Curso Mecânica - Capitulo 10 B

Sistemas Eletrnicos

Sistemas eletrnicos

Fabricantes tm usado a eletrnicapara aumentar a funcionalidade, produtividade e desempenho dos veculos.

Enquanto especialistas soempregados para projetar essessistemas, os projetistas de veculosdevem ter um entendimento bsicodesses sistemas para se tirarvantagem dessa tecnologia.

Unidade de Controle Eletrnico(ECU)

ECU combinada com sensores e atuadores compemsistemas de controle eletrnico moderno.

ECU so compostos de microcontroladores, interfaces de entrada e sada, condicionamento da potncia (do sinal) de entrada, conectores e uma caixa para abrigaresses componentes.

ECU aceita entradas digitais e analgicas, produzsadas digitais e tem limitada capacidade de computao.

Unidade de Controle Eletrnico(ECU)

Geralmente so empregadas memrias do tipoEEPROM ou Flash.

As ECU de hoje no processam ciclos de controles mais rpido que 1 ms (debatable).

O condicionamento de sinal necessrio paraconverter sinais para a faixa de entrada de um microcontrolador para conversoAnalgico/Digital (8, 10 ou 12 bit).

Entrada Digital Uma interface geralmente necessria.

Um resistor pull up pode ser usado paraconverter o fechamento de um switch paraentrada digital.

O sinal de entrada deve estar geralmente nafaixa de 0 a 5 volts.

Rudos podem ser produzidos no fechamentosdos switchs.

Fechamento de um switch paraentrada digital

Sada digital Sadas digitais so usadas para acionar vlvulas,

atuadores ou indicadores.

Circuitos de baixa tenso (Low-side driver circuits) paraacionamento so frequentemente empregados.

Transistors (MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field-Effective Transistors) so utilizados como switch.

MOSFETs tornam-se condutores quando um sinal de 5V aplicado.

Circuito de acionamento de solenoides

Largura de Pulso Modulada (Pulse Width Modulation - PWM)

PWM um mtodo de comunicar uma taxaproporcional na forma digital.

PWM essencialmente um ciclo varivel de tarefas.

A frequncia do ciclo alta o suficiente de talforma que o valor mdio dos pulsos sodeterminados pelo sistema sob controle, e esses pulsos no aparecem na resposta.

PWM - Pulse-Width Modulation

Controle de motor de correntecontnua tipo H-Bridge

Circuito usado para controle bidirecionalde motores eltricos.

Circuito geralmente acionado via PWM.

Switches controlam a direo de rotaodo motor.

Controle de motores de correntecontnua por H-Bridge

Sensores Tm papel importante no controle de sistemas.

Geralmente a sada dos sensores um sinal analgicode voltagem, frequncia ou um sinal digital.

Sensores analgicos com sada em voltagem oucorrente produzem um sinal que proporcional aoparmetro que est sendo medido.

Sensores geralmente so energizados externamente e requerem um terceiro fio/cabo para o sinal.

Sensores comumente usados emveculos fora de estrada

Sensores A queda de voltagem nos condutores podem afetar a

exatido do sensor e portanto sinais com base emcorrente geralmente so preferidos.

Configuraes em ponte so geralmente utilizadas parasensores com base em voltagem para compensar as variaes em resistncia (relacionadas com a temperatura).

Sada dupla geralmente preferida em relao sadasimples (aterramento comum - common ground).

Sensor em ponte (Sada dupla -Double Ended Output)

Sensores inteligentes e atuadores

Sensores so combinados com microcontroladores para produzir umainformao digital que enviada Unidade de Controle Eletrnico (ECU).

Processo reverso ocorre com osatuadores inteligentes.

Rede de rea de Controle (CAN -Controller Area Networks)

Permite a comunicao de componente paracomponente (hitch can talk to transmission).

Comunicao possibilita a otimizao do sistema.

O custo adicional da comunicao pequenoquando comparado com outros custos dos veculos.

