Sistema de Telemetria Automotiva com Data Logger Incorporado Via LabVIEW

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1 Sistema de Telemetria Automotiva com Data Logger Incorporado Via LabVIEW "O meio mais prático e acessível encontrado para tornar possível a telemetria para fins didáticos é a utilização do programa LabVIEW e seus recursos, que consiste em programação através de blocos e ferramentas gráficas que interagem com o usuário, como por exemplo, botões, displays, LED s. Essas representações gráficas facilitam a demonstração dos valores enviados pela ECU de forma clara e agradável ao usuário." - Alan Borges da Silva, FATEC Santo André ( O desafio: Desenvolver uma ECU (Electronic Control Unit) capaz de ler e atuar com a máxima precisão possível tendo disponíveis os dados na tela do computador, com a possibilidade de salvá-los em tempo real. A solução: Aplicar a ferramenta LabVIEW para controlar um motor ciclo Otto através da interface criada pela National Instruments NI USB Interface esta que é capaz de ler os sinais dos sensores e atuar no tempo de injeção de combustível. Autor(es): Alan Borges da Silva - FATEC Santo André ( Everton Andrade Vilela - FATEC Santo André ( Weslley Medeiros Torres - FATEC Santo André ( 1/29

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26 Introdução Telemetria consiste em visualizar dados de uma aplicação remota através de uma interface gráfica. No caso da ECU as informações de telemetria recolhidas são de fundamental importância para identificar a condição atual do motor e validar requisitos de projetos como potência, consumo, durabilidade ou emissões. Além disso, o projeto comporta um sistema Data Logger que consiste em armazenar os dados provenientes da ECU e salvá-los em arquivos, facilitando a analise do desempenho do motor em diversas condições, permitindo futuras correções para melhoria do funcionamento do motor em questão. Hardware da ECU O objetivo é controlar somente a injeção de combustível, mas lendo diversos parâmetros como rotação, carga da bateria, temperatura do ar, posição da válvula borboleta, entre outros. O hardware da ECU utilizado para controlar o motor é o módulo de DAQ (Data Aquisition) da National Instruments NI USB-6009, como ilustra o diagrama da Figura 1. O DAQ é conectado no atuador e nos sensores que leem e controlam os parâmetros citados, transmitindo os dados para o computador através de uma porta USB. Este hardware consiste de 10 portas analógicas e 12 portas digitais, permitindo a leitura e escrita de diversos sinais simultaneamente. Para complementar o hardware foram feitos condicionadores de sinal para que os sinais provenientes do carro fossem adequados ao DAQ. Software da ECU O programa desenvolvido para a ECU foi baseado no funcionamento do motor que serviu de referência. Após testes e estudos é possível fazer com que o motor funcione sem a dependência da ECU original de fábrica. As informações dos sistemas embarcados eletrônicos dos veículos são muito restritas, logo, a utilização de uma aplicação do mercado não permite a manipulação de certos pontos que seriam necessários para o desenvolvimento desse estudo. A ideia realizada necessita dos parâmetros lidos pela ECU disponíveis em variáveis no LabVIEW, para que sejam manipuláveis. Com a possibilidade da manipulação do programa básico da ECU se torna possível incorporar sistemas e funções secundárias a ela, neste caso a telemetria e o Data Logger. O meio mais prático e acessível encontrado para tornar possível a telemetria para fins didáticos é a utilização do programa LabVIEW e seus recursos, que consiste em programação através de blocos e ferramentas gráficas que interagem com o usuário, como por exemplo, botões, displays, LED s. Essas representações gráficas facilitam a demonstração dos valores enviados pela ECU de forma clara e agradável ao usuário. Através dessas informações são implementados os gráficos e tabelas para visualização dos mesmos, como exemplificado na Figura 2. Nesse caso específico, como além da telemetria o projeto permite controlar o motor através da injeção de combustível, é possível visualizar e alterar o mapa de injeção em tempo real. A proposta do controle do motor se torna viável a partir do momento em que a leitura de um sinal primordial é feita, o sinal da rotação do motor. Com a rotação disponível em uma variável pode se calcular em que momento e por quanto tempo deve ser feita a injeção do combustível. Porém o tempo de injeção do combustível não pode depender somente da rotação, ele é ligado também à solicitação de potência feita pelo condutor do veículo, ou seja, a posição da válvula borboleta. A leitura desse parâmetro é feita através do sensor TPS (Throttle Position Sensor), que é um potenciômetro que varia sua resistência em relação à posição da borboleta. Com os valores de rotação e posição do TPS o programa indexa uma tabela de duas dimensões com esses valores, encontrando então o tempo de injeção, em mili segundos, correspondente, como mostra a tabela na figura 3. A ferramenta Data Logger é um sistema que tem a finalidade de apresentar valores de variáveis programadas em algum tipo de interface visual, seja ela em um simples display ou até mesmo em um smartphone. Pode também ser implementada em qualquer sistema de controle para aperfeiçoar as informações sobre o estado dos sensores envolvidos no projeto. Para os veículos, que é o foco do trabalho, o Data Logger é utilizado para facilitar essa interação entre o usuário e a ECU. Em aplicações de competições automotivas, o Data Logger é amplamente utilizado, para calibrar o veículo de acordo com a necessidade do circuito de competição, com o objetivo de atingir o melhor aproveitamento do sistema. Desenvolvimento O desenvolvimento do projeto iniciou-se através da analise do funcionamento da ECU original do veículo utilizado, por meio de leitura no osciloscópio dos sinais dos sensores e da válvula injetora. Esse estudo foi feito para guiar a posterior montagem da lógica do software e também auxiliar na criação 26/29

