Sistemas Eletrônicos

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1 Sistemas Eletrônicos

2 Sistemas eletrônicos Fabricantes têm usado a eletrônica para aumentar a funcionalidade, produtividade e desempenho dos veículos. Enquanto especialistas são empregados para projetar esses sistemas, os projetistas de veículos devem ter um entendimento básico desses sistemas para se tirar vantagem dessa tecnologia.

3 Unidade de Controle Eletrônico (ECU) ECU combinada com sensores e atuadores compõem sistemas de controle eletrônico moderno. ECU são compostos de microcontroladores, interfaces de entrada e saída, condicionamento da potência (do sinal) de entrada, conectores e uma caixa para abrigar esses componentes. ECU aceita entradas digitais e analógicas, produz saídas digitais e tem limitada capacidade de computação.

4 Unidade de Controle Eletrônico (ECU) Geralmente são empregadas memórias do tipo EEPROM ou Flash. As ECU de hoje não processam ciclos de controles mais rápido que 1 ms (debatable). O condicionamento de sinal é necessário para converter sinais para a faixa de entrada de um microcontrolador para conversão Analógico/Digital (8, 10 ou 12 bit).

5 Entrada Digital Uma interface é geralmente necessária. Um resistor pull up pode ser usado para converter o fechamento de um switch para entrada digital. O sinal de entrada deve estar geralmente na faixa de 0 a 5 volts. Ruídos podem ser produzidos no fechamentos dos switchs.

6 Fechamento de um switch para entrada digital

7 Saída digital Saídas digitais são usadas para acionar válvulas, atuadores ou indicadores. Circuitos de baixa tensão (Low-side driver circuits) para acionamento são frequentemente empregados. Transistors (MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field-Effective Transistors) são utilizados como switch. MOSFETs tornam-se condutores quando um sinal de 5V é aplicado.

8 Circuito de acionamento de solenoides

9 Largura de Pulso Modulada (Pulse Width Modulation - PWM) PWM é um método de comunicar uma taxa proporcional na forma digital. PWM é essencialmente um ciclo variável de tarefas. A frequência do ciclo é alta o suficiente de tal forma que o valor médio dos pulsos são determinados pelo sistema sob controle, e esses pulsos não aparecem na resposta.

10 PWM - Pulse-Width Modulation

11 Controle de motor de corrente contínua tipo H-Bridge Circuito usado para controle bidirecional de motores elétricos. Circuito é geralmente acionado via PWM. Switches controlam a direção de rotação do motor.

12 Controle de motores de corrente contínua por H-Bridge

13 Sensores Têm papel importante no controle de sistemas. Geralmente a saída dos sensores é um sinal analógico de voltagem, frequência ou um sinal digital. Sensores analógicos com saída em voltagem ou corrente produzem um sinal que é proporcional ao parâmetro que está sendo medido. Sensores geralmente são energizados externamente e requerem um terceiro fio/cabo para o sinal.

14 Sensores comumente usados em veículos fora de estrada

15 Sensores A queda de voltagem nos condutores podem afetar a exatidão do sensor e portanto sinais com base em corrente geralmente são preferidos. Configurações em ponte são geralmente utilizadas para sensores com base em voltagem para compensar as variações em resistência (relacionadas com a temperatura). Saída dupla é geralmente preferida em relação à saída simples (aterramento comum - common ground).

16 Sensor em ponte (Saída dupla - Double Ended Output)

17 Sensores inteligentes e atuadores Sensores são combinados com microcontroladores para produzir uma informação digital que é enviada à Unidade de Controle Eletrônico (ECU). Processo reverso ocorre com os atuadores inteligentes.

18 Rede de Área de Controle (CAN - Controller Area Networks) Permite a comunicação de componente para componente (hitch can talk to transmission). Comunicação possibilita a otimização do sistema. O custo adicional da comunicação é pequeno quando comparado com outros custos dos veículos.

