ESP: Electronic Stability Program

Sistemi Embedded Automotive I sistemi embedded sono quei sistemi elettronici nascosti all’interno di altre apparecchiature che magari non sono veri e propri dispositivi elettronici. Lo sviluppo di questi sistemi ha invaso tutti i campi, infatti oggi giorno moltissime apparecchiature che noi usiamo quotidianamente contengono all’interno sistemi embedded. Uno dei campi in cui si sono sviluppati da tempo sistemi embedded e quello automotive. Oggi si calcola infatti che all’interno di un automobile sono presenti più di 70 centraline elettroniche che permettono il corretto funzionamento del veicolo. Uno di questi esempi può essere il sistema di iniezione elettronica del carburante all’interno della camera di combustione del motore. Un’altra tipologia di sistemi elettronici embedded all’interno dell’auto sono quello che aumentano la sicurezza durante situazioni di potenziale pericolo come ad esempio il sistema airbag e il sistema ABS. Uno dei sistemi di sicurezza più avanzati è l’ESP. Electronic Stability Program

Sistemi Elettrinici per la Sicurezza ESP L’ESP o sistema elettronico di controllo della stabilita corregge la traiettoria del veicolo durante manovre che porterebbero il veicolo stesso fuori rotta. Questo sistema per funzionare utilizza altri sistemi di sicurezza sviluppati in precedenza; in particolare fa uso del sistema antibloccaggio ruote e di controllo della trazione. E’ un sistema complesso e risulta essere uno dei sistemi più performanti tra tutti i sistemi di sicurezza per auto (come mostra il grafico) . Si vede che un sistema di sicurezza più performante dell’ESP e solo il Brake By Wire che ancora non trova applicazioni sulle automobile oggi commercializzate.

Sensore di giri su ogni ruota (Wheel-speed sensor) Sensore per la misura della rotazione del veicolo intorno al proprio asse (Yaw rate and lateral acceleration sensor) Vediamo un po meglio come agisce il sistema ESP e quali sono i componenti principale. Su di un veicolo in marcia solitamente agiscono forza in direzione trasversale. Se si viaggia troppo velocemente o si sterza troppo bruscamente queste forze rendono instabile il veicolo. Il programma elettronico di stabilità contrasta queste forze in anticipo . Esso interviene sui freni eventualmente sul motore e se necessario anche sulla trasmissione. L’ESP è composto dai seguenti componenti: Un sensore di giri su ogni ruota Un sensore misura la rotazione del veicolo intorno al proprio asse Un sensore dell’angolo di sterzata registra la monovra che il guidatore vuole eseguire La centralina di controllo esegue un calcolo in base ai segnali dei sensori e determina come e qaundo intervenire Il gruppo idraulico aumenta o riduce la pressione di frenata nei freni delle ruote. Durante la manovra di prima sterzata in presenza di un ostacolo inaspettato il guidatore deve deviarere rapidamente verso sx. Questa manovra viene trasmessa . Questa manovra viene trasmessa dal sensore dell’angolo di sterzata alla centralina di controllo. In contemporanea il sensore di rotazione rileva che la vera traiettoria spinge il veicolo contro l’ostacolo. In frazioni di secondo la centralina di accorge di questo e aumenta la pressione di frenata sulla ruota posteriore sx corregendo la traiettoria del veicolo. Sensore dell’angolo di sterzata (Steering-angle sensor) Centralina di controllo (ECU) Gruppo idraulico per il controllo della pressione di frenata (Hydraulic modulator)

ESP®: Panoramica del sistema In questa slide sono riportati tutti i componenti del sistema ESP. In aggiunta a prima si nota il blocco 5 che consente al sistema ESP di comunicare con la centrale di gestione del motore. Inoltre si nota come tutti i componenti dell’ESP si utilizzino il Bus CAN per scambiarsi informazioni.

ESP® Bosch Tutti i componenti del sistema sono prodotti da Bosch La prima soluzione analizzata è quella proposta dal costruttore Bosch, leader mondiale per i sistemi di sicurezza per auto. La commercializzazione del sistema ESP è iniziata nel 1995 per iniziativa appunto di Bosch. Tutti i componenti del sistema sono progettati interamente da Bosch. Il sistema viene commercializzato dunque a scatola chiusa per ovvi motivi di mercato. Per questo motivo non sono presenti manuali dettagliati che sescrivono il funzionamento di ogni componente. Come tutti i sistemi di controllo e come gia preannunciato prima il sistema ESP è composto da un’insieme di sensori da una centralina di controllo e da attuatori. Nella slide sono state riportate in alto le figure di tutti i sensori utilizzati all’interno del sistem ESP e in basso quelle del gruppo idraulico con centralina elettronica a montaggio esterno e della centralina di comunicazione tra l’ESP e la centralina di controllo del motore. Bus di comunicazione CAN™

