Bluetooth車載アクセスシステム向け自動アドレス割り当て方式の比較

Bluetooth Low Energy（BLE）車載アクセスシステムは通常、中央モジュールと、Controller Area Network（CAN）またはLocal Interconnect Network（LIN）バスで通信する複数のサテライトノードで構成されます。サテライトは車両周辺に戦略的に配置され、BLE範囲を拡張します。

設計者は、単一のPCB設計と同一ファームウェアをすべてのノードで使用することで、サテライト製造を効率化したいと考えています。しかし、この均一性により、中央モジュールが設置後に各サテライトに一意のCANまたはLINアドレスを割り当てるためのオンボードメカニズムが必要になります。

従来の有線アプローチでは、製造時にCAN IDを分配する専用LINデイジーチェーンを使用します。その後、LINインターフェースは車両の寿命期間中無効化されます。代替案では、専用LINバスを最小限のディスクリート回路に置き換えてBOMコストを削減します。真にワイヤレスなオプションは、追加ハードウェアを完全に排除し、既存のBLEインフラストラクチャを活用してアドレス割り当てを実行します。

専用LINハードウェアの必要性を排除することで、ワイヤレス方式は配線、BOM、不要コンポーネントの在庫と組み立てオーバーヘッドを削減します。本記事はまず有線自動アドレス割り当て技術を見直し、その後ワイヤレスアプローチを深く掘り下げます。

現代の車載アクセスシステムは、電話を鍵として使う「Phone-as-a-Key」やデジタルキー機能のためにBLEをますます採用しています。これらのシステムは従来のパッシブエントリー・パッシブスタートセットアップのように動作しますが、従来のキーフォブをドライバーのスマートフォンに置き換えます。典型的な構成は、1つの中央モジュールと6～12個のサテライトモジュールで構成され、それぞれが電話やキーフォブからのBLE信号を受信可能です（図1）。

図1. 車両全体へのBLEサテライトモジュール配置例。

Phone-as-a-Keyシステムでロックを解除するには、中央モジュールがスマートフォンまたはキーフォブが車両のアンロックゾーン内にあるときを判断する必要があります。これは、乗客ドア、ロッカーパネル、トランク、バンパーなどの戦略的な場所に分散した複数のサテライトモジュールで受信した信号を三角測量することで達成されます。

中央モジュールはCANまたはLINでサテライトと通信します。各サテライトからのデータを使用して、中央モジュールはスマートフォンの位置を三角測量し、エントリーを許可するかどうかを決定します。図2はCANベースの通信トポロジーを示します。

図2. 中央モジュールとサテライト間の主要通信ネットワークとしてのCANバス。

各サテライトのCANアドレスにより、中央モジュールは着信データの送信元を特定できます。各サテライトに一意のCAN IDまたはアドレスを割り当てることは、正しい動作に不可欠です。各サテライトごとに異なるPCBをハードコーディングする代わりに、メーカーは単一のPCB設計で、すべてのノードで同じファームウェアを実行することを好みます。このアプローチは在庫の複雑さを減らし、同じモジュールを車両のあらゆる場所に設置できるようにします。

すべてのサテライトが同一で、設置時にアドレス未割り当て状態であるため、設置後の自動アドレス割り当てスキームが必要です。

有線自動アドレス割り当て：LINデイジーチェーン方式

現在、多くのOEMがワンタイムCANアドレス割り当て用の別個のLINバスを使用しています。中央モジュールがLIN経由でCANアドレスを最初のサテライトに送信し、そのノードが次のアドレスを2番目のサテライトに転送する、という具合に続きます（図3）。各モジュールには送信用と受信用の2つのLIN PHYが必要で、これらは自動アドレス割り当て時にのみ使用されます。6～12個のサテライトでは、車両あたり14～26個のLIN PHYが必要となり、BOMと複雑さを膨らませます。

図3. LINデイジーチェーン自動アドレス割り当てアーキテクチャ。

有線自動アドレス割り当て：シングルワイヤ方式

Texas Instrumentsは、LIN PHYをMOSFETと少数の抵抗で置き換えるコスト削減代替案を導入しました。このスキームでは、すべてのサテライトがP_INラインでウェイク信号を受信するまでCANバスを無視します（図4）。中央モジュールがQ1を通じてP_IN1をパルスすることでプロセスを開始します。最初のサテライトがウェイク信号を受信し、CANバスのリッスンを開始してCAN IDを受信します。受信確認後、次のサテライトにウェイク信号を送信し、すべてのノードがアドレスされるまでシーケンスが繰り返されます。