19 Dado codificado (Encoded Data)

20 Redes proprietárias (Proprietary Networks) O sistema de cabos múltiplos (Multiplex wiring) evoluiu para suportar a comunicação entre ECUs um barramento (bus) de comunicação de dois fios. Dados são acoplados a mensagens para facilitar a comunicação entre ECUs. O protocolo embarcado nas ECUs necessita de uma contínua checagem do barramento (bus) para evitar novas transmissões enquanto o barramento está sendo usado.

21 Exemplos Chrysler Collision Detection protocol usado nos tratores John-Deere da série 7000 series facilitou a comunicação entre cinco ECUs (1992). New Holland utilizou uma rede baseada em CAN no trator Genesis (1994) com 4 ECUs. A CAN foi desenvolvida pela Bosch. Caterpillar utilizou um sistema de transmissão de dados (data link) conforme a norma SAE J1587 nos tratores Challenger 75 e 85 (1993). Flexi-Coil utilizou uma rede com base na norma SAE 1708 na semeadora pneumática com até 18 ECUs.

22 Exemplos A companhia Ag-Chem Equipment patenteou uma rede para controlar a aplicação de produtos químicos em LBS (DIN 9684) foi introduzida na Europa no início dos anos 1990s. LBS é a base usada pelos tratores Fendt Vario introduzidos no final dos anos 1990s.

23 Cabos multiplexados

24 ISO 11783/SAE J1939/DIN 9684 Necessidade de normatização torna-se evidente à medida que o uso de redes de comunicação começa a crescer. SAE J1939 foi desenvolvida para suportar a comunicação entre componentes para aplicações em veículos de estrada e fora de estrada. DIN 9684 foi desenvolvida para suportar a comunicação entre implementos e displays montados em tratores.

25 ISO 11783/SAE J1939/DIN 9684 ISO foi desenvolvida para suportar redes normatizadas amplas para sistemas trator-implemento. Parte da ISO é derivada a partir das normas SAE J1939 e DIN 9684.

26 ISO 11783/SAE J1939 Ambas as normas formalizaram a multiplexagem de cabos baseado no protocolo CAN versão 2. Esse protocolo usa uma arbitragem de priorização para permitir que as mensagens acessem o barramento (bus). Quando duas mensagens são enviadas ao mesmo tempo seus identificadores são colocados em série no barramento.

27 ISO 11783/SAE J1939 O barramento (bus) deve ser projetado para permitir que os bits dominantes se sobreponham aos bits recessivos quando duas mensagens são enviadas ao mesmo tempo por diferentes ECUs. Não ocorre conflito quando duas ECUs estão enviando os mesmos bits. Entretanto, quando uma ECU envia um bit dominante enquanto outra envia um bit recessivo, a última deve detectar a diferença e parar a transmissão. A última ECU deve reenviar a mensagem de baixa prioridade quando o barramento estiver livre.

28 ISO 11783/SAE J1939 Essa estratégia permite mais identificadores dominantes (valor numérico mais baixo) a ter uma prioridade mais elevada. ISO aplica-se para comunicação em que múltiplas ECUs dividem um mesmo barramento (bus) como acesso de mensagem baseadas em prioridade.

29 Visão geral da ISO Escrita para suportar aplicações de redes em equipamentos agrícolas. Norma escrita para compreender sistemas tratorimplemento e equipamentos autopropelidos. Vários barramentos (busses) são identificados: Trator, Implemento, e subrede implemento. Barramentos (busses) são interconectados via ECUs que servem como pontes.

30 Visão geral da ISO A parte 9 da norma descreve as características da ECU do trator. A parte 6 descreve o terminal virtual. A parte 10 descreve o controlador de tarefas e o computador gerenciador.

31 Visão geral da ISO Comunicações normatizadas são definidas entre o controlador de tarefas e o implemento, e entre a interface do controlador de tarefas e software do computador gerenciador. A interface entre o computador gerenciador e o controlador de tarefas não é normatizada.

