Tecnologia de Redes Automotivas-Conciex-2005
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7/31/2019 Tecnologia de Redes Automotivas-Conciex-2005
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oratrio de Sistemasde Tempo-Real
Tecnologias de Redes de ComunicaoAplicado Indstria Automotiva
UnilesteMG Coronel Fabriciano, 17 de Maio de 2005
Prof. Max Mauro
III CONCIEX Congresso da rea de Cincias ExatasInovaes Tecnolgicas: Cenrio de Mercado
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Plano da Apresentao
1. Motivao
2. Caractersticas da Indstria Automotiva
3. Estado Atual dos Sistemas Eletrnicos Automotivos
4. Redes Automotivas
4.1 Classe A
4.2 Classe B
4.3 Classe C
5. Tecnologias de Redes Automotivas
5.1 Rede LIN (Local Interconnect Network)
5.2 Rede CAN (Controller Area Network)
6. Exemplos de Arquiteturas Automotivas
7. SistemasX-by-Wire
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Sistema Eletrnico Automotivo
Modelo de um Sistema Automotivo Audi TTFonte: www.audi.com
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90% de todas inovaes
futuras nos carros serodeterminadas pela eletrnica,
sendo 80% destas na rea de
software.
Fonte: Audi AG
Motivao
Fonte: Development Solutions forAutomotive Embedded Systems: Methods and Tools
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Produo
Alto volume de produo industrial (milhes de veculos por ano);
Longo tempo para desenvolvimento de um modelo (entre 3 a 5 anos);
Longo tempo para produo de um modelo (aproximadamente 10 anos).
Custos
Uma economia de US$ 5,00 em um componente comum (ex: microcontrolador) pode
resultar em at um milho de dlares em um ano;
A previso para at 2007 de que:
diminuio de 3% das partes mecnicas;
diminuio entre 10% a 12% dos componentes eletrnicos;
Substituio de 5% a 10% dos sistemas dos sistemas mecnicos, em termos de valores
pelos sistemas eletrnicos;
60% a 70% das inovaes em veculos sero representadas pela eletrnica.
Estima-se que em 2007, os componentes eletrnicos de um automvel vao
corresponder de 30% a 35% do valor total do carro.
Caractersticas da Indstria Automotiva
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Um automvel consiste em um produto de massa composto de umadeterminada quantidade de sub-sistemas complexos (ex: motor,transmisso, chassis, etc);
Em cada um desses sub-sistemas existem centenas de diferentescomponentes;
Todos esses componentes tem de cooperar e interagir entre si de formaa fornecer servios que satisfaam a espectativa do cliente ou usurio
final de um carro.
Caractersticas da Aplicao: Automvel
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Para a indstria automotiva natural distinguir entre BodyElectronics and System Electronics
Body Electronics: Realiza o controle e gerenciamento das funes de
processamento das informaes que no esto dirtetamente relacionadas como movimento do carro.
Exemplo: vidro eltrico, painel, controle de bancos, ar-condicionado entre
outros . System Electronics: Realiza o controle diretamente de todas as funesrelacionadas com o movimento do carro.
Exemplo: controle do motor, freio, suspenso, dinmica do veculo entre
outros.
Requisitos Funcionais: Automvel
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Body Electronics: Atualmente uma ECU (Electronics Control Unit)automotiva tpica composta de um microcontrolador de 8 bits comalgumas centenas de bytes de RAM e 16 kbytes de ROM, algunsprocessos de I/O para conectar os sensores e para controlar atuadores, euma simples interface de rede.
System Electronics: No campo de systems electronics a rea decontrole do motor por computador e o freio ABS (Antilock Braking System)so mais maduros. Os controladores de motor avanados so baseadosem microcomputador de 16 bits com cerca de 16 kbytes de RAM e 256
kbyte de ROM. O tamanho da memria est crescendo em cerca de maisde 25% a cada ano. O controle do motor computadorizado pode melhoraro desempenho do motor, diminuio no consumo de combustvel ereduo da emisso de poluentes.
