Tests d’une communication sans fil vers capteurs de pneumatiques

"C’est la combinaison du matériel USRP et du logiciel LabVIEW qui permet à la solution de fonctionner"

- Joram Fillol-Carlini, Continental Automotive France, Wireless Tests

Le défi:

Valider et faire évoluer un protocole personnalisé de communication capteur à un moindre coût par rapport aux systèmes existants.

La solution​:

Développer une carte de communication RF générique et paramétrable pour la bande ISM (315 MHz / 433.92 MHz / 868 MHz / 915 MHz) capable d’émettre et de recevoir toute trame modulée en FSK ou ASK. La carte est destinée à être intégrée dans un testeur prototype puis dans testeur de production. Pour y parvenir, utiliser l’approche de la Software Defined Radio (radio logicielle) en combinant une carte NI USRP-2900, pour recevoir et envoyer des signaux Radio Fréquence (RF), et le logiciel LabVIEW pour concevoir un programme facile d’utilisation, configurable et modulaire.

Auteur(s):

Sébastien Kessler - Continental Automotive France, Wireless Tests
Joram Fillol-Carlini - Continental Automotive France, Wireless Tests

 

Tester la communication vers des capteurs de pneumatiques

Le fournisseur de solutions automobile premium Continental Automotive réalise dans ses usines divers capteurs connectés, clés et autres équipements fonctionnant selon différents protocoles RF.

 

Parmi ces capteurs communicants, certains sont dédiés à la surveillance de la pression en continu de pneumatiques.
Ce système permet de connaître en permanence la pression de ses pneus et de recevoir une alerte en cas de perte de pression anormale. Ainsi, le système de surveillance de la pression des pneumatiques de Continental élimine une fréquente source d’accidents et permet d’assurer au mieux la sécurité du conducteur. En outre, il contribue à réduire les émissions de CO2 et la consommation de carburant (un pneu sous-gonflé de 0,3 bar engendre en moyenne une surconsommation de 1,5 %).


Continental propose une gamme complète de solutions de capteurs de pression de pneumatiques pour les véhicules légers et pour les poids lourds et qui répondent aux différentes règlementations européennes et internationales.

 

 

 

Les exigences de qualité de l’entreprise impliquent pour les produits de subir de nombreux tests, tests aujourd’hui effectués grâce à des cartes dédiées utilisant un matériel et un logiciel conçus spécifiquement pour cet usage.

 

De ce fait, en cas d’une évolution des exigences clients ou d’une évolution des technologies utilisées, il est parfois nécessaire de mettre à jour le logiciel de la carte dédiée ou de se lancer dans une nouvelle conception matérielle.
Parmi les évolutions les plus courantes, on peut citer la taille de la trame, le type de modulation, le débit, le codage des données ou la fréquence utilisée.
Une telle démarche est coûteuse en ressources pour le développement ainsi que la maintenance et interdit une approche standardisée.
Le besoin est alors pour l’entreprise de trouver une alternative plus pratique et moins couteuse.

 

Une solution est d’utiliser la technologie Software Defined Radio (SDR) qui permet de créer des applications radio fréquences logicielles rapides à développer et faciles à configurer.

 

Les contraintes d’une carte de test

Dans un contexte où l’on produit plusieurs centaines de milliers de produits par jour et où le taux d’erreurs toléré est extrêmement bas, les exigences principales pour une application visant à tester des équipements tels que des capteurs de pression de pneus ou des clés de voiture sont la robustesse, la fiabilité et la rapidité.

 

Il est donc nécessaire de développer une solution robuste et flexible qui aura, au final, la même fiabilité que la solution actuellement utilisée.
Cette solution devra être facile d’utilisation tout en restant complète afin de pouvoir s’adapter aux changements futurs de technologies et de protocoles.

 

Elle doit être capable d’utiliser des modulations ASK et FSK en émission comme en réception, de s’adapter à différents débits de transmissions et à différentes fréquences mais aussi de coder/décoder en Manchester.

 

L’avantage de la technologie SDR est qu’elle ne nécessite en général que deux éléments :
• Une carte d’émission/réception du signal,
• Un ordinateur avec un logiciel adapté au traitement de ce dit signal.

