Prodotti sul mercato

Naturalmente, per essere immesso sul mercato un prodotto deve essere "finito",il che significa che deve "funzionare" come previsto (e dimostrato con opportuno collaudo), ma essere provvisto di tutto il "corredo" che lo rende idoneo ad essere venduto e, possibilmente, anche per essere "appetibile" per possibili compratori.

Certificazioni

Innanzi tutto, è opportuno ricordare le certificazioni "di legge" riguardanti la sicurezza in generale, e la compatibilità elettromagnetica in particolare. Questa ultima caratteristica deve essere certificata da in Istituto preposto allo scopo a seguito di prove che richiedono una camera anecoica e apparecchiature nel complesso assai costose.

Alcune (poche) imprese di grandi dimensioni sono attrezzate per eseguire le prove sui loro prodotti, al fine di assicurarsi che siano corrispondenti alle normative. In questo caso, la possibilità di eseguire misure adeguate diventa un elemento da inserire nel flusso di progettazione, con possibilità di retroazione per risolvere eventuali problemi che si fossero manifestati.

Più in generale, per queste prove le imprese (specie quelle di piccola/ media dimensione) si rivolgono ad Istituti o imprese esterne che lavorano "per conto terzi". In questo caso è opportuno assicurarsi che la struttura a cui ci si rivolge abbia le competenze e l'esperienza necessaria per aiutare a risolvere eventuali problemi relativi ad un eccesso di radiazione EM o, di converso, ad una eccessiva sensibilità del prodotto a radiazioni esterne.

In ogni caso, la certificazione del prodotto deve essere ottenuta da un Ente accreditato allo scopo.

Documentazione

Un altro aspetto riguardante il completamento del "prodotto" è quello della documentazione del progetto. A questo proposito, infatti è importante tenere presente che il progetto deve essere documentato in modo da lasciare una traccia completa di quanto è stato fatto. Ciò per una serie di importanti motivi, tra cui, in particolare i seguenti.

Le persone che hanno eseguito il progetto possono cambiare (e prima o poi lo faranno senz'altro) perciò in mancanza di una buona documentazione la conoscenza del progetto/ prodotto andrà inevitabilmente persa.

Nel caso si debba intervenire sul prodotto per risolvere qualche problema manifestatosi nel tempo, oppure per innovarlo realizzandone una versione più avanzata, una buona documentazione consente di sfruttare il lavoro già fatto anche a nuovo personale, invece di ricominciare essenzialmente dall'inizio.

La documentazione del progetto rappresenta la base per la formulazione di manuali di descrizione e di uso del prodotto.

Nonostante l'importanza che riveste, spesso la documentazione è sottovalutata, perché l'atteggiamento mentale più comune dei progettisti è quello per cui il lavoro è finito nel momento in cui l'oggetto funziona, mentre la predisposizione di una buona documentazione richiede una mole tutt'altro che trascurabile di lavoro extra (per raccogliere le informazioni, sintetizzarle, ordinarle,...).

L'utilizzo di strumenti di progettazione automatici (CAD/ CAE,...) e, più in generale, di strumenti informatici (gestionali) per la trasmissione delle informazioni all'interno dell'impresa aiuta considerevolmente in questo compito. Tuttavia è evidente che una buona documentazione può nascere soltanto dalla combinazione di buoni strumenti con la volontà dei progettisti di spendersi in questa direzione.

Il "cliente" di riferimento

Molti sistemi di tipo embedded, proprio per la loro caratteristica di essere "incorporati" all'interno di oggetti molto più grandi e complessi (automobile, ascensore, aereo,...) non hanno necessità immediata di avere una forma adeguata, nel senso che il problema è spostato su chi commercializza il sistema complessivo.

Altri, invece, sono destinati ad avere soltanto un "guscio" esterno per finire sul mercato (orologi, bilance, piccoli elettrodomestici, telecomandi,...).

Nel primo caso, può accadere che il sistema sia sviluppato dalla stessa impresa che commercializza il prodotto finale, che si presenta come "integrata" verticalmente,ovvero tale da realizzare i propri prodotti in ogni loro aspetto.

Assai più frequentemente, però, si ha a che fare con imprese che "esternalizzano" il lavoro, ovvero commissionano la realizzazione di parti dei loro prodotti ad imprese esterne, più specializzate, mantenendo per sé la funzione di concezione del prodotto e di integrazione di varie parti realizzate all'esterno.

Il grado di "esternalizzazione" della produzione varia in base a diverse esigenze (tipo di prodotto, contesto industriale, momento di mercato,...) e si va da imprese completamente integrate verticalmente ad altre che si limitano ad assemblare parti costruite all'esterno, senza fabbricarne alcuna La scelta della esternalizzazione corrisponde prima di tutto ad esigenze di tipo economico, perché il mantenimento di un gruppo di progettazione ha senso soltanto se si è in grado di alimentarlo continuamente di lavoro, mentre il ricorso ad una impresa esterna può anche essere sporadico. Inoltre, questo modo di operare garantisce anche flessibilità e possibilità di scelta, perché rende possibile selezionare di volta in volta i fornitori più adatti e specializzati per quello che si vuole fare.

Dal punto di vista dell'impresa che progetta e realizza sistema embedded avere come cliente un'altra impresa, nel senso accennato in precedenza, oppure direttamente i clienti finali, cioè coloro che compreranno il prodotto finale una enorme differenza.

Nel primo caso, infatti, la vendita avviene verso un cliente (spesso unico) individuato a priori, che ha commissionato un prodotto ben definito nel costo e nelle specifiche, che è in grado di verificare sul prodotto finito. Da questo punto di vista il problema principale è quello di corrispondere alle aspettative realizzando un ritorno economico.

Al contrario, nel caso in cui il prodotto debba essere venduto direttamente ai clienti finali (utilizzatori), si deve affrontare una serie di problemi quali: il costo (che deve essere remunerativo e al medesimo tempo "attraente"); la forma ergonomia dell'oggetto (che deve essere tale da attrarre i clienti); la distribuzione nei punti vendita (distribuiti sul territorio); la pubblicità (che deve essere "convincente";...); ....

Si tratta di aspetti assolutamente essenziali, spesso anche più importanti della funzionalità stessa del prodotto, che per loro natura sono poco adatti ad essere affrontati da tecnici. Per questo, richiedono personale specializzato (di marketing, venditori,....), senza del quale è spesso illusorio pensare di aver successo.

L'organizzazione di una buona struttura di vendita è un elemento decisivo per il successo di una impresa. Peraltro questo rappresenta un problema per nuove iniziative in quanto la costituzione di una strumento di questo tipo è costosa e richiede personale tanto più costoso quanto esperto ed efficace.

In alternativa, si può "esternalizzare" anche questa funzione affidandosi a "reti di vendita" di tipo generale e "multi-cliente". In questo modo si riducono certamente i costi (in quanto, in pratica, si paga la rete di vendita per la quota di utilizzo o, spesso, in percentuale sulle vendite). Tuttavia è bene avere presente che vendere un prodotto nel mercato concorrenziale dei nostri tempi non è cosa facile e richiede persone "dedicate" allo scopo. Ciò raramente si ottiene affidandosi a strutture che vendono tanti prodotti, anche di tipo molto differente, per diversi clienti, in quanto, per ovvi motivi, queste tendono a concentrarsi sui prodotti di maggior successo mettendo inevitabilmente gli altri in secondo piano.

L'aspetto ergonomico (design industriale)

La forma esteriore ha oggi un ruolo importantissimo per il successo di ogni prodotto sul mercato, perciò a questo aspetto del problema deve essere dedicato uno sforzo adeguato. L'esempio delle automobili è certamente uno dei più significativi in quanto campo che ha attratto gli sforzi di alcuni dei migliori architetti esistenti. Tuttavia, esistono molti oggetti assai comuni, come PC., Laptop, cellulari, terminali, stampanti..., per i quali la forma esteriore è un aspetto decisivo.

Anzi, questo aspetto del problema ormai viene riconosciuto in (quasi) tutti i tipi di prodotto, dai piccoli elettrodomestici agli occhiali, dai rasoi alle macchine industriali,..

Naturalmente, anche questa "funzione" (design industriale) del flusso di progettazione può essere "esteriorizzata" e normalmente lo è, in quanto è assai difficile alimentare continuamente di lavoro un gruppo operante su questo fronte. D'altra parte, al di là dei costi, il design industriale richiede competenze elevate che si acquisiscono con impegno continuativo.

A prescindere da chi lo esegue, il design deve rispondere a diverse esigenze. Prima di tutto, infatti, deve assecondare la funzionalità del prodotto rendendolo per quanto possibile facile e piacevole da utilizzare (per esempio studiando opportunamente i materiali, la dimensione e il posizionamento dei comandi, il peso e la leggerezza dell'involucro,...), ma anche robusto, affidabile, bio-compatibile,...

In secondo luogo, deve tenere presente i problemi della produzione, nel senso di puntare su oggetti che siano facile ed economici da fabbricare. Da questo punto di vista i problemi principali sono quelli dei materiali (occorre scegliere quelli adatti ma anche disponibili, realizzando dei compromessi soddisfacenti tra queste esigenze, spesso in contrasto tra loro) e quello del numero di "pezzi" (parti) diverse i cui sono costituiti. È evidente, infatti, con tale numero aumenta il lavoro necessario per assemblare il prodotto finale e, quindi, il suo costo. Inoltre, anche la robustezza dell'oggetto tende a calare con l'aumento dei pezzi di cui esso è costituito. Perciò, il design ottimo da questo punto di vista è quello che porta ad un oggetto costituito da una sola parte.

Ancora più importante, però, è una finzione di tipo essenzialmente immateriale che è affidata al design industriale. All'interno di un mercato sempre più caratterizzato dalla presenza di oggetti in concorrenza, spesso funzionanti in modo analogo, infatti esso è chiamato a comunicare un'idea, a suscitare una emozione, a rendere il prodotto facilmente riconoscibile e tale da essere ricordato.

