SIMBYKE. Luigi Pantani Auconel R&D Project Manager 1 - GENERALITA 2 USO E FINALITA

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1 SIMBYKE Luigi Pantani Auconel R&D Project Manager 1 - GENERALITA L obbiettivo del progetto SIMBYKE è stato quello di realizzare un sistema in grado di riprodurre il più possibile le condizioni motore cui è sottoposta normalmente una centralina moto in ambito racing, partendo da un concetto semplice di riproduzione fedele di quanto precedentemente registrato o impostato, con funzionalità automatica di misura delle principali attuazioni della centralina. L architettura Hardware scelta è prevalentemente di commercio, espandibile e versatile per consentire di evolvere facilmente il sistema verso un simulatore di tipo Closed-loop. SIMBYKE è rivolto ai tecnici del settore la cui professionalità, però, non deve necessariamente risiedere nell 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 dell interfaccia grafica illustra tutti i parametri di simulazione in modo comprensibile e senza alcun sforzo di apprendimento da parte dell utente finale. Il numero dei comandi è ridotto al minimo e utilizza una terminologia immediata e inequivocabile (PLAY / PAUSA / STOP / LOAD / SAVE). All avvio della applicazione l utente viene guidato attraverso una serie di finestre e di pop-up, dall ordine predefinito, fino all inizio della simulazione vera e propria. Le varie scelte di configurazione che l utente è chiamato ad effettuare sono presentate con la massima chiarezza, a partire dalla scelta di un modello ECU, passando attraverso la 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 statica o dinamica secondo il file preselezionato. E infine possibile salvare un file contenente un set di valori impostati manualmente (un punto motore) e caricarlo successivamente. 2 USO E FINALITA Allo stato attuale, in ambito SuperByke ad esempio, lo strumento descritto è utilizzato sostanzialmente per la generazione di pattern di test (modificando tramite play file i valori degli ingressi centralina nel tempo) per valutare il comportamento di nuova strategia oppure di una modifica significativa della stessa. Questo approccio consente di fare un debug prima di metterla in moto e farla provare al pilota. Allo stesso modo è possibile anche la riproduzione tramite CAN di un play-file contenente i segnali acquisiti precedentemente in gara dal logger ECU via CAN attraverso i sensori intelligenti, per analisi del prodotto delle elaborazioni di nuove strategie i cui valori di output vengono memorizzati nel logger per una successiva analisi. In generale, perciò, tale sistema sia allo stato attuale sia in una sua successiva edizione/evoluzione rappresenta ed è destinato a rappresentare in modo sempre più efficace un importante strumento il cui valore aggiunto è evidentemente quello di debuggare il software e quindi le strategie di centralina (riducendo i rischi di un impiego di nuovi contenuti), verificare l'efficacia di eventuali modifiche ed eventualmente consentire di percorrere altre strade per la soluzione di un problema o lo sviluppo di nuove prestazioni senza i costi di veicolo, pilota e pista (affrontati solo a livello di prova generale quando il tutto è stato scelto e sviluppato).

2 firmware realizzata su FPGA National è stato sviluppato in ambiente LabView 8.2 National Instruments. 3 - ARCHITETTURA DEL SISTEMA Dal punto di vista Hardware Il sistema è costituito da una architettura commerciale PXI National Instruments cui è stato aggiunto uno strato di condizionamento ad hoc che rappresenta l interfaccia verso la centralina. E stata anche realizzata una scheda carichi (LoadBoard) anch essa mirata alla simulazione dei principali attuatori che la ECU pilota. 3.1 FPGA Il livello FPGA è quello che permette la generazione e la misura dei segnali in frequenza più critici, a questo livello vengono svolte le eleborazioni time-critical relative soprattutto ai segnali CranckShafts e CamShafts. (Engine Revolution and Phase sensors). Questi sensori, i cui segnali sono sostanzialmente dei pattern pseudo-periodici sono ottenuti mediante strutture dati vettoriali visitate elemento per elemento con una frequenza idonea in relazione diretta al numero di giri motore. Tipicamente il sistema è in grado di lavorare su un range da 700 Hz a oltre 20 KHz. Esistono tre layers principali che costituiscono il sistema Hw e che assolvono a precisi e separati compiti: PC-HOST: GUI, operator s commands, configuration and simulation data. RT-HOST layer: signal management, general system control, electric conditioning board runtime configuration. FPGA layer: input/output driving, critical elaboration, time-critical signal generation. Tutto il software, sia inerente l interfaccia grafica a livello pc-host, sia relativo al Core Real Time, sia la parte 3.2 RT HOST La gestione dell intera simulazione è ottenuta a questo livello. Prima della simulazione la sequenza delle operazioni che vengono eseguite è: Ricezione parametri dei sensori veicolo in base alla configurazione scelta; configurazione delle schede elettroniche di interfaccia e degli stadi di condizionamento elettrico in accordo con gli stadi elettronici della centralina; download dei parametri di lavoro della FPGA. A questo punto il sistema entra in stato di simulazione. Il sistema implementa 4 task real-time parallele che si occupano delle funzioni fondamentali di simulazione. 1. Lettura grandezze motore e output nei corrispondenti segnali elettrici [Scansione delle strutture dati playfile]. 2. Lettura grandezze motore e trasformazione nei corrispondenti pacchetti CAN. 3. Lettura segnali e misura delle attuazioni ECU

