SIMAUTO: Ovvero come riprodurre la parte elettronica di una vettura

Author(s):
L. Pantani - AUCONEL

Industry:
Automotive

Products:
CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, FPGA Module, Digital I/O

The Challenge:
La possibilità di realizzare un sistema di simulazione segnali motore hardware e software da interfacciare alla centraline di controllo motore ottenendo un sistema in grado di riprodurre l’80 % delle funzionalità date da sistemi di livello top ma con costi pari ad un decimo ( ed anche meno) rispetto ai sistemi di simulazione vera e propria attualmente sul mercato

The Solution:
La soluzione è stata trovata basandosi su di una piattaforma LabVIEW e CompactRIO e realizzando sia sul software che sull’hardware una serie di interfacce specifiche per far sposare una piattaforma commercial based ad un ambiente a forte specializzazione

Breve riassunto

E’ stato pertanto studiato e realizzato un sistema ad alta flessibilità e possibilità di ulteriori sviluppi in grado di riprodurre, in real-time , condizioni identiche a quelle vissute dalla centraline a bordo vettura.
Il sistema è in grado di riprodurre condizioni statiche, dinamiche predefinite o addirittura di riprodurre condizioni registrate a bordo vettura durante la marcia tramite apparecchi standard di interfacciamento EOBD.
La tipologia di parametri viene definita tramite un sistema di definizione caratteristiche per sensori ed attuatori e raggruppati, per ogni categoria di centralina tramite ricette specifiche.

Articolo
In ambito automotive, Auconel (che opera sul mercato dal 1994 nei sistemi di test, diagnosi, e automazione industriale) ha sviluppato un simulatore di ambiente motore (inteso come l’insieme dei sensori ed attuatori periferici alla centralina) al fine di fornire un potente ,flessibile ed allo stesso tempo economico strumento di test per i produttori delle centraline elettroniche e uno strumento di verifica efficace per gli addetti ai test sulle linee di montaggio automobili e per gli enti preposti all’assistenza after-sales.

Il simulatore permette di riprodurre condizioni dinamiche (crancking, accelerazione, decelerazione, cut-off…) come se la centralina fosse a bordo vettura, verificandone il comportamento.
Evitando pertanto di basarsi sulla sola autodiagnosi, ad oggi tanto usata, ma con le ovvie limitazioni confermate anche dalle continue sostituzioni di componenti funzionanti, SIMAUTO offre ai suoi utilizzatori la certezza di test non falsati da interventi esterni al componente.

LE POTENZIALITA’ DI SIMAUTO

SIMAUTO consente all’operatore di variare e gestire, contemporaneamente o singolarmente, l’intero set di sensori a bordo vettura, fornendo alla ECU i segnali che essa si attende. Oltre al “PLAY” di un file di simulazione, l’operatore può intervenire manualmente sul singolo sensore o su sottogruppi di sensori, studiandone le correlazioni e il modo in cui essi interagiscono in condizioni tipiche o limite.
Un quadro standard dei sensori modificabili e degli attuatori monitorabili in corso di simulazione, senza fare distinzioni tra motori diesel e benzina, è il seguente:

SENSORI: Giri Motore e Fase, Potenziometro Acceleratore o Farfalla, Sonde Lambda (1,2,3), Decimetro, Pressioni Aria, Turbo, Rail, Olio e Condizionatore, Pressione atmosferica e temperatura Aria, Temperatura Acqua Motore e Gasolio, Velocità vettura, Detonazione, Pedale freno, test freno, pedale frizione, sensore acqua nel carburante, attivazione, Candelette, cruise control, attivazione condizionatore, ecc…

ATTUATORI: Relè principale, Relè pompa, Relè riscaldamento carburante nel rail, Relè candelette, Ventola 1 e 2, Regolazione pressione del rail, Compressore condizionatore, Stato iniettori, ecc…

Il sistema si articola in:

una “Black-Box”, che si occupa della simulazione vera e propria, gestendo fra l’altro i vari segnali e il loro opportuno condizionamento attraverso un sistema Real Time.

Una scheda di carichi esterna, che simula i carichi elettrici (non riproducibili tipo bobine iniettori ..)di quella particolare vettura .

La ECU stessa, con l’opportuno cablaggio

Un PC che si occupa del controllo e del monitoraggio della simulazione.

Il collegamento a un’alimentazione esterna, in aggiunta a quella contenuta nel Black-Box. Questo consente di alimentare la ecu con tensioni prossime ai valori limite,testandone così il comportamento nei casi critici.

