号を変更し、その反応を測定し、必要に応じて調整して、目的の結果を得ます。
• 例: ソレノイドが各レベルに適切な力または変位を確実に提供できるように、異なる電流レベルで駆動される場合があります。電流と変位の相関関係は、組立ライン上の部品ごとに個別に決定でき、たとえば、ECUのDSPまたはマイクロコントローラ内の統合された参照テーブルとして利用できます。