Electrónica embarcada en sistemas de transporte (tercera parte)

Después de las dos primeras entradas en las que hablamos de sistemas acabados y CPUs para diseños a medida, hablaremos en esta última entrada dedicada a la electrónica de los sistemas de transporte a hablar de los periféricos alrededor del módulo CPU.

 

Sistemas de Comunicación

 

Una característica importante de los dispositivos electrónicos embarcados en un medio de transporte es la necesidad de comunicar con otros dispositivos dentro del mismo vehículo o con centros de control o gestión fuera del alcance de los mismos.

 

En el caso de las comunicaciones en el interior de los vehículos, estos equipos utilizan buses de comunicación por cable estándares en cualquier campo de electrónica, como el RS-232, RS-485 o Ethernet, y buses más específicos de los medios de transporte, como pueden ser el CanBus o el Train Communication Network (TCN) para el caso de los trenes, estandarizado como IEC-61375 (compuesto por el Multifunction Vehicle Bus (MVB) dentro de cada vehículo y el Wire Train Bus (WTB) para comunicar los diferentes vehículos)

 

Cada vez más, se han ido incorporando las tecnologías inalámbricas  al interior de los vehículos, incluyendo tecnologías como Zigbee o WiFi (802.11a/b/g/n) para comunicar los diferentes sensores o dispositivos de control del estado del vehículo, o simplemente para comunicar entre sí los diferentes equipamientos, como los que hemos nombrado en el artículo, para transferir datos a las pantallas de información, imágenes de vídeo de las cámaras, etc.

 

A su vez, para la transmisión o recepción de información al o del centro de control y gestión, se han usado conexiones Internet seguras a través de las redes 3G/4G (previendo incorporar la red 5G cuando pueda estar disponible).

 

Hemos visto en la primera parte del artículo diferentes equipos terminados que ya incluían todas estas tecnologías de comunicaciones en su interior, por lo que nos vamos a centrar en las aplicaciones en las que se desarrollan equipamiento a medida.

 

En estos casos, existen en el mercado una serie de módulos para proporcionar a nuestros dispositivos embebidos (nuestros módulos CPU) de la conectividad que necesiten (algunos de ellos ya hemos observado que integran conectividad WiFi) integrada en la placa base donde insertamos nuestro módulo CPU. Por ejemplo, podemos encontrar los siguientes:

 

Familia de módulos Telit xE910

• Adaptada a las exigencias del mercado de automoción
• 28.2 x 28.2 mm. LGA
• 3G y 2G
• Soporte para voz analógica y digital
• Compatible con eCall

 

 

Familia XBee de Digi

• Diferentes protocolos soportados:
  • Zigbee
  • 15.4
  • WiFi
  • Bluetooth
  • DigiMesh
• Versiones celulares:
  • LTE
  • HSPA

 

 

Módulos Sparklan WiFi

• Formato Mini PCIe
• 11ac/b/g/n
• Soporte para Linux
• Rango de temperatura militar

 

 

Sistemas de visualización y audio

 

En los sistemas modernos incluidos en los medios de transporte se ha hecho cada vez más importante la visualización de alta calidad en monitores LCD para distintos propósitos:

 

• Presentación de información al viajero
• Publicidad
• Vídeo por demanda
• Información de gestión del vehículo
• Navegación GNSS

 

Estas pantallas deben cumplir una serie de requisitos para mejorar la visión de la información, como pueden ser altos brillo, ángulos de visión amplios, capacidad de incorporar funciones táctiles, etc. Pero también deben ser resistentes para el manejo, cumpliendo grados de protección elevados y soportes de temperaturas altas.

 

 

 

 

En el diseño de nuestro dispositivo debemos decidir, en función del diseño final, si se usa un TFT más panel táctil para integrar en nuestra carcasa (o en un asiento de un vehículo, por ejemplo) o si se usa un monitor conectado a la salida de video de nuestro dispositivo.

 

 

 

 

Dentro de las nuevas opciones de displays, aparecen los displays transparentes, como por ejemplo, estos Lumineq® TASEL® de Beneq. Estos displays transparentes con rango de temperatura extendido (-60 ºC a +125 ºC), con soporte de vibraciones y choques, con un 80% de transparencia y un ángulo de visión de 360º son una solución perfecta para los medios de transporte.