32 Esquema de uma rede ISO 11783

33 Visão geral da ISO Rede fornece mensagens de comunicação entre qualquer dos componentes na Figura anterior. Algumas mensagens são definidas com repetição a taxa de 100 Hz, utilizando até 5% da capacidade de barramento (bus). A máxima taxa de utilização do barramento é projetado para 35%.

34 Visão geral da ISO A ECU do trator filtra a mensagem que vai e quem vem do barramento (bus) do implemento para evitar sobrecarga em qualquer dos barramentos. Suporte para agricultura de precisão é dado no barramento (bus) do implemento Suporte é dado para a interação trator-implemento. A rede suporta comunicações proprietárias (proprietary communications) simultâneas.

35 Fiação e conectores Camadas físicas Cabeamento quáduplo tipo Twisted (trançado ) foi desenvolvido especificamente para a ISO A taxa de transferência mais alta possível sem proteção (isolamento) foi de 125 K bits/s. Taxa de transferência de 250 K bits/s foi obtida para cabos isolados a partir da norma SAE J A John Deere propôs uma taxa de 250 K bits/s com pares de cabos trançados sem isolamento com cuidadoso controle de voltagem e corrente. Esse projeto foi aceito e tornou-se a parte 2 da norma.

36 Fiação e conectores Camadas físicas Quatro fios revestidos que formam o cabo: CAN_H: transporta dados CAN_L : transporta dados TCB_PWR: fornece potência aos terminais TCB_RTN : fornece potência aos terminais Circuitos tipo Terminating Bias (TCB) são incluidos no cabeamento em pontos mas não são conectados dentro das ECUs. Terminais são necessários para os circuitos TCB.

37 Cabos de rede com quatro fios

38 Fiação e conectores Camadas físicas Terminais de barramentos em ambas as extremidades é uma necessidade. O desacoplamento do implemento do trator torna-se um problema isso tem sido resolvido pelo desenvolvimento de um conector terminal especial. A parte 2 da norma especifica três tipos de conectores padrões: saída de barramento (bus breakaway), diagnóstico, e conectores de cabos.

39 Fiação e conectores Camadas físicas Restrições da topologia dos barramentos Comprimento de 40 m para um único segmento Comprimento mínimo de 0,10 m entre ECUs Configurações em T do barramento devem ser evitadas devese usar o princípio da serpentina. Configuração em T é permitida quando o comprimento da conexão é menor de 0,60 m. O limite é de 30 ECUs por barramento de segmento com um máximo de 254 ECUs por segmentos interconectados.

40 Conector usado na ISO 11783

41 Estrutura da mensagem ISO é baseada no protocolo CAN 2.0b 29-bit desenvolvido pela Bosch (1991). A estrutura da mensagem consiste do identificador e dos campos de dados. Taxas de erros não detectados são de aproximadamente de 4,7x10-11 vezes a taxa de erro da mensagem.

42 Componentes da estrutura da mensagem

43 Estrutura da mensagem Existem dois tipos de protocolos de unidade de dados (Protocol Data Units - PDU). Os 8 bits menos signifcativos definem o endereço da fonte endereço físico da unidade que está enviando a mensagem. Os três bits mais significativos são bits independentes de prioridade. O PDU Tipo 1 permite a inclusão do endereço da ECU de destino da mensagem.

44 Estrutura da mensagem Os 29 bits restantes são utilizados para identificar o grupo de parâmetros contido no campo de dados. O endereço da ECU deve ser único. A mensagem CAN pode ser composta por múltiplos frames de dados de dois tipos O frame inicial é enviado informando o formato dos demais frames de dados. Modo de conexão da mensagem enviada para um destinatário específico que controla o fluxo das mensagens subsequentes de dados.

45 Identificadores da estrutura CAN

46 A camada da rede (Network Layer) Uma ponte deve ser usada para interconectar segmentos de rede. Repetidores não podem ser usados para interconectar segmentos! ISO define capacidade de filtragem para interconexão de redes. A partição de tráfego desenvolvido por mecanismos de interconexão de rede controlam o fluxo de informação no barramento.