Questo esercizio di "comunicazione" coinvolge diverse competenze, in gradi che dipendono dal tipo di prodotto: linguaggi (estetici) di comunicazione, sociologia, psicologia, architettura...

Anche se l'idea di "bellezza" è tipicamente soggettiva, l'ancoraggio alla "storia dell'arte", particolarmente forte in Italia, può aiutare ad orientare il design verso forme accettate da tutti. Peraltro, in molti casi è conveniente comunicare un'idea di modernità, proprio mediante uno scostamento riconoscibile rispetto a canoni largamente accettati.

Come in tutte le cose, su questo fronte si misura la capacità creativa dei progettisti, che se realmente bravi sono in grado di trovare soluzioni in bilico tra rispetto di tradizioni fortemente radicate ed inaspettate innovazioni.

Come accennato in precedenza, la realizzazione di un design originale ed innovativo è impegnativa, sia per il costo vero e proprio del progetto che per quello di realizzazione, che richiede la fabbricazione prima di prototipi adeguati, poi degli stampi necessari per la produzione di massa del "involucro" progettato. In molti casi, i costi per questo aspetto del progetto rappresentano una frazione significativa di quello totale.

Nel caso in cui questi costi non siano sopportabili (per esempio da parte di piccole imprese) si può ricorrere a contenitori standard, venduti sul mercato. Da questo punto di vista sono infatti reperibili contenitori plastici di varia forma e dimensione, purché indirizzati a tipologie di prodotti molto diffusi (telecomandi, oggetti con tastiera tipo "telefono cellulare", display,...).

È evidente che questa rappresenta una soluzione di basso costo, ma tale da non soddisfare in generale nessuna della caratteristiche di un buon design (riconoscibilità, originalità, funzionalità,..). Pertanto non ci si può aspettare che l'aspetto esteriore contribuisca in modo significativo al successo del prodotto quanto, piuttosto, il contrario.

Tempistica (finestra di opportunità)

Qualsiasi prodotto, specie nei nostri tempi, non "va bene" sempre, ma ha un periodo "giusto" per essere sul mercato, al di fuori del quale non consente un ritorno economico soddisfacente. In altri termini, per quanto riguarda il tempo, ciascun prodotto ha una propria "finestra di opportunità" all'interno della quale è in grado di produrre una remunerazione, che non c'è al di fuori di questa.

È piuttosto comune il casi di prodotti, innovativi ed assolutamente "buoni", che non hanno avuto successo perché sono stati messi sul mercato troppo presto, quando cioè i consumatori non erano pronti per comperarlo (per vari motivi: non se ne sentiva ancora l'esigenza, era necessario superare delle barriere psicologiche e culturali,...), oppure non era ancora disposto a pagarne il costo (determinato da quelli di progettazione e fabbricazione). Questo è il rischio che tipicamente corrono imprese molto innovative, che debbono cercare di indovinare nuove esigenze e tendenze del mercato.

Naturalmente, è molto più facile immettere sul mercato un prodotto ricercato dal pubblico; quando si vede che le cose stanno così a causa del successo di altri. In questo caso, il pericolo è di arrivare troppo tardi, perché per qualsiasi prodotto si giunge prima o poi ad una fase in cui non c'è più richiesta da parte dei consumatori.

Perciò, il periodo in cui un prodotto genera reddito è limitato. Le cose sono sempre state così, ma il mercato attuale enfatizza questo problema perché in una economia fondata sul consumo la finestra di opportunità di un prodotto si è drammaticamente ristretta e questo rende essenziale indovinare i tempi giusti per esser e"sul mercato" nel momento in cui questa si apre. Ciò perché dal punto di vista del ritorno economico, la prima fase di tale finestra, quella in cui un prodotto si afferma e la competizione è relativamente modesta, è quella che consente i ritorni di gran lunga maggiori. In seguito, infatti, la combinazione di una certa saturazione del mercato e della crescita della concorrenza, riduce il margine di guadagno fino alla fase di perdita idi interesse, in cui rapidamente il prodotto non è più conveniente.

In questo contesto, è dunque indispensabile indovinare i tempi giusti, e questo è un tipico compito di marketing (contemporaneamente chiamato anche a definire il costo e le caratteristiche del prodotto da immettere sul mercato in un ben definito periodo).

A parità di valore e funzionalità dell'oggetto da vendere, ogni ritardo rispetto all'apertura della finestra di opportunità di mercato rappresenta una perdita di (possibile) guadagno, che cresce rapidamente con la frazione di tale ritardo rispetto all'ampiezza della finestra stessa.

Pubblicità

Per essere immesso sul mercato, qualunque prodotto ha bisogno di pubblicità, anche se, naturalmente, in quantità che dipende dalle possibilità e dagli obiettivi dell'impresa che lo produce.

In questo senso, imprese grandi e/o nel caso di prodotti di largo consumo destinano risorse consistenti a questo aspetto del problema., mentre imprese piccole e con scarse capacità economiche fanno il minimo indispensabile.

Anche questo tipo di lavoro può essere fatto all'interno dell'impresa che commercializza il prodotto, oppure può venire "esternalizzato" verso società specializzate (questo è normalmente il caso per grandi campagne pubblicitarie).

La pubblicità, naturalmente, deve "informare" il cliente comunicando dati relativi al prodotto. Tuttavia, molto più che questo, deve invogliare a comprare. Questo può avvenire in senso comparativo, cercando di rendere un particolare prodotto più desiderabile di altri con cui è in concorrenza. Da questo punto di vista esistono tecniche consolidate per analizzare i punti di forza e di debolezza dell'oggetto da vendere in confronto con quelli della concorrenza o con casi similari, che rappresentano una parte de bagaglio culturale del moderno marketing.

A volte, la pubblicità è chiamata anche a generale il bisogno stesso a cui un nuovo prodotto intende dare risposta. Da questo punto di vista punta molto sui "modelli" di vita proposti, che devono essere tali da fare in modo che i consumatori sentano il bisogno di imitarli acquistando i prodotti che li caratterizzano.

Dal punto di vista "tecnico", la pubblicità rappresenta un esercizio di "comunicazione" che ha regole e linguaggi specifici (messaggi necessariamente brevi, grande uso di immagini,...), mentre dal punto di vista delle competenze fa grande uso di tipo conoscenze di tipo sociologico e psicologico, perché si rivolge anche ad una parte non del tutto razionale dei compratori.

Nel caso di industrie con pochi mezzi economici, o anche quando il prodotto ha già un compratore, la pubblicità si può ridurre considerevolmente, fino ad un minimo di documentazione tecnica.

Anche da questo punto di vista, tuttavia, è opportuno tenere presente che qualunque descrizione del prodotto rappresenta un esercizio di comunicazione, che deve avere obiettivi precisi in relazione alle persone a cui si rivolge e agli scopi che si vuole ottenere.

Esempi applicativi

ABS: Anti-lock Braking Sistem

 

INTRODUZIONE: tappe fondamentali del sistema ABS

L'ABS (Anti-lock Braking Sistem) è uno dei sistemi più "antichi" di assistenza alla guida. È stato introdotto in Europa come standard nel 1978; leader mondiale la Bosch , che ha da sempre sostenuto la tecnica di controllo separato dei freni delle due ruote anteriori e congiunto delle due ruote posteriori, utilizzando un dispositivo idraulico per la ricircolazione dell'olio dell'impianto frenante in circuito chiuso. Si riportano di seguito schematicamente le tappe fondamentali nell'evoluzione del sistema:

1978:  Prima installazione del sistema ABS2 come optional su Mercedes Benz Classe S e poco dopo su BMW Serie 7

1981: 100.000 sistemi ABS forniti alle case automobilistiche; l'ABS viene montato anche sui veicoli commerciali

1984: Prima installazione del sistema ABS su una vettura italiana,
la Lancia Thema

1985: Sistema ABS Bosch montato per la prima volta sulle vetture statunitensi

1986: 1 milione di sistemi ABS forniti da BOSCH

1989: Con il sistema ABS 2E l'unità di controllo è collegata direttamente
al sistema idraulico

1992: 10 milioni di sistemi ABS forniti da BOSCH

1993: Inizio della produzione del sistema ABS 5.0


Confronto ABS 5.0 (a sinistra) e 5.3 (a destra)

ABS 5.3: montaggio della centralina elettronica ibrida (ABS+ASR) sull'unità idraulica

1998: 50 milioni di sistemi ABS forniti da BOSCH

2001: Bosch lancia la versione ABS 8. Il sistema ha un design modulare che permette di realizzare i diversi livelli di allestimento del sistema frenante, da ABS, a ASR, a ESP®, con analoghi sistemi produttivi.

2003: 25 anni di produzione in serie di ABS Bosch con 118 milioni di pezzi prodotti

2005: 130 milioni di ABS Bosch venduti

2006: L'ultima generazione si chiama ABS 8.1, ed oltre ad essere in linea con l'esigenza delle case automobilistiche di ridurre peso e ingombro di ogni singolo componente (l'ABS 8.1 è più piccolo e leggero del 20% rispetto alla versione precedente, la 8.0) il sistema garantisce una maggiore efficacia in particolare sui fondi stradali scivolosi, con una notevole riduzione degli spazi di frenata.

Novità dell'ABS 8.1 è un efficiente sistema di controllo della pompa di ritorno da parte del motore, la cui velocità può essere ora meglio adattata alle condizioni di guida. Ciò ha permesso agli ingegneri di utilizzare un motore elettrico più piccolo, riducendo sensibilmente gli ingombri costruttivi. Nel corso dello sviluppo del prodotto è stato inoltre ottimizzato il comando delle valvole e della pompa. Nella sua versione più compatta, l'ABS 8.1 presenta un complesso centralina più gruppo idraulico con un peso ridotto a soli 1,4 chili. Inoltre il controllo variabile della velocità del motore elettrico permette una ulteriore riduzione sia del rumore che delle vibrazioni prodotti durante il funzionamento. Evidentemente ciò si traduce in un maggiore comfort per i passeggeri.

