CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROTOTIPAGEM RÁPIDA DE FUNÇÕES PARA

MÓDULO DE CONTROLE ELETRÔNICO (ECM)

RICARDO ANDRADE RANAL

ROBSON ALVES NASCIMENTO

DOUGLAS FERNANDES DA CUNHA

ANTÔNIO CATEGERÓ DE PAULA

SÃO PAULO

2008

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PROTOTIPAGEM RÁPIDA DE

FUNÇÕES PARA MÓDULO DE

CONTROLE ELETRÔNICO (ECM) RICARDO ANDRADE RANAL ROBSON ALVES NASCIMENTO DOUGLAS FERNANDES DA CUNHA ANTÔNIO CATEGERÓ DE PAULA

Trabalho de conclusão do Curso,

apresentado para obtenção do grau de

ENGENHEIRO no Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário UniRadial. Orientador Prof. Sidney Fernandes da Luz. SÃO PAULO 2008

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Dedicamos este trabalho às nossas

famílias. Aos nossos pais, esposas e filhos pelo apoio, amor e incentivo. Eles são as razões do

nosso empenho e dedicação na busca de nosso

desenvolvimento.

v

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Deus, pelas nossas vidas. Ao nosso orientador, Prof. Sidney Fernandes da Luz, pela ajuda nos momentos

necessários. Ao supervisor do Centro Tecnológico da MWM International, José Luiz

Calmazini, pelo incentivo e viabilização do projeto através da liberação do uso de

materiais e equipamentos. Aos amigos da MWM International, Agnaldo Roberto Okura, Wagner de

Camargo Orlof, Eduardo Torrigo, Anderson Almeida Carlos, João Rodrigues

Medeiros Neto, Eduardo Angelo Martins, pelo apoio e colaboração nas diversas

etapas da realização do projeto.

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RESUMO

Com a crescente demanda por novas funções de controle nos sistemas de injeção eletrônica de combustível, são requeridas freqüentes alterações no software

base desses sistemas, que tem longos prazos e elevados custos de desenvolvimento até que a função esteja validada e aprovada. Isso se deve ao fato de que o

desenvolvimento de hardware e software, na maioria das empresas fornecedoras de sistemas de injeção, é realizado nos centros de desenvolvimento espalhados pelo

mundo. Levando em conta tal premissa, e sabendo que o desenvolvimento de software possui, pelo menos, as seguintes etapas:

Descrição dos requisitos Modelagem Simulação Prototipagem Testes funcionais Codificação Implementação em módulos Testes de homologação Liberação final

O objetivo desse trabalho é abordar o tema de maneira a apresentar uma

proposta de baixo custo para simulação e prototipagem de funções de software para

sistemas de injeção eletrônica de combustível, baseado em um controlador

programável externo com tecnologia FPGA (Field Programable Gate Array) para implementação dos protótipos das funções. E somente após o modelo da função ter

alcançado um nível de maturidade satisfatório seria então encaminhado para sua

finalização nos centros de desenvolvimento, diminuindo os custos totais de projeto já

que a parte inicial do desenvolvimento seria realizada no local de origem da demanda.

Palavras-chave: prototipagem, modelagem, simulação, funções, controle.

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ABSTRACT

With the growing demand for new control functions for electronic fuel

injection systems, it is needed often changes in the software base of that systems, that expends long time for developing and high costs until the function be validated and approved. The reason for this is the fact of the software and hardware developing in the most of the suppliers of fuel injection systems are made in the developing centers spread in the world. Taking in count of this premise, and know how are the software developing basic phases:

Requirements description Modeling Simulation Prototyping Functional tests Coding Modules implementation Homologation tests Final release

The objective of this paper is to present a low cost proposal for a simulating

and prototyping of control software functions for electronic fuel injection systems, based in a programmable external controller with FPGA (Field Programmable Gate Array ) technology to implementing of prototype functions modeled, and only after the model reaches a good maturity level, it would be send to supplier to do the final development, then reducing the cost once the initial development would be made at the place where has generated demand for the software function.

Keywords: prototyping, modeling, simulation, functions, control.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................1 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.........................................................................2

2.1. ECM � Módulo de Controle Eletrônico .....................................................2 2.1.1. Introdução .........................................................................................2 2.1.2. Controles de motor sofisticados .........................................................2 2.1.3. Componentes da ECM .......................................................................4 2.1.4. Diagnósticos avançados .....................................................................5 2.1.5. Padrão de comunicação como um facilitador .....................................5 2.1.6. Sensores inteligentes..........................................................................6 2.1.7. Multiplexação....................................................................................7 2.1.8. Segurança, conforto e conveniência ...................................................8

2.2. EGR - Recirculação de Gases de Escapamento ..........................................8 2.2.1. Função e funcionamento da válvula EGR...........................................9

2.3. MAF - Sensor de Massa de Ar.................................................................11 2.4. Emissões Veiculares ................................................................................12 2.5. CAN - Controller Area Network..............................................................13

2.5.1. Introdução .......................................................................................13 2.5.2. Histórico..........................................................................................14 2.5.3. Conceituação Básica ........................................................................14 2.5.4. Formatos das Mensagens .................................................................16 2.5.5. Padrões Existentes ...........................................................................17 2.5.6. Detecção de Falhas ..........................................................................18

2.5.6.1. Nível de Bit..............................................................................18 2.5.6.2. Nível de Mensagem .................................................................18 2.5.6.3. Nível Físico .............................................................................19

2.5.7. Aspectos de Implementação.............................................................20 2.5.7.1. Dicionário de Dados.................................................................20 2.5.7.2. Exemplo de Rede .....................................................................20 2.5.7.3. Montagem da Rede ..................................................................21

2.6. Linguagem de Programação do Software de Controle (LabVIEW) ..........22 2.6.1. Sobre o NI LabVIEW ......................................................................22

3. PROJETO DA ARQUITETURA DO SISTEMA ............................................23 4. BENEFÍCIOS DA APLICAÇÃO....................................................................25 5. ESTUDO DE CASO .......................................................................................25 6. DEFINIÇÃO DA ARQUITETURA DO SISTEMA ........................................29 7. CONCLUSÕES ..............................................................................................34 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................34

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 � Circuito interno de uma ECM................................................................3 Figura 2.2 � Os pinos deste conector interagem com sensores e dispositivos de controle por todo o veículo........................................................................................3 Figura 2.3 � A porta de diagnóstico de uma ECM. ....................................................5 Figura 2.4 � Gráfico simplificado de emissões de modelos movidos a diesel.............9 Figura 2.5 � Detalhe de um sensor MAF. ...............................................................12 Figura 2.6 � Relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de

transmissão dos dados. ............................................................................................15 Figura 2.7 � Níveis de tensão em uma rede CAN. ...................................................16 Figura 2.8 � Quadro de mensagem CAN 2.0A. .......................................................16 Figura 2.9 � Quadro de mensagem CAN 2.0B.........................................................17 Figura 2.10 � CAN de um sistema automotivo. .......................................................21 Figura 2.11 � Medidas para desenvolvimento do chicote.........................................22 Figura 3.1 � Exemplo de um controlador PID implementado no ambiente de desenvolvimento. ....................................................................................................23 Figura 3.2 � Detalhe construtivo do controlador externo. ........................................24 Figura 3.3 � Algoritmo de controle implementado no controlador externo. .............25 Figura 5.1 � Diagrama de blocos dos requisitos da função protótipo........................26 Figura 5.2 � Esquema da recirculação dos gases de escapamento (EGR). ................26 Figura 5.3 � Proposta utilizada como referência no desenvolvimento da função

protótipo. Atuação da válvula EGR (verde) em função do evento transiente de

pressão de admissão (vermelho)..............................................................................27 Figura 5.4 � Máquina de Estados da função protótipo. ............................................27 Figura 5.5 � Diagrama de ligação controlador EGR. ...............................................28 Figura 6.1 � Arquitetura do Sistema de Simulação e suas interfaces. .......................29 Figura 6.2 � Tela do software do Host (PC). ...........................................................30 Figura 6.3 � Código fonte do software do Host (PC). ..............................................30 Figura 6.4 � Código fonte do software Real-Time (cRIO). ......................................31 Figura 6.5 � Sistema de prototipagem montado sobre acrílico para demonstrações..31 Figura 6.6 � Sinais de controle da válvula EGR via ECM (amarelo) e via cRIO