Dado codificado (Encoded Data)

Redes proprietrias (Proprietary Networks)

O sistema de cabos mltiplos (Multiplex wiring) evoluiupara suportar a comunicao entre ECUs um barramento (bus) de comunicao de dois fios.

Dados so acoplados a mensagens para facilitar a comunicao entre ECUs.

O protocolo embarcado nas ECUs necessita de umacontnua checagem do barramento (bus) para evitarnovas transmisses enquanto o barramento est sendousado.

Exemplos

Chrysler Collision Detection protocol usado nostratores John-Deere da srie 7000 series facilitou a comunicao entre cinco ECUs (1992).

New Holland utilizou uma rede baseada em CAN no trator Genesis (1994) com 4 ECUs. A CAN foidesenvolvida pela Bosch.

Caterpillar utilizou um sistema de transmisso de dados (data link) conforme a norma SAE J1587 nostratores Challenger 75 e 85 (1993).

Flexi-Coil utilizou uma rede com base na norma SAE 1708 na semeadora pneumtica com at 18 ECUs.

Exemplos A companhia Ag-Chem Equipment

patenteou uma rede para controlar a aplicao de produtos qumicos em 1995.

LBS (DIN 9684) foi introduzida na Europano incio dos anos 1990s. LBS a base usada pelos tratores Fendt Variointroduzidos no final dos anos 1990s.

Cabos multiplexados

ISO 11783/SAE J1939/DIN 9684

Necessidade de normatizao torna-se evidente medida que o uso de redes de comunicao comea a crescer.

SAE J1939 foi desenvolvida para suportar a comunicao entre componentes para aplicaes emveculos de estrada e fora de estrada.

DIN 9684 foi desenvolvida para suportar a comunicaoentre implementos e displays montados em tratores.

ISO 11783/SAE J1939/DIN 9684

ISO 11783 foi desenvolvida para suportarredes normatizadas amplas para sistemastrator-implemento.

Parte da ISO 11783 derivada a partirdas normas SAE J1939 e DIN 9684.

ISO 11783/SAE J1939 Ambas as normas formalizaram a

multiplexagem de cabos baseado no protocoloCAN verso 2.

Esse protocolo usa uma arbitragem de priorizao para permitir que as mensagensacessem o barramento (bus).

Quando duas mensagens so enviadas aomesmo tempo seus identificadores socolocados em srie no barramento.

ISO 11783/SAE J1939 O barramento (bus) deve ser projetado para permitir que

os bits dominantes se sobreponham aos bits recessivosquando duas mensagens so enviadas ao mesmotempo por diferentes ECUs.

No ocorre conflito quando duas ECUs esto enviandoos mesmos bits.

Entretanto, quando uma ECU envia um bit dominanteenquanto outra envia um bit recessivo, a ltima devedetectar a diferena e parar a transmisso.

A ltima ECU deve reenviar a mensagem de baixaprioridade quando o barramento estiver livre.

ISO 11783/SAE J1939 Essa estratgia permite mais identificadores

dominantes (valor numrico mais baixo) a teruma prioridade mais elevada.

ISO 11783 aplica-se para comunicao em quemltiplas ECUs dividem um mesmo barramento(bus) como acesso de mensagem baseadas emprioridade.

Viso geral da ISO 11783 Escrita para suportar aplicaes de redes em

equipamentos agrcolas.

Norma escrita para compreender sistemas trator-implemento e equipamentos autopropelidos.

Vrios barramentos (busses) so identificados: Trator, Implemento, e subrede implemento.

Barramentos (busses) so interconectados via ECUsque servem como pontes.

Viso geral da ISO 11783 A parte 9 da norma descreve as

caractersticas da ECU do trator.

A parte 6 descreve o terminal virtual.

A parte 10 descreve o controlador de tarefas e o computador gerenciador.

Viso geral da ISO 11783 Comunicaes normatizadas so 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 no normatizada.