Nella figura sottostante vengono confrontati i diversi modelli che si sono succeduti negli anni per un sistema che ha visto sempre maggior diffusione fino a divenire dotazione obbligatoria di serie per tutti i veicoli in Italia.

Vediamo nello specifico la differenza tra la soluzione meccanica e quella che prevede il controllo elettronico della frenata.

Per approfondire: slide presentazione (formato ppt) 'ABS' ; altro esempio: 'ESP'

L' airbag

L'airbag è un sistema di sicurezza passiva oggi presente in tutte le automobili.

La sua introduzione sul mercato è stata intorno al 1980 e da allora ad oggi, grazie alle innovazioni nel campo dell'elettronica, il suo ingombro si è ridotto del 70% e la velocità di risposta è aumentata.

La sua funzione è impedire il contatto della testa dei passeggeri con il volante o il cruscotto e assorbire la forza d'urto. Il principio fisico su cui si basa afferma che l'impulso è uguale al prodotto della forza per l'intervallo di tempo durante cui tale forza esercita la sua azione, e l'airbag allungando il tempo di contatto riduce la forza agente sul passeggero, limitando i danni che questa forza può provocare.

I dati rilevati dopo la sua introduzione hanno evidenziato una notevole riduzione dei danni ai passeggeri. E' bene ricordare che per avere la massima protezione l'airbag deve essere utilizzato unitamente alle cinture di sicurezza, in caso contrario il solo airbag può causare danni invece che benefici.

Questo sistema è costituito da:

•  sacco in kevlar (fibra di grafite) per proteggere il passeggero;

•  capsula esplosiva con innesco;

•  sensori di rilevamento per riconoscere l'impatto;

•  centralina elettronica per valutare l'urto, azionare l'airbag e controllarne il corretto funzionamento.

SACCO E SISTEMA DI GONFIAGGIO

Oggi nelle automobili si trovano solitamente due palloni a protezione del conducente, di cui uno per urti frontali e uno per quelli laterali, e lo stesso per il passeggero a lato; poi a seconda dei modelli e delle case automobilistiche si possono avere airbag per i sedili posteriori e, di ultima generazione, window bag a coprire tutti i vetri laterali dell'auto per proteggere da eventuali corpi esterni durante l'urto.

Il volume dei sacchi varia a seconda di dove sono collocati per garantire la giusta protezione, ad esempio l'airbag frontale per il conducente ha un volume di circa 50- 70 litri e per il passeggero a lato 150- 170 litri .

Il gas con cui i palloni sono gonfiati è per il 95% azoto quindi innocuo per le persone, il restante 5% invece è costituito da gas nocivi che possono causare reazioni o abrasioni.

Il sacco e la capsula esplosiva sono contenuti nel volante e nel cruscotto per gli airbag frontali anteriori, a lato dei sedili per impatti laterali e nel retro dei sedili per i passeggeri posteriori. Nella capsula si trova in forma solida azoturo di sodio, questo composto è nocivo per l'uomo, ma essendo chiuso ermeticamente nei vani contenenti gli airbag è molto difficile venirne in contatto.

Le reazioni che generano azoto in forma gassosa sono:

Le reazioni sono innescate dal fatto che i sensori, rilevando una decelerazione immediata della vettura, generano una corrente elettrica che produce calore che a sua volta permette l'attivazione delle reazioni.

La seconda reazione con nitrato di potassio serve ad eliminare il sodio metallico generato dalla prima per evitare che l'airbag causi danni al passeggero.

L'accensione del combustibile avviene circa 10 ms dopo l'urto e il tempo necessario per gonfiare il pallone è di circa 30-50 ms così da proteggere istantaneamente i passeggeri in caso di incidente; inoltre anche il tempo necessario per sgonfiare il sacco è molto piccolo e questo permette di attutire l'impatto, di non ostacolare la respirazione del passeggero e di permettergli una veloce uscita dall'abitacolo.


Fasi di apertura dell'airbag.

Gli airbag laterali sono posizionati lateralmente nello schienale dei sedili così permettono indipendentemente dalla statura, dalla posizione e dalla regolazione dello schienale di proteggere efficacemente il passeggero, inoltre questa collocazione consente di utilizzare sacchi del volume di 12 litri: molto inferiore al volume che sarebbe necessario se l'airbag fosse alloggiato nella portiera dell'auto.


Airbag laterale.

A seconda dell'urto e della velocità si ha una diversa attuazione degli airbag:

•  frontali: si aprono in caso di impatto frontale o obliquo fino a +/- 30° rispetto all'asse longitudinale dell'auto con una velocità di almeno 30 km/h ;

•  laterali: si aprono in caso di impatto obliquo superiore a +/- 30° rispetto all'asse longitudinale con una velocità di almeno 30 km/h e in caso di impatto frontale con velocità superiore a 40 km/h .

SENSORI

Il sensore fondamentale per il corretto funzionamento dell'airbag è l'accelerometro. Questo sensore ha il compito di rilevare brusche variazioni negative dell'accelerazione in modo che il sistema di controllo possa decidere se la situazione richieda o no l'attivazione del sistema.

Un fattore importante affinché l'accelerometro funzioni correttamente è che sia ben fissato alla scocca dell'auto, in caso contrario il dispositivo misurerebbe la propria accelerazione e non quella della vettura.

Questo tipo di sensore in passato era di tipo meccanico, ora invece sono anche di tipo elettronico.

Gli accelerometri meccanici sono sostanzialmente di due tipi:

•  a magneti: un magnete esercita una forza su una massa "sensibile" tenendola ferma in condizioni di normale funzionamento dell'auto, in caso di collisione la massa si sposta e il magnete tenta di riportarla all'equilibrio, se l'urto è di grande entità la massa si sposta a tal punto da andare a chiudere un contatto che invia alla centralina un segnale di pericolo;

•  a massa sospesa: la massa è appesa ad un supporto solidale alla vettura tramite delle leve e in caso di incidente si ha un movimento del peso, il sensore si attiva in caso il movimento superi una certa soglia; in alcuni casi questi sensori per l'attivazione necessitano anche di un valore della velocità superiore ad una certa soglia.

In generale questi sensori possono essere considerati come integratori dell'impulso d'urto, infatti, si attivano solo se si ha un impulso superiore ad un certo valore e di una certa durata.

I sensori di tipo elettronico contengono i seguenti componenti: trasduttore per generare il segnale d'urto, circuito di elaborazione e generazione del segnale di attivazione.

In caso d'impatto un accelerometro si attiva e genera un segnale continuo che viene poi convertito in digitale ed elaborato producendo delle variabili interne, queste sono confrontate con valori di riferimento contenuti in memoria e di conseguenza si ha o meno il triggering del sensore.

I sensori di tipo elettronico possono essere anche realizzati con un'intelligenza locale per attivare in modo indipendente i vari dispositivi di sicurezza appropriati.


Ecco un esempio di sensore di accelerazione con intelligenza locale: all'interno del modulo vi sono ha un'amplificatore, un convertitore A/D,
un DSP per l'elaborazione, un DAC, filtri e moduli di self-test per controllare il corretto funzionamento del sistema attraverso un'interfaccia seriale.

Un altro sensore che si può trovare nelle automobili è quello di roll-over: questo sensore ha il compito di rilevare situazioni di ribaltamento della vettura. In realtà non è un singolo componente, le informazioni sono date da tre sensori integrati nella centralina di controllo dell'airbag: un sensore di imbardata e due sensori di accelerazione. Il primo rileva la velocità di rotazione intorno all'asse longitudinale, i secondi misurano l'accelerazione in direzione trasversale alla direzione di moto e in altezza.

 

Altri sensori sono addetti a rilevare la presenza o meno del passeggero sul sedile per poter attivare l'airbag con diverse modalità a seconda della situazione. Questi sensori sono realizzati con tecniche molto diverse, alcune sono:

•  sensori-vite: sostituiscono le viti di ancoraggio dal sedile al telaio della vettura e misurano le forze agenti. In questo modo tramite quattro sensori-vite per ogni sedile si può determinare il peso del passeggero attraverso la misurazione della corsa della vite con sensori ad effetto Hall; noto il peso la centralina attuerà il sistema in modo diverso a seconda del caso rilevato (nessun passeggero, bambino, adulto).

•  sensori capacitivi: molto robusti, economici e facilmente integrabili; permettono di ricavare informazioni sia sulla posizione sia sulla morfologia del passeggero. Sono costituiti da due sottili strisce di materiale conduttivo disposte sotto il rivestimento dei sedili perpendicolarmente all'asse longitudinale della vettura. Quando il passeggero è seduto tutti gli accoppiamenti agenti sul sistema passeggero-sedile si possono riassumere con sei capacità, il loro valore è influenzato dalle caratteristiche dell'individuo, quindi misurando la carica sugli elettrodi si ottengono informazioni sulla superficie del passeggero affacciata al sedile. Da questi dati la centralina valuterà poi il tipo di passeggero e di conseguenza attuerà l'airbag in modo appropriato. Il problema di questo sistema è che il valore delle capacità oltre ad essere legato alle caratteristiche del passeggero dipende anche dalla distanza di quest'ultimo dagli elettrodi e non è possibile separare le informazioni relative alla distanza da quelle di superficie. Si può risolvere il problema utilizzando un terzo elettrodo più largo degli altri, a distanza diversa e polarizzabile in modo indipendente, in questo modo con misurazioni fra più elettrodi è possibile separare le informazioni.

• 3-D vision technology: sensori che utilizzano la luce per individuare il tipo di passeggero. Le tecniche sono diverse, ad esempio è possibile valutare il calore emesso dal corpo umano, oppure utilizzare micro-telecamere, o ancora basarsi sul time-of flight (TOF) principle. Quest'ultimo metodo ha il vantaggio di non avere problemi legati all'illuminazione dell'abitacolo, infatti, consiste nell'illuminare la scena in cui può essere presente il passeggero con un fascio di luce modulata prodotta da LED, la luce viene poi riflessa dall'oggetto e rinviata al ricevitore; a seconda del tragitto percorso dalla luce questa avrà un diverso ritardo di fase rispetto al fascio di partenza e la misura di questo ritardo può essere convertita nella distanza dell'oggetto, poi sarà il sistema di controllo ad elaborare i dati e constatare o meno la presenza di passeggero.