(verde). ...................................................................................................................32 Figura 6.7 � Medição do atraso de processamento entre a ECM e o controlador

externo através da defasagem dos sinais de controle da válvula EGR. .....................33

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LISTA DE SIGLAS

ABS � Anti-lock Braking System ACK � Acknowledgment CAN � Control Area Network CAN_H � CAN High CAN_L � CAN Low CO � Monóxido de Carbono CRC � Cyclic Redundancy Check CSMA/CD � Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection DIN � Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão para Normatização) DLC � Data Length Code ECM � Electronic Control Module EGR � Exhaust Gas Recirculation EOF � End Of Frame FPGA � Field Programmable Gate Array GPIB � General Purpose Interface Bus HC � Hidrocarbonetos I/O � Inputs / Outputs IDE � Identifier Extension ISO � International Organization for Standartization Kbps � Kilobits por segundo MAF � Mass Air Flow Mbps � Megabits por segundo MP � Material Particulado NDA � Non Destructive Arbitration NMEA � National Marine Electronics Association NOx � Óxidos de Nitrogênio NRZ � Non Return to Zero OSI � Open Systems Interconection PC � Personal Computer PCI � Peripheral Component Interconnect PID � Controle Proporcional, Integral e Derivativo PRODESP � Companhia de Processamento de Dados do Estado de São Paulo PWM � Pulse Width Modulation PXI � PCI Extensions for Instrumentation RTR � Remote Transmission Request SAE � Society of Automotive Engineers SOx � Óxidos de Enxofre SRR � Substitute Remote Request TEDS � Transducer Electronic Datasheet USB � Universal Serial Bus VXI � VME (Versa Module Europa) Extensions for Instrumentation

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1. INTRODUÇÃO

Os fornecedores de sistemas de injeção eletrônica de combustível possuem toda

estrutura necessária para desenvolver as funções de software e circuitos específicos

de hardware, porém esses recursos estão espalhados ao redor do mundo, o que

dificulta o acesso aos mesmos. Quando um cliente solicita algum desenvolvimento em software ou hardware os custos são elevados e o prazo geralmente é muito longo,

o que muitas vezes inviabiliza o desenvolvimento do projeto na sua melhor forma. Esse é o paradigma da engenharia versus custos e prazos. O que acaba sendo

implementado, na prática, é um software com as funcionalidades reduzidas ou são

utilizados blocos prontos (black boxes) já desenvolvidos previamente para outras aplicações, onde nem sempre todas as funções serão utilizadas.

Cada vez mais o desenvolvimento de funções de software é considerado uma

questão estratégica pelas montadoras e fabricantes de motores de combustão, pois

aqueles que tiverem a capacidade de desenvolver e testar protótipos de funções

específicos para sua necessidade terão uma vantagem competitiva no mercado. Se

fosse possível realizar as etapas iniciais do desenvolvimento das funções (Descrição

dos Requisitos, Modelagem, Simulação, Prototipagem e Testes Funcionais) na

própria montadora ou no fabricante de motores, possivelmente, haveria uma redução

significativa nos custos totais juntamente com a propriedade intelectual da função

específica ou do algoritmo. Como seria possível realizar tal desenvolvimento em uma montadora ou fabricante de motores?

A descrição de requisitos e a modelagem de funções de software realizadas

utilizando as técnicas da engenharia de software através de abordagens de modelos

estruturados ou orientados a objetos são essenciais. Porém, sendo considerados pré-requisitos, não fazem parte desse estudo.

A simulação, a prototipagem de funções e os testes funcionais dependem de

softwares aplicativos e hardware para implantação. Para realizar essas etapas existem basicamente duas opções no mercado:

1ª) Utilizar o mesmo software e hardware do fornecedor de sistemas de injeção

para desenvolver a simulação e os protótipos de funções. É uma alternativa

excelente do ponto de vista técnico, pois possui integração total com a plataforma de hardware e software originais. Suas desvantagens são o elevado custo (US$ 100 mil em 2007) e a dificuldade de treinamento de pessoal (aplicativos altamente complexos). 2ª) Utilizar um controlador externo e uma plataforma de software aberta para realizar as simulações e testes com as funções protótipos. As maiores vantagens

são o baixo custo (US$ 3 mil em 2007) e a facilidade de implementação de

modelos em plataforma aberta. A desvantagem é a necessidade de utilizar um

controlador externo, não sendo possível implementar as funções no módulo

controlador do motor.

2

Esse trabalho irá abordar a segunda alternativa: utilizar um controlador externo e

uma plataforma de software aberta. Com essa configuração é possível construir um

sistema de baixo custo e fácil implementação, viabilizando assim, sua aplicação.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1. ECM � Módulo de Controle Eletrônico

2.1.1. Introdução

A cada ano que passa, os veículos ficam mais complexos. Os carros de hoje podem ter aproximadamente 50 microprocessadores. [1]

Alguns dos principais motivos do aumento do número de

microprocessadores são:

A necessidade de sofisticados controles do motor para atender padrões

de emissões e consumo de combustível; Diagnósticos avançados; Simplificação da manufatura e do projeto dos carros; Redução da quantidade de fios nos carros; Novas características de segurança; Novas características de conforto e conveniência.

2.1.2. Controles de motor sofisticados

Antes das leis de emissões entrarem em vigor, era possível construir um

motor de carro sem microprocessadores. Com a lei cada vez mais rígida

quanto às emissões de poluentes, esquemas de controles sofisticados foram

necessários para regular a mistura ar-combustível de maneira que o

catalisador possa remover grande parte da poluição do escapamento.

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Figura 2.1 � Circuito interno de uma ECM.

Controlar o motor é o trabalho mais intenso do computador em seu carro e

o módulo de controle eletrônico (ECM) é o computador mais potente na

maioria dos carros. A ECM usa controle de retroalimentação do circuito,

método que monitora as saídas e entradas de um sistema para ter um controle

efetivo desse sistema, gerenciando as emissões e o consumo de combustível

do motor (assim como um hospedeiro de outros parâmetros). Juntando os

dados dos vários diferentes sensores, a ECM sabe de tudo, desde a temperatura da água do radiador até a quantidade de oxigênio no

escapamento. Com isso, executa milhões de cálculos a cada segundo,

incluindo a observação de valores em tabelas e cálculos dos resultados de equações longas para decidir qual é o melhor avanço de ignição e determinar

por quanto tempo o injetor de combustível deve ficar aberto. A ECM faz tudo isso para assegurar uma emissão mais baixa e obter um melhor consumo.

Figura 2.2 � Os pinos deste conector interagem com sensores e dispositivos

de controle por todo o veículo.

