De la modélisation et la conception à la simulation de systèmes complexes : exemple du système airbag Xavier Boddaert *, Philippe Lalevée *, Sylvain Blayac * et Jean-Philippe Ebersohl ** * ENSM.SE, Centre Microélectronique de Provence, {boddaert,lalevee,blayac}@emse.fr ** Autoliv Electronics, Jean-Philippe.Ebersohl@autoliv.com Cet article présente une étude de cas d un système airbag, proposée dans l option «Systèmes Intelligents et Applications» aux ingénieurs civils des mines de 3 e année de l école des mines de Saint-Étienne. Cette étude de cas permet aux étudiants de mettre en pratique les différentes étapes de la conception d un système complexe à base de System on Chips (SoC) allant de la modélisation en SysML jusqu à une maquette de simulation. Mots-clés. Système complexe, SoC, SysML, Simulation. 1. Introduction et objectifs L école Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, dans son Centre Microélectronique de Provence, situé à Gardanne, propose une option de 3 e année «systèmes intelligents et applications», dans laquelle est étudiée la conception des systèmes microélectroniques et informatiques. Celle-ci nécessite des connaissances et des compétences multidisciplinaires, dans les domaines de l électronique, de la microélectronique, de l informatique, de la physique des composants, de la chimie, de la mécanique, ainsi qu en science de gestion. Il faut aussi que les étudiants maitrisent les méthodologies et les outils de l ingénierie des systèmes que l «International Council Of Systems Engineering» [1] (INCOSE 2008) définit comme une démarche interdisciplinaire visant à réaliser des systèmes satisfaisant les besoins des clients et des utilisateurs. Comparée à d autres types d ingénierie, en particulier informatique, elle intègre très tôt dans le cycle de développement toutes les contraintes associées aux différentes disciplines : opérations, coûts et plannings, performance, support, test, fiabilité et manufacturabilité. Elle nécessite que toutes les spécialités requises soient regroupées au sein d équipes hétérogènes, considérant à la fois les aspects industriels et techniques, dans un processus de développement structuré et cohérent. Pour acquérir ces méthodologies et ces outils, les cours théoriques ne suffisent pas. Ceux-ci apportent aux étudiants les connaissances nécessaires à un ingénieur généraliste, qu il faut compléter par une confrontation à une situation réelle de conception d un produit microélectronique complexe mettant en œuvre des domaines scientifiques et techniques variés, que nous présentons dans le chapitre 2. Notre choix s est porté sur le système airbag d une voiture, car comme nous le verrons dans le chapitre 3, un système airbag aborde de nombreux domaines complexes, en particulier des systèmes embarqués intelligents pour la sécurité des utilisateurs. En conclusion de cet article, le chapitre 4 dresse un bilan technique et pédagogique de cette étude de cas. 2. Démarche pédagogique Le but de l étude de cas est de permettre aux étudiants d aborder l analyse et la conception d un système complexe, au travers d une méthodologie adaptée. Notre choix s est porté sur une démarche de conception de systèmes complexes issue des travaux de Jean-Yves Choley [2], dont le principe est présenté dans la Figure 1, en page suivante. De l expression des besoins vers la fabrication du produit final, ce schéma montre quatre niveaux d analyse et de synthèse. Le premier, traitant de la modélisation des besoins, permet de spécifier le cahier des charges fonctionnel du système à développer ; le second, traitant de l analyse fonctionnelle, permet de décrire et de spécifier le fonctionnement du système ; le troisième, traitant de la description matérielle et logicielle du système, permet de définir l architecture du système en composants logiques ; et le dernier, traitant de la synthèse physique, de concrétiser les caractéristiques physiques, de l ensemble des tests de validation et de fiabilité, ainsi que la manufacturabilité du produit final. Cette démarche de conception, habituelle dans le monde des logiciels, est novatrice dans le domaine de la microélectronique. Cela consiste à pouvoir modéliser à très haut niveau un système complexe, dans un contexte de développement itératif (cycle en V, prototypage virtuel rapide ) avant de le concevoir puis de le réaliser. Pour passer d un niveau de modélisation à un autre, des outils sont nécessaires. Le schéma en donne quelques exemples adaptés au monde de la microélectronique : Rhapsody de I-Logix pour la modélisation en SysML avec génération de code possible en SystemC (des produits comme SystemVision de Mentor Graphics [3] seraient plus adaptés, mais ils ne font pas encore partie de l offre CNFM), SABER de Synopsys [4], pour la simulation (cet outil est proposé par le CNFM), et enfin, pour la simulation d une maquette numérique, c est l outil MATLAB/Simulink qui est utilisé.