ECU - Infineon Una soluzione per la centralina di controllo potrebbe essere quella rappresentata in figura. Questa soluzione è stat proposta da infineon che commercializza semiconduttori e tra i vari campi di applicazione si trova anche quello automotive. Si nota come detto prima una parte a sinistra composta da sensori che captano informazioni dal mondo reale. Uni blocco di condizionamenti dei segnali forniti da questi trasduttore, una blocco per l’elaborazione dei dati e per il controllo degli attuatori ed infine i driver che pilotano le valovole per il controllo della pressione di frenata ecc. Tutto la centralina comunica con il resto dei sistemi elettronici presenti all’interno dell’auto con il Bus Can. A questo proposito è stato inserito anche un Bus Driver. Il blocco di calcolo e di elaborazione delle informazione è composto da due microcontrollori. Uno dei quali fa le funzione del master mentre il secondo interviene in caso di malfunzionamenti del primo. Per la scelta di questi due controllori sono indicate alcune soluzioni ed in particolare infineon consiglia una famiglia fi microcontrollori basati su un’architettura chiamata tricore. Sono fornite anche delle sigle per la scelta dei sensori in paricolare per quello che misura il numero di giri alla ruota.

…Microcontrollori TriCore™ 32-Bits Superscalare On-Chip Memory Gestione avanzata degli interrupt (real-time application) CAN Bus 40 MHz Automotive Temperature Range Il dispositivo proposto sfrutta la tecnologia che la casa costruttrice chiama TriCore. E’ una tecnologia unifica il meglio di tre scenari che solitamente si presentano nella realizzazione di sistemi elettronici: infatti questo chip presenta la caratteristica di poter essere utilizzato per applicazioni real-time di avere la potenza computazionale tipica dei DSP e di avere un buon rapporto qualità prezzo(tipica delle architetture RISC load-store). E’ particolarmente indicato per applicazioni automobilistiche non solo per le caratteristiche di elaborazione in tempo reale ma anche ma anche perché presente una gestione avanzata del sistema di interrupt e due canali di comunicazione che permettono l’interfaccia verso il bus CAN.

… Sensori Sensore numero giri ruota (Infineon) Giroscopi Sensore di accelerazione (Bosch) Sensore di misura dell’angolo di sterzata I sensori generalmente impiegati per la misura del numero di giri alla ruota, sono dispositivi attivi che in alcuni casi sono in grado di riconoscere anche il verso di rotazione della stessa. Sono sensori privi di contatti. Solitamente sfruttano l’effetto Hall e forniscono un segnale di uscita differenziale in corrente. Per i sensori di rotazione è possibile impiegare dei giroscopi, in grado di rilevare rotazioni lungo tutte le direzioni se costruiti per tale scopo. I giroscopi sono dispositivi molto precisi e sono in grado di rilevare anche la rotazione terrestre. Per questo quando si usano per fare misure solitamente per ottenere risultati accettabili si deve compensare tale effetto. All’interno del sensore la misura dell’’angolo di rotazione viene inserito anche un sensore di accelerazione integrato. Questo è solitamente realizzato utilizzando tecniche MEMS, secondo le quali si realizzano strutture meccaniche su silicio che risultano particolarmente sensibili e precise.

… Trasduttori / Attuatori Questo circuito integrato svolge la funzione di switch per il controllo di componenti elettromeccanici che si presentano come carichi induttivi oppure resistivi di qualsiasi tipo essi siano. La figura mostra lo schema interno di un dispositivo a 4 canali. Presenta ll’interno una logicadi controllo che tra le altre cose svolge una funzione di protezione in caso di corto circuito esterno o di malfunzionamenti. E’ costruito con la tecnologia SPT(Smart Power Technology). TLE 6228 (Infineon) Driver di controllo per valvole elettromagnetiche

CAN™ Bus Sviluppato per applicazioni automotive, oggi in uso anche in altri settori industriali Two wire differential Bus 1Mbps-10Kbps UTP/STP Codifica dei Bit =>NRZ Il Bus Can è lo standard oggi utilizzato all’interno delle auto per la comunicazione dei vari apparati elettronici. E’ un protocollo di comunicazione standardizzato per il quel sono state definite le specifiche dello strato fisico e dello strato di linea della gerarchia ISO-OSI. A livello fisico la comunicazione avviene attraverso due fili che trasportano un segnale differenziale. La velocità di comunicazione può variare da 1Mbps fino ad un limite minimo di 10Kbps. La velocità di comunicazione dipende dal mezzo trasmissivo utilizzato e dalla massima estensione della rete che si va costruire. Si possono utilizzare si cavi di collegamento schermati (STP) che non (UTP). Per la codifica dei bit da trasmettere sul canale si usa la tecnica NRZ.

Conclusioni Sistemi embedded “ovunque” Automotive Electronic Stability Program Soluzione Bosch per ESP® -17 milioni di dispositivi(2005) ECU di Infineon Concludendo possiamo dire che oggi i sistemi embedded trovano applicazione in moltissimi ambiti della vita quotidiana. Uno di questi ambiti è quello che rigurda le automobili all’interno delle quali sono presenti una miriade di sistemi elettronici embedded. E’ stata fatta una ricerca, utilizzando la rete internet, riguardante uno dei tanti sistemi elettronici automotive: Il programma elettronico di stabilita. Per questo sono state prese in considerazione la soluzione proposta da Bosch oggi leader mondiale nella progettazione e commercializzazione di sistemi di sicurezza per auto. Infine è stata presa in esame una centralina di controllo proposta da infinoen e ne sono stati descritti i componenti principali.