Esquema de uma rede ISO 11783

Viso geral da ISO 11783 Rede fornece mensagens de comunicao entre

qualquer dos componentes na Figura anterior.

Algumas mensagens so definidas com repetio a taxa de 100 Hz, utilizando at 5% dacapacidade de barramento (bus).

A mxima taxa de utilizao do barramento projetado para 35%.

Viso geral da ISO 11783 A ECU do trator filtra a mensagem que vai e quem vem

do barramento (bus) do implemento para evitarsobrecarga em qualquer dos barramentos.

Suporte para agricultura de preciso dado no barramento (bus) do implemento

Suporte dado para a interao trator-implemento.

A rede suporta comunicaes proprietrias (proprietary communications) simultneas.

Fiao e conectores Camadasfsicas

Cabeamento quduplo tipo Twisted (tranado ) foidesenvolvido especificamente para a ISO 11783.

A taxa de transferncia mais alta possvel semproteo (isolamento) foi de 125 K bits/s.

Taxa de transferncia de 250 K bits/s foi obtida paracabos isolados a partir da norma SAE J 1939.

A John Deere props uma taxa de 250 K bits/s com pares de cabos tranados sem isolamento com cuidadoso controle de voltagem e corrente.

Esse projeto foi aceito e tornou-se a parte 2 da norma.


Quatro fios revestidos que formam o cabo: CAN_H: transporta dados CAN_L : transporta dados TCB_PWR: fornece potncia aos terminais TCB_RTN : fornece potncia aos terminais

Circuitos tipo Terminating Bias (TCB) soincluidos no cabeamento em pontos mas noso conectados dentro das ECUs.

Terminais so necessrios para os circuitosTCB.

Cabos de rede com quatro fios


Terminais de barramentos em ambas as extremidades uma necessidade.

O desacoplamento do implemento do trator torna-se um problema isso tem sido resolvido pelodesenvolvimento de um conector terminal especial.

A parte 2 da norma especifica trs tipos de conectorespadres: sada de barramento (bus breakaway), diagnstico, e conectores de cabos.


Restries da topologia dos barramentos Comprimento de 40 m para um nico segmento

Comprimento mnimo de 0,10 m entre ECUs

Configuraes em T do barramento devem ser evitadas deve-se usar o princpio da serpentina.

Configurao em T permitida quando o comprimento daconexo menor de 0,60 m.

O limite de 30 ECUs por barramento de segmento com um mximo de 254 ECUs por segmentos interconectados.

Conector usado na ISO 11783

Estrutura da mensagem ISO 11783 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 no detectados so de aproximadamente de 4,7x10-11 vezes a taxa de erro da mensagem.

Componentes da estrutura damensagem

Estrutura da mensagem

Existem dois tipos de protocolos de unidade de dados (Protocol Data Units - PDU).

Os 8 bits menos signifcativos definem o endereo dafonte endereo fsico da unidade que est enviando a mensagem.

Os trs bits mais significativos so bits independentesde prioridade.

O PDU Tipo 1 permite a incluso do endereo da ECU de destino da mensagem.

Estrutura da mensagem Os 29 bits restantes so utilizados para

identificar o grupo de parmetros contido no campo de dados.

O endereo da ECU deve ser nico.

A mensagem CAN pode ser composta pormltiplos frames de dados de dois tipos O frame inicial enviado informando o formato dos

demais frames de dados. Modo de conexo da mensagem enviada para um

destinatrio especfico que controla o fluxo dasmensagens subsequentes de dados.

Identificadores da estruturaCAN

A camada da rede (Network Layer) Uma ponte deve ser usada para interconectar

segmentos de rede.

Repetidores no podem ser usados para interconectarsegmentos!

ISO 11783 define capacidade de filtragem parainterconexo de redes.

A partio de trfego desenvolvido por mecanismos de interconexo de rede controlam o fluxo de informaono barramento.

A camada da rede (Network Layer) Interconexes de segmento para

segmento so limitados a um.