Estado Atual dos Sistemas Eletrnicos
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Redes de Comunicao: Atualmente o campo de redes automotivasainda no est totalmente consolidada, pois existem diversos padres emfuno dos requisitos funcionais automotivo.
Exemplos: LIN, TTP, CAN, ByteFlight, Flexray, A-BUS, D2B
Sensores Inteligentes: O alto volume de fabricao automotivo est
levando a indstria de sensores a desenvolver novas solues a baixocusto para muitos problemas de medio sob um carro.
A vantagem em utilizar os sensores inteligentes a habilidade integradaem processamento e comunicao para temperatura, nvel de fludo,presso, etc.
Com isto ir permitir algum pr-processamento do sinal medido esimplificar problemas de interface.
Estado Atual dos Sistemas Eletrnicos
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As funes realizadas por hardware num sistemas automotivo,podem ser realizadas pelos softwares embarcados;
A utilizao do paradigma de sistemas de tempo-realcontribui paraum projeto otimizado de sistemas embarcados, reduzindo assimcustos de produo;
Uso de redes em veculos automotivos d uma reduo interessanteem peso e volume;
Controle em tempo real distribudo atravs de ECUs (Electronics
Control Units);
Uso de Memria Flash para permitir atualizaes dos softwaresaps a venda.
Tendncias de Sistemas Embarcados em
Automveis
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Cenrio de uma oficina
automotiva especializada
em redes automotivas
Redes Automotivas
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A Sociedade de Engenharia Automotiva (Society of Automotive Engineers -SAE) descreve uma classificao de redes de comunicao em funo dos
requerimentos das aplicaes automotivas. Esta classificao define trs classes
de redes de comunicao em aplicaes automobilsticas, que so:
Classe A: So redes de comunicao com baixa largura de banda utilizada em
aplicaes no crticas no corpo eletrnico do automvel, como por exemplo:
controle de lmpadas, diagnsticos, etc.
Classe B: So redes utilizadas para aplicaes que so importantes, mas noessenciais para a operao do automvel, como display de informao de
velocidade e nvel de combustvel. As Classes A e B so aplicadas no corpo
eletrnico de um automvel.
Classe C: So redes utilizadas em aplicaes de segurana crtica de tempo real
distribudo envolvidos no sistema eletrnico de um automvel, como por exemplo:
controle de direo, freios e motor. O volume de dados alto, exigindo baixa
latncia e alta taxa de transferncia.
Tecnologias de Redes Automotivas
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Classe A: So redes de comunicao com baixa largura de banda utilizadaem aplicaes no crticas no corpo eletrnico do automvel, como por
exemplo: controle de lmpadas, diagnsticos, etc.
Exemplo: LIN, TTP/A, CAN 1.0 e A-Bus.
Rede Automotiva Classe A
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Classe B: So redes utilizadas para aplicaes que so importantes, masno essenciais para a operao do automvel, como displayde informao de
velocidade e nvel de combustvel. As Classes A e B so aplicadas no corpo
eletrnico de um automvel.Exemplo: CAN 2.0 A, TTP/C e ByteFlight.
Rede Automotiva Classe B
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Classe C: So redes utilizadas em aplicaes de segurana crtica detempo real distribudo envolvidos no sistema eletrnico de um automvel,
como por exemplo: controle de direo, freios e motor. O volume de dados
alto, exigindo baixa latncia (atraso) e alta taxa de transferncia.Exemplo: CAN 2.0 A, TTP/C, J 1939, ByteFlight e FlexRay.
Rede Automotiva Classe C
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Grfico Comparativo das Principais
Tecnologias de Redes Automotivas
Arquitetura de um sistema automotivoFonte: www.sssbus.com
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Classe A: LIN
Arquitetura de um sistema automotivoFonte: www.audi.com
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Local Interconnect Network - LIN
LIN foi projetado por um Consrcio LIN com a primeira especificao
sendo publicada em 1999;
Os principais membros do consrcio eram montadoras europias taiscomo: Audi AG, BMW AG, Daimler Chrysler AG, Volkswagen AG, Volvo
Cars Corporation AB, Motorola e Volcano Communications Technologies;
Foi projetado para suprir a comunicao a um baixo custo entre
sensores e atuadores nas aplicaes automotivas;
O principal objetivo era de ser usado em situaes onde o alto bitrates
de comunicao como no barramento CAN eram desnecessrios;
Pode ser baseado sob a interface de hardware UART/SCI.