47 A camada da rede (Network Layer) Interconexões de segmento para segmento são limitados a um.

48 Endereçamento, definição de nomes e inicialização A parte 5 da ISO fornece as necessidade de um único nome ser associado a cada ECU. Cada nome de 64 bit dentro do sistema deve ser único. Os 32 bits mais acima é um nome único, os 32 bits mais abaixo é o código específico do fabricante. Os códigos do fabricante devem ser obtidos a partir do grupo de trabalho da ISO

49 Estrutura para definição de nomes na ISO 11783

50 Estrutura para definição de nomes na ISO Inicialmente, um endereço (8-bit) era incluido para comunição entre componentes ( peer to peer communication ). A autoconfiguração de ECUs foi introduzida quando o grupo de trabalho da ISO verificou que 254 endereços únicos não era suficiente para suportar todos os possíveis tipos de ECUs (por exemplo, transmissão, motor, sistema de direção, sistema de levante, etc.).

51 Estrutura para definição de nomes na ISO Algumas ECUs têm endereços fixos, requerendo arbritagem de autoconfiguração de unidades (NOME de autocofiguração de ECU contém um bit autoconfigurável para garantir que a ECU com endereço fixo ganhe a arbritagem).

52 Terminais virtuais Os terminais virtuais (VT) disponibilizam informações para usuários e permitem que eles entrem com informações para o sistema. Os terminais virtuais são escravos das ECUs, e as ECUs não sabem qual ECU está usando o terminal virtual. Pela perspectiva do usuário, o o terminal virtual pode ser usado para disponibilizar informações sobre uma ou mais ECUs de forma simultânea.

53 Terminais virtuais Os terminais virtuais permitem baixar máscaras para diferentes displays de usuário, alarmes e funções de acesso. Dados podem ser formatados e disponibilizados na tela, e de forma similar, os dados fornecidos pelo operador podem ser introduzidos pela tela. Os terminais virtuais suportam apresentação de gráficos e textos. As funções gráficas para desenho de barramentos e barras são possíveis além de permitir a entrada de gráficos definidos bit-a-bit.

54 Esquema de um painel de terminal virtual

55 Controlando tarefas ISO suporta aplicações de controlador de tarefas. As tarefas são contidas dentro e cada ECUs. As tarefas podem ser carregadas no controlador a partir do computador gerenciador antes das operações de campo. Três modos de tarefas são suportados: baseado em tempo, baseado em distância e baseado em posição.

56 Controlando tarefas Aplicações típicas incluem o desenvolvimento e prescrição de manejo de insumos para sistemas de produção de culturas. Mensagens foram criadas na parte 7 da ISO para permitir que a passagem de tarefas para os controladores de implementos e vindo dos controladores de implementos. Identificadores contêm valores nos campos R (reservado), G (página) e PDU (Protocol Data Units) para identificar dados de campo no processamento da mensagem.

57 Controlando tarefas A mensagem contém o endereço da fonte e de destino de tal forma que possa ser enviada para uma ECU específica. Uma única variável é enviada num campo de dados de 4 bytes (1 byte = 8 bits). O seletor de dados indica o formato de dados da variável, o tipo, o modificador e a qualificação associada à variável.

58 Controlando tarefas O tipo de dados indica se a variável de processo é um valor atual ou é um valor de referência, e se a mensagem é uma resposta ou pedido. O contador especifica um elemento particular dentro do implemento (determinada barramento ou depósito) ou todos os elementos do implemento. O dicionário de dados especifica a variável de processo que é uma função do implemento.

59 Mensagem de dados

60 Controlando tarefas O proceso de mensagem de dados permite ao controlador enviar comandos e solicitação aos implementos em relação ao valor de referência e valor atual no qual o sistema está operando. A mesma mensagem pode ser usada pelo implemento para enviar o valor referência e o atual valor no qual o sistema está operando.

