Evolution des fonctionnalités et de l’utilisation des systèmes électroniques

Des fonctionnalités de plus en plus nombreuses et de plus en plus avancées sont progressivement intégrées au sein des véhicules. Ces fonctionnalités sont catégorisées selon leurs domaines d’application. Classiquement, on distingue cinq domaines typiques dans l’automobile. Ces domaines correspondent à des parties spécifiques du véhicule comme le montre la figure 1.1. Figure 1.1 – Les différents domaines d’applications présents au sein du véhicule. Le domaine d’application du groupe motopropulseur concerne le moteur et la transmission. Les fonctionnalités liées à ce domaine d’application permettent de contrôler et d’optimiser la combustion dans le moteur et le transfert d’énergie vers les roues. Actuellement, on observe dans ce domaine que des dispositifs électriques sont de plus en plus employés pour remplacer des dispositifs mécaniques. Par exemple, l’arbre à came est remplacé par des actionneurs électromécaniques dotés de capteurs. Les fonctionnalités concernant le domaine du châssis visent à améliorer la stabilité du véhicule et la qualité de sa conduite.

Par exemple, on peut citer la fonction de correction de trajectoire. De nouvelles fonctions avancées comme les « X-by-Wire » émergent également dans ce domaine. « X-by-Wire » est un terme générique qui signifie le remplacement de systèmes mécaniques ou hydrauliques par un système totalement électronique. Le domaine de la sécurité est un domaine particulièrement important. Les fonctionnalités de ce domaine assurent aussi bien la sécurité des passagers que celle des piétons. L’airbag est une des fonctions les plus répandues de ce domaine. Actuellement, des fonctions plus avancées comme la détection de collision sont rajoutées. La partie occupée par les passagers et le coffre forment l’habitacle. Les fonctionnalités de ce domaine d’application concernent le confort et l’interface homme machine. On peut citer l’exemple de la fonction de GPS (Global Positioning System). Le domaine multimédia concerne les nouvelles technologies de l’information et de la communication. Différentes fonctionnalités de ce domaine comme la télévision TNT (Télévision Numérique Terrestre) ou l’accès à internet sont disponibles au sein de véhicules. L’ensemble de ces fonctionnalités avancées est rendu possible compte tenu de l’évolution de la part de l’électronique embarquée au sein des véhicules. L’utilisation de l’électricité dans les véhicules remonte aux années 1920. Depuis cette époque, le nombre de fonctions confiées à l’électronique n’a cessé d’augmenter. La nature de ces fonctions évolue conjointement avec les progrès technologiques réalisés à différentes époques. Progressivement, de 1920 à 1960, différents dispositifs électriques de base sont employés dans l’automobile comme le démarreur, les lampes, la dynamo et l’autoradio.

Depuis 1960, des dispositifs électriques sont intégrés dans les moteurs afin d’améliorer l’allumage et l’injection. Avec l’intégration des bus de communication dans les véhicules en 1990, il est devenu possible pour plusieurs cartes électroniques de partager des informations. En exemple, la fonction ABS (Anti Blocker System) utilise les réseaux de communication afin d’exploiter différentes informations comme la vitesse des roues, la force de freinage et la résistance au freinage. Vers les années 2000, l’électronique embarquée dans les véhicules offre des fonctions télématiques. Depuis, des fonctions avancées permettant ainsi la détection et l’interprétation des panneaux, la détection de collision et l’auto conduite sont progressivement intégrées dans les véhicules. La figure 1.2 récapitule l’évolution de la nature des éléments électroniques intégrés dans les automobiles ainsi que le coût associé à l’utilisation de ces éléments [1]. % du coût de l’électronique dans le véhicule Electricité de base Genèse de l’électronique automobile Prolifération de l’électronique Intégration et maturité des systèmes électriques et électroniques

Lampes, radio, démarreur, dynamo Allumage électronique Alternateur Injection électronique Régulateur de vitesse Multiplexage, ABS Télématique, Alternodémarreur Gestion d’énergie Multimédia, Soupapes électromécaniques 1920 1940 1960 1980 2000 2010 05 10 20 25 30 35 2020 Figure 1.2 – Pourcentage du coût de l’électronique dans l’automobile. La figure 1.2 montre l’évolution, en fonction des années, du coût de l’électronique dans l’automobile par rapport au coût global de la voiture. Elle positionne également la nature des dispositifs électroniques intégrés. On constate que le pourcentage du coût de l’électronique intégrée par rapport au coût global d’un véhicule augmente considérablement au cours du temps. L’accroissement du nombre de ressources électroniques employées implique ainsi une croissance importante de la complexité des systèmes électroniques embarqués dans l’automobile. En 2004, on comptait 70 cartes électroniques dans les voitures haut de gamme [2]. De nos jours, ce nombre dépasse la centaine. Par conséquent, la complexité des architectures électroniques embarquées au sein des véhicules conduit à une densification des infrastructures nécessaires à mettre en oeuvre afin de lier les différents calculateurs utilisés.