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Uma ECM moderna pode ter um processador de 40 MHz e 32 bits. Isto

pode não parecer rápido comparado com o processador de 500 a 1000 MHz

que você provavelmente tem em seu PC, mas lembre-se que o processador do seu carro usa um código muito mais eficiente do que o do seu computador. O

tamanho médio do código em uma ECM usa menos de 1 megabyte (MB) de memória. Comparado a isso, você provavelmente tem pelo menos 2 gigabytes

(GB) de programas em seu computador - isso equivale a 2 mil vezes a quantidade em uma ECM. 2.1.3. Componentes da ECM

O processador é instalado em um módulo com centenas de outros

componentes em uma placa de circuitos multicamadas. Alguns dos outros componentes que auxiliam o processador em uma ECM são:

Conversores analógico-digitais - estes dispositivos lêem alguns

sensores do carro, como o de oxigênio. A saída de um sensor de

oxigênio é uma voltagem analógica, normalmente entre 0 e 1,1 volts

(V). O processador só entende números digitais, assim o conversor

analógico-digital muda esta voltagem para um número digital de 10

bits. Saída digital de alto nível - em muitos carros modernos, a ECM ativa

as velas de ignição, abre e fecha o injetor de combustível e liga e

desliga o ventilador. Todas essas tarefas exigem saídas digitais. Uma

saída digital fica ligada ou desligada - não há meio termo. Por

exemplo, uma saída para controlar o ventilador de resfriamento pode

fornecer 12 V e 0,5 ampères para o relé do ventilador quando está

ligado, e 0 V quando está desligado. A saída digital é como um relé. A

pequena quantidade de energia que o processador libera energiza o transistor na saída digital, permitindo que seja fornecida uma

quantidade bem maior de energia para o relé do ventilador de resfriamento, que por sua vez fornece uma quantidade ainda maior de energia para o ventilador.

Conversores digital-analógicos - algumas vezes, a ECM tem que

fornecer uma saída de voltagem analógica para acionar alguns

componentes do motor. Como o processador na ECM é um

dispositivo digital, ele precisa de um componente que possa converter um número digital em uma voltagem analógica.

Condicionadores de sinal - algumas vezes, as entradas ou saídas

precisam ser ajustadas antes de serem lidas. Por exemplo, o conversor analógico-digital que lê a voltagem do sensor de oxigênio pode ser

ajustado para ler um sinal de 0 a 5 V, mas o sensor de oxigênio libera

um sinal de 0 a 1,1 V. Um condicionador de sinal é um circuito que

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ajusta o nível dos sinais que entram e saem. Por exemplo, se usássemos um condicionador de sinal que multiplicasse por 4 a

voltagem vinda de um sensor de oxigênio, teríamos um sinal de 0 a

4,4 V, o que maximizaria sua resolução de leitura, aumentando a

sensibilidade do sistema.

Chips de comunicação - estes chips implementam os vários padrões

de comunicação que são usados em carros. Há vários padrões em uso,

mas o que mais usado nas comunicações em carros é chamado CAN

(rede de controle de área). Este padrão permite comunicação com velocidade de até 1 megabit por segundo (1 Mbps). É muito mais

rápido do que os antigos. Essa velocidade está se tornando necessária

porque alguns módulos enviam dados para o barramento centenas de

vezes por segundo. O barramento CAN envia dados usando dois fios.[1]

2.1.4. Diagnósticos avançados

Outro benefício em possuir um bus de comunicação é que cada módulo

pode comunicar falhas a um módulo central, que armazena as falhas e pode

relatá-las a uma ferramenta de diagnóstico externa. [1]

Figura 2.3 � A porta de diagnóstico de uma ECM.

Isto pode facilitar o trabalho dos técnicos em diagnosticar problemas com o carro, especialmente problemas intermitentes, que são notórios por

desaparecerem assim que você leva o carro para ser consertado.

2.1.5. Padrão de comunicação como um facilitador

Ter padrões de comunicação tornou mais fácil o projeto e a construção de

carros. Um bom exemplo dessa simplificação é o painel de instrumentos.

O painel de instrumentos agrupa e mostra dados das várias partes do

veículo. A maior parte desses dados já é usada por outros módulos no carro.

Por exemplo, a ECM sabe a temperatura do radiador e a rotação do motor. O

controle de transmissão sabe a velocidade do veículo. O controlador para o

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sistema antitravamento dos freios (ABS - Anti-lock Braking System) sabe se há algum problema com o sistema de frenagem.

Todos estes módulos simplesmente enviam dados para o barramento de

comunicação. Várias vezes por segundo, a ECM enviará um pacote de dados

que consiste em um cabeçalho e os dados. O cabeçalho é simplesmente um

número que identifica o pacote, como uma leitura de velocidade ou de

temperatura, e os dados trazem um número correspondente àquela velocidade

ou temperatura. O painel de instrumentos contém outro módulo que sabe

procurar por certos pacotes - sempre que encontra um e atualiza o mostrador ou indicador apropriado com o novo valor.

A maioria dos fabricantes compra o painel de instrumentos montado de

um fornecedor, que os projeta de acordo com as especificações do fabricante

do carro. Isso facilita o projeto de um painel de instrumentos, tanto para o fabricante quanto para o fornecedor.

É mais simples para o fabricante dizer para o fornecedor como cada

mostrador será usado, ao invés de ter que explicar que um fio específico irá

fornecer o sinal de velocidade, e que a voltagem vai variar entre 0 e 5 V sendo que 1,1 V corresponde a 48 km/h. O fabricante pode simplesmente fornecer uma lista de pacotes de dados e se responsabilizar por verificar se os dados corretos são enviados para o barramento de comunicação.

É também mais simples para o fornecedor projetar o painel de

instrumentos. Ele não precisa saber nenhum detalhe de como um sinal de

velocidade é gerado ou de onde ele está vindo. Ao contrário, o painel de

instrumentos simplesmente monitora o barramento de comunicação e atualiza

os mostradores quando recebe novos dados. Esses padrões de comunicação simplificam para os fabricantes a

terceirização na fabricação dos componentes: o fabricante não precisa se

preocupar com detalhes de como cada mostrador ou luz é alimentado e o

fornecedor, que faz o painel de instrumentos, não precisa se preocupar com o

local de onde vêm os sinais. 2.1.6. Sensores inteligentes

Atualmente, os quadros de instrumentos estão sendo usados em menor

escala para sensores. Um sensor de pressão tradicional, por exemplo, contém

um dispositivo que gera uma voltagem variável dependendo da pressão

aplicada ao dispositivo. Normalmente, a geração de voltagem não é linear.

Ela depende da temperatura e é uma voltagem de baixo nível que necessita amplificação. [1]

Alguns fabricantes estão fazendo um sensor inteligente que é integrado

junto a um microprocessador que permite que ele leia a voltagem, calibre-o

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usando curvas de compensação de temperatura e envie digitalmente a pressão para o barramento de comunicação. [1]

Isso poupa o fabricante de ter que saber todos os detalhes do sensor e

economiza energia de processamento no módulo, o qual, em caso contrário,

teria que fazer esses cálculos. Isso faz com que o fornecedor, que de qualquer maneira sabe mais sobre os detalhes, seja responsável por fornecer uma

leitura precisa. Outra vantagem do sensor inteligente é que o sinal digital viajando pelo

bus de comunicação fica menos suscetível a interferências elétricas. Uma

voltagem analógica viajando por um fio pode adquirir ruídos na passagem por perto de certos componentes elétricos, ou até mesmo de fios de alta tensão.

Barramentos de comunicação e microprocessadores também ajudam a

simplificar a fiação através de multiplexação. 2.1.7. Multiplexação

A multiplexação é uma técnica que pode simplificar a fiação em um carro.

Em carros mais antigos, os fios de cada interruptor são ligados ao dispositivo

por eles acionado. A cada ano que passa, e com um número cada vez maior

de dispositivos sob comando do motorista, a multiplexação se faz necessária

para evitar que a fiação saia do controle. Em um sistema multiplexado, um

módulo contendo pelo menos um processador centraliza entradas e saídas

destinadas a uma área do carro. Carros que possuem diversos controles em uma porta, por exemplo, podem ter um módulo de controle da porta. Alguns

carros possuem controles de vidros elétricos, espelhos elétricos, trava elétrica

e até mesmo bancos elétricos na porta. Seria impraticável instalar um grosso

maço de fios para um sistema como este a partir de uma porta. Em vez disso, o módulo da porta do motorista monitora todos os comandos.