61 Mensagens da ECU do trator A parte 7 da ISO define as mensagens padrões do trator que estão disponíveis para uso pelo implemento (Tabela do próximo slide). A maioria dessas mensagens são enviadas repetidamente a uma frequência fixa. Outras mensagens são enviadas quando solicitadas (por exemplo: tempo, data, etc.). A parte 9 da ISO especifica os requisitos para redes trator-implemento.

62 Parte 7 Mensagens básicas

63 Mensagens da ECU do trator Os tratores são classificados em relação as suas capacidades de rede: Classe 1 informações básicas e iluminação Classe 2 adiciona informações mais completas de rotações de eixos Classe 3 adiciona abilidades para o implemento controlar o sistema de levante a tomada de potência (TDP) e as válvulas hidráulicas

64 Requisitos para mensagens em função da classe do trator

65 Requisitos para mensagens em função da classe do trator - continuação

66 Mensagens no barramento (bus) do trator Um extenso conjunto de mensagens do barramento (bus) do trator é definida pela parte 8 da ISO Essas mensagens são essencialmente as mesmas definidas pela SAE J Trator-colhedora de forragem: A aplicação pode ser demostrada por meio do uso da Mensagem #1 da ECU do motor (que contém o torque) pelo implemento para selecionar uma marcha que maximize o desempenho do sistema tratorimplemento.

67 Diagnóstico Atualmente (?), a ISO não define diagnósticos. A ISO define um conector padrão de diagnóstico (SAE J1939). O terminal virtual pode ser usado para acessar e disponibilizar informações para propósito de diagnóstico. Diagnósticos iniciais suportados por ferramentas proprietárias (proprietary tools).

68 Estratégias de projeto para a ISO Localize as unidade de controle eletrônico (ECU) onde as entradas e saídas estão concentradas. 2. Minimize o número de cabos cruzando regiões críticas. 3. Conecte sensores e atuadores o mais próximo possível da ECU. 4. Localize as ECUs de tal forma que controle de loop fechado (closed-loop control) não é realizado através da rede.

69 Estratégias de projeto para a ISO Condiciones e amplifique os sinais de atuadores e sensores no módulo em que eles estão conectados. 6. Transmita a informação para a rede em unidades de engenharia. 7. Não faça suposições sobre que hardware ou interface de usuário vai ser conectada às ECUs.

70 Estratégias de projeto para a ISO Transmita os dados em um frequência fixa. 9. Não incorpore normas emergentes até que elas estejam bem definidas.

71 Gerenciamento de defeitos A parte 2 da ISO identifica muitas das possíveis falhas associadas com o barramento de transmissão (bus wiring). Se erros no barramento de transmissão (bus transmission) é detectado a uma taxa de 10/s, os usuários podem trabalhar por horas para que um erro não seja detectado. A parte 2 da ISO define os requisitos operacionais da ECU durante queda de energia a ECU deve reter seu dados e operar normalmente por 10 ms após a queda de energia.

72 Gerenciamento de defeitos Medições devem ser projetadas no software da ECU para que a máquina opere de forma razoável após uma comunicação de falha.

73 Preocupações em relação ao ambiente Condições climáticas (temperatura, umidade, e poeira) Condições químicas (fertilizantes, pesticidas, combustíveis, e lubricantes). Condições mecânicas (vibração, choque, e impacto) Condições elétricas (estado permanente, transiente, electrostática, e electromagnetico)

74 Voltagens estabelecidas pela ASABE EPP 455

75 Compatibilidade eletromagnética Compatibilidade eletromagnética (EMC) envolve temas ligados à emissões de radio frequência eletrônicos e suas susceptibilidades. ASABE EEP 455 identifica os requisitos críticos do FCC (Federal Communication Commission) e as recomendações da SAE. Barramentos de comunicação (communications busses) desenvolvidas segundo a ISO tem-se mostrado atender os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) nos Estados Unidos e Europa.

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