Besoins Cahier des charges fonctionnel Analyse fonctionnelle Use cases Diagrammes bloc Fonctionnel Structurel et Comportemental VHDL SystemC Compilation Génération Description matérielle et logicielle «Partitionnement» MATLAB & SIMULINK Simulation Physique Maquette numérique L étude de cas donne la possibilité aux étudiants d explorer par eux-mêmes ces différents niveaux et les principales étapes de modélisation et de conception, en partant de l expression des besoins pour obtenir la recette du produit fini. L évaluation est effectuée par la remise de documents de fin d étape par les étudiants, décrivant les recherches bibliographiques, les analyses ou les études techniques qu ils ont réalisées (décrites dans le chapitre suivant). Cette étude de cas est complétée par des cours et des conférences, qui portent sur les fonctions génériques assurées par un système complexe et des éléments dits «transverses» comme la fiabilité, la manufacturabilité et la «conception pour le test.» Ces formations, assurées par des industriels de la filière microélectronique et des intégrateurs, offrent aux étudiants un état de l art actualisé des techniques et des études de marché pour la conception de systèmes hétérogènes. 3. Contenu et déroulement Figure 1: Niveaux d'analyse et de description (adapté de Choley 2007) L étude de cas, dont le déroulement suit la démarche pédagogique vue précédemment, est découpée en cinq phases, voir la figure ci-dessous. Hormis la première phase, pour laquelle ils disposent d un document de présentation, les étudiants reçoivent au début de chaque étape, un document de synthèse de l étape précédente. Livrables Étudiants Bibliographie Cahier des charges Cahier des charges fonctionnel Analyse fonctionnelle globale Analyse fonctionnelle bloc détection Simulation accéléromètre Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 D0: présentation de l étude de cas D1: cahier des charges D2: Use cases et scénarios D3: analyse fonctionnelle D4: analyse par blocs Documents fournis j j+15 j+17 j+21 j+25 j+30 Figure 2: découpage en phases de l'étude de cas et les documents fournis et produits (les zones hachurées correspondent aux travaux dirigés) 3.1. Phase 1 : Recherche documentaire et cahier des charges Un système airbag est un dispositif de sécurité passive destiné à protéger le conducteur et les passagers éventuels contre les chocs, ou les retournements du véhicule. Il est principalement composé d un calculateur, chargé de traiter les informations en provenance de capteurs de détection de chocs et de commander, le cas échéant, le déploiement de retenues/protections pour les occupants, prétensionneurs de ceintures, allumeurs pyrotechniques pour les coussins gonflables, etc. Il a également des fonctions de diagnostic, de vérification et d affichage. Cette recherche documentaire a pour but de définir précisément le besoin en sécurité passive et le cahier des charges du système airbag. Les étudiants sont amenés à rechercher et étudier différents documents traitant de la sécurité passive, d éléments réglementaires (protection des occupants), des tests consommateurs et des spécifications du système airbag. Pour les aider dans leur recherche, des documents de référence leur sont
communiqués contenant des sites relatifs à la sécurité routière, aux directives européennes et des liens commerciaux. Les étudiants effectuent cette recherche par groupe de 2 à 3 personnes. Ils rédigent une synthèse et effectuent une présentation orale de cette recherche bibliographique, qui sont évaluées. A la fin de cette première phase, un document type (D1) leur est remis. Il présente le système de protection qui comprend la structure du véhicule en tant que telle, les prétensionneurs, les ceintures de sécurité, les coussins gonflables, les capteurs ainsi que le système électronique. Il décrit les différents types de chocs normatifs, et précise les principales