Se o motorista aperta o botão para abrir a janela, um módulo da porta

fecha um relê que fornece energia para o motor da janela. Se o motorista aperta o botão para ajustar o espelho retrovisor do passageiro, o módulo da

porta do motorista envia um pacote de dados para o barramento de comunicação do carro. Este pacote informa para um outro módulo energizar

um dos motores do espelho elétrico. Dessa maneira, a maioria dos sinais que

são transmitidos a partir da porta do motorista são consolidados nos dois fios

que formam o barramento de comunicação. O desenvolvimento de novos sistemas de segurança também aumentou o

número de microprocessadores nos carros.

8

2.1.8. Segurança, conforto e conveniência

No decorrer da década passada, vimos sistemas de segurança como ABS e

air bags se tornarem comuns em carros. Outras características de segurança

como controle de tração e sistemas de controle de estabilidade estão

começando a ficar comuns também. Cada um desses sistemas acrescenta um

novo módulo ao carro e este módulo contém múltiplos microprocessadores.

No futuro, haverá mais desses módulos por todas as partes do carro,

conforme novos sistemas de segurança forem sendo adicionados. Cada um desses sistemas de segurança necessita de capacidade de

processamento, normalmente inserido em seu próprio módulo eletrônico. Nos

próximos anos, aparecerão diversos tipos de novas características de

conveniência em veículos e cada uma delas necessitará de mais módulos que

contenham microprocessadores múltiplos. Não há limites para a quantidade de tecnologia que as fábricas irão usar

nos veículos. O acréscimo de todas essas características eletrônicas é um dos

fatores que leva as fábricas a aumentarem o sistema de voltagem nos carros

do sistema atual de 14 V para um sistema de 42 V. Isso ajudará a fornecer a

energia extra que estes módulos precisam. [1]

2.2. EGR - Recirculação de Gases de Escapamento Responsável pelo controle do fluxo dos gases produzidos pela combustão da

mistura dentro dos cilindros do motor, a válvula EGR (Exhaust Gas

Recirculation) ajuda a controlar e reduzir a emissão de poluentes. [2] Os motores veiculares mais modernos incorporam dispositivos destinados a

diminuir os poluentes lançados na atmosfera, sendo este um dos principais

motivos da utilização do gerenciamento eletrônico nos veículos atuais, nacionais

e importados. Basicamente, os três mais importantes poluentes produzidos por um motor de

combustão interna são, em ordem de importância, o Monóxido de Carbono (CO),

os Hidrocarbonetos (HC), e os Óxidos de Nitrogênio (NOx). [2] Falando especificamente sobre os Óxidos de Nitrogênio, eles são formados

quando a temperatura da câmara de combustão atinge níveis mais elevados, seja

pelo empobrecimento gradual da mistura, devido ao aquececimento do motor, seja por condições de trabalho mais críticas. Neste caso, devem ser controlados para se manterem dentro dos limites de emissões definidos por lei.

9

Figura 2.4 � Gráfico simplificado de emissões de modelos movidos a diesel.

[17] A fim de reduzir a formação destes óxidos, os gases de escapamento são

desviados até o sistema de admissão, através de uma tubulação existente no

coletor de escapamento do veículo, para que possam ser aspirados e ocupar um

espaço dentro da câmara de combustão usualmente destinado à mistura

ar/combustível. Os gases de escape são formados por uma mistura já queimada e, portanto,

não são mais combustíveis. Todavia, se ocuparem um espaço dentro da câmara,

irão limitar a queima da mistura ar/combustível, diminuindo, conseqüentemente

sua temperatura. Ao reduzir a temperatura, automaticamente será reduzido o

nível de formação dos Óxidos de Nitrogênio produzidos pelo motor. [2] A admissão destes gases na câmara, ocupando o lugar destinado a mistura

ar/combustível, reduzirá a potência disponível gerada pelo motor e, portanto, este

processo deve ser controlado criteriosamente, com a finalidade de não prejudicar

o desempenho do veículo em determinados regimes de funcionamento. [2] 2.2.1. Função e funcionamento da válvula EGR

A válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation ou Válvula de Recirculação

dos Gases de Escape) controla o fluxo e o momento em que estes gases devem ser admitidos na câmara de combustão. [2]

A válvula EGR abre pela ação do vácuo do coletor de admissão, por um

lado, e pela ação da pressão dos gases de escape, pelo outro, permitindo que

os gases de escapamento fluam para o interior do coletor de admissão. Os gases de escapamento seguem com a mistura ar/combustível para a

câmara de combustão. Se houver um excesso de gases de escapamento

admitidos, não ocorrerá combustão, ou haverá falha de combustão. Por isso,

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apenas uma quantidade controlada de gás passa pela válvula, que deverá estar

totalmente fechada na marcha lenta. [2] No regime de marcha lenta não deverá haver admissão de gases de escape

no coletor de admissão, pois não há geração de NOx nestas condições, sem

mencionar o fato de que na marcha lenta, pela baixa quantidade de combustões nos cilindros, haverá irregularidade em seu funcionamento,

oscilações e até mesmo apagamento do motor em casos extremos. [2] Nos sistemas mais avançados de gerenciamento eletrônico, as funções

desta válvula são controladas pelo Módulo de Controle Eletrônico (ECM), que se utiliza de atuadores para determinar o momento e o tempo em que ela deve operar, sendo sua real atuação monitorada por um potenciômetro

presente na própria válvula. Este, por sinal, será parte do tema abordado na

segunda parte desta matéria. A válvula EGR abre atendendo a uma das seguintes condições: Motor Aquecido; Rotação do motor superior à da marcha lenta; Condições diversas de aceleração e desaceleração do veículo. A quantidade dos gases de escape admitidos na câmara e o tempo que a

válvula permanece aberta dependerão das variações no vácuo e na pressão

dos gases de escapamento, de acordo com o regime de funcionamento do motor.

Identificação da Válvula EGR - Existe uma seqüência padrão nos códigos

de identificação da válvula EGR, com informações importantes para o

aplicador: As válvulas EGR de pressão positiva terão um �P� gravado na lateral

superior de sua carcaça, seguindo o número da peça; As válvulas EGR de pressão negativa terão um �N� estampado na

lateral superior da válvula em seguida à sua numeração; As válvulas EGR de passagem, ou seja, que trabalham tanto com

pressão negativa quanto com pressão positiva, não possuem nenhuma

identificação de seu regime de trabalho após seu número de peça. A substituição da EGR deverá ser feita observando-se estas indicações de

aplicação, uma vez que fisicamente todas elas são parecidas ou mesmo

idênticas. Não existe um teste eficiente para checar a eficiência das válvulas

EGR, uma vez que só se poderá comprovar se seu diafragma está perfeito

através da aplicação de vácuo. Porém, seu correto funcionamento depende

também da atuação da pressão positiva dos gases de escapamento, o que nem

sempre se pode confirmar. [2]

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Quando forem observadas falhas no funcionamento do motor em altas rotações, marcha lenta irregular ou mesmo apagamento do motor após

desacelerações, bem como altos níveis de emissão de CO, o culpado pode ser a válvula EGR e deverá ser substituída por outra de mesma especificação.

Porém, mesmo motores idênticos, mas aplicados em veículos diferentes,

podem utilizar EGRs diferentes, embora fisicamente idênticas. [2] O técnico deverá estar atento quanto à aplicação específica do tipo de

componente correto, pois falhas de funcionamento ocorrerão se a EGR

inadequada for aplicada. Vale à pena lembrar também que, como as EGRs

trabalham utilizando o vácuo do coletor, um exame criterioso das tubulações

deverá ser feito, prevenindo, dessa forma, vazamentos e oscilações da marcha

lenta.