 

SISTEMA DI CONTROLLO

Il sistema di controllo dell'airbag è costituito da un microcontrollore, una memoria, un accumulatore di riserva e un sistema di diagnostica per rilevare eventuali malfunzionamenti dei vari componenti.

L'accumulatore si attiva nel caso in cui dovesse mancare la corrente proveniente dalla batteria della vettura e fornisce l'energia necessaria per azionare entro circa 100ms tutti i sistemi di sicurezza.

La memoria si suddivide in due parti: una nella quale vengono registrati i valori rilevati dai sensori per poi essere confrontati e valutati (RAM), l'altra nella quale sono memorizzati i dati di riferimento per effettuare i confronti e vengono memorizzati i dati relativi ad incidenti avvenuti per poi effettuare una ricostruzione (EEPROM).

La ricostruzione è possibile grazie al Recording Crash Event Data: se la gravità dell'incidente provoca l'apertura dell'airbag tutti i dati ottenuti nei 5 secondi precenti l'impatto vengono memorizzati nella EEPROM. Il sistema per fare questo esegue un controllo "a polling" attraverso vari sensori su variabili come la velocità, l'accelerazione, i giri del motore, lo stato dei freni, la posizione del cambio e memorizza continuamente questi dati in un buffer (RAM), dove rimangono soltanto i dati più recenti (in questo caso quelli relativi agli ultimi 5 secondi); nel caso in cui si attivi il sistema l'aggiornamento del buffer è sospeso e i dati lì intrappolati vengono trasferiti nella EEPROM. E' così possibile in ogni momento attraverso un PC estrarre i dati dalla EEPROM per analizzare le dinamiche di incidente.

Per quanto riguarda l'attivazione dell'airbag è necessario avere un'elaborazione di tipo real-time sia per ottenere i dati dai sensori, sia per elaborare questi dati e di conseguenza attivare il sistema. A questo scopo è utile avere un database contenente dati relativi alle varie situazioni che si possono verificare per effettuare un immediato confronto.

Vediamo un esempio di algoritmo implementato su DSP: "two stage fuzzy algorithm". Questo metodo distingue tre casi: il primo in cui non è necessaria l'attivazione dell'airbag, il secondo riguarda impatti a media velocità in cui l'airbag si deve attivare entro 40-60ms e il terzo riguarda impatti ad alta velocità in cui l'attivazione deve avvenire in 10-20ms.

Il circuito di identificazione di severità dell'impatto (ISIC) riceve in ingresso dall'accelerometro un segnale di tipo analogico e dopo averlo elaborato genera un segnale di attivazione per l'airbag, vi è poi un'unità elettrica di controllo (ECU) che vigila sul buon funzionamento dell'ISIC controllando la concordanza fra il suo segnale di attivazione e la reale attivazione dell'airbag. I segnali utilizzati dal modulo di ISIC sono quattro:

  1. 'disp1': spostamento durante un predeterminato periodo;
  2. 'disp2': spostamento totale;
  3. 'njerk': numero di volte in cui il jerk supera una certa soglia dopo che l'accelerazione ha superato la soglia;
  4. 'tw': tempo intercorso fra il superamento della soglia di accelerazione e il primo superamento della soglia di jerk.

Durante lo scontro frontale si ha una prima fase (0-10ms) in cui l'accelerazione supera la soglia e il circuito di ISIC distingue se l'urto è severo o meno basandosi sull'ingresso 'disp1': se lo è si attiva l'airbag, altrimenti si passa alla seconda fase (10-40ms). In questa il circuito valuta, utilizzando tutti e quattro gli ingressi, il tipo di urto: severo, moderato,leggero.

La valutazione viene fatta confrontando i valori in ingresso con delle soglie predefinite e per effettuare questo confronto in maniera veloce si utilizzano delle tabelle associative (fuzzy associative memory).

L'output del sistema è un segnale di severità di impatto 'svty' e anch'esso viene comparato a sua volta con un valore di soglia per poi generare un segnale digitale di attivazione dell'airbag.

Tabella decisionale del "two stage fuzzy algorithm"
disp1
disp2
Njerk
tw
severity
>0.5
any
any
any
severe
if
>0.3
>1
>10
<5
Then
severe
0.3
0.5
>10
<5
moderate
0.3
>1
>4
>12
moderate
0.3
>1
<4
>20
moderate
0.2
<1
<4
>12
light

 

AFFIDABILITA' DEL SISTEMA

I fattori che determinano l'affidabilità del sistema sono legati al tipo di realizzazione e alla scelta di ogni componente.

Infatti è importante conoscere l'incertezza dell'accelerometro e degli altri sensori, la sensibilità ai disturbi dei sistemi di memorizzazione e la probabilità di errore degli algoritmi.

La stessa importanza si ha per la scelta della dislocazione dei sensori e del loro numero. Per la prima scelta le possibilità sono: porre i sensori nella crush-zone o nella non crusch-zone, le differenze sono abbastanza importanti e influenzano anche il tipo di sensore da utilizzare. I sensori posti nella crush-zone devono rispondere ad impulsi di grande entità mentre quelli nella non crush-zone ad impulsi di entità minore, quindi, per avere concordanza di risposte, i secondi devono essere più sensibili dei primi, inoltre affinché le attivazioni siano simultanee i sensori della non crush-zone devono essere più veloci in quanto essendo più lontani dalla zona d'impatto ricevono l'onda dell'urto leggermente in ritardo.

Per quanto riguarda il numero di sensori nel passato si tendevano ad utilizzare più sensori dislocati in diversi punti della vettura, oggi invece si preferisce un'unico sensore per poi rimandare l'affidabilità ai diversi algoritmi decisionali utilizzati.

CONCLUSIONI

Negli ultimi anni i sistemi di sicurezza nelle vetture hanno subito una grossa evoluzione grazie alle innovazioni nel campo elettronico, per questo è stato possibile aumentare il livello di integrazione e quindi aumentare le funzionalità dei sistemi senza limitare in confort e l'estetica delle automobili.

Attualmente non solo l'evoluzione non si è fermata, ma si sta cercando di apportare ulteriori miglioramenti che sono orientati, nel caso dell'airbag, ad un perfetto adattamento del sistema al passeggero. Un esempio è lo Smart airbag: si utilizza un sacco a doppio strato per poter attivare separatamente le due parti a seconda della morfologia del passeggero. Fino ad ora i risultati ottenuti sono buoni e la sicurezza all'interno dell'abitacolo sta raggiungendo livelli sempre più alti.

Per approfondire: presentazione (formato ppt) 'Airbag' .

Keyless Entry System

ELETTRONICA ON THE ROAD

Le odierne autovetture, principalmente quelle della "luxury class", oltre che per il design futuristico e le prestazioni in vertiginosa crescita, si caratterizzano soprattutto per la dotazione elettronica, di serie o disponibile a richiesta secondo i modelli, gestita da decine di centraline (fino a circa 80) che si scambiano informazioni attraverso potenti reti di bus (circa 4 reti a fibre ottiche).

Il sofisticato sistema consente un'ampia varietà di funzioni volte ad alleviare le fatiche di chi guida ed a migliorare sicurezza, confort, intrattenimento e comunicazione.

SISTEMI DI APERTURA DELLE AUTOVETTURE

Inizialmente, i sistemi di accesso e messa in moto di una autovettura erano completamente indipendenti dalle varie funzioni del veicolo. Essi erano realizzati nella forma di serrature meccaniche posizionate rispettivamente nelle portiere e nel blocco accensione. In seguito, tali sistemi divennero sistemi elettromeccanici a chiusura centralizzata.

L'utilizzo di un telecomando fu il risultato dello sviluppo del sistema di chiusura centralizzata ottenuto facendo ricorso a collegamenti ad infrarossi o in radio-frequenza (RF) che legavano tra loro vettura e chiave tramite un sistema trasmettitore-ricevitore elettromeccanico e che permettevano di aprire e chiudere l'auto da una distanza che variava da pochi metri fino ad arrivare a poche decine di metri, tutto grazie alla pressione di un bottone installato sulla chiave stessa.

Per migliorare la protezione anti-furto, il blocco meccanico di accensione fu poi realizzato in modo tale da poter permettere lo scambio di codici tra chiave e vettura; scambio che avveniva con una trasmissione magnetica a bassa frequenza e che aveva lo scopo di autenticare la chiave.

Il passo seguente nello sviluppo di tali apparati fu quello di sostituire le vecchie, ingombranti e poco pratiche serrature meccaniche con serrature elettroniche facenti uso di metodi di autenticazione puramente elettronici. La semplice presenza di chiavi elettroniche in prossimità dell'auto era sufficiente ad aprirne le porte, ma tuttavia era ancora necessario che tali tipologie di chiavi fossero inserite in serrature elettroniche per consentire la messa in moto, così il guadagno in convenienza era ancora limitato.

IL PRINCIPIO DEL "KEYLESS GO"

L'ottimizzazione finale del processo, ossia la totale scomparsa di apparati meccanici, si realizza nel concetto del "Keyless Go", ossia il sistema "apri porta" elettronico che sblocca automaticamente le serrature delle porte e del cofano del bagagliaio non appena il guidatore si avvicina alla autovettura, consentendo così accesso e accensione della vettura senza il vincolo del possesso di chiavi meccaniche. La vettura, infatti, rileva ed autentica automaticamente la chiave elettronica nel momento in cui quest'ultima si trovi in prossimità di essa e quindi sblocca le serrature più prossime al lato a cui si sta avvicinando il conducente.