spécifications du système : durée de prétension de la ceinture, temps de déploiement du coussin, effort maximum à exercer sur le thorax 3.2. Phase 2 : Expression des besoins et spécifications fonctionnelles A partir du document D1, décrit ci-dessus, les étudiants doivent rédiger le cahier des charges fonctionnel du système, en utilisant le langage SysML [6] et Rhapsody comme outil de modélisation. Le document à fournir par les étudiants doit contenir le diagramme des cas d utilisation du système (voir le schéma ci-contre), les diagrammes d activité des principaux scénarios et les diagrammes de spécifications fonctionnelles. SysML est un langage de modélisation pour l ingénierie des systèmes [7]. Son intérêt est de proposer des extensions à UML [8] pour modéliser des systèmes, intégrant de l informatique, des systèmes embarqués par exemple à microcontrôleurs et du matériel (microélectronique, capteurs, mécanismes). Il est utilisable dans des domaines très variés, comme la conception de SoC [9,10] ou les réseaux de capteurs sans fil [11]. Cette étape de modélisation est semblable à celle qui serait à réaliser pour un logiciel informatique. L objectif est de recenser les «besoins client» et de délimiter précisément le système, en recherchant les acteurs, ceux qui ont des interactions avec lui, et les cas d utilisation, ce à quoi il sert. Le résultat attendu est un diagramme de cas d utilisation, voir un exemple ci-dessus. Pour le système airbag, les acteurs sont le conducteur et le passager, mais aussi les ceintures (prétensionnement) et la voiture (structure déformable). Le cas d utilisation principal est de «protéger» les occupants du véhicule, à l aide de coussins, des ceintures, etc. Cela nécessite évidemment que le système «détecte» les chocs ; d autres cas sont ajoutés pour le «tester» ou l «inhiber», en particulier celui du passager avant pour respecter la réglementation. Ce diagramme doit être amplement documenté : définitions, glossaire, cas, etc. La limite (le périmètre) du système est obtenue par l exhaustivité des interactions entre les acteurs et les cas d utilisation. Suite à ce diagramme de cas, les scénarios correspondant au cas d utilisation principal seront établis à l aide de diagrammes d activité (ou de séquences). Ces diagrammes font intervenir le système dans sa globalité par ses réponses aux événements déclenchés par les acteurs. Par exemple, un choc survenant à l avant du véhicule déclenchera des réactions «à l intérieur» du système. En parallèle de ce diagramme, et à chaque fois que nécessaire, les spécifications ou contraintes seront indiquées dans un diagramme de «requirements.» Comme exemples de contrainte, on peut citer le délai de réaction suite à un choc ou bien le temps de gonflage d un coussin, éléments qui figurent dans le document D1. L ensemble des diagrammes demandés, constitue le document D2 : diagramme de cas, d activité, et de spécifications et la documentation associée. 3.3. Phase 3 : Analyse et conception du système par blocs fonctionnels A partir du document D2, décrit ci-dessus, les étudiants commencent dans cette phase, l analyse et la conception détaillée du système, en s intéressant au fonctionnement et non à la réalisation de ces fonctions. Ici, SysML est un langage très utile permettant de modéliser ces fonctions, grâce à deux diagrammes spécifiques : le diagramme «Block Definition» et le diagramme «Parametric». Le premier décrit hiérarchiquement le système en le décomposant en unités fonctionnelles, appelées «blocs» et décrit les relations qui existent entre eux (voir figure page suivante). Le second décrit les contraintes sur les valeurs des paramètres du système comme la performance, la fiabilité ou des propriétés physiques, sous forme généralement d équations paramétriques, en vue de leur simulation, comme par exemple, la modélisation d un choc par une équation de type masse/ressort.