3 4. Gestione delle interazioni utente dalla main GUI e aggiornamento Display 3.3 PC-HOST L applicazione di livello PC permette all utente la gestione dell ambiente di simulazione. Per la confugurabilità il sistema utilizza un data-base ed una applicazione server esterna con cui comunica che permette di richiamare il set di sensori che il simulatore deve impiegare. Il data-base e l applicazione dedicata permettono di memorizzare e modificare le caratteristiche dei sensori rappresentandone anche l andamento, a scopo di verifica, su diagrami cartesiani. Il simulatore, in sintesi, lavora con un playfile su cui risiedono tutti i punti motore relativi ad un profilo precedentemente registrato o creato a partire da dati di base (i.e. instant pictures of the engineering values read by every sensor connected to the ECU in a given time). Il playfile viene preventivamente letto e messo in memoria a bordo del processore RealTime (256 Mbyte memoria esp. a 1GByte ). Ogni punto motore è trasformato correttamente o nel segnale elettrico relativo o in un predestinato pacchetto CAN mediante i parametri già residenti che sono stati precedentemente scaricati all avvio dell applicazione secondo la scelta eseguita. In ogni momento l utente può fermare o mettere in pausa l esecuzione di un playfile e intervenire manualmente modificando qualsiasi variabile ingegneristica, rendere operative le modifiche e poi eventualmente tornare ad eseguire il play file. E possibile inoltre salvare un numero qualsiasi di punti motori e/o caricarli e metterli in esecuzione. Le figure che seguono illustrano il pannello grafico dell ambiente di simulazione.

4 La tabella seguente descrive il panorama dei segnali elettrici relativi ai sensori che il sistema è in grado di simulare: NTC PT1000 Temperature (Air,Water,Fuel, Oil etc..) [deg/ohm] [deg/mv] Pressure (AirBox, Oil, Brake etc..) Sign mV [mbar/mv] [bar/mv] [mbar/v] Sign mV Gas (1,2,..n) [%/mv] Sign mV Throttle ( 1,2,..n) [%/mv] Sign mV Gyro (1,2,..n) [deg/sec/mv] Sign mV Suspention (1,2,..n) [mm/ mv] Sign mV Switches (1,2,..n) [bool] Knock Amplitude (1) [bool] *Necessario Sign mV Hw esterno supplementare Up to 5 PWM Output - Counter Frequency Hall Effect 40MHz(FPGA) Smot, Scam Profili configurabili Counter Pick Up Frequency 40MHz (FPGA) Il loop di generazione è in grado di riprodurre un profilo motore a frequenza f=1khz vale a dire che un campionamento tipico di una centralina può essere riprodotto fedelmente. La costruzione dei segnali in frequenza (Hall Effect / Pick up etc..) avviene con il clock della FPGA pari a 40MHz. Si riescono a generare molto bene segnali giri-motore oltre RPM e si generano segnali di fase con la precisione di un decimo di grado. 4 - SEGNALI ELETTRICI DEL SIMULATORE E CARATTERISTICHE DI STIMOLAZIONE Lo schema rappresentato sotto fornisce una indicazione di massima dei moduli hw sia commerciali che proprietari e delle interconnessioni previste tra tali elementi costituenti il simulatore e quelli esterni della centralina motore e delle sue alimentazioni elettriche. 5 - SEGNALI ELETTRICI MISURATI AI CARICHI DELLA CENTRALINA E CARATTERISTICHE DI MISURA Il sistema può essere dotato di un modulo di condizionamento per la rilettura dei segnali di attuazione della centralina sui carichi motore simulati dalla LoadBoard per l effettuazione di misure temporali. Questo modulo implementa dei trigger a soglia e serve a rileggere i segnali di attuazione come segnali digitali su cui eseguire le seguenti tipiche misurazioni: H-Bridge1/2 Misura Duty Cycle Injectors Ton Tempi di iniezione x 4 Ignition Anticipi di accensione x 4 Lambda Heater 1/2 Misura Duty Cycle PWMs Misura Duty Cycle LowSideLoads Stati segnale HighSideLoads Stati segnale

5 La scheda di condizionamento in ingresso introduce un max rise/fall-time di 3 µs. Per il resto la precisione sulla lettura è estremamente buona. Sullo stesso ordine di grandezza si trovano infatti le risoluzioni della misura. 6 - SIMULAZIONE NODI CAN Il sistema come già accennato, è in grado, nella sua configurazione minima (n. 1 scheda CAN su PXI con 2 porte High Speed), di inviare sino a un massimo di 20 pacchetti CAN periodici a max 10mS su un canale rimanendo contemporaneamente in ascolto sull altro canale.e ovvio che l impiego di ulteriori schede consente di aumentare il numero di pacchetti e/o di gestire più linee di comunicazione CAN diverse. Il sistema è configurabile e permette all utente di definire i pacchetti e il loro formato in relazione alle grandezze ingegneristiche contenute nel Play- File. Il risultato è un sistema particolarmente flessibile in grado di produrre pacchetti CAN in accordo alla definizione contenuta nei file di configurazione. Ciò che accade è che le grandezze di processo contenute nel play file che hanno destinazione CAN vengono impacchettate e correttamente veicolate con la periodicità preconfigurata. 7 - CONCLUSIONE Il sistema che è stato brevemente e sinteticamente illustrato è il frutto di numerose applicazioni effettuate in ambiti analoghi per esigenze diverse in contesti sia R&D sia di Produzione. E in continua evoluzione ed è componibile e personalizzabile sulla base delle esigenze specifiche e sulla base anche delle nuove funzionalità e prestazioni che costantemente pensiamo implementiamo e collaudiamo. GLOSSARIO FPGA: Field Programmable Gate Array BIST: Built In Self Test ECU: Engine Control Unit Playfile: A pre-recorded set of engine points CONTATTI Auconel srl Automazione e controlli elettronici v.le Kennedy, Leinì (TO) Italy (EU) Tel Fax auconel@auconel.com Luigi.Pantani - R&D - Project Manager Tel Fax pantani@auconel.com Auconel si offre infatti, prevalentemente, come partner operativo per condividere progetti, obbiettivi e risultati.