Se poi la chiave viene rilevata all'interno della macchina e viene anche premuto il bottone di avviamento, la macchina si avvia automaticamente, ma se non viene trovata traccia della chiave dentro l'autovettura quando è premuto il bottone di "START", viene esclusivamente generato un messaggio di "WARNING".

 

Grazie a questo dispositivo, l'utente non viene obbligato ad interagire meccanicamente con la vettura e non vi è nessun tipo di contatto tra auto e chiave elettronica dato che tutto avviene tramite la radiocomunicazione.

 

Le specifiche generali che il "Keyless Go System" deve soddisfare sono:

•  la totale affidabilità del sistema deve essere paragonabile a quella dei precedenti sistemi meccanici;

•  deve essere garantito un tempo di reazione che si mantenga al di sotto dei 100msec;

•  il tempo di vita della batteria della chiave elettronica deve essere garantito per diversi anni;

•  il costo del sistema deve risultare pari o addirittura inferiore di quello delle attuali soluzioni meccaniche.

LE PROCEDURE "KEYLESS GO"

La procedura per la chiusura/apertura e per la messa in moto della vettura è basata sulla combinazione di radiocomunicazioni a bassa frequenza e di una banda a radiofrequenza.

•  Procedura di Ingresso:

il conducente che vuole entrare nella sua auto, avendo la chiave elettronica posizionata o da qualche parte sul suo corpo o in qualcosa come ad esempio una valigetta o un portafoglio, provoca, toccando la maniglia della portiera o il cofano, quindi interagendo con i sensori posizionati in tali zone, una "wake up call" al sistema che attiva la trasmissione di un primo messaggio ad una bassa frequenza (dai 10KHz ai 125KHz) che, partendo dal veicolo, raggiunge la chiave attivandola.

La chiave elettronica allora rileva il segnale a bassa frequenza ed abilita i dispositivi di autenticazione che, una volta terminate le loro verifiche, consentono l'apertura delle porte dal lato in cui la chiave viene a trovarsi.

L'intera procedura dovrebbe tipicamente non superare i 100msec e, dopo l'inizializzazione delle funzioni Keyless Go, la chiave elettronica si riporta in modalità stand-by per salvaguardare la vita delle batterie.

•  Procedura di Avviamento:

il conducente è ora all'interno della macchina così come la chiave elettronica. In questo momento, l'auto è ancora elettronicamente chiusa, ma premendo il bottone di "START", questa trasmette un messaggio a bassa frequenza per riattivare la chiave che, rilevato tale segnale, inizializza ora tutti quei sistemi coinvolti nella procedura di avviamento.

La vettura inizia a trasmettere segnali a bassa frequenza da diverse posizioni al suo interno e, sulla base delle informazioni ricevute, con un procedimento di "check", calcola dove si trova la chiave all'interno di essa. Se la chiave si trova all'interno di essa e l'autenticazione è positiva, quindi se tutte le condizioni sono soddisfatte, la vettura viene messa in moto altrimenti, in caso di presenza di anomalie varie, rimane immobile (disattivata) ed al conducente viene notificato un avviso di fallita autenticazione o posizione della chiave.

LE FUNZIONI DEL "KEYLESS GO SYSTEM"

Le funzioni che devono essere svolte da tale sistema e assolutamente non presenti nei sistemi precedenti simili sono:

•  attivazione automatica della chiave elettronica che copra una distanza di diversi metri;

•  autenticazione della medesima chiave sempre entro una distanza di diversi metri;

•  rilevamento altamente accurato della presenza della chiave sia all'interno che all'esterno della vettura tramite l'utilizzo di una trasmissione a bassa frequenza;

•  autenticazione, compiuta a bassa frequenza tramite trasmissioni in radiofrequenza o in radiofrequenza bi-direzionali, della chiave elettronica non più al fine dell'apertura della macchina ma al fine della messa in moto di questa;

•  rilevamento delle situazioni di auto vuota e/o esaurimento batteria della chiave.

 

Per svolgere tutte queste funzioni, il sistema richiede 2 sottosistemi:

•  un sottosistema a bassa frequenza rivolto all'attivazione, al rilevamento della zona di ingresso ed anche al riconoscimento della situazione "all'interno/all'esterno";

•  un sottosistema in radiofrequenza per la trasmissione dei dati codificati per l'autenticazione della chiave elettronica.

Il tutto deve essere quindi altamente sensibile e permanentemente acceso in modo da essere sempre pronto a ricevere messaggi di attivazione.

ASPETTI DI MERCATO

Data l'elevata convenienza in termini di confort e la sempre crescente richiesta di tale dispositivo, si calcola che tale possa passare dall'essere un confort d'elite a divenire un elemento standard per veicoli anche più economici.

Studi di marketing compiuti nel 2003 hanno, infatti, mostrato come il tasso di penetrazione di tale dispositivo possa arrivare a raggiungere il 70% degli autoveicoli nel giro di 3 anni e, siccome la produzione mondiale di automobili calcolata nel 2002 si aggirava sui 44 milioni di vetture, si ipotizza una richiesta annuale di tale sistema attorno ai 22 milioni di esemplari.

R&D - RICERCA E SVILUPPO

Tele sistema, primo al mondo, fu sviluppato dagli ingegneri Siemens presso il centro di R&D di Regensburg in collaborazione con la DaimlerChrysler ed introdotto, per la prima volta nel 1999, nelle Mercedes-Benz classe S come elemento di "luxury optional".

KEYLESS ENTRY SYSTEM (KES)

Il KES è composto da una chiave elettronica dotata di un trasmettitore e da un ricevitore posizionato internamente al veicolo.

Entrambi questi dispositivi usano comunemente una frequenza di 315MHz negli U.S.A. e Giappone ed una frequenza di 433.92MHz in Europa.

PROGETTANDO IL KES:come lavora il sistema e le specifiche di progetto

Mostreremo ora sia come funziona tale sistema che le modalità per affrontare le principali sfide di progetto volte ad ottimizzare aspetti come il consumo di bassa potenza, l'area di trasmissione/ricezione e l'affidabilità generale.


Diagramma a blocchi di un Keyless Entry System

Come è possibile vedere nel diagramma a blocchi del KES, il conducente preme un bottone di azionamento (ON/OFF) posizionato sulla "card" ed accende il dispositivo rendendolo attivo.

Ciò abilita la CPU interna alla scheda ad inviare uno "stream" di dati al trasmettitore RF (ossia in radio-frequenza) e tali dati sono solitamente di una lunghezza compresa tra i 64 ed i 128 bits e vengono inviati ad una frequenza compresa tra i 2 e i 20KHz. La modulazione usata nella trasmissione dei dati è la ASK (amplitude shift keying) che ha lo scopo di estendere il tempo di vita delle batterie della card elettronica.

Il ricevitore RF posto nel veicolo cattura il segnale in radio-frequenza, lo demodula ed invia la sequenza di dati acquisiti alla CPU che decodifica tali dati ed invia informazioni al modulo di comando.

È da notare come la card elettronica sia alimentata tramite una semplice pila, mentre il blocco installato nella vettura utilizzi la batteria della stessa e quindi necessita di un adattatore.

Nel progetto di tali sistemi, grande importanza ricoprono aspetti, comunemente indicate col nome di "specifiche da soddisfare", come:

- CONSIDERAZIONI SULLA POTENZA NECESSARIA : per un trasmettitore è desiderabile un tempo di vita della batteria di 3-5 anni al fine di evitare frequenti, dannose e scomode sostituzioni e tale aspetto riguarda anche la batteria del ricevitore, dato che questo deve essere sempre acceso e pronto alla ricezione.
Un modo per risolvere questo problema è quello di lasciare acceso il ricevitore per intervalli di tempo lunghi abbastanza da determinare se è presente una trasmissione valida. Il ricevitore dorme il resto del tempo (modalità stand-by).

- CAMPO DI TRASMISSIONE/RICEZIONE ed AFFIDABILITA' : questo tipo di applicazioni necessitano di un buon campo di trasmissione/ricezione e di una buona affidabilità nello svolgere le operazioni. Per influenzare tali fattori, si agisce incrementando la sensibilità del ricevitore cercando però di non aumentare anche il consumo di corrente.

- COMPONENTI UTILIZZATI : nel circuito del KES sono utilizzati un trasmettitore MAX1472 ed un ricevitore MAX1470 ovvero MAX1473.

Riportiamo ora in breve le caratteristiche dei componenti suddetti utilizzati nel sistema e rimandiamo ai "data sheet" allegati per maggiori dettagli ed informazioni:

MAX1473

•  ricevitore supereterodina ASK con alta sensibilità

•  opzione di funzionamento a 3V o 5V

•  consuma meno di 1.5mA in modalità OFF e solo 5.2mA quando riceve

•  può ricevere fino a 100Kbps

•  può transitare dalla modalità SHUT-DOWN (non ricevente) a quella ricevente in meno di 250microsec

•  contiene un circuito AGC a passo singolo che abbassa il guadagno LNA per 35dB quando il segnale di input RF è maggiore di -57dBm

•  usa un filtro a IF (frequenza intermedia - quella caratteristica dell'interno del circuito) di 10.7MHz

•  ha un indicatore di segnale ricevuto (RSSI - received-signal-strength-indicator)

•  ha un VCO (oscillatore controllato in tensione)

•  ha 28 pin

•  è venduto in quantità di 10000pz. con 1.95$

MAX1470

•  ricevitore molto simile al MAX1473

•  manca dell'AGC

•  può funzionare solo a 3V

•  è meno costoso del primo dato che è possibile acquistarne 10000pz. a 1.65$

MAX1472

•  è il più piccolo trasmettitore ASK basato sulla configurazione circuitale a PLL ed ha una dimensione di 3mm x 3mm

•  ha 8 pin

•  è perfetto per applicazioni a basso costo ed alti volumi di applicazione dove lo spazio è critico

•  opera consumando solo 2.1V e 100nA in modalità stand-by

•  può accettare "data rates" fino a 100kbps

•  quando il pin di "enable" è attivato, tale ricevitore necessita di soli 250microsec per essere pronto alla trasmissione

•  è in commercio con un costo di 1.39$ per 1000pz

 

Come modificare un progetto esistente di un TDA5200 o TDA5201 per ottenere un ricevitore MAX1470 supereterodina

(procedura step-by-step)

In figura è mostrato il tipico circuito base TDA5200/5201, ricevitore ASK, sintonizzato a ricevere segnali a 433.92MHz. Sono poi illustrate i quattro semplici passi per convertirlo in un MAX1470.