2.3. MAF - Sensor de Massa de Ar

O sensor de massa de ar ou sensor mássico (MAF- Mass Air Flow) mede

diretamente a massa do ar admitida pelo motor. Está localizado na entrada da

tubulação de admissão junto ao suporte do filtro de ar. Pode ser analógico ou

digital (o digital ainda não está sendo empregado nos veículos nacionais). O sensor digital é alimentado pela ECM com uma tensão de referência de

aproximadamente 5 V e �devolve� um sinal de onda quadrada, cuja freqüência

varia com a massa de ar admitida pelo motor. [4] O sensor analógico consiste em um tubo cujo interior possui um desvio (by-

pass) onde existem 2 elementos sensores (fios ou filmes); um aquecido (sensor de massa) e um a temperatura ambiente. O fio aquecido é mantido a uma

temperatura de aproximadamente 200ºC maior que a do fio a temperatura ambiente. [4]

O fluxo de ar admitido pelo motor provoca o resfriamento do fio quente

(sensor), provocando uma variação de sua resistência elétrica e um aumento da

tensão medida pela ECM no fio de sinal do sensor. Quanto maior for o fluxo de ar, maior será a tensão enviada para a ECM. Portanto, a massa de ar admitida pelo motor é estimada em função do calor perdido pelo fio quente sensor.

Quando não há fluxo de ar, a tensão enviada pelo sensor é de aproximadamente

0V e em marcha lenta deve estar entre 0,6 e 1,3 V (com o motor aquecido). O medidor de massa de ar é de grande confiabilidade, eficiência e precisão,

porque além de medir diretamente a massa do ar admitido, não possui

mecanismos (palhetas, cames etc.) que obstruem o fluxo do ar, diminuindo a capacidade de admissão do motor.

12

Figura 2.5 � Detalhe de um sensor MAF.

2.4. Emissões Veiculares

Nas áreas metropolitanas o problema da poluição do ar tem-se constituído

numa das mais graves ameaças à qualidade de vida de seus habitantes. Os

veículos automotores são os principais causadores dessa poluição em todo

mundo. As emissões causadas por veículos carregam diversas substâncias tóxicas que,

em contato com o sistema respiratório, podem produzir vários efeitos negativos

sobre a saúde. O Brasil, como todo país em desenvolvimento, apresenta um crescimento

explosivo de suas regiões metropolitanas. O Estado de São Paulo enfrenta uma situação particularmente preocupante

por deter cerca de 40% da frota automotiva do país. Segundo dados da

PRODESP, a frota motorizada no Estado de São Paulo, em dezembro de 2004, é

de aproximadamente 15,1 milhões de veículos. A frota da Região Metropolitana

de São Paulo (RMSP) representa cerca de 7,8 milhões de veículos. A frota de

veículos do ciclo Diesel (caminhões, ônibus, microônibus, caminhonetes e vans),

no Estado de São Paulo, é composta por 1.057 mil veículos e na RMSP por 452,6

mil veículos. [5] Nas áreas metropolitanas, o problema da poluição do ar tem-se constituído

numa das mais graves ameaças à qualidade de vida de seus habitantes. As emissões causadas por veículos carregam diversas substâncias tóxicas que, em

contato com o sistema respiratório, podem produzir vários efeitos negativos sobre

a saúde. Essa emissão é composta de gases como: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos (HC), óxidos de enxofre (SOx),

material particulado (MP), etc. [5] O monóxido de carbono (CO) é uma substância inodora, insípida e incolor -

atua no sangue reduzindo sua oxigenação.

13

Os óxidos de nitrogênio (NOx) são uma combinação de nitrogênio e oxigênio

que se formam em razão da alta temperatura na câmara de combustão dos motores - participa na formação de dióxido de nitrogênio e na formação do smog

fotoquímico (smog: smoke + fog = fumaça + neblina). Os hidrocarbonetos (HC) são combustíveis não queimados ou parcialmente

queimados que é expelido pelo motor - alguns tipos de hidrocarbonetos reagem na atmosfera promovendo a formação do smog fotoquímico.

A fuligem (partículas sólidas e líquidas), sob a denominação geral de material

particulado (MP), devido ao seu pequeno tamanho, mantém-se suspensa na atmosfera e pode penetrar nas defesas do organismo, atingir os alvéolos

pulmonares e ocasionar: Mal estar; Irritação dos olhos, garganta, pele etc.; Dor de cabeça, enjôo; Bronquite; Asma; Câncer de pulmão. Outro fator a ser considerado é que essas emissões causam grande incômodo

aos pedestres próximos às vias de tráfego. No caso da fuligem (fumaça preta), a coloração intensa e o profundo mau cheiro desta emissão causam de imediato uma atitude de repulsa e pode ainda ocasionar diminuição da segurança e

aumento de acidentes de trânsito pela redução da visibilidade. [5]

2.5. CAN - Controller Area Network

2.5.1. Introdução

A primeira parte deste artigo procurou explicar os dois principais

conceitos de Arquitetura Eletro-Eletrônica existentes � o Centralizado e o Distribuído. Além de destacadas as vantagens e desvantagens de ambos os

conceitos, foram mencionados dois exemplos de aplicação, um fundamentado

no sistema Centralizado e outro no Distribuído. Percebeu-se que, para a viabilização do sistema, especialmente no

conceito Distribuído, é extremamente necessária a utilização de um Protocolo

de Comunicação. Neste sentido, o CAN Bus mostra-se o mais adequado se considerada a aplicação em questão: Eletrônica Embarcada em veículos

automotivos.

14

2.5.2. Histórico

O CAN Bus (ou Barramento Controller Area Network) foi desenvolvido

pela empresa alemã Robert BOSCH e disponibilizado em meados dos anos

80. Sua aplicação inicial foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é

utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios e tratores, entre

outros. 2.5.3. Conceituação Básica

O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. O sincronismo

entre os módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada

mensagem lançada ao barramento (evento que ocorre em intervalos de tempo

conhecidos e regulares). Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos

podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro, além

de suas mensagens serem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede.

Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no

conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision

Detection with Non-Destructive Arbitration). Isto significa que todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo está

ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o

de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter

que reiniciá-la. Outro conceito bastante interessante é o NRZ (Non Return to Zero), onde

cada bit (0 ou 1) é transmitido por um valor de tensão específico e constante. A velocidade de transmissão dos dados é inversamente proporcional ao

comprimento do barramento. A maior taxa de transmissão especificada é de

1Mbps considerando-se um barramento de 40 metros. A Figura 2.6 representa a relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmissão

dos dados.

15

Figura 2.6 � Relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de

transmissão dos dados.

Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados,

existem três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes

diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o

GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas

terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.

Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores

elétricos devem ser trançados e não blindados. Os dados enviados através da

rede devem ser interpretados pela análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN é classificado como Par

Trançado Diferencial. Este conceito atenua fortemente os efeitos causados

por interferências eletro-magnéticas, uma vez que qualquer ação sobre um

dos fios será sentida também pelo outro, causando flutuação em ambos os

sinais para o mesmo sentido e com a mesma intensidade. Como o que vale para os módulos que recebem as mensagens é a diferença de potencial entre

os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecerá inalterada), a comunicação não é prejudicada. [6]

No CAN, os dados não são representados por bits em nível �0� ou nível

�1�. São representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em

função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L. A Figura 2.7 ilustra os níveis de tensão em uma rede CAN, assim como os bits Dominantes e

Recessivos.

16

Figura 2.7 � Níveis de tensão em uma rede CAN.

