2.4
La telemetria dell’ ET3
Dopo la breve panoramica sui dispositivi che costituiscono l’elettronica dell’ET3, e dopo aver visto le soluzioni commerciali che attualmente il mercato propone nel settore delle corse automobilistiche, l’attenzione viene spostata verso il sistema di telemetria realizzato in questo lavoro di tesi.
In questo paragrafo, tuttavia, non si entra nel merito del progetto hardware e software, di cui invece, si parlerà ampiamente nei prossimi due capitoli, ma si descrive per grandi linee il sistema realizzato: le specifiche inseguite, le prestazioni ottenute, e le sue funzionalità.
L’idea di un sistema di telemetria per l’ET3 nasce sostanzialmente dall’e- sigenza del team di monitorare costantemente i parametri funzionali della vet- tura, in particolar modo durante le fasi di test. Questa è, infatti, una delle fasi più critiche di tutto il progetto, oltre quella in cui eventuali errori progettuali vengono messi in evidenza. Aver la possibilità di visionare il comportamento della macchina in tempo reale, velocizza l’individuazione di un guasto o di un malfunzionamento della vettura. Ad esempio, la lettura in tempo reale della temperatura motore sull’ET3 si è rivelata fondalmentale duranti i test condotti in aeroporto. Si è evitato, infatti, di portare il motore oltre le massime tem- perature di esercizio, a causa di un problema al radiatore della macchina. Un semplice data-logger non sarebbe stato mai in grado di evidenziare il problema in tempo utile, ed evitare così un guasto serio alla vettura. Si comprende bene come un sistema di telemetria sia fondamentale anche per una vettura con prestazioni di certo non paragonabili alla Formula 1.
Le specifiche di base richieste per questo sistema possono essere cosi rias- sunte:
Sistema complessivo
• Due moduli: unità di bordo e unità PC.
• Copertura radio almeno di 1 km.
• Interfaccia grafica per la visualizzazione in tempo reale delle informazioni provenienti dalla vettura.
2.4. LA TELEMETRIA DELL’ ET3 CAPITOLO 2. LA TELEMETRIA
• Interfaccia grafica per la gestione del link radio.
• Costi contenuti (inferiori a 500 d) per non gravare significativamente sul budget del team.
Unità di bordo
• Alimentazione da batteria auto.
• Eventuale protezione da spike di corrente-tensione.
• Assorbimento in corrente contenuto (minore di 1 A) per non gravare significativamente sull’assorbimento totale della vettura.
• Interfaccia configurabile per l’acquisizione e la trasmissione di informa- zioni sulla rete CAN.
• Peso ed ingombri contenuti per non inficiare sulle prestazioni del veicolo.
Unità PC
• Interfaccia USB 2.0 per il trasferimento dei dati con il PC e l’alimenta- zione dell’unità (500 mA @ 5 V).
• Peso ed ingombri contenuti per agevolare il trasporto e l’utilizzo.
Alla luce di quanto visto nel paragrafo precedente, le soluzioni commerciali per un sistema di telemetria completo e di buona fattura si aggirano attorno al migliaio di euro. Sebbene questa spesa non sia proibitiva per le finanze del team, dal confronto pesato dei vantaggi e degli svantaggi di un approccio custom del problema, è prevalsa l’idea di realizzare in casa il sistema di tele- metria per l’ET3. Sono, infatti, molteplici i fattori che concorrono a favore di questa scelta. In primo luogo la possibilità di realizzare un sistema su misura per l’elettronica della vettura, e al tempo stesso ricollocabile in altre discipli- ne sportive (gare motociclistice, gare di vela etc...). La possibilità, quindi, di scegliere il componente che, meglio di tutti, risponde alle esigenze del caso. In secondo luogo la possibilità di realizzare un sistema che sia configurabile per
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rete CAN. In terzo luogo la possibilità di avere un oggetto integrabile con l’ap- plicativo LabVIEWr già esistente per controllare le impostazioni del cambio. Per ultimo, ma non per importanza, il contenimento dei costi; un approccio custom del problema, infatti, garantisce molto spesso una riduzione della spesa complessiva. Di contro, l’obbligo di dover curare tutti gli aspetti del problema, dall’architettura del sistema alla scelta dei componenti, dalla codifica dei dati alla realizzazione di un’interfaccia grafica.