Le attrezzature e i componenti necessari sono:

•  la scheda del ricevitore assemblato

•  un circuito integrato MAX1470

•  un cristallo a 6.6128MHz (se l'operazione da compiere è svolta a 433.92MHz) oppure un cristallo a 4.7547MHz (se si opera a 325MHz)

•  2x100pF e 1x3pF capacità per il funzionamento a 433.92MHz oppure 2x100pF e 1x4.7pF capacità per 315MHz

•  1x68nH e 2x15nH induttanze per operare a 433.92 oppure 1x15nH, 1x27nH e 1x120nH per lavorare a 315MHz

Le operazioni da compiere per ottenere la conversione sono:

•  FORNITURA DI TENSIONE : il MAX1470 richiede 3.3V di alimentazione e non 5V come invece ne richiede il TDA

•  SOSTITUZIONE DEL CRISTALLO DI QUARZO : il ricevitore MAX1470 PLL necessita di un XTAL caratterizzato da una frequenza pari a 6.6128MHz per un funzionamento ad una frequenza di 433.92MHz. In base al cristallo usato, infatti, le capacità C15 e C16 possono dover essere variate per compensare l'allontanamento del cristallo dalla sua frequenza di funzionamento iniziale dovuto alla differenza nella capacità di carico

•  REGOLAZIONE DEGLI INPUT : si sostituiscono le capacità C1, C2, C3 e L1 con una serie formata da una capacità da 100pF e da una induttanza da 68nH. Inoltre, si sostituisce anche C5 con un induttore da 15nH. I due nuovi induttori dovranno essere posizionati al posto delle capacità C3 e C5

•  LC tank and mixer input : i valori di L2, C6 e C8 dovranno essere cambiati

 

 

Infineon Circuit

Maxim Circuit

Supply

5V

3.3V

IC

TDA5200/1

MAX1470

XTAL

13.2256MHz

6.6128MHz (433.92MHz), 4.7547MHz (315MHz)

R1

100K

Unchanged

R2

120K

None

R3

180K

None

L1

15nH

None

L2

10nH

15nH (433.92MHz)
27nH (315MHz)

C1

1pF

100pF

C2

4.7pF

None

C3

6.8pF

L=68nf (433.92MHz)
120nH (315MHz)

C4

100pF

Unchanged or 10nF

C5

47nF

L=15nH

C6

8.2pF

3.0pf (433.92MHz)
4.7pF (315MHz)

C7

100pF

Unchanged

C8

33pF

100pF

C9

100pF

Unchanged

C10

10nF

Unchanged

C11

10nF

Unchanged

C12

220pF

Unchanged

C13

47nF

Unchanged

C14

470pF

Unchanged

C15

15pF

Unchanged

C16

8.2pF

15pF

(componenti che differiscono tra i due progetti)

 

I vantaggi dell'usare un MAX1470/MAX1473 al posto di un TDA5200/TDA5201 sono:

•  maggiore sensibilità

•  range operativo dai 300MHz ai 450MHz

•  possibilità di operare sia a 3V che a 5V

I vantaggi del TDA rispetto al MAX sono invece il lievemente minore consumo di corrente.

 

Come scegliere l'oscillatore a cristallo di quarzo da utilizzare nel ricevitore MAX1470 supereterodina

I cristalli di quarzo sono disponibili in diverse varietà di tipi e dimensioni e con diverse caratteristiche e specifiche di prestazioni. Alcune di questa specifiche includono frequenza di risonanza, modo di risonanza, capacità di carico, resistenza serie e drive level. Dalla comprensione di questi parametri potremo scegliere il cristallo più adatto alle nostre applicazioni.

Il circuito equivalente di un cristallo, mostrato in figura, consiste di una serie di R, L e C (elementi di movimento - "motional elements") in parallelo con Co (capacita di deviazione - "shunt capacitance"). I primi 3 determinano la frequenza di risonanza mentre Co è una funzione degli elettrodi, dei fili e degli holder del cristallo.

 

Tra le specifiche di prestazione abbiamo:

 

•  FREQUENZA DI RISONANZA : la frequenza del cristallo dipende dalla frequenza che si ha interesse ad avere nella ricezione. Dato che il Max1470 usa una frequenza IF di 10.7MHz, la frequenza del cristallo è data da (sempre espressa in MHz)

Per applicazioni a 315MHz, la frequenza del cristallo è 4.7547MHz mentre per applicazioni a 433.92MHz, la frequenza è 6.6128MHz (dovrebbero sempre essere specificati solo i modi fondamentali del cristallo e non le sfumature).

•  MODO DI RISONANZA : i cristalli hanno due modi di risonanza, serie (la più bassa frequenza tra le due) o parallelo (detto anche modo di anti-risonanza, che considera la frequenza più alta delle due). Tutti i cristalli mostrano entrambi i modi, ma nella risonanza serie, le reattanze della capacita e dell'induttanza di movimento (motional), Cm ed Lm, sono uguali ed opposte mentre la resistenza è minima. Al punto di anti-risonanza, tuttavia, la resistenza è massima ed il flusso di corrente è minimo. Tale punto non è usato nel progetto di oscillatori.

Un cristallo di quarzo può essere usato per oscillate ad una frequenza compresa tra le frequenze serie e quelle antirisonanti tramite l'aggiunta di un componente esterno (solitamente capacità). Tale situazione viene riferita ad una frequenza o modo detto parallelo e questa frequenza si trova sopra la frequenza di risonanza, ma al di sotto della vera risonanza parallela del cristallo (il punto di anti-risonanza). La figura 2 mostra una tipica impedenza di cristallo riferita ad un disegno di frequenza.

•  CAPACITA' DI CARICO : la capacità di carico è una specifica importante quando si usa un modo di oscillazione a risonanza parallela. In questo modo, la reattanza totale del cristallo è lievemente induttiva ed è in parallelo con la capacità di carico dell'oscillatore, formata questa da un circuito LC che determina la frequenza di oscillazione. Come varia la capacità di carico così varia anche la frequenza di output ed è necessario che i venditori di cristallo conoscano la capacità di carico vista dal circuito oscillatore così da poter ben calibrare il circuito. Se si usa un cristallo progettato per oscillare con una diversa capacità di carico, esso subisce un allontanamento dalla sua frequenza operante iniziale, introducendo un errore nella frequenza di riferimento. Per riportare il tutto nella situazione iniziale desiderata, si deve aggiungere delle capacità esterne che vanno a modificare la capacità di carico.

•  RESISTENZA SERIE : per la maggior parte dei cristalli, un tipico range di resistenza serie usate è 25ohms - 100ohms. I rivenditori solitamente caratterizzano le resistenze necessarie specificandone il valore massimo. Per il MAX1470 è importantissimo non eccedere i 100ohms.

•  DRIVE LEVEL : la potenza dissipata nel cristallo deve essere limitata o il cristallo di quarzo può dover subire una eccessiva vibrazione meccanica. Le caratteristiche del cristallo variano anche a causa del "drive level" dovuto ad un comportamento non lineare. I rivenditori specificano sempre il massimo "drive level" tollerato da una particolare linea di prodotti. È bene usare cristalli che abbiano un "drive level" inferiore ad 1uW range.

Come sintonizzare in modo ottimale l'antenna del circuito MAX1470

Il MAX1470 è concepito per ottenere la massima sensibilità possibile. Tuttavia, può risultare necessario adattare tale circuito a differenti frequenze.

Le tre zone di possibile regolazione per ottenere un miglioramento delle prestazioni in RF sono:

  1. regolazione dell'LNA (low noise amplifier) : il filtro LC è direttamente connesso al pin LNAOUT e consiste di una L1 = 27nH e di una C9 = 4.7pF con tali valori scelti avendo preso come riferimento una frequenza di 315MHz. La frequenza di risonanza è data da

e la Ltotal e la Ctotal includono, oltre alle L1 e C9, anche tutte le capacità ed induttanze parassite presenti nella scheda. Quest'ultime non possono essere ignorate dato che possono avere effetti drammatici sul centro di frequenza del filtro.

Riguardo quindi alla maggiore sensibilità del circuito, bisognerebbe mantenersi strettamente vicini alla frequenza di funzionamento di 315MHz e l'utente dovrebbe determinare la frequenza propri della scheda ed apportare le dovute modifiche.

  1. regolazione degli input
  2. cristallo di quarzo : dato che il MAX1470 usa una IF di 10.7MHz, la frequenza del cristallo è data da (tutte le unità sono espresse in MHz)

Per applicazioni a 315MHz, la frequenza del cristallo è quindi di 4.7547MHz, mentre se lavoriamo a 433.92MHz, questa sarà di 6.6128MHz.

Se la capacità di carico che la scheda mostra al cristallo è differente da quella per cui il cristallo era stato progettato, quest'ultimo si allontanerà dalla frequenza operante iniziale, introducendo così un errore. Per risolvere tale problema e modificare quindi la capacità di carico, è necessario aggiungere capacità esterne.

Tutte le tre precedenti modifiche dovrebbero migliorare le prestazioni in RF del circuito base MAX1470.

 

 

 

Radio FM portatile a basso costo

Introduzione

In questo lavoro è stata presa in considerazione una radio FM portatile a basso costo. Inizialmente verrà descritto il circuito che costituisce la radio con considerazioni relative al tipo di componenti usati (con attenzione particolare all'integrato montato) e alla scheda stampata realizzata. Quindi verranno proposti alcuni commenti sulle scelte di progetto tenendo presente le caratteristiche del prodotto finale con considerazioni su come il design e il tipo prodotto influenzino la realizzazione del circuito e la scelta componenti.