Como mencionado no início, todos os módulos podem ser mestre e enviar

suas mensagens. Para tanto, o protocolo é suficientemente robusto para evitar a colisão entre mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit não

destrutiva. É possível exemplificar esta situação, analisando o

comportamento de dois módulos enviando, ao mesmo tempo, mensagens

diferentes. Após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica

se outro módulo na rede o sobrescreveu (vale acrescentar que um bit

Dominante sobrescreve eletricamente um Recessivo). Um módulo

interromperá imediatamente sua transmissão, caso perceba que existe outro

módulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante). Este módulo, com maior

prioridade, continuará normalmente sua transmissão. [6] 2.5.4. Formatos das Mensagens

Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN: CAN 2.0A � Mensagens com identificador de 11 bits. É possível ter até

2048 mensagens em uma rede constituída sob este formato, o que pode

caracterizar uma limitação em determinadas aplicações. A Figura 2.8 apresenta o quadro de mensagem do CAN 2.0A.

Figura 2.8 � Quadro de mensagem CAN 2.0A.

17

CAN 2.0B � Mensagens com identificador de 29 bits. É possível ter,

aproximadamente, 537 milhões de mensagens em uma rede constituída

sob este formato. Percebe-se que a limitação em virtude da quantidade de

mensagens não mais existe. Por outro lado, o que pode ser observado em

alguns casos é que, os 18 bits adicionais no identificador aumentam o

tempo de transmissão de cada mensagem, o que pode caracterizar um

problema em determinadas aplicações que trabalhem em tempo-real (problema conhecido como overhead). A Figura 2.9 apresenta o quadro de mensagem do formato CAN 2.0B.

Figura 2.9 � Quadro de mensagem CAN 2.0B.

Legenda: SRR � Substitute Remote Request RTR � Remote Transmission Request IDE � Identifier Extension DLC � Data Length Code CRC � Cyclic Redundancy Check

ACK � Acknowledgment EOF � End Of Frame 2.5.5. Padrões Existentes

Os fundamentos do CAN são especificados por duas normas: a ISO11898

e a ISO11519-2. A primeira, ISO11898, determina as características de uma rede trabalhando com alta velocidade de transmissão de dados (de 125Kbps a

1Mbps). A segunda, ISO11519-2, determina as características de uma rede

trabalhando com baixa velocidade (de 10Kbps a 125Kbps). Ambos os padrões especificam as camadas Física e de Dados,

respectivamente 1 e 2 se considerado o padrão de comunicação OSI (Open

Systems Interconnection) de 7 camadas (ISO7498). As demais camadas, da 3 à 7, são especificadas por outros padrões, cada qual relacionado a uma

aplicação específica. [6] Existem diversos padrões fundamentados no CAN, dentre os quais

podemos destacar: NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações navais

e aéreas.

18

SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações

automotivas, especialmente ônibus e caminhões. DIN 9684 � LBS: Baseado no CAN 2.0A e utilizado em aplicações

agrícolas. ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B e também utilizado em aplicações

agrícolas. Estes padrões especificam o equivalente às camadas de Rede (3),

Transporte (4), Sessão (5), Apresentação (6) e Aplicação (7), do padrão OSI,

incluindo-se as mensagens pertinentes ao dicionário de dados de cada

aplicação em especial. [6] 2.5.6. Detecção de Falhas

Algumas das maiores vantagens do CAN é a sua robustez e a capacidade de

se adaptar às condições de falha, temporárias e/ou permanentes. Podemos

classificar as falhas de uma rede CAN em três categorias ou níveis: Nível de Bit,

Nível de Mensagem e Nível Físico.

2.5.6.1. Nível de Bit

Possui dois tipos de erro possíveis: Bit Monitoring: Após a escrita de um bit dominante, o módulo

transmissor verifica o estado do barramento. Se o bit lido for recessivo, significará que existe um erro no barramento.

Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo

valor (dominante ou recessivo). Caso seja necessário transmitir seqüencialmente seis ou mais bits de mesmo valor, o módulo

transmissor inserirá, imediatamente após cada grupo de cinco bits

consecutivos iguais, um bit de valor contrário. O módulo receptor

ficará encarregado de, durante a leitura, retirar este bit, chamado de Stuff Bit. Caso uma mensagem seja recebida com pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado terá ocorrido no

barramento.

2.5.6.2. Nível de Mensagem

São três os tipos de erro possíveis: CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um

checksum. O módulo transmissor calcula um valor em função dos

bits da mensagem e o transmite juntamente com ela. Os módulos

19

receptores recalculam este CRC e verificam se este é igual ao

transmitido com a mensagem. Frame Check: Os módulos receptores analisam o conteúdo de

alguns bits da mensagem recebida. Estes bits (seus valores) não

mudam de mensagem para mensagem e são determinados pelo

padrão CAN. Acknowledgment Error Check: Os módulos receptores

respondem a cada mensagem íntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de uma mensagem resposta que é

enviada ao módulo transmissor. Caso esta mensagem resposta não

seja recebida (pelo transmissor original da mensagem), significará

que, ou a mensagem de dados transmitida estava corrompida, ou nenhum módulo a recebeu.

Toda e qualquer falha acima mencionada, quando detectada por um

ou mais módulos receptores, fará com que estes coloquem uma

mensagem de erro no barramento, avisando toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor deverá reenviá-la.

Além disso, a cada mensagem erroneamente transmitida ou recebida,

um contador de erros é incrementado em uma unidade nos módulos

receptores, e em oito unidades no transmissor. Módulos com estes

contadores iguais a zero são considerados Normais. Para os casos em que os contadores contêm valores entre 1 e 127, os módulos são considerados

Error Active. Contadores contendo valores entre 128 e 255 colocam os módulos em condição de Error Passive. Finalmente, para contadores contendo valores superiores a 255, os módulos serão considerados em Bus

Off e passarão a não mais atuar no barramento. Estes contadores também

são decrementados a medida que mensagens corretas são recebidas, o que

reduz o grau de incerteza em relação a atividade dos módulos com contadores contendo valores diferentes de zero e possibilitando novamente a plena participação deles no barramento.

2.5.6.3. Nível Físico

Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a

ocorrer com os fios de dados CAN_H e CAN_L, a rede continuará

operando sob uma espécie de modo de segurança. Seguem abaixo

algumas das condições de falha nas linhas de comunicação que permitem

a continuidade das atividades da rede: Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC); Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L; Ruptura do CAN_H (ou CAN_L);

20

2.5.7. Aspectos de Implementação

2.5.7.1. Dicionário de Dados

É a parte mais dedicada à aplicação quando se trabalha com um

protocolo como o CAN. O Dicionário de Dados (Data Dictionary) é o

conjunto de mensagens que podem ser transmitidas naquela determinada rede.

A forma mais interessante de se organizar um dicionário de dados é

criando uma matriz com todos os módulos da rede. Esta matriz mostrará

cada mensagem sob a responsabilidade de cada módulo, relacionando

quem a transmite e quem a recebe. Outros dados importantes nesta matriz são: o tempo de atualização dos valores da mensagem, o intervalo de

transmissão da mesma e o valor relativo ao seu identificador. Além desta

matriz, a documentação referente ao Dicionário de Dados deverá conter

uma descrição detalhada de cada mensagem, bit a bit. O Dicionário de Dados é implementado numa rede CAN via software

e deverá ser o mesmo (ter a mesma versão de atualização, inclusive) em

todos os módulos conectados à rede. Isto garantirá total compatibilidade entre os participantes do barramento. [6]

2.5.7.2. Exemplo de Rede

Uma rede CAN, dependendo da sua aplicação, poderá ter até centenas

de módulos conectados. O valor máximo para a conexão de módulos em

um barramento depende da norma que se utiliza na dada aplicação. Toda rede CAN possui 2 Terminadores. Estes terminadores nada mais

são que resistores com valores entre 120 e 124 ohms, conectados à rede

para garantir a perfeita propagação dos sinais elétricos pelos fios da

mesma. Estes resistores, um em cada ponta da rede, garantem a reflexão

dos sinais no barramento e o correto funcionamento da rede CAN. Outra característica de determinadas aplicações fundamentadas no

CAN é que estas poderão ter duas ou mais sub-redes trabalhando, cada qual, em uma velocidade diferente. Os dados são transferidos de uma sub-rede para a outra através de módulos que atuam nas duas sub-redes. Estes módulos são chamados de Gateways. [6]

A Figura 2.10 ilustra a rede CAN de um sistema automotivo, com

duas sub-redes e dois terminadores. O Gateway desta aplicação é o Painel

de Instrumentos.