図4. シングルワイヤ自動アドレス割り当てはLIN PHYをMOSFETと抵抗で置き換え。

この方式は部品点数を削減しますが、中央モジュールと各サテライト間の専用配線接続は依然として必要です（図5）。

図5. シングルワイヤ自動アドレス割り当てアーキテクチャに必要な配線。

ワイヤレス自動アドレス割り当て/ケーブル置換

別のTIソリューションは、BLEローカライゼーションを使用して追加配線を完全に排除します。製造時またはモジュール交換時に、中央モジュールは測定距離（RSSIから導出）に基づいてCANアドレスを割り当てます。中央モジュールに最も近いサテライトが最も低いCAN IDを受け取り、続いて徐々に遠いモジュールが割り当てられます。実際の物理的位置は不要で、測定距離の一貫性が繰り返し可能なアドレス割り当てを保証します。

たとえば、測定距離がd1 < d6 < d5 < d2 < d4 < d3を満たす場合、中央モジュールは確実にアドレス1～6を割り当てられます。2つのサテライトが類似距離を示す場合、すでにアドレス割り当て済みのサテライトを第2の参照として使用してそれらを区別できます（図7）。

図6. ワイヤレス自動アドレス割り当てに使用される距離関係。

図7. すでにアドレス割り当て済みのサテライトを使用して距離曖昧さを解決。

実装詳細

BLEのGeneric Access Profile（GAP）に準拠し、中央モジュールを「スキャナ」、サテライトを「アドバタイザー」と呼びます。GAPレイヤーはデバイス検出、リンク確立、セキュリティを管理します。2つのキー状態は：

• アドバタイザー： 一意のデバイスアドレスとオプションの名前を含む接続可能なアドバタイジングデータをブロードキャスト。
• スキャナ： アドバタイズメントをスキャンし、スキャンリクエストを送信し、接続を開始。

自動アドレス割り当て中、各アドバタイザーは重複防止のためランダム識別子でブロードキャストします。スキャナは繰り返しRSSIを測定し、値を平均化し、最も近いアドバタイザーを選択します。次にスキャンリクエストを送信し、自動アドレス割り当てCANメッセージを送信し、確認応答を待ちます。確認応答を受けると、アドバタイザーはアドバタイズを停止し、次のノードに進みます。このサイクルをすべてのサテライトがアドレスされるまで繰り返します。

結果

テストでは、TIのBluetooth Low Energy + CANサテライトリファレンスデザインと、コネクタ間約6フィート間隔の12フィートハーネスを使用しました（図9）。スキャナは1秒のスキャン持続時間、250msウィンドウ/インターバルを使用。アドバタイザーは100msごとにアドバタイズ。ノードあたり10個のRSSIサンプルを取得し、平均値を距離推定に使用しました。

図9. TIDA-020032リファレンスデザインを使用したハードウェアテストセットアップ。

表1は、3つの方式の遅延、信頼性、実装コストをまとめています。ワイヤレスアプローチは有線方式の約5倍のアドレス割り当て時間を要しますが、最低BOMを提供し、配線を排除します。BLEパラメータの改善とRF伝播変動の考慮で性能向上が可能です。

表1. 自動アドレス割り当て技術の比較

詳細なシングルワイヤテストデータについては、TIの車載アクセスBluetooth Low Energy + CANサテライトモジュールリファレンスガイドを参照してください。自動アドレス割り当て戦略を選択する際は、コスト、配線複雑さ、製造後柔軟性の必要性を考慮してください。

* シングルワイヤ自動アドレス割り当て方式の追加詳細とテスト結果については、Texas Instruments車載アクセスBluetooth Low Energy + CANサテライトモジュールリファレンスデザインガイドを参照してください。

参考文献

1. Bluetoothコア仕様
2. The Standard for Connection Sets New Standards in Safety, Bluetooth SIG

>> この記事は元々姉妹サイトEDNで公開されました。