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DSP - ELECTRÓNICA EN
AUTOMOCIÓN
Juan Ramón Suárez Santana
Curso 2008/2009
CONTENIDO

Introducción

Procesadores Digitales de Señales

La Electrónica en Automoción


Factores que influyen en la elección de un procesador

Procesado Digital de Señales en automoción
Aplicaciones en Automoción

ABS, TCS, ECS, EBD, Sistemas de Suspensión Adaptativa,
Sistemas de Presión de Neumáticos.

Noticias y Tendencias Futuras

Concusiones
INTRODUCCIÓN

Tendencia actual  Automatizar




Mejorar la calidad de vida
Aumentar la seguridad
Reducir costes
Incluimos sensores y actuadores
en nuestro entorno, que captan
las señales y las envían a otros
dispositivos para tratarlas y
controlar el sistema 
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
(DSP)

Características Generales:

DSP  sistema programable que permite implementar
muchos tipos de aplicaciones en función de los
requerimientos del sistema.

Diferencia entre DSP y GPP 

DSP  Diseñado para tareas de altas prestaciones.

GPP/Microcontroladores  no están especializados para
ninguna aplicación concreta.

Aplicaciones:

Filtros de compresión de voz y decodificación de
canales en telefonía móvil.


Electrónica de Consumo

Procesamiento de imágenes.

Control de motores.

Sistemas Radar.
4 grandes fabricantes:

Arquitectura:

Optimizada para realizar cálculos intensos en
sistemas de procesado de señal en tiempo real,
mediante:

Implementación de operaciones por hardware.

Modos de direccionamiento especiales.

Arquitecturas de memoria que permiten un acceso múltiple.

Instrucciones poco comunes que ejecutan varias operaciones
en un solo ciclo.

Flujo de programa diseñado para acelerar la ejecución de
operaciones repetitivas.

Organización de la memoria:

Arquitectura Harvard (memoria de
datos/instrucciones separadas)  Acelera la ejecución
de instrucciones

Esto permite leer los datos de la instrucción n y
decodificar la instrucción n+1 simultáneamente  se
reduce el tiempo total de ejecución de cada
instrucción.

Velocidad:

Parámetro de medida  Tiempo de ciclo de instrucción
(tiempo necesario para ejecutar la instrucción más rápida
del procesador)

Consumo:

Dado el uso de los DSP en aplicaciones portátiles, los
fabricantes ya implementan DSP que trabajan a bajas
tensiones (3-3.3V) con prestaciones de gestión de energía:

Modos Sleep: inhiben la señal de reloj algunas partes del DSP.

Divisores de Reloj Programables: permite realizar tareas a
velocidades inferiores.

Arquitecturas de Altas Prestaciones:

VLIW (Very Long Instruction Word)

Relacionadas con los procesadores superescalares ya que
ambos tratan de aumentar la velocidad de cómputo
mediante el paralelismo a nivel de instrucciones.

Adoptadas por los DSP de altas prestaciones.

Aprovechan el silicio utilizado para la planificación de
instrucciones para incorporar más unidades funcionales
y aumentar el paralelismo de ejecución .

Incrementan la velocidad de reloj y reducen el consumo.
ELECTRÓNICA EN AUTOMOCIÓN
Los automóviles actuales incorporan múltiples
procesadores conectados a través de múltiples redes
digitales que controlan y optimizan la mayoría de los
sistemas presentes en él.
 Factores que influyen en la elección de un procesador
para automoción:


1 Adecuados o no para automoción.

2 Grado de Integración.

3 Rendimiento.

4 Precio.

5 Consumo de Energía.

6 Criterios Software.

1 Adecuados o no para automoción:



Existen sistemas (frenos, control del motor, airbag, etc.)
que influyen críticamente en la seguridad  se necesitan
procesadores de gran fiabilidad y durabilidad.
Para otros sistemas (navegación, entretenimiento) no son
necesarios procesadores específicos para automoción.
2 Grado de Integración (1):

Es conveniente disponer de un procesador que tenga
integrados en el mismo chip:
Memoria
 Interfaces de Entrada/Salida
 Periféricos necesarios
 Se consigue mayor rendimiento.
 Se aumenta la fiabilidad.
 Se reduce el consumo de energía y el coste final.


2 Grado de Integración (2):

Por ejemplo, un sistema de control del motor recibe una
docena de señales (velocidad del motor, temperatura, etc.),
se digitalizan, filtran y analizan, y el controlador genera las
salidas de inyección de carburante:

3 Rendimiento:

Depende de la aplicación para la que se utilicen.

Para el control de sistemas críticos (frenos, motor, etc.) se
necesitan chips capaces de trabajar en entornos más hostiles 
se puede conseguir con tecnologías de fabricación de 0.18-0.25
micras con una velocidad de procesado de 40-150 MHz.