Infine viene considerata una eventuale versione digitale del ricevitore radio, tenendo sempre presente il tipo di prodotto finale che si vuole ottenere ed il mercato di destinazione.

Descrizione della radio

Il sistema preso in esame è una radio FM portatile con alimentazione a batteria (fig. 1). Si tratta di un prodotto di largo consumo, spesso utilizzato come gadget e in quanto tale ha solo funzioni basilari, un'ampia parte visibile in cui può essere inserito il marchio del committente, un design moderno ed accattivante, ed un costo contenuto. Infatti questa radio ancor oggi può essere ordinata in grande numero di pezzi al costo di 0,99 € cad. Questi aspetti hanno guidato i progettisti nella creazione di questo prodotto, influenzandone varie caratteristiche.


Fig.1:Dispositivo preso in esame

Esaminando il circuito (fig. 2) si può vedere che è composto da diversi elementi passivi: varie capacità (ceramiche a disco ed elettrolitiche) e resistenze, un potenziometro, due interruttori,un jack audio, un transistor PNP (S9012), un transistor NPN (C9014), ed un diodo (910BB). L'unico componente attivo che quindi svolge tutte le operazioni per la demodulazione del segnale ricevuto è il circuito integrato TDA7088T.

 

Fig.2:Il circuito Stampato.

Si può notare subito che i dispositivi utilizzati sono tutti a foro passante, le metallizzazioni sono presenti su un solo lato della scheda (come si può notare dalla foto in controluce - fig. 3), ossia non è multistrato. Le capacità usate sono particolarmente indicate per i circuiti a radiofrequenza, la forma della PCB dipende fortemente dalla forma del contenitore scelto, così come la posizione di

alcuni componenti, tra cui il più evidente è il potenziometro.

Fig. 3

Il potenziometro svolge una doppia funzione: oltre a regolare il volume del segnale in uscita è anche l'interruttore per accendere il dispositivo: offre infatti la possibilità di realizzare meccanicamente un circuito aperto.

Sull'altro lato del circuito stampato è presente il circuito integrato: questo infatti è un SMD (Surface Mounted Device) che così è a diretto contatto con le piste.

Per quanto riguarda il TDA7088T esso è un circuito integrato analogico a transistor bipolari a basso consumo e implementa un ricevitore FM monofonico per circuiti alimentati a batteria (valori tipici per l'alimentazione sono 3V - 5.2mA). Contiene al suo interno tutti gli stadi necessari per l'elaborazione del segnale, dall'antenna fino alla generazione del segnale audio da inviare alle cuffie. Permette lo scanning delle frequenze sia per via elettrica che per via meccanica (con l'usilio di un AFC - Automatic Frequency control - un circuito per centrare la sintonia). Può anche essere utilizzato per ricevere un segnale AM se opportunamente collegato, e funzionare anche con una tensione di alimentazione di soli 1,8V.

Lo scanning delle frequenze per via elettrica (è il caso del dispositivo in esame) è eseguito tramite un circuito che opera la selezione in modo unidirezionale comprensivo del pulsante di reset per riportare il selettore all'estremo inferiore della banda. La banda di frequenze con cui questo dispositivo riesce a lavorare è da 0.5 MHz a 110 MHz, quindi comprende la banda dedicata ai segnali FM. Internamente il circuito contiene un sistema ad anello con frequenza fissa (FLL) la cui frequenza intermedia (IF) è di 70KHz (vedi paragrafo 3.1), la selettività in frequenza è ottenuta con filtri RC. Infine presenta anche la possibilità di utilizzare un circuito di "mute" per eliminare segnali di disturbo o troppo deboli.

Questo integrato permette diverse configurazioni operative e il datasheet presenta il modo di collegare il dispositivo per le diverse configurazioni. Nel dispositivo in esame l'integrato è usato nella configurazione tipica: alimentazione a 3V, scanning elettrico delle frequenze e demodulazione di tipo FM. Si può vedere infatti che il circuito realizzato (per quello che è stato possibile ricostruire) coincide con il circuito presentato sul datasheet, a parte qualche dettaglio (vedi figure 10 e 11 in appendice) legato al fatto che nel dispositivo non è presente una antenna dedicata ma per ricevere il segnale viene sfruttato il cavo delle cuffie. Inoltre il segnale audio generato viene prima modulato in corrente tramite un potenziometro e successivamente passa attraverso uno stadio amplificatore prima di essere inviato alle cuffie.


Considerazioni sul progetto

Per comprendere alcune delle caratteristiche del progetto nel suo complesso è necessario tenere presente non solo il circuito elettrico ma il tipo di prodotto in esame: una radio portatile (quindi di piccole dimensioni) utilizzata come gadget (il che richiede solo funzioni di base senza particolari prestazioni e basso costo per poter essere trattato in grandissimi volumi).

Per ridurre tempi e costi di progetto sono stati utilizzati componenti semplici (dispositivi a foro passante, PCB a semplice strato). In particolare è stato scelto un integrato già disponibile sul mercato che svolgesse praticamente tutte le operazioni necessarie al suo interno, senza alcun intervento esterno.

Il circuito integrato TDA7088T è un ricevitore FM. Per poter essere usato in diversi circuiti implementa la parte più importante delle operazioni necessarie, offrendo diverse possibilità e lasciando anche alcuni gradi di libertà al progettista per venire incontro alle diverse esigenze. Infatti, come è stato messo in evidenza precedentemente, in questo dispositivo è stata utilizzata la configurazione tipica seguendo lo schema per i collegamenti consigliato dai costruttori dell'integrato, ma sul datasheet sono mostrati anche i collegamenti per realizzare altre possibilità, come ad esempio realizzare un ricevitore AM, il che cambia sostanzialmente il prodotto finale.

Fig. 4 - Radio gadget Topolino

Una conferma a ciò può essere riscontrata nel fatto che in dispositivi simili a quello in esame ho ritrovato circuiti simili basati anche sullo stesso integrato. I primi due esempi sotto riportati riguardano ancora dei gadget mentre il terzo è una piccola radio integrata nelle cuffie di un lettore mp3, ma il suo funzionamento è indipendente dal lettore. Il primo dispositivo (fig. 4) utilizza l'integrato D7088 che è identico a quello descritto precedentemente con componenti ancora a foro passante e scheda a semplice strato.

 

Il secondo gadget (fig. 5) ha dimensioni leggermente maggiori agli altri dovute al tipo e alla posizione scelta per le batterie, monta l'integrato LA1800 che ha prestazioni leggermente migliori ma ancora paragonabili al TDA7088T. Questo integrato è ancora un ricevitore FM con possibilità di essere trasformarto in un ricevitore AM. Inoltre in questa modalità può anche essere usato come circuito driver per le cuffie. La sintonizzazione non è elettrica ma avviene per via meccanica.

Fig. 5 - Radio gadget Vodafone

 

Fig. 6 - Radio montata sul filo di un paio di cuffie

L'ultimo esempio considerato riguarda una radio montata sul filo di un paio di cuffie (fig. 6). Ha un funzionamento autonomo con alimentazione prorpia. Monta l'integrato CD9088CB di cui non è stato possibile trovare il datasheet, comunque spesso citato insieme all'integrato 7088T. Caratteristica di questo circuito è che dovendo essere di dimensioni molto ridotte usa solo dispositivi SMD e non ha un potenziometro per il controllo del volume ma solo un interruttore per la scelta Hi-Lo.

 

Da questi esempi si può notare anche un'altra caratteristica: se i bassi costi di progetto hanno imposto la scelta di dispositivi di tipo analogico, già pronti e che necessitano della minima circuiteria esterna, analogamente la realizzazione del circuito è influenzata in maniera fondamentale dalle necessità di design e di packaging della radio. La forma della PCB e il placing dei componenti (in modo particolare quelli che consentono all'utente di comandare il dispositivo) sono vincolati a queste esigenze. Il circuito funzionale è solo una parte di un progetto, infatti quando non si ricercano prestazioni tecniche particolari, le esigenze primarie diventano altre (in questo caso un design accattivante che consenta di evidenziare il marchio del committente) e il circuito viene adattato a queste.

Nell'ultimo esempio riportato la richiesta più rilevante consiste nell'essere di piccole dimensioni: infatti sono stati usati solo componenti SMD e interruttori a scatto anche se il costo finale risulta sicuramente maggiore rispetto a quello degli altri dispositivi considerati. Questa radio infatti non è un gadget ma un complemento di un lettore MP3, il cui prezzo finale è quindi determinato dalla parte restante di questo sistema.

Versione digitale della radio

Il ricevitore analogico appena visto è storicamente affermato e ben conosciuto, ma tenuto conto delle prestazioni raggiunte oggigiorno dai processori digitali, mi sono chiesto perché nessuno dei dispositivi sfruttasse un'elaborazione digitale del segnale.

Prima di tutto è necessario richiamare com'è composto a grandi linee un ricevitore analogico per poi esaminarne una versione digitale.

 

Cenni sulla demodulazione analogica

La modulazione serve a convertire un segnale passa-basso (detto segnale modulante) in un segnale passa-banda così da poter essere trasmesso attraverso un canale di tipo passa-banda come avviene nei segnali radio. Ovviamente questa operazione deve essere reversibile e la ricostruzione del segnale di partenza prende il nome di demodulazione .

Esistono varie tecniche di modulazione, sia analogica che digitale. La modulazione FM è una modulazione analogica di angolo: modula una portante sinusoidale di frequenza nota in modo tale che il valore istantaneo della frequenza del segnale modulato sia proporzionale all'ampiezza del segnale modulante . Il segnale modulato avrà quindi una frequenza istantanea dove f p è la frequenza della portante e vale . L'espressione del segnale modulato diviene allora .

fig. 7 - esempio di segnale modulato FM

 

Il segnale modulato avrà allora delle componenti spettrali centrate sulla frequenza f p della portante. La banda del segnale risulta essere limitata e può essere calcolata con buona approssimazione utilizzando la formula di Carson: dove con f m max si indica la massima componente frequenziale del segnale modulante.