En partant de l étude bibliographique réalisée dans la première phase, et des diagrammes précédents, les étudiants proposent une décomposition fonctionnelle du système, prenant en compte tous les éléments hétérogènes qui le constituent. Les contraintes fonctionnelles sont reportées dans un diagramme de spécifications («requirement diagram»). En s intéressant aux seules fonctions du système, l étude permet d analyser les relations (flux, canaux, sémantique de communication) entre les blocs hétérogènes, avec leurs contraintes spécifiques. Les diagrammes de blocs et les diagrammes de spécification constituent le document D3. 3.4. Phase 4 : Conception détaillée du bloc fonctionnel «détection» À partir du document décrit dans la section 3.3, ci-dessus (D3), cette 4 e phase permet aux étudiants de réaliser une étude fonctionnelle d un bloc particulier, avec une contrainte de conception, leur permettant d effectuer un travail «créatif» novateur. Pour décrire la structure interne des blocs fonctionnels en termes de composants, ports et connecteurs, SysML propose un diagramme «Internal Block Definition». Les modélisations précédentes utilisaient les systèmes airbag des véhicules actuels, utilisant des accéléromètres capacitifs pour détecter les chocs. Dans un contexte de travail créatif, les étudiants doivent réaliser le diagramme de définition du bloc «détection» avec la contrainte de ne pas utiliser d accéléromètre. Ils doivent chercher une solution originale et fonctionnelle, qu ils justifieront à l aide de diagrammes SysML et de leurs commentaires. Une soutenance orale de ce travail de recherche, évoquant une réunion de projet, leur est demandée avec pour objectif de convaincre l assistance. Figure 3: modèle complet de capteur de choc
3.5. Phase 5 : Simulation et étude du bloc «détection» Cette dernière phase se concentre sur le bloc détection et a pour objectif de modéliser le capteur accéléromètre sous Matlab/Simulink, de proposer un algorithme de prise de décision (Feu ou Non feu) et d en étudier sa robustesse. Modélisation du capteur accéléromètre Nous présentons le principe de fonctionnement du capteur capacitif et construisons de manière interactive avec les étudiants son modèle en utilisant le logiciel Matlab/Simulink. Ce capteur a pour but de transformer une accélération en un signal électrique. Il est constitué de deux éléments principaux : un MEMS et une partie de traitement électronique du signal. Le MEMS est constitué de peignes interdigités en silicium. Une variation d accélération se traduit par une variation de capacité. Les équations utilisées sont celles d un système mécanique «masse ressort». La partie traitement du signal va traduire la variation capacitive en un signal électrique. Elle assure aussi le filtrage du signal pour en conserver la partie utile du spectre comprise entre 0 et 400 Hz. Le modèle complet du capteur est représenté sur la figure 3, page précédente. Création d un algorithme de prise de décision Une fois le modèle créé et validé, nous abordons la partie «prise de décision» qui constitue le cœur même du système airbag. En effet le système doit en permanence analyser le signal issu du capteur et déclencher si nécessaire dans le temps imparti le gonflage des coussins. Pour ce faire, nous leur communiquons les résultats de trois crash-tests effectués sur un même véhicule dans différentes conditions. Le capteur de référence a permis d enregistrer le signal réel de décélération. Les enregistrements vidéo réalisés ont, quant à eux, permis de déterminer le temps optimal de mise à feu. A partir des 3 courbes de décélération (A, B, C) représentées sur la figure 4 et des éléments regroupés dans le tableau 1, le travail consiste à imaginer un algorithme de détection permettant de satisfaire aux conditions de mise à feu demandées. Figure 4: Courbes de décélération Figure 5 : Variations de vitesse Target Min Nom Max Courbe A Non Feu Non Feu Non Feu Non Feu Courbe B < 27 ms 20 22 27 Courbe C < 67 ms 59 66 67 Tableau 1: Résultats attendus dans le domaine électronique capteur Les étudiants travaillent par groupe et testent différentes solutions. A la fin de cette séance, ils présentent oralement la solution retenue. Une solution «réaliste» simple consiste à analyser la variation de vitesse par intégration du signal d accélération et d appliquer un gabarit constitué de plusieurs seuils. La mise à feu se produit si la courbe de vitesse coupe le gabarit (figure 5). Robustesse du système Afin de leur faire appréhender la notion de «robustesse d un système», nous introduisons, dans le système, différentes variabilités : offset du signal d entrée traduisant des imperfections du capteur, variation de la