21

Figura 2.10 � CAN de um sistema automotivo.

2.5.7.3. Montagem da Rede

Barramento é o termo técnico que representa os condutores elétricos

das linhas de comunicação e a forma como eles são montados. Apesar de parecer simples, o ato de interligar os módulos requer bastante atenção.

Sobre o cabeamento necessário, considerando-se uma aplicação CAN

de dois fios, deve-se utilizar par trançado onde a secção transversal de

cada um dos fios deve ser de no mínimo 0,35mm².[6] As duas terminações (resistores de aproximadamente 120 ohms), do

ponto de vista teórico, podem ser instaladas nas extremidades do chicote,

diretamente nos fios de dados CAN_H e CAN_L. Do ponto de vista prático isto é extremamente complexo. O que deve ser feito é adicionar as

terminações nas duas ECMs (Módulos Eletrônicas de Controle)

conectadas aos extremos da rede. Se as ECMs forem montadas dependendo dos opcionais do veículo, deve-se procurar instalar as terminações nas ECMs que sempre estarão presentes nele (veículo). As

terminações são mandatórias numa rede CAN. No momento de se projetar o roteamento do barramento, algumas

regras em relação ao comprimento dos chicotes devem ser observadas. O

sincronismo das operações das ECMs no CAN é fundamentado no tempo

de propagação física das mensagens no barramento. Assim, a relação do

comprimento de determinados intervalos do chicote no barramento são

fundamentais ao bom funcionamento da rede. A Figura 2.11 mostra um diagrama que ilustra as medidas que devem

ser observadas no desenvolvimento do chicote.

22

Figura 2.11 � Medidas para desenvolvimento do chicote.

Destaca-se que, após o barramento ser montado, caso seja necessário

qualquer retrabalho no mesmo, é aconselhável a troca do chicote elétrico

danificado. Emendas poderão alterar a impedância característica da rede e

com isso afetar o seu funcionamento.

2.6. Linguagem de Programação do Software de Controle (LabVIEW)

O NI LabVIEW é um ambiente gráfico do desenvolvimento para criar

aplicações de teste, medição, e controle flexíveis e escalonáveis rapidamente e com custo mínimo. Com o LabVIEW, engenheiros e cientistas podem rapidamente, e com ótimo custo/benefício, interagir com hardware para medição

e controle, analisar dados, compartilhar resultados e distribuir sistemas.

2.6.1. Sobre o NI LabVIEW

O NI LabVIEW � considerado pela indústria, acadêmicos e

comunidade editorial como o melhor software em testes eletrônicos, controles

industriais e projetos eletrônicos industriais � tem redefinido medições e

automações com sua metodologia unicamente gráfica para desenvolvimento.

Ganhador de 15 prêmios em 2004, o LabVIEW proporciona uma intuitiva e

poderosa maneira de adquirir, analisar e apresentar medições em cada estágio

do desenvolvimento, desde a prototipagem ao projeto para testes de fabricação. Uma plataforma aberta que possui compatibilidade com centenas

de camêras, estágios de movimento, sensores e atuadores TEDS (Transducer

Electronic DataSheet), dispositivos industriais compatíveis com OPC assim como mais de 4000 dispositivos de medição controlados por GPIB, VXI,

23

PXI, PCI, Serial, Ethernet e USB. O LabVIEW está disponível para os

sistemas operacionais Windows, Macintosh e Linux. Com o lançamento do LabVIEW em 1986, a National Instruments

introduziu o conceito de instrumentação virtual. Utilizando LabVIEW para

aplicações de medição e automação, pode-se adquirir dados ao conectar-se com vários dispositivos de hardware, definir uma aplicação para analisar ou

tomar decisões com base nestes dados e depois apresentar suas medições por

meio de interfaces gráficas, páginas Web, arquivos de banco de dados e

muito mais.

3. PROJETO DA ARQUITETURA DO SISTEMA

O sistema de simulação e prototipagem de funções de software proposto nesse

trabalho, é baseado na plataforma de software de desenvolvimento LabVIEW e no controlador externo compactRIO, ambos da National Instruments.

O software de desenvolvimento consiste em um ambiente gráfico, com várias

ferramentas para sistemas de medição, análise e controle, com uma linguagem de programação através de símbolos e blocos funcionais gráficos. Possui plataforma

aberta, o que facilita a sua interface com outros sistemas e equipamentos e suporta múltiplos protocolos de comunicação.

Figura 3.1 � Exemplo de um controlador PID implementado no ambiente de

desenvolvimento.

24

O controlador externo é robusto e reconfigurável. Possui um processador local

para obter performance ultra rápida podendo processar funções de controle em tempo

real. Baseado em dispositivos FPGA, que são dispositivos programáveis formados

por células com milhares de portas lógicas configuráveis utilizadas de acordo com a

necessidade da aplicação, possui também módulos de I/O que são instalados de

acordo com a aplicação, inclusive com I/O para barramento CAN.

Figura 3.2 � Detalhe construtivo do controlador externo.

O sistema utilizado para simulação e teste das funções protótipos, consiste na

função implementada na plataforma do software de desenvolvimento e no

controlador externo. A função desenvolvida é carregada no controlador externo que

processa os algoritmos e realiza as funções de controle. A flexibilidade é total, sendo

possível implementar controladores digitais de malha aberta ou fechada, com atuação

direta de dispositivos via saída PWM ou analógica. Também é possível realizar a

conexão direta com sensores analógicos ou digitais. O conjunto funciona como um by-pass trazendo para fora do controlador original os parâmetros necessários para o

processamento no controlador externo, ou seja, independente do sistema de injeção

eletrônica. A comunicação é feita via barramento CAN ou conexão direta com

sensores e atuadores. A simulação pode ser realizada em computador, através de estímulos padrões

ou através de algum modelo específico previamente modelado no software de desenvolvimento.

25

Figura 3.3 � Algoritmo de controle implementado no controlador externo. 4. BENEFÍCIOS DA APLICAÇÃO Nas montadoras e nos fabricantes de motores há sempre necessidade de

desenvolvimento e testes de novas funções de software de controle de algum dispositivo, bem como os algoritmos de diagnose do sistema.

O tipo de situação mais comum de se encontrar é a impossibilidade de se ter

acesso aos desenvolvedores do software que, geralmente, estão alocados em outros

continentes. Por isso, faz-se necessário diversas reuniões com os representantes

locais para descrição do software que serão posteriormente encaminhados para os

especialistas.

Quando a informação chega ao programador ela pode conter erros que resultam em bugs no software que só serão descobertos, muitas vezes, na hora do teste no

dinamômetro ou no veículo. Esse tipo de problema obriga a repetição da parte final

do ciclo de desenvolvimento, gerando várias versões de software até se corrigir todos

os bugs, acarretando atrasos e aumento dos custos.