 

Combiner un matériel NI USRP-2900 et LabVIEW

 

 

Nous avons donc utilisé un USRP (Universal Software Radio Peripheral) NI USRP-2900 de National Instruments (figure 1). Il s’agit d’un émetteur-récepteur radio fréquence couvrant la gamme allant de 70 MHz à 6 GHz avec une bande passante instantanée maximale de 20 MHz et possédant des caractéristiques relativement bien adaptées aux besoins de notre application. Cet USRP nous permet de capturer les messages des produits RF sous test mais aussi d’en émettre grâce à ses deux canaux (Tx/Rx et Rx)

 

L’USRP est piloté par le logiciel LabVIEW sur lequel sont effectuées les opérations principales de traitement du signal destinées à démoduler et décoder les trames en provenance des capteurs. LabVIEW permet également de créer une interface utilisateur graphique et intuitive.

 

 

 

La programmation de la carte SDR sous LabVIEW reproduit exactement les mêmes étapes de traitement du signal que celles effectuées par une carte dédiées basées sur un circuit intégré RF spécifique pour l’émission ou la réception.

 

 

Pour la réception (figure 2), nous avons donc créé un bloc capable de détecter une trame en termes de puissance, de l’isoler, de la démoduler et enfin de la décoder pour en afficher le contenu.

 

Réciproquement pour l’émission (figure 3), nous avons créé un bloc avec les mêmes étapes mais dans l’ordre inverse afin de pouvoir transmettre des trames RF via l’USRP.

 

Une des exigences principales dans la création des blocs sous LabVIEW a consisté à rendre accessible et donc modifiable par l’utilisateur, un maximum de paramètres liés au protocole RF à transmettre ou à recevoir.

 

C’est la combinaison du matériel USRP et du logiciel LabVIEW qui permet à la solution de fonctionner, leur compatibilité étant optimale, le développement  est facilité.

 

Envoi et réception de trames avec la solution Continental

Le programme LabVIEW permet de recevoir et d’envoyer des trames contenues dans la bande de fréquences ISM. Il est possible de paramétrer la fréquence, le baud-rate, la modulation (ASK ou FSK), le nombre d’octets à recevoir et de coder/décoder en Manchester. (Figure 4)

 

 

Le contenu des trames à envoyer est personnalisable. Il est également possible d’envoyer une séquence contenant une trame de wake-up suivi d’un nombre défini de trames contenant les informations utiles. (Figure 5)

 

 

D’une manière générale, pratiquement toutes les variables sont paramétrables ce qui nécessite une étape de configuration et d’initialisation lors de la première utilisation. Une fois effectuée, le programme fonctionne de manière automatique et ne nécessite plus de modifications.


En cas de modifications dans le protocole d’émission et de réception, il suffit de relancer le logiciel, modifier les paramètres lors de l’étape de configuration et d’initialisation et le nouveau protocole est alors utilisable.


Cette approche offre un gain de temps conséquent en développement et validation pouvant aller jusqu’à 4 semaines de même que son coût par rapport à la solution actuellement implémentée.

 

A noter que le système n’a pas été développé pour effectuer une communication en temps réel avec un objet. L’envoi et la réception de trame se faisant de manière asynchrone. En effet, les produits testés aujourd’hui ne nécessitent pas une telle capacité.
Il serait toutefois possible de faire évoluer le programme pour inclure cette fonction à l’avenir mais il faudrait alors prendre également en compte les limitations de notre utilisation actuelle du SDR et du logiciel LabVIEW, à savoir aussi que le traitement du signal se fait sur le PC sous Windows, ce qui interdit tout traitement purement « temps réel » et induit un délai de quelques millisecondes.

 

 

Conclusion

L’utilisation de la carte NI USRP 2900 et du logiciel LabVIEW ont permis de valider l’approche SDR pour l’émission et la réception de trames RF pour des systèmes de surveillance de la pression des pneumatiques ou d’accès au véhicule.
L’étape suivante consistera à évaluer l’intégration de cette solution dans un environnement de production.

 

Informations sur l’auteur:

Joram Fillol-Carlini
Continental Automotive France, Wireless Tests
1, avenue Paul Ourliac
Toulouse 31100
France
Tel: +33 5 31 96 91 84
joram.fillol-carlini@continental-corporation.com

Figure 1. Carte NI USRP-2900
Figure 2. Aperçu du block diagramme du programme de réception
Figure 3. Aperçu du block diagramme du programme d’émission
Figure 4. Aperçu du programme de réception
Figure 5. Aperçu du programme d'émission