Endereamento, definio de nomes e inicializao

A parte 5 da ISO 11783 fornece as necessidade de um nico nome ser associado a cada ECU.

Cada nome de 64 bit dentro do sistema deve ser nico.

Os 32 bits mais acima um nome nico, os 32 bits maisabaixo o cdigo especfico do fabricante.

Os cdigos do fabricante devem ser obtidos a partir do grupo de trabalho da ISO 11783.

Estrutura para definio de nomes naISO 11783


Inicialmente, um endereo (8-bit) era incluido paracomunio entre componentes (peer to peer communication).

A autoconfigurao de ECUs foi introduzida quando o grupo de trabalho da ISO 11783 verificou que 254 endereos nicos no era suficiente para suportar todosos possveis tipos de ECUs (por exemplo, transmisso, motor, sistema de direo, sistema de levante, etc.).


Algumas ECUs tm endereos fixos, requerendoarbritagem de autoconfigurao de unidades (NOME de autocofigurao de ECU contm um bit autoconfigurvelpara garantir que a ECU com endereo fixo ganhe a arbritagem).

Terminais virtuais

Os terminais virtuais (VT) disponibilizaminformaes para usurios e permitem que elesentrem com informaes para o sistema.

Os terminais virtuais so escravos das ECUs, e as ECUs no sabem qual ECU est usando o terminal virtual.

Pela perspectiva do usurio, o o terminal virtual pode ser usado para disponibilizar informaessobre uma ou mais ECUs de forma simultnea.

Terminais virtuais

Os terminais virtuais permitem baixar mscaras paradiferentes displays de usurio, alarmes e funes de acesso.

Dados podem ser formatados e disponibilizados natela, e de forma similar, os dados fornecidos pelooperador podem ser introduzidos pela tela.

Os terminais virtuais suportam apresentao de grficos e textos. As funes grficas para desenhode barramentos e barras so possveis alm de permitir a entrada de grficos definidos bit-a-bit.

Esquema de um painel de terminal virtual

Controlando tarefas

ISO 11783 suporta aplicaes de controlador de tarefas.

As tarefas so contidas dentro e cada ECUs.

As tarefas podem ser carregadas no controladora partir do computador gerenciador antes dasoperaes de campo.

Trs modos de tarefas so suportados: baseadoem tempo, baseado em distncia e baseado emposio.

Controlando tarefas Aplicaes tpicas incluem o desenvolvimento e

prescrio de manejo de insumos para sistemas de produo de culturas.

Mensagens foram criadas na parte 7 da ISO 11783 parapermitir que a passagem de tarefas para oscontroladores de implementos e vindo dos controladoresde implementos.

Identificadores contm valores nos campos R (reservado), G (pgina) e PDU (Protocol Data Units) paraidentificar dados de campo no processamento damensagem.

Controlando tarefas

A mensagem contm o endereo da fonte e de destino de tal forma que possa ser enviadapara uma ECU especfica.

Uma nica varivel enviada num campo de dados de 4 bytes (1 byte = 8 bits).

O seletor de dados indica o formato de dados da varivel, o tipo, o modificador e a qualificao associada varivel.

Controlando tarefas O tipo de dados indica se a varivel de processo

um valor atual ou um valor de referncia, e se a mensagem uma resposta ou pedido.

O contador especifica um elemento particular dentro do implemento (determinada barramentoou depsito) ou todos os elementos do implemento.

O dicionrio de dados especifica a varivel de processo que uma funo do implemento.

Mensagem de dados

Controlando tarefas

O proceso de mensagem de dados permite ao controlador enviar comandose solicitao aos implementos em relaoao valor de referncia e valor atual no qual o sistema est operando.

A mesma mensagem pode ser usadapelo implemento para enviar o valor referncia e o atual valor no qual o sistema est operando.

Mensagens da ECU do trator A parte 7 da ISO 11783 define as mensagens padres

do trator que esto disponveis para uso peloimplemento (Tabela do prximo slide).