27 da interface, que apresenta as principais variáveis. Após o estudo detalhado sobre as variáveis do carro e seus respectivos comportamentos, foi iniciada a criação da interface, que consistiu na atribuição de variáveis a cada parâmetro, adequando o seu tipo de comportamento a um tipo de variável no LabVIEW. O programa dispõe de quatro abas: Principal, Mapas, Data Logger e Configurações, ilustradas na Figura 3. Essas propriedades ficaram separadas a fim de melhorar o desempenho do programa, pois certos pontos do código não precisam ser executados enquanto não são solicitados, então foi montada uma lógica na programação para que esses pontos só fossem executados quando se estivesse na aba correspondente. A aba principal disponibiliza a visualização dos parâmetros mais importantes, como rotação, temperatura, tempo de injeção, TPS, tensão da bateria, etc. Esta parte tem como finalidade simplesmente mostrar graficamente alguns parâmetros que não são mostrados em um painel comum. A aba Mapas mostra a tabela da qual o tempo de injeção é tirado através da rotação e do TPS, tendo como opção a visualização dessa tabela em 3D, a fim de mostrar de forma mais visual os degraus no tempo de injeção. Na página do Data Logger é possível encontrar o gráfico das variáveis em função do tempo e a principal função dele que é fazer a gravação dessas variáveis, onde é possível selecionar o salvamento em arquivo de Excel (xls) ou de texto simples (txt). Foi também criada uma aba de configurações para que o usuário tivesse mais flexibilidade durante a utilização dos recursos. Essas configurações permitem alterar a rotação máxima, o enriquecimento de injeção em relação à temperatura do motor, em qual temperatura a ventoinha é acionada e ainda uma opção para economizar combustível. Após todo desenvolvimento da lógica e montagem do programa foram realizados inúmeros testes de bancada. Nesses testes foram utilizados um gerador de sinal para simular o sinal da rotação e uma fonte variável para simular o TPS, com essas duas grandezas controladas foi possível determinar quais partes do programa precisavam de modificações para obter melhor desempenho. Nesse ponto do projeto foi percebida também uma limitação devido à simplicidade do hardware, pelo fato do DAQ 6009 não ler grandezas temporais diretamente (frequência, período, etc) foi necessário desenvolver um código capaz de contar o tempo de uma entrada digital comum. O desafio foi conseguir atingir uma leitura plausível da rotação toda feita através do software, tendo tantos outros recursos rodando em conjunto. Outro complicador na leitura da rotação e também na atuação do injetor é a limitação do LabVIEW de oferecer apenas 1ms de precisão, isso cria em pontos críticos de funcionamento uma certa instabilidade. A instabilidade gerada nesses pontos críticos, ou seja, quando a rotação está elevada foi reduzida através da redução da quantidade de vezes que o programa principal é executado, pois ele apenas processa os valores lidos para serem mostrados na tela e calcula o tempo de injeção atual. Além disso, para reduzir a oscilação do ponteiro de rotação foi adicionada uma média móvel que ameniza a variação da rotação mostrada no display, isso cria uma sensação de linearidade na visualização enquanto o valor utilizado para o processamento continua o real. Conclusão A instabilidade comentada pode ser relevada quando se leva em consideração que o hardware utilizado tem um custo muito baixo e não tem as opções que hardwares mais avançados possuem. Para a proposta inicial do projeto foi possível visualizar as variáveis indicadas no painel principal, que foram adequadas cada uma a sua funcionalidade todas rodando em tempo real. Nos mapas foi possível visualizar que a mudança da rotação em função do TPS indexava um determinado valor de tempo de injeção na tabela, com esse dado específico era enviado a uma porta digital que determinava o tempo de acionamento do bico injetor. O Data Logger apresentou as condições dos sensores monitorados com a funcionalidade de serem gravados e reproduzidos novamente quando o usuário não estiver utilizando o motor para verificar quais pontos o motor apresentou baixo ou alto rendimento. Nas configurações o usuário poderá definir os parâmetros que o motor irá trabalhar para uma determinada aplicação, por exemplo, a correção de injeção por temperatura, que pode ser inserido um valor de temperatura de trabalho do motor e um tempo de injeção adicional. O desenvolvimento desse trabalho poderá auxiliar o meio acadêmico nacional voltado, principalmente, à calibração de motores, podendo ser expandido para outros sistemas dos motores clico Otto, com a geração de informações e ferramentas desenvolvidas no Brasil, pois a maioria desses sistemas é importada e não permitem melhorias. No entanto, este projeto pode ser ampliado e alterado conforme a necessidade de cada usuário ou desenvolvedor. Informações do autor: Alan Borges da Silva FATEC Santo André ( Brasil Figura 1 - Ilustração esquemática do projeto de interligação entre um veículo, um sistema de aquisição de dados e um computador 27/29

28 Figura 2 - Ilustração da interface no LabView Figura 3 - Tabela de Rotação por Posição da Válvula Borboleta 28/29

29 Figura 4 - Abas do Programa Informações legais Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 29/29