Para los sistemas de entretenimiento recientes (DVD, sistema de
navegación, GPS, etc.) se necesita más potencia de procesado
digital  procesadores de 200-700 MHz

DSP

Procesadores de propósito general mejorados (DSP-enhanced GPP)

Híbridos entre los 2 anteriores.
4 Precio:
Actualmente los fabricantes han sido capaces de crear
procesadores altamente especializados a precios
asequibles, aunque mayores que los de propósito
general.
5 Consumo de Energía:
No plantea demasiados problemas, ya que casi todos los
sistemas se ponen en funcionamiento con el vehículo
en marcha y la batería cargándose.
6 Criterios Software:
El software para procesado digital de señales en
automoción puede estar desarrollado en:
Lenguaje de alto nivel (facilidad y portabilidad del programa)
Lenguaje ensamblador (eficiencia del programa prioritaria)
PROCESADORES EN AUTOMOCIÓN

1. Procesadores de Propósito General (GPP) (1):

Basados en arquitecturas RISC.

Usan instrucciones simples, genéricas y de bajo nivel de
paralelismo.

Gran eficiencia en algoritmos en los que la toma de
decisiones y los cambios de control de flujo son
importantes.

Arquitecturas más conocidas: MIPS, ARM, PowerPc.

Ejemplos:

Familia TMS470 de Texas Instruments (núcleo ARM7)

MPC500 de Freescale (núcleo PowerPC)

Integran periféricos específicos para automoción con un
procesador de 32 bits de propósito general.

1. Procesadores de Propósito General (GPP) (2):


Freescale MPC566: destinado a control del motor y la
transmisión.
Integra múltiples periféricos, (conversores A/D), memorias
flash e interfaces de E/S.

2. DSP, Híbridos y otros (1);


Utilizados en:

Sistemas de entretenimiento

Sistemas de control que necesitan un alto nivel de procesado.
Cuentan con instrucciones específicas que aceleran
muchísimo el rendimiento.

Problema al programar aplicaciones porque los
compiladores no están optimizados y no aprovechan del
todo esas instrucciones específicas.

2. DSP, Híbridos y otros (2);

Híbridos DSP/GPP y GPP mejorados combinan:

Ventajas de DSP (Capacidad de procesado digital)

Ventajas de GPP (eficiencia en algoritmos basados en
decisiones y código compilado)

Ejemplos:

Familia TMS320C2000 de Texas Instruments.

Familia MC56F83xx de Freescale

SH7760 de Renesas

ADSP-BF53x de Analog Devices.

2. DSP, Híbridos y otros (3);


Texas Instruments TMS320F2812
Dispone de núcleo híbrido DSP/GPP de 32 bit con
periféricos integrados para automoción, una memoria
Flash, una interfaz CAN, entre otros.
APLICACIONES EN AUTOMOCIÓN

1. Sistema de Frenada Antibloqueo (ABS) (1):

Sistema que evita el bloqueo de las ruedas al frenar
aumentando la seguridad de los vehículos  es un
sistema crítico  debe funcionar muy rápido  conlleva
una electrónica muy compleja

Elemento principal:

ECU (Centralita Electrónica de Mando):

Formada por dos DSP diferentes en paralelo que reciben
las señales de sensores de revoluciones y se comunican
de manera jerárquica.

1. Sistema de Frenada Antibloqueo (ABS) (2):

2. Sistema de Control de Tracción (TCS)


3. Sistema de Control de Estabilidad (ESP)


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.
4. Sistema de Distribución Automática de Frenado
(EBD)


Similar al ABS pero actúa en caso de excesiva aceleración
regulando el par motor.
Representa un perfeccionamiento del sistema ABS
regulando individual y electrónicamente la presión de
frenado en cada una de las cuatro ruedas de manera
independiente.
5. Sistema de Suspensión Activa

Elimina el balanceo en las curvas
y el cabeceo en la frenada.

6. Sensor de Presión de Neumáticos.

Existen un sensor de presión en cada rueda, una
unidad de control y un display en el tablero. Cuando
el sistema detecta un nivel de presión anormal da
una señal de alerta en el display.
NOTICIAS Y TENDENCIAS FUTURAS (1)


Con el fin de mejorar estos sistemas se han creado
diferentes proyectos de investigación.
Proyecto MERASA



Multi-Core Execution
Analysability
of
Hard
Real-Time
Applications
Supporting
Pretende obtener un mejor rendimiento de los
procesadores para lograr coches y aviones más seguros y
económicos.
Desarrollan procesadores específicos de núcleos
múltiples para aplicaciones en tiempo real (como las
vistas anteriormente)
CONCLUSIONES
DSP poseen arquitecturas específicas diseñadas
para acelerar cálculos matemáticos de sistemas
en tiempo real.
 Un DSP está muy ligado al tipo de aplicación.
 La tendencia que se sigue es crear arquitecturas
cada vez mejor adaptadas a las particularidades
de cada aplicación.
 La aparición de compiladores potentes han
propiciado la reaparición de las arquitecturas
VLIW y con ellas, los DSP de altas prestaciones.