A maioria dessas mensagens so enviadasrepetidamente a uma frequncia fixa.

Outras mensagens so enviadas quando solicitadas (porexemplo: tempo, data, etc.).

A parte 9 da ISO 11783 especifica os requisitos pararedes trator-implemento.

Parte 7 Mensagens bsicas

Mensagens da ECU do trator Os tratores so classificados em relao as

suas capacidades de rede: Classe 1 informaes bsicas e iluminao

Classe 2 adiciona informaes mais completas de rotaes de eixos

Classe 3 adiciona abilidades para o implementocontrolar o sistema de levante a tomada de potncia(TDP) e as vlvulas hidrulicas

Requisitos para mensagens em funo daclasse do trator

Requisitos para mensagens em funo daclasse do trator - continuao

Mensagens no barramento (bus) do trator

Um extenso conjunto de mensagens do barramento (bus) do trator definida pela parte8 da ISO 11783. Essas mensagens soessencialmente as mesmas definidas pela SAE J1939-71.

Trator-colhedora de forragem: A aplicao podeser demostrada por meio do uso da Mensagem#1 da ECU do motor (que contm o torque) pelo implemento para selecionar uma marchaque maximize o desempenho do sistema trator-implemento.

Diagnstico Atualmente (?), a ISO 11783 no define

diagnsticos.

A ISO 11783 define um conector padro de diagnstico (SAE J1939).

O terminal virtual pode ser usado para acessare disponibilizar informaes para propsito de diagnstico.

Diagnsticos iniciais suportados por ferramentasproprietrias (proprietary tools).

Estratgias de projeto para a ISO 11783

1. Localize as unidade de controle eletrnico (ECU) ondeas entradas e sadas esto concentradas.

2. Minimize o nmero de cabos cruzando regies crticas.

3. Conecte sensores e atuadores o mais prximopossvel da ECU.

4. Localize as ECUs de tal forma que controle de loop fechado (closed-loop control) no realizado atravsda rede.


5. Condiciones e amplifique os sinais de atuadores e sensores no mdulo em que elesesto conectados.

6. Transmita a informao para a rede emunidades de engenharia.

7. No faa suposies sobre que hardware ouinterface de usurio vai ser conectada sECUs.


8. Transmita os dados em um frequnciafixa.

9. No incorpore normas emergentes atque elas estejam bem definidas.

Gerenciamento de defeitos A parte 2 da ISO 11783 identifica muitas das

possveis falhas associadas com o barramento de transmisso (bus wiring).

Se erros no barramento de transmisso (bus transmission) detectado a uma taxa de 10/s, osusurios podem trabalhar por 10000 horas para queum erro no seja detectado.

A parte 2 da ISO 11783 define os requisitosoperacionais da ECU durante queda de energia a ECU deve reter seu dados e operar normalmentepor 10 ms aps a queda de energia.

Gerenciamento de defeitos

Medies devem ser projetadas no software da ECU para que a mquinaopere de forma razovel aps umacomunicao de falha.

Preocupaes em relao aoambiente

Condies climticas (temperatura, umidade, e poeira)

Condies qumicas (fertilizantes, pesticidas, combustveis, e lubricantes).

Condies mecnicas (vibrao, choque, e impacto)

Condies eltricas (estado permanente, transiente, electrosttica, e electromagnetico)

Voltagens estabelecidas pela ASABE EPP 455

Compatibilidade eletromagntica Compatibilidade eletromagntica (EMC) envolve temas

ligados emisses de radio frequncia eletrnicos e suas susceptibilidades.

ASABE EEP 455 identifica os requisitos crticos do FCC (Federal Communication Commission) e as recomendaes da SAE.

Barramentos de comunicao (communications busses) desenvolvidas segundo a ISO 11783 tem-se mostradoatender os requisitos de compatibilidadeeletromagntica (EMC) nos Estados Unidos e Europa.

Perguntas ???

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