Il risultato finale a cui si è giunti dopo 7 mesi di lavoro, distribuiti tra progettazione, realizzazione e collaudo del sistema, è mostrato in Figura 2.8. Come richiesto nelle specifiche di progetto, il sistema di telemetria si compone di due unità: unità PC e unità di bordo (in Figura 2.8 rispettivamente a sini- stra e a destra). Le due unità comunicano tramite un link radio nella banda
Figura 2.8: Immagine del sistema di telemetria dell’ET3: unità PC e unità
di bordo.
ISM (Industrial, Scientific and Medical) a 2.4 GHz (2.400-2.4835 GHz), con un raggio di copertura dell’ordine di 1 km (in campo libero). L’elaborazio- ne e il calcolo computazionale è, invece, svolto da due dispositivi a controllo di programma. Il protocollo di comunicazione implementato è relativamente semplice, con poche informazioni di servizio. La comunicazione è bidirezionale, quindi, è possibile non solo ricevere dati dalla vettura, ma si possono anche inviare informazioni nella direzione opposta. Il programma LabVIEWr E-
Team Telemetry permette, invece, di gestire il link radio (fare un check sullo
2.4. LA TELEMETRIA DELL’ ET3 CAPITOLO 2. LA TELEMETRIA
tutte le informazioni provenienti dalla vettura. Queste giungono dalla centra- lina motore, dalla centralina del cambio e dalla dashboard unit. Allo stato attuale il sistema non è in grado di ricevere le informazioni interne al datalog- ger (posizione, accelerazione, imbardata), poichè il dispositivo non è in grado di trasmettere sulla rete CAN. In Figura 2.9 è riportato lo screenshot della schermata Analog Display in cui sono mostrati alcuni dei parametri acquisiti per mezzo del sistema. Sul frontalino dell’unità PC è presente un connettore
Figura 2.9: Screenshot della finestra Analog Display del software E-Team
Telemetry.
USB (tipo B) per la connessione dati e l’alimentazione della scheda. Sono presenti, inoltre, due led per monitorare lo stato del sistema complessivo. In particolare il led rosso (Data), quando è acceso, indica che è in corso un tra-
2.4. LA TELEMETRIA DELL’ ET3 CAPITOLO 2. LA TELEMETRIA
sferimento dati verso il PC, mentre il led blu (Link), quando è acceso, indica che il link radio tra i due moduli è attivo. La scatola scelta per l’unità PC è prodotta dalla HAMMOND, e il modello è il 1598-BBBK (dimensioni esterne 36x154x179 mm3). L’alloggiamento è quello tipico per uno strumento di misu- ra, e il materiale di costruzione è plastica ABS (IP Rating 54) con frontalino anteriore e posteriore in alluminio. L’estetica del contenitore è stata impre- ziosita con il logo della squadra; questo è stato realizzato grazie ai dottorandi di ricerca della divisione di elettronica mediante la fresa a controllo numerico presente in officina. La scatola scelta per l’unità di bordo è prodotta, invece, dalla CINCH, e il modello è il 581-01-30-043 (dimensioni esterne 52x153x134 mm3). Il contenitore (utilizzato anche per la centralina del cambio) è specifico
per applicazioni automotive, e il materiale di costruzione è ancora ABS (IP Rating 67).
Il costo finale per la realizzazione del sistema di telemetria è di 310 d; ciò ha permesso un notevole risparmio nel budget di spesa del team. Tuttavia, il prezzo è comprensivo del solo materiale acquistato, e non include, quindi, il lavoro di progettazione del sistema, lo sviluppo del software di analisi, e il collaudo del sistema.
Il sistema di telemetria realizzato è pienamente configurabile e interfac- ciabile con altri dispositivi che operano su rete CAN. Questo rappresenta un grosso vantaggio rispetto alle soluzioni che il mercato propone, dove spesso si è vincolati all’utilizzo di unità dello stesso produttore.
