Desarrollo de una PCB Gateway para la gestión de señales analógicas de un vehículo según el bus CAN e integración en un prototipo ‘Formula Student’

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado presenta el diseño y desarrollo de una PCB Gateway para un prototipo de Formula Student, con el objetivo de mejorar la adquisición y transmisión de las señales procedentes de los sensores situados en la parte delantera del vehículo. En la arquitectura anterior, las señales analógicas de los sensores del acelerador, la suspensión y la presión de freno se transmitían directamente a la Unidad de Control del Vehículo (VCU) mediante un mazo de cables de gran longitud, lo que incrementaba el peso del sistema y hacía las señales más susceptibles al ruido electromagnético.

Para solucionar estas limitaciones, se propone una arquitectura electrónica distribuida en la que una placa Gateway, ubicada en la parte delantera del vehículo, digitaliza localmente las señales de los sensores y las transmite a la VCU a través de un único bus CAN FD. El sistema está basado en el microcontrolador STM32H523CET6 y el transceptor TCAN330. Además de adquirir cinco señales analógicas mediante el conversor analógico-digital (ADC), la Gateway integra comunicación SPI con un sensor de temperatura por termopar y comunicación I²C con sensores infrarrojos de temperatura.

El proyecto abarca la selección de los componentes hardware, el desarrollo del firmware, el diseño del esquema eléctrico y del PCB en KiCad, así como la validación funcional del sistema de adquisición y comunicación utilizando una plataforma de desarrollo STM32 Nucleo-H533RE. Los ensayos experimentales confirmaron el correcto funcionamiento de las cadenas de adquisición analógica, de las comunicaciones SPI e I²C y de la transmisión mediante CAN FD. Asimismo, el diseño final de la PCB superó satisfactoriamente las verificaciones ERC y DRC.

La solución propuesta demuestra la viabilidad de sustituir la arquitectura analógica anterior por un sistema distribuido más robusto, escalable y ligero. La fabricación de la PCB se encuentra en curso, mientras que su validación física e integración en el vehículo constituyen las principales líneas de trabajo futuro.This Bachelor's Thesis presents the design and development of a Gateway PCB for a Formula Student prototype, aimed at improving the acquisition and transmission of front-end vehicle sensor data. In the previous architecture, analog signals from the accelerator, suspension, and brake pressure sensors were transmitted directly to the Vehicle Control Unit (VCU) through long wiring harnesses, increasing system weight and making the signals more susceptible to electromagnetic interference.

To address these limitations, a distributed electronic architecture is proposed in which a Gateway board, located at the front of the vehicle, digitizes sensor data locally and transmits it to the VCU via a single CAN FD bus. The system is based on the STM32H523CET6 microcontroller and the TCAN330 CAN FD transceiver. In addition to acquiring five analog signals through the ADC, the Gateway integrates SPI communication with a thermocouple interface and I²C communication with infrared temperature sensors.

The project includes the selection of the hardware components, firmware development, schematic capture, PCB layout in KiCad, and functional validation of the acquisition and communication system using an STM32 Nucleo-H533RE development board. Experimental tests confirmed the correct operation of the analog acquisition chains, SPI and I²C peripherals, and CAN FD communication. Furthermore, the final PCB design successfully passed all electrical and design rule checks.

The proposed solution demonstrates the feasibility of replacing the previous analog architecture with a more robust, scalable, and lightweight distributed system. PCB manufacturing is currently in progress, while its physical validation and integration into the Formula Student vehicle are planned as future work.