Grande parte desses problemas podem ser evitados, com a utilização prática da

simulação e testes dentro da própria montadora ou fabricante de motores, pois o

algoritmo somente seria entregue para codificação depois de ter atingido um nível de

maturidade sem �bugs� e, conseqüentemente, haveria uma sensível diminuição no

número de liberações de software com erros. 5. ESTUDO DE CASO

Apresentação de um caso prático onde foi necessário desenvolver uma função de

controle protótipo para corrigir a atuação da válvula EGR em um determinado evento transiente de pressão de admissão onde o nível de emissões (NOx) era prejudicado. A função existente no módulo de injeção eletrônica não era capaz de tomar uma

ação em cima do evento transiente. Era necessário desenvolver e implementar uma

função protótipo baseada nos requisitos de projeto designados pelo cliente em

conjunto com o departamento de engenharia de performance e emissões.

26

válvula

admissão

válvula

escape

válvula

EGR

bomba

de vácuo

válvula

controle

fluxo de ar ECM

admissão

escape

válvula

Throttle

Figura 5.1 � Diagrama de blocos dos requisitos da função protótipo.

A válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation) tem como objetivo reduzir as

emissões de NOx (óxidos de nitrogênio) mantendo a temperatura de combustão

abaixo da faixa crítica. Para isso, através dessa válvula, é introduzida uma pequena

quantidade de gases de escapamento (recirculação) na admissão de maneira a

"contaminar" a mistura ar-combustível.

Figura 5.2 � Esquema da recirculação dos gases de escapamento (EGR). Sendo assim, a função a ser prototipada precisaria corrigir a atuação da válvula

EGR simultaneamente com a atuação da válvula Throttle (admissão). Na ocorrência

do evento transiente, ambas as válvulas deveriam atuar de maneira inversa: a EGR

totalmente fechada e a Throttle totalmente aberta. Depois de transcorrido o evento, ambas deveriam retornar aos seus regimes normais de funcionamento. A função

original não poderia ser alterada.

27

Figura 5.3 � Proposta utilizada como referência no desenvolvimento da função

protótipo. Atuação da válvula EGR (verde) em função do evento transiente de pressão de admissão (vermelho).

Era necessário também que a função atendesse às condições da máquina de

estados designada nos requisitos.

Figura 5.4 � Máquina de Estados da função protótipo.

Decidiu-se que as variáveis de entrada seriam lidas diretamente do barramento

CAN da ECM e posteriormente processadas pela função protótipo no controlador

externo compact RIO (cRIO). Ainda seguindo os requisitos do projeto, esse processamento deveria ser realizado em 5ms no máximo.

28

A válvula Throttle deveria ser controlada por PWM (Pulse Width Modulation)

com o duty cycle variando de 5% a 95% e freqüência de 250 Hz. Já para a vávula EGR foi necessário construir um drive de potência na

configuração de ponte H com transistores Darlington de alto ganho para o acionamento de seu motor elétrico. Todo o controle (PID) foi desenvolvido e

implementado por software e descarregado na placa controladora do cRIO.

Figura 5.5 � Diagrama de ligação controlador EGR.

+ VCC

sensorpos. real

MAFRPMdo sistemade injeção

29

6. DEFINIÇÃO DA ARQUITETURA DO SISTEMA

Definiu-se que a arquitetura do sistema ficaria da seguinte maneira:

Figura 6.1 � Arquitetura do Sistema de Simulação e suas interfaces.

O software foi, basicamente, dividido em três partes:

Host (PC): consiste na indicação gráfica dos acionamentos das válvulas,

indicação numérica das variáveis de entrada e comunicação com o

controlador externo. Real-Time (cRIO): algoritmo da função protótipo, pontos calibráveis de

trabalho das válvulas, posição da máquina de estados e comunicação com

o barramento CAN e o host.

FPGA (chip no cRIO): gerenciamento da modulação por largura de pulso

(PWM) dos sinais de acionamento das válvulas.

chicote com

sensores e

atuadores

ECM

NI cRIO

CAN

ethernet

válv. Throttle

válv. EGR

notebook rodando

software de medição e

calibração (NI LabVIEW)

placa controladora rodando

software de simulação e

controle (NI LabVIEW)

PWM com DO

30

Figura 6.2 � Tela do software do Host (PC).

Figura 6.3 � Código fonte do software do Host (PC).

31

Figura 6.4 � Código fonte do software Real-Time (cRIO).

Figura 6.5 � Sistema de prototipagem montado sobre acrílico para

demonstrações.

FONTE

cRIO PONTE H

ECM

MAF

THROTTLE

EGR

32

Durante os testes realizados no veículo houve a necessidade de se realizar

alguns ajustes no algoritmo da função. É importante ressaltar que todas as

alterações ocorreram sem que fosse necessário qualquer manuseio do cRIO ou

qualquer alteração nas instalações do sistema de simulação. Todas as

modificações foram feitas apenas com a mudança do software via computador e o posterior �download� da função para o ambiente Real-Time da placa controladora do cRIO. Analisando-se os dados dos testes constatou-se uma pequena diminuição no

nível de NOx, porém nada representativo. Verificou-se a possibilidade da função

protótipo conter algum tipo de erro. Nada foi encontrado, estando a função

absolutamente de acordo com os requisitos do projeto. Dentre outras coisas, uma questão levantada pelo cliente a respeito da

possível ineficiência da simulação pareceu plausível: Era possível que o cRIO

tivesse um atraso no processamento da função protótipo em relação ao

processamento da ECM comprometendo a estratégia de controle? Para sanar essa dúvida realizou-se um pequeno experimento que consistia na medição do acionamento das válvulas pela ECM e pelo cRIO simultaneamente

com um osciloscópio.

Figura 6.6 � Sinais de controle da válvula EGR via ECM (amarelo) e via cRIO

(verde).

33

Com as medições, notou-se que realmente existia um atraso do cRIO em relação à ECM. Mais precisamente um atraso de 38,8µs. Um valor insignificante

levando-se em consideração que o loop de controle era de 5ms, ou seja, 5000µs. Ainda sim, cabe ressaltar uma outra análise feita em cima das medições

realizadas. No instante em que o cRIO apresenta 10V em sua saída a ECM ainda

encontra-se com 7V na sua. Com isso, se a diferença de velocidade de

processamento e acionamento das válvulas já era pequena, com esse dado ela

torna-se, praticamente, desprezível.

Figura 6.7 � Medição do atraso de processamento entre a ECM e o controlador

externo através da defasagem dos sinais de controle da válvula EGR. Concluiu-se então que, apesar da função protótipo estar de acordo com os

requisitos, a estratégia de controle proposta não era a melhor para a diminuição

dos níveis de NOx ocorridos nos eventos transientes anteriormente citados.

Talvez houvesse a necessidade de um estudo mais aprofundado com o acréscimo

de mais variáveis de entrada e, conseqüentemente, uma função de controle mais

aprimorada. De qualquer maneira, as ferramentas utilizadas para a simulação de função

provaram-se extremamente funcionais.

≈ 7 V

Atraso:

38,8000 µs

≈ 10 V

34

7. CONCLUSÕES

Utilizaram-se tecnologias já existentes na empresa e conhecimentos

adquiridos de outros projetos. Fora isso, os conhecimentos absorvidos nesse experimento são inestimáveis na utilização das próximas simulações. Do contrário, seria necessário um investimento de 50.000,00 euros (cotação

de 07/2007) para solicitar ao fabricante da ECM que prototipasse uma função

onde, posteriormente, concluiría-se não ser apropriada para a resolução do

problema. Um investimento altíssimo com os agravantes de não se reter os conhecimentos e o domínio da tecnologia e muito menos a conquista do projeto

solicitado pelo cliente.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] COMO FUNCIONAM OS COMPUTADORES DO CARRO [on line]. <http://carros.hsw.uol.com.br/computadores-de-bordo.htm>. Setembro de 2008.

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