Capitolo 3
L’Hardware
Questo capitolo è dedicato al progetto hardware del sistema di telemetria. Nella prima parte del capitolo viene descritta l’architettura del sistema e vengo- no presentati i componenti utilizzati. Nella seconda parte, invece, l’attenzione viene spostata sul disegno del PCB e sull’uso del software KiCad. Infine, nel- l’ultima parte del capitolo viene fatto un breve cenno sul software WINGS 3D, utilizzato per la creazione dei modelli tridimensionali di molti componenti di sistema.
3.1
Architettura del sistema
A conclusione del capitolo precedente è stato evidenziato come, in fase di progetto, sia prevalsa l’idea di realizzare il sistema di telemetria sfruttando i mezzi messi a disposizione dal laboratorio di Sistemi Elettronici presso il Di- partimento di Ingegneria dell’Informazione e dal team. La soluzione adottata prevede la costruzione, su PCB, di due moduli a componenti discreti (unità PC e unità di bordo) in grado di stabilire un trasferimento dati wireless. A tal proposito si è scartata sin dall’inizio la possibilità di realizzare in casa i due moduli radio, e si è preferito dotare ciascuna delle due schede di un chip radio realizzato da terze parti. Le motivazioni di questa scelta sono da ricer- care essenzialmente nella facilità di reperire oggi sul mercato moduli radio a
3.1. ARCHITETTURA DEL SISTEMA CAPITOLO 3. L’HARDWARE
prezzi molto contenuti, e pratici da installare su scheda (un esempio è il mo- dulo AC4424 presentato nel capitolo precedente). La maggior parte di queste radio, inoltre, è dotata di periferica seriale con logica CMOS o LVTTL (3.3-5 V), e questo permette un facile interfacciamento con gli attuali dispositivi per l’elaborazione dei dati.
La gestione del sistema e l’elaborazione delle informazioni, è stata affidata a due dispositivi a controllo di programma. A questo proposito la scelta è ri- caduta su un microcontrollore piuttosto che su un DSP (Digital Signal Proces- sor), dato il modesto carico computazionale richiesto, e l’assenza di operazioni particolari come divisioni, moltiplicazioni, e trasformate di Fourier. Oltre- tutto, il microcontrollore permette una gestione più semplice del firmware, e rappresenta una soluzione più economica.
Una scelta importante, e che ha condizionato in modo significativo il proget- to hardware, è stata quella di definire un’unica piattaforma PCB per entrambe le unità del sistema. Per rendere ciò possibile, si è dovuto pensare ad un’archi- tettura madre che comprendesse tutte le funzionalità delle due unità, sia PC, che di bordo. Considerando, quindi, tutte le specifiche hardware del sistema, e la necessità di avere un’unica struttura fisica, si è giunti all’architettura madre mostrata in Figura 3.1. Lo schema prevede naturalmente un’interfaccia con la rete CAN, e un’interfaccia USB per il collegamento con il PC. Sebbene que- ste non si trovino mai a convivere nella medesima unità (l’interfaccia CAN è presente solo nell’unità di bordo, mentre l’interfaccia USB è propria dell’uni- tà PC), essendo il progetto unico, queste devono essere considerate entrambe nell’architettura madre. L’immagine mostra, inoltre, una sezione dedicata ai canali analogici, e una sezione dedicata agli input/output digitali ausiliari (5 V CMOS). Sebbene queste due sezioni non figurino tra le specifiche di proget- to, esse rappresentano due funzionalità aggiuntive dell’unità di bordo, e sono attivabili tramite un upgrade del firmware.
A proposito della decisione di realizzare un’unica piattaforma PCB, si po- trebbero sollevare contro diverse obiezioni. Una di queste ad esempio, potrebbe essere data dalla mancata ottimizzazione delle dimensioni fisiche della scheda,
3.1. ARCHITETTURA DEL SISTEMA CAPITOLO 3. L’HARDWARE
Figura 3.1: Schema a blocchi dell’architettura madre del sistema di telemetria.