Tecnologia de Redes Automotivas-Conciex-2005

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



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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



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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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FIM

Obrigado pela ateno e visitem o LTR paraconhecer mais sob Eletrnica Automotiva

oratrio de Sistemas Contatos


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Contatos

Laboratrio de Sistemas de Tempo-Real - LTR

http://professores.unilestemg.br/~ltr

[email protected]

Prof. Max Mauro Dias Santos

http://professores.unilestemg.br/~maxmauro

[email protected]

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