Protocoles de communication dans le domaine automobile

Jusqu’en 1990, les cartes électroniques embarquées dans les véhicules étaient indépendantes et chacune remplissait ses fonctions séparément. La longueur totale des câbles électriques dans une voiture dépassait alors le kilomètre. Pour réduire le coût et le poids du cuivre, les constructeurs automobiles ont commencé à intégrer des bus de communication au sein des véhicules, tel que le bus CAN (Controller Area Network) [4]. Typiquement les réseaux employés dans le domaine automobile respectent l’organisation hiérarchique en couche du modèle OSI (Open Systems Interconnection). Les trois couches physique, liaison et réseau caractérisent le débit, la fiabilité (tolérance aux pannes et taux d’erreur), les topologies possibles, la stratégie de communication ainsi que le nombre maximal de noeuds supportés. Dans le contexte automobile, une classification des réseaux a été faite selon le débit et les fonctions supportées [2]. La classe, dénommée A, regroupe les réseaux de débit inférieur à 10 Kbit/s. Ces réseaux sont utilisés pour l’acheminement de simples informations de commande en employant des technologies à bas coût. Ils sont principalement utilisés dans l’habitacle pour la commande de verrouillage des portes. La classe B de réseau supporte un débit entre 10 et 125 Kbit/s. Ces réseaux permettent l’échange de données entre les unités de calcul et permettent le partage d’informations issues des capteurs. La classe C offrant des débits de 125 Kbit/s à 1 Mbit/s est généralement utilisée pour les domaines du groupe motopropulseur et du châssis. La dernière classe D, supportant un débit supérieur à 1Mbit/s, est employée pour le domaine multimédia.

Différentes topologies existent pour relier les différents éléments d’une architecture électronique. La topologie d’un réseau influe sur le débit dédié à chaque organe. Ainsi, la topologie en bus, actuellement la plus utilisée dans les réseaux au sein des automobiles, implique de devoir partager le support de communication entre les éléments, impliquant le partage de la bande passante du réseau. La topologie en étoile peut également être utilisée dans les véhicules. Selon les topologies on peut considérer différentes stratégies de communication. Il existe deux paradigmes pour décrire les stratégies d’accès des réseaux de communication dans le domaine automobile. Le paradigme dit Time-triggered est basé sur une répartition cyclique des accès au support de communication. Un intervalle de temps est dédié à chaque noeud existant dans le réseau. Dans cet intervalle, un noeud transmet ses données ou bien une balise de rappel de sa présence. Le paradigme dit Event-triggered permet la transmission de données selon la production d’événements. La détection d’un événement significatif, comme l’ouverture d’une porte, engendre la transmission de cette information immédiatement. L’arbitrage par priorité est souvent utilisé si plusieurs événements se produisent. Il existe des réseaux qui adoptent ces deux paradigmes. Parmi les stratégies de communication, l’accès multiple à répartition dans le temps (TDMA pour Time division multiple access) consiste à partager l’accès au support de communication dans le temps.

Cet accès est cyclique. La durée d’un cycle est divisée en intervalles de temps dédiés pour chaque noeud connecté à ce réseau. Cette stratégie correspond au paradigme Time-triggered. L’arbitrage par priorité est basé sur le paradigme Event-triggered. L’accès au support de communication est accordé au noeud ou au message le plus important. Un identifiant au début du message à transmettre est considéré afin de résoudre la priorité associée. Un mécanisme de détection de priorité est nécessaire pour détecter la transmission d’un message plus prioritaire. Une des techniques de partage de support de communication qui permet la détection de priorité est le CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Contention Resolution). La stratégie maître-esclave impose l’existence d’un seul maître sur le réseau. L’échange de données est effectué suivant les requêtes du maître. Ce dernier contrôle le bus et scrute les esclaves afin qu’ils partagent leurs données sur le bus. Les esclaves ne fournissent des données que lorsqu’ils sont sollicités. On cite par la suite certaines caractéristiques associées aux standards de communication les plus utilisés dans le domaine automobile.

MOST (Media Oriented Systems Transport) [6] Le protocole MOST a été développé par « MOST Corporation » en 1998. Ce protocole est destiné aux applications multimédias dans les véhicules qui nécessitent un haut débit de communication. Ce protocole utilise des fibres optiques qui sont mieux immunisées contre les interférences électromagnétiques que les câbles en cuivre. Le protocole MOST est un protocole point à point. Physiquement, il ne peut relier que deux équipements, mais logiquement, il peut relier jusqu’à 64 équipements en utilisant une topologie en anneau. La stratégie de communication de ce protocole est le CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). MOST permet une transmission de données à trois débits possibles : 25 Mbit/s (MOST25) ou 50 Mbit/s (MOST50) ou 150 Mbit/s (MOST150). Actuellement, cette technologie, très coûteuse, est essentiellement utilisée dans les véhicules haut de gamme pour relier les différents systèmes de télématique.

FlexRay [7] Ce protocole a été standardisé en 2004 par un consortium regroupant des constructeurs automobiles, des équipementiers automobiles et des fondeurs de silicium. Ce standard de communication est défini pour des applications nécessitant des hauts débits d’informations. Il offre un débit maximal de 20 Mbit/s réparti sur deux canaux physiques répliqués. En effet, chaque canal admet un débit de 2.5 Mbit/s, 5 Mbit/s ou 10 Mbit/s, et peut supporter une topologie en bus, en étoile ou avec deux étoiles en cascade. Toutes les combinaisons de topologies formées par les deux canaux sont acceptables avec ce standard. Ce dernier peut également fonctionner avec un seul réseau vu qu’il est tolérant aux pannes. En effet, ce protocole implémente des mécanismes qui assurent une continuité de fonctionnement du système même dans le cas de défaillance de l’un des réseaux ou de l’un des deux canaux. La stratégie d’accès à un canal supporte les deux paradigmes Event-triggered et Time-triggered .