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Principais Caractersticas do LIN
Mono-mestre, suporta at 15 escravos;
Barramento com apenas um fio;
Bitrates de 1 a 20 Kbps: sendo usualmente utilizado em aplicaes
automotivas as velocidades de 2.4, 9.6 e 19.2 Kbps;
Mensagens em multicast e broadast;
Auto-sincronizao dos escravos (apenas o mestre tem o clock
exato com o cristal);
Mensagens de 2, 4 ou 8 bytes de dados, com 3 bytes de controle; Deteco de erro com 8 bits de checksum e 2 bits de paridade no
identificador;
Camada fsica: ISO-9141;
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Arquitetura do Barramento LIN
O comprimento do barramento LIN limitado em 40 metros e pode suportar
at 16 ECUs.
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Principais Vantagens do LIN
Fcil de utilizar;
Existem componentes disponveis;
Mais barato que o CAN e outros barramentos de comunicao;
Torna os veculos mais confiveis;
Futuras extenses com fcil implementao.
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Exemplo de Implementao LIN (1)
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Classe B: CAN
Arquitetura de um sistema automotivoFonte: www.audi.com
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Controller Area Network - CAN
A rede CAN foi desenvolvida pela BOSCHem 1986;
Em 1993 tornou-se uma rede padro pela ISO (ISO-11519 e ISO-
11898);
Foi originalmente projetada para ser utilizada em veculos automotivos
com o objetivo de solucionar problemas de cablagem que consumiam uma
parte considervel empeso e volume de um sistema automotivo; Outro fator de motivao vinha em funo da grande disponibilidade e
baixo custo dos sistemas microprocessados, devido ao crescimento do
uso de componentes microprocessados;
Com isto vieram a surgir padres de redes baseados em redes CAN para
sistemas automotivos tais como VOLCANO (Volcano Corporation, 1996),
J1939 (Volvo, 1998) e CanKingdom (CANKingdom, 1996).
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Principais Caractersticas do CAN
Suporta comunicao de tempo-real;
Multimaster;
Event Driven;
Broadcast;
Identificao por mensagens;
Pedido Remoto;
Deteco de erros;
Correo de erros;
Reconhecimento de mensagens;
Taxa de transmisso de 125Kbps, 250Kbps, 500Kbps e 1 Mbps;
Campo de dados de at 8 bytes.
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oratrio de Sistemasde Tempo-Real Modelo RM-OSI e Modelo Rede CAN
FFsicasica
Enlace de dadosEnlace de dados
RedeRede
TransporteTransporte
SessoSesso
ApresentaApresentaoo
AplicaAplicaoo
FFsicasica
Enlace de dadosEnlace de dados
Modelo OSI CAN
AplicaAplicaoo
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Verso Padro Taxa de
Transmisso
Identificador
Low-speed CAN 1.0 ISO 11519 125 kbps 11-bit
CAN 2.0 A ISO 11898:1993 1 Mbps 11-bit
CAN 2.0 B ISO 11898:1995 1 Mbps 29-bit
Especificaes CAN
SS
OO
FF11 bits Identificador11 bits Identificador
RR
TT
RR
II
DD
EEr0r0
DD
LL
CC0 a 8 bytes de dados0 a 8 bytes de dados
CC
RR
CC
AA
CC
KK
EE
OO
FF
II
FF
SS
SS
OOFF 11 bits Identificador11 bits Identificador
SS
RRRR
II
DDEE r1r1
DD
LLCC 0 a 8 bytes de dados0 a 8 bytes de dados
CC
RRCC
AA
CCKK
EE
OOFF
II
FFSSr0r018 bits Identificador18 bits Identificador
RR
TTRR
- Standard CAN 11-Bit Identificador (BasicCAN):
- Extended CAN: 29-Bit Identificador (FullCAN):
Padronizao da Rede CAN
Formato de Frames CAN
l /
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Classe A: TTP/A
Arquitetura de um sistema automotivoFonte: www.audi.com
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Exemplos de Arquiteturas Eletrnica