Grazie a questo è quindi possibile sfruttare il canale modulando vari segnali su diverse bande di frequenza, riuscendo a ricostruirli singolarmente senza perdita di informazioni.

Poiché si utilizzano sia ricevitori stereofonici che monofonici si usa questo espediente per soddisfare entrambe le esigenze: grazie ad un procedimento di multiplexing si manipolano i segnali relativi ai due canali della stereofonia e li si trasmette sottoforma di un segnale di somma (sinistro + destro) e un segnale di differenza (sinistro - destro). Il segnale differenza viene traslato con un particolare procedimento al di sopra della banda udibile. In questa maniera si ha la compatibilità con i ricevitori monofonici che riproducono il solo segnale di somma, mentre i ricevitori stereofonici riescono a rigenerare gli originali segnali stereo.

Fig. 8 - schema ricevitore analogico

Un ricevitore radio deve essere innanzitutto in grado di isolare il segnale desiderato all'interno del segnale ricevuto dal canale trasmissivo, quindi demodularlo e convertirlo in banda base per rigenerare il segnale trasmesso. Poiché è necessario elaborare segnali a radio frequenza, questi circuiti risultano prevalentemente analogici, almeno per quanto riguarda il cuore dell'elaborazione. I blocchi funzionali tipici che costituiscono un ricevitore sono mostrati nella figura seguente (fig. 8). Il segnale ricevuto dall'antenna deve essere prima di tutto amplificato per poter essere elaborato dopo l'attenuazione di tratta, quindi bisogna estrarre il segnale desiderato. Per ottenere questo lo si manda ad un mixer costituito da un modulatore a prodotto così da operare una traslazione ad una frequenza più bassa. L'altro ingresso del mixer è un tono sinusoidale proveniente da un oscillatore interno controllato. Infatti se chiamiamo F IN la frequenza centrale dell'amplificatore a radio frequenza e F LO la frequenza del tono generato dall'oscillatore locale, a valle del mixer abbiamo un segnale composto da un termine a frequenza F IN + F LO ed un termine a frequenza F IN - F LO = F IF . Filtrando il segnale in uscita dal mixer è possibile isolare il termine alla frequenza più bassa F IF (che prende il nome di frequenza intermedia), eliminando anche i termini spuri nati dalla moltiplicazione, usando un filtro sufficientemente stretto attorno alla frequenza F IF . Quando scegliamo una stazione nella nostra radio in realtà modifichiamo i due termini F IN e F LO in modo da trovare alla frequenza F IF il segnale cercato. In pratica poiché F IN è il termine che ci interessa isolare e F IF è fisso basta porre F LO = F IN - F IF . Per operare questo filtraggio si usa un amplificatore con banda molto stretta. Infine rimane solo da demodulare il segnale per ottenere il segnale passa-basso (nel nostro caso la musica inviata da una stazione radio), per poi inviarlo al sistema di diffusione (cuffie o casse) tramite il relativo amplificatore.

 

Radio digitale

La tecnologia attuale ha permesso ai processori digitali di elaborare anche segnali a radio frequenza. I ricevitori digitali si basano sugli stessi principi appena descritti in quanto sono una realizzazione digitale dello schema appena descritto. Il problema consiste nel non potere mandare il segnale digitalizzato direttamente ad un elaboratore, in quanto è necessario ridurlo ad una banda a frequenza minore. Per ottenere questo infatti i ricevitori sono costituiti innanzitutto dall'antenna per ricevere il segnale, un convertitore A / D ad alta velocità ed un mixer digitale (fig. 9). L'altro ingresso del mixer proviene sempre da un oscillatore locale, solo che questa volta anch'esso è digitale.

Fig. 9 - schema ricevitore digitale

 

L'oscillatore deve essere sincronizzato con il convertitore, inoltre lo si può impiegare (utilizzando due semplici LUT) per generare due segnali sinusoidali in quadratura: così si può lavorare su un segnale complesso ed avere prestazioni migliori, abbassando il segnale fino a bassissime frequenze - traslazione single-sideband. Il filtro passa-basso che isola il segnale utile può essere realizzato con un FIR, semplice da implementare e opera un filtraggio preciso. Inoltre se si volesse modificare il filtro è sufficiente ricaricare i coefficienti senza fare modifiche onerose.

Poiché a questo punto il segnale è stato traslato in frequenza, si può allora abbassare anche notevolmente la sample_rate operando una decimazione dei campioni, rendendola compatibile con quella di un DSP o di un FPGA. Se si tiene conto che la larghezza di banda del segnale in uscita e la sample_rate sono vincolate, è anche facile modificare secondo necessità la banda del segnale. A questo punto bisogna demodulare il segnale implementando l'algoritmo ad esempio su DSP o FPGA e, al limite, riconvertirlo in analogico per inviarlo all'amplificatore audio.

La grande potenzialità derivante dall'uso di un DSP consiste fondamentalmente nel poter adattare facilmente questo schema a vari tipi di modulazione o ad esigenze particolari di elaborazioni del segnale semplicemente modificando il programma sul processore senza dover cambiare dispositivo. Si ha una grandissima versatilità che viene sprecata se usata solo per una semplice demodulazione FM. Da questo punto di vista il vantaggio dell'utilizzo di un circuito analogico è evidente: per il nostro scopo non c'è bisogno di un dispositivo riprogrammabile e devono essere eseguite solo operazioni già codificate; un circuito analogico fa tutto questo riducendo di molto i costi. Ad esempio se si volesse implementare questo schema si potrebbero usare i dispositivi AFEDRI8201 come down-converter della IF e poi ad esempio il DSP TMS320DRI350 (entrambi della Texas Instruments) sul quale sono già implementate le funzioni che ci servono ma anche un decodificatore MP3, WMA e altre ancora. Gli integrati citati non implementano il circuito di tuning e comunque il costo di un DSP è elevato per lo scopo. Per realizzare in digitale anche la parte mancante si potrebbe usare il dispositivo GC1012B sempre della TI ma il prezzo lieviterebbe ancora. Questo approccio è utile se si volesse aggiungere alle funzionalità di una radio anche altre capacità così da usare un solo processore per elaborare tutte le informazioni.

Un'alternativa consiste nel sostituire il DSP con un FPGA visto che il nostro elaboratore non ha bisogno di essere riprogrammato. Ormai quasi tutte le funzioni necessarie si trovano già implementate e così è possibile ridurre costi e tempi di progetto. Inoltre si può provare ad integrare anche altri componenti oltre al cuore della demodulazione quali oscillatori, mixer e filtri se le velocità in gioco non sono proibitive. Entrambi i dispositivi necessitano di una programmazione, problema che non sussiste nel caso analogico. Un altro problema comune a DSP e FPGA è il consumo di corrente, molto dispendioso per un'alimentazione a batteria.

L'ultima possibilità che rimane per abbattere i costi di progetto è quella di cercare un circuito già pronto, solo da montare, come è stato fatto nel dispositivo preso in esame. Recentemente sono stati immessi sul mercato chip utili per questo scopo e che comprendono al loro interno tutta la circuiteria necessaria, a differenza degli IC analogici che necessitavano l'uso di componenti aggiuntivi esterni difficili da rendere integrati (capacità e resistenze). Un primo esempio è il SI4700 della Silicon Laboratories che accetta direttamente l'ingresso dall'antenna e genera in uscita il segnale stereo per l'amplificatore audio. Il cuore dell'elaborazione è un DSP e si può notare che rispetto all'analogico 7088T ha un consumo di corrente circa 3 volte maggiore. E' sprecato ad essere utilizzato per realizzare solamente una radio, ma è ottimo per aggiungere questa funzionalità a dispositivi digitali più complessi come cellulari e lettori MP3 con un piccolo costo aggiuntivo (il chip costa 3$).

Un altro dispositivo simile è "Venice 3 FS2023" o il "Venice 4" che, come il precedente, comprende al suo interno tutto i componenti necessari. La brochure afferma che è sufficiente aggiungere l'alimentazione, un'antenna e un display per la selezione della frequenza, purtroppo con una autonomia di sole 60 ore. Entrambi questi chip offrono anche possibilità aggiuntive quali ricezione stereo e elaborazione del segnale RDS che sarebbe impossibile per via analogica.

 

Conclusioni

In questo lavoro è stata presa in esame una radio portatile FM monofonica a basso costo. Poiché non vi sono esigenze di prestazioni elevate ma piuttosto di semplicità e basso costo, l'utilizzo di un integrato analogico già disponibile sul mercato (on_the_shelf) che svolga al suo interno tutte le elaborazioni necessarie del segnale, si rivela essere la scelta migliore. Il progetto risulta così semplice e veloce, facilmente adattabile alle diverse esigenze a cui il progettista deve rispondere, cosa molto importante in casi come questo in cui le necessità di design sono preponderanti rispetto a quelle circuitali.

Infine è stata considerata la possibilità di una versione digitale della radio mostrando come l'elaborazione digitale offra la possibilità di affiancare altre potenzialità rispetto a quelle di cui una semplice radio portatile necessita, diventando economicamente più conveniente solo nel caso in cui si volesse realizzare un sistema più complesso e potente. Comunque la scelta migliore risulta essere quella dell'utilizzo di un chip che implementa al suo interno tutte le elaborazioni necessarie (perdendo in flessibilità ma nel nostro caso ciò è ininfluente), così da semplificare al massimo il progetto. Nonostante ciò, da un punto di vista economico, questa scelta è sconveniente rispetto all'utilizzo di un integrato analogico.

 

Appendice

 


Fig. 10 - Schema a blocchi e schema dei collegamenti per il TDA7088T da datasheet

Fig. 11 - Ricostruzione dello schema circuitale del dispositivo analizzato