 

 

 

Estos displays permiten al conductor tener referencia de datos importantes sin perder la visibilidad. Este tipo de displays se están empezando a experimentar también en aviónica para la representación de los instrumentos de a bordo.

 

Un caso especial, son los conocidos como Panel PC, que integran en la misma carcasa el PC que podemos utilizar para nuestra aplicación y el monitor para la visualización.

 

Almacenamiento de datos/sistema operativo

 

El almacenamiento de datos y el sistema operativo en este tipo de aplicaciones, como ya hemos comentado con anterioridad, debe ser realizado en sistemas que soporten las vibraciones, evitándose los discos duros tradicionales por el daño que se producen en los elementos mecánicos.

 

Centrándonos en los dispositivos diseñados a medida, los módulos PC incorporan memorias Flash embebidas en los mismos para este almacenamiento de datos, y dependiendo de la potencia y circuitos de control de los mismos, soportan buses para conexión de dispositivos de almacenamiento como S-ATA o sockets para conexión de tarjetas tipo SD.

 

Sistema operativo

 

Dependiendo de la criticidad del dispositivo, en el vehículo (no es lo mismo un sistema para gestionar un avión o un tren que el sistema de video a demanda), el dispositivo ejecutará sistemas operativos en tiempo real o no.

 

Entre los primeros, encontraremos sistemas operativos de alto coste como WindRiver y sistemas de libre distribución como FreeRTOS o MQX.

 

En el caso de no necesitar un sistema operativo en tiempo real, se suelen utilizar sistemas operativos como Windows o Linux en máquinas que lleven discos duros, pero lo más efectivo y frecuente es que usen sistemas operativos embebidos, que adaptan su tamaño y código incorporando sólo las librerías necesarias en función del software y hardware utilizado. Entre estos, podemos encontrar herramientas de desarrollo para las placas COM con Windows Embedded, Android o Yocto Linux.

 

Es muy importante que en las herramientas de desarrollo se incluya el BSP (Board Support Package), que facilita el desarrollo del sistema operativo y la aplicación, acelerando el “tiempo al mercado” (time to market).

 

Seguridad

 

La seguridad se ha convertido en una de las principales preocupaciones de los desarrolladores de sistemas electrónicos de todo tipo. La proliferación de dispositivos de funcionamiento autónomo conectados a Internet (Internet of Things – IoT), convierte a estos dispositivos desatendidos en objetivo de posibles ataques cibernéticos que pueden inhabilitar nuestro sistema.

 

Los distintos fabricantes de equipos de electrónica, tanto para desarrollo como acabados, para el entorno de la automoción han desarrollado herramientas que permiten proteger los dispositivos de accesos remotos o locales. Se han generado una serie de herramientas de protección para evitar acceder a los datos y al sistema operativo, tanto en ejecución como en ataque físico a las placas o dispositivos de almacenamiento de datos.

 

Así, se han lanzado distintas herramientas para proteger los sistemas:

 

• Secure Boot. Sólo las imágenes de software firmadas pueden ejecutarse. Estas imágenes pueden, incluso, ser encriptadas
• Almacenamiento de datos encriptado: se encriptan los ficheros de datos localmente
• Puertos protegidos: Evita las “puertas traseras” de acceso al dispositivo a través de consolas serie o el puerto JTAG
• Integridad: Protección tipo tamper y supervisión de la integridad del dispositivo evita los ataques físicos
• Conexiones seguras: Comunicaciones con encriptación SSL, TLS, SSH, seguridad inalámbrica WPA2
• Seguridad basada en dispositivos hardware seguros (TPM) integrados en la placa. Con estos dispositivos integrados, se puede proteger el software del sistema durante el arranque detectando alteraciones del mismo, se puede usar la seguridad TPM para asegurar más las conexiones SSL/TLS

 

Ejemplos de este tipo de herramientas de seguridad son TrustFence de Digi o SEC-LINE de Kontron.

 

Alimentación y conexionado

 

Otro punto importante es la alimentación de estos equipos. Generalmente, se diseñan soportando un rango amplio de alimentación en corriente continua y además debe soportar picos de alimentación generados en el arranque de determinados sistemas (motores, etc.).

 

Convertidores DC-DC para aplicaciones ferroviarias

 

 

 

También se deben incorporar en el diseño final conectores que soporten las vibraciones para evitar su desconexión en movimiento, con la pérdida de comunicaciones o alimentación del dispositivo.