AutomotivaBluetooth
C li d ASTRA G99 (GM)
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Centralizada: ASTRA G99 (GM)
i ib d li ( )
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Distribuda: Plio (FIAT)
Di ib d V l S80 (V l C )
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Distribuda: Volvo S80 (Volvo Cars)
Redes com aplicabilidades automotivas distintasFonte: www.volvocars.com
X b Wi
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X-by-Wire
Arquitetura de um sistema automotivox-by-wire
C
C
C
C
C
C
C
TTP/C Databus
with 2 channels
Steering-Wheel
Unit
Steer-By-WireControl Unit
Steering ActuatorUnit
Tendncia Futura nos Sistemas
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Tendncia Futura nos SistemasAutomotivos
O Sistema AutomotivoX-by-Wire
O objetivo do projeto X-By-Wire definir uma arquitetura para introduzir
sistemas eletrnicos tolerantes-a-falta relacionados a segurana emveculos, denominado por x-by-wire systems. O x representa a base de
qualquer aplicao de segurana crtica tais como: direo (steering), freio
(braking),powertrain ou controle de suspenso (suspension control), etc.
Exemplo de sistemas X-by-Wire:
Steer-by-Wire;
Brake-by-Wire;
Suspension-by-Wire;
etc.
Sistemas Automotivos X by Wire
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Sistemas Automotivos X-by-Wire
O Consrcio X-by-Wire foi iniciado pelas seguintes empresas euniversidades:
Benefcios do Sistema X by Wire
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Benefcios do Sistema X-by-Wire
- As vantagens de um sistema X-by-Wire so que as aplicaes aumentam asegurana e conforto nos sistemas automotivos (Ver Grfico abaixo).
1960 1970 1980 2000 .....1990
ESPABS
ETCASR
Autonomous Cruise Control
Road recognition (LDW)
Environment recognition
Emergency Brake
Highway Copilot
Platooning
AutonomousDriving
Airbag
Safety
Cell
Side Airbag
Side Impact Protection
DeformationElements
UnderfloorConcept
CompoundGlass
Passive Safety
(reducing personal injury
in case of an accident)
Active Safety
(avoiding an accident)
Max
Low
SafetyPote
ntial
Modified Source : Auto-ZeitungNr. 4 Jan.97
Seat
Belt
Potencial dos sistemas de segurana ativa em veculos automotivos
Steer by Wire: Simples
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Steerby-Wire: Simples
- Exemplo de um sistema Steer-by-Wire com apenas um modo de direo;
i d Si Steerby-Wire
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Steer by Wire
- Exemplo de um sistema Steer-by-Wire com trs modos de direo ;
Atuadoresde direoFrontais
A S
A S
SRU0
A S
SRU0
SRU0
A S
A S SRU0
SRU0
Sensoresde rotaoFrontais
Atuadoresde direoTraseiros
Sensoresde rotaoTraseirosAtuadores
de Feedbackpara volante
Sensorde giro
do volante
Barramento de ComunicaoRedundante
SRU0FTUs SRUs
t i d Si t Brake-by-Wire
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Brake-by-Wire
- Exemplo de um sistema Brake-by-Wire;
MA S
SRU0
SRU0
Sensor de deslocamentodo pedal de freio
Barramento de ComunicaoRedundante
SRU0FTUs SRUs
MA S
SRU0
Motor hidraulico de
acionamento dos freios
MA S
SRU0
MA S
SRU0
Atuador para o motore sensor de verificao
S
oratrio de Sistemas
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oratrio de Sistemasde Tempo-Real
FIM
Obrigado pela ateno e visitem o LTR paraconhecer mais sob Eletrnica Automotiva
oratrio de Sistemas Contatos
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oratrio de Sistemasde Tempo-Real
Contatos
Laboratrio de Sistemas de Tempo-Real - LTR
http://professores.unilestemg.br/~ltr
Prof. Max Mauro Dias Santos
http://professores.unilestemg.br/~maxmauro