CARATTERISTICHE DEL PRODOTTO

Il prodotto possiede le seguenti caratteristiche:

1. Versatilità e flessibilità, intese come possibilità di adattarsi ad un insieme significativo del mercato di centraline e di vetture, e di simulare un gran numero di sensori, diversi per tipo e caratteristiche di funzionamento.

2. Configurabilità: ovvia conseguenza del primo punto, implica la capacità del sistema di adattarsi alle diverse caratteristiche (funzionali e strutturali) dei sensori da simulare.

3. Espandibilità: vista la rapida evoluzione del controllo elettronico nel campo automotive, abbiamo realizzato un prodotto flessibile, facilmente espandibile ed aggiornabile.

Il raggiungimento di questi risultati è stato possibile attraverso alcune precise scelte progettuali:

La selezione del modello vettura e della ECU da simulare avvengono a run-time, all’inizio del programma.

Attraverso una semplice operazione di scelta l’utente, in modo per lui trasparente, interroga un database e da esso ricava tutti i parametri di funzionamento (HW e SW) necessari alla simulazione, avendo oltretutto la possibilità di visualizzarli mediante grafici caratteristici.

Il database comunica con l’applicazione in modo assolutamente trasparente all’utente, ma può venire facilmente espanso e aggiornato con nuovi modelli di vettura, ecu o sensori attraverso un’applicazione esterna di facile utilizzo.

FUNZIONAMENTO DEL PRODOTTO

Il prodotto è rivolto principalmente a tecnici del settore automotivela cui professionalità non deve necessariamente risiederenell’abilità di utilizzo di un computer.

Si è pertanto posta l’enfasi sulla facilità di utilizzo,sull’immediatezza dell’interfaccia grafica utente, sulla intuitività dei comandi e degli indicatori.

La finestra di base, pertanto, è modellata come il cruscotto di un’autovettura, in modo che i parametri di simulazione siano comprensibili con immediatezza e senza alcuno sforzo di apprendimento da parte dell’utente finale.

Il numero dei comandi, allo stesso modo, è ridotto al minimoe utilizza una terminologia immediata e impossibile da fraintendere (PLAY / PAUSA / STOP / LOAD / SAVE).

Le varie fasi del programma, infine, sono rigidamente suddivise e l’utente viene guidato attraverso una serie di finestre e di pop-up, dall’ordine rigido ed a prova di errore, fino all’inizio della simulazione vera e propria.

Le varie scelte di configurazione che l’utente è chiamato a fare sono presentate con la massima chiarezza, a partire dalla scelta di un modello vettura / ECU, alla visualizzazione (facoltativa) dei parametri caratteristici dei principali sensori,alla scelta di un file di play tra un insieme fissato, fino all’inizio della simulazione, sia essa manuale o letta dal file preselezionato.

E’ infine possibile salvare un file contenente un set di valori impostati manualmente (un punto motore) e caricarlo successivamente.
Il sistema prevede un’articolata diagnostica a run-time delle proprie funzionalità.
Fin dalle prime fasi progettuali SIMAUTO è stato orientato ad una soluzione compatta, flessibile e dai costi contenuti, che permettesse uno sviluppo modulare e versatile. Le scelte progettuali per le quali si è optato, basate come sopra esposto sulla distribuzione del software su tre strati HW (FPGA,RT, PC-Host) hanno il loro naturale sbocco applicativo nella soluzione adottata, già idealmente orientata allo sviluppo di soluzioni simili.

La piattaforma HW è costituita da i seguenti prodotti della azienda National Instruments:

- NI CompactRIO 9002, con FPGA da 1 MGate
- Moduli I/O: cRIO 9425, 9476, 9263 (5x), 9472

Il software di sviluppo è invece basato su LabVIEW di National Instruments, completato dai moduli LabVIEW FGPA e LabVIEW Real-Time.

L’hardware scelto garantisce una grande scalabilità ed espandibilità,semplificando notevolmente la gestione dei segnali elettrici e gli interscambi HW-SW.

L’ambiente di sviluppo NI LabVIEW, infine, ha dato un valore aggiunto in termini di:

Þ Sviluppo dell’interfaccia grafica, di elevata qualità e particolarmente veloce ed efficiente in termini di realizzazione.
Þ Raggiungimento di elevatissime prestazioni, attraverso l’exploit delle numerose potenzialità dell’ambiente, specie in termini di pipelining e di multithreading.

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L. Pantani
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