fréquence de coupure du filtre et du gain. Les étudiants simulent la nouvelle réponse du système et vérifie si la décision est toujours «conforme» aux éléments du tableau 1, ci-dessus. Le cas échéant, ils doivent améliorer la robustesse de leur algorithme. 4. Bilan technique et pédagogique Cette étude a permis de couvrir l ensemble des phases de conception d un système d airbag d après les spécifications réelles du domaine automobile. Elle a été réalisée en étroite collaboration avec un industriel du secteur qui a permis de garantir le réalisme et la pertinence du sujet. Pour les prochaines sessions, il est prévu d intégrer l utilisation du langage VHDL AMS pour la description de la chaine d acquisition de l accéléromètre. Ceci permettra une plus grande flexibilité de description et une meilleure intégration dans le flot standard de conception microélectronique. A l'issue des premières sessions de formation, il est possible de dresser un premier bilan des résultats de cette étude de cas. Les difficultés de l'approche sont de deux types: la planification est complexe dans la mesure où l'étude est construite sur un mode progressif où les résultats de chaque séance sont nécessaires pour aborder la séance suivante ; sur le plan pédagogique, la difficulté majeure consiste à doser correctement la marge de manœuvre laissée aux étudiants pour leur permettre une appropriation suffisante du sujet, élément essentiel de leur motivation Cependant, au delà des savoir-faire acquis sur les différents outils et logiciels utilisés, cette étude de cas permet de faire un lien entre diverses spécialités allant de la modélisation «coté client» à la réalisation de maquettes de simulation. Les problématiques croisées sont en général très difficiles à aborder lors de cours spécialisés car faisant appel à une diversité trop importante de bases techniques. De plus le temps imparti lors des séminaires interdit généralement de les aborder en profondeur. Cette étude permet ainsi de sensibiliser les futurs ingénieurs à une approche globale et de mettre l'accent sur les compromis nécessaires en situation réelle. Un autre aspect important est l approche «verticale» adoptée dans cette étude de cas, allant d une étude SysML à une maquette de simulation, que la plupart des éditeurs adoptent actuellement, offrant ainsi aux étudiants une formation en adéquation avec les besoins des entreprises du secteur. 5. Remerciements. Les auteurs tiennent à remercier spécialement Irénée Pagès de l école des Mines de Saint-Étienne, pour sa contribution significative au montage de cette étude de cas. Ils remercient également Jean-Yves Choley de SupMeca, pour ses apports dans la démarche méthodologique, Pascal Manet du CEA/LETI pour son aide sur MATLAB/Simulink et Alexandre Durain, consultant, pour sa participation à la partie SysML de l étude de cas. 6. Bibliographie. [1] INCOSE. What is Systems Engineering? http://www.incose.org/practice/whatissystemseng.aspx. [2] Choley, Jean-Yves. Mécatronique : une nouvelle démarche de conception des systèmes complexes. Technologies & Formations, 2007. [3] Teegarden, Travel. Improving Automotive EE Design with SystemVision. Mentor Graphics White Paper. http://www.mentor.com. [4] SABER. http://www.synopsys.com/products/mixedsignal/saber/capabilities/modeling.html [5] SysML. Open Source Specification Project. http://www.sysml.org. [6] Weilkiens, Tim. Systems Engineering with UML/SysML. Morgan Kaufman, 2006 [7] UML. Unified Modeling Language. http://www.uml.org. [8] Vanderperren, Yves, et Wim Dehaene. From UML/SysML to Matlab/Simulink: Current State and Future Perspectives. Proc. Design, Automation and Test in Europe (DATE). Munich, Germany, 2006. [9] Lavagno, Luciano, et Wolfgang Mueller. UML : A Next-Generation Language For SoC Design. Electronic Design, May 2006. http://electronicdesign.com/articles/index.cfm?ad=1&articleid=12552. [10] Belloir, Nicolas, Jean-Michel Bruel, Natacha Hoang, et Congduc Pham. Utilisation de SysML pour la modélisation des réseaux de capteurs sans fil. LMO'08. Montréal, 2008.