eletronica embarcada automotiva

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IANNIS NICOLAOS PAPAIOANNOU

ESTUDO DA ELETRNICA EMBARCADA AUTOMOTIVA E SUA SITUAO ATUAL NO BRASIL

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Automotiva

So Paulo 2005

IANNIS NICOLAOS PAPAIOANNOU

ESTUDO DA ELETRNICA EMBARCADA AUTOMOTIVA E SUA SITUAO ATUAL NO BRASIL

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Automotiva Orientador: Prof. Titular Lucas Moscato

So Paulo 2005

IANNIS NICOLAOS PAPAIOANNOU

ESTUDO DA ELETRNICA EMBARCADA AUTOMOTIVA E SUA SITUAO ATUAL NO BRASIL

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Automotiva rea de Concentrao: Engenharia Automotiva Orientador: Prof. Titular Lucas Moscato So Paulo 2005

FICHA CATALOGRFICA

FICHA CATALOGRFICAPapaioannou, Iannis Nicolaos Estudo da eletrnica embarcada automotiva e sua situao atual no Brasil / I N Papaioannou. - So Paulo, 2005. 89 p. Trabalho de concluso de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva). Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. 1.Eletrnica embarcada 2.Indstria automobilstica Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. II.t.

Aos meus filhos, esposa, pais e irmos

AGRADECIMENTOS Prof. Lucas Moscato por seu apoio Geraldo Gardinalli da Bosch que por sua doao de material fundamental para esse trabalho possibilitou importantes avanos no desenvolvimento desse trabalho Priclis, meu irmo, por disponibilizar comunicao pela Internet de forma rpida

RESUMO Esse trabalho tem como objetivo chamar a ateno sobre a eletrnica automotiva embarcada, que sob alguns aspectos, tem sido negligenciada e que poder acarretar prejuzos no apenas de aspecto econmico com a perda de competitividade, mas tambm com a perda de conhecimento tecnolgico do pas, prejuzos de diversas ordens e com outros problemas secundrios. Aqui sero mostrados diversos aspectos que envolvem a eletrnica embarca bem como as caractersticas dos veculos nacionais e uma anlise das informaes apresentadas com conseqentes sugestes de aes que visam alertar e alterar os rumos em que a indstria automotiva segue.

ABSTRACT This report has the duty to alert about embedded automotive electronics, that somehow related to some aspects, have been neglected and may result in losses, not only economical ones due to the lack of competitiveness but also loss of Brazilian technological know-how, other losses and secondary matters. It will be shown some aspects that belong to embedded electronics as well as some national features and analysis of the presented information and suggestions for actions that have as objective alert and change the way in which the Brazilian automotive industry follows today.

SUMRIO LISTA DE TABELAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUO.................................................................................................. 1.1. Organizao da dissertao...................................................................... 2. ESTADO DA ARTE.......................................................................................... 2.1. Aplicaes com eletrnica embarcada..................................................... 2.1.1. Introduo............................................................................................. 2.1.2. Trem de fora ( powertrain )................................................................ 2.1.2.1. Introduo.................................................................................... 2.1.3. Segurana ( safety ).............................................................................. 2.1.3.1. Introduo..................................................................................... 2.1.3.2. Sistemas passivos......................................................................... 2.1.3.2.1 Airbag..................................................................................... 2.1.3.2.2. Deteco de ocupante............................................................ 2.1.3.2.3. TPMS.................................................................................... 2.1.3.2.4. Verificao de proximidade.................................................. 2.1.3.3. Sistemas ativos.............................................................................. 2.1.3.3.1. ABS....................................................................................... 2.1.3.3.2. EBA....................................................................................... 2.1.3.3.3. EBD....................................................................................... 2.1.3.3.4. EHB....................................................................................... 2.1.3.3.5. EMB...................................................................................... 2.1.3.3.6. TCS e ASR............................................................................ 2.1.3.3.7. ESP....................................................................................... 2.1.4. Conforto e convenincia..................................................................... 2.1.4.1. Introduo.................................................................................... 2.1.4.2. Mdulos de iluminao................................................................ 1 1 3 3 3 3 3 5 5 6 6 6 7 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9

2.1.4.3. Mdulos de porta......................................................................... 2.1.4.4. Ar condicionado........................................................................... 2.1.4.5. Outras aplicaes.......................................................................... 2.1.5. Infotainment.......................................................................................... 2.1.5.1. Introduo.................................................................................... 2.1.5.2. Painel de Instrumentos................................................................. 2.1.5.3. Sistema de udio........................................................................... 2.1.5.4. Telemtica.................................................................................... 2.1.5.5. Sistema de navegao.................................................................. 2.1.6. Alimentao em 42V............................................................................ 2.1.6.1. Introduo..................................................................................... 2.1.6.2. Bateria, alternador e motor de partida........................................... 2.1.6.3. Sistema de iluminao.................................................................. 2.1.6.4. Outros sistemas............................................................................. 2.1.7. X-by-Wire.............................................................................................. 2.1.7.1. Introduo..................................................................................... 2.1.7.2. 1 gerao...................................................................................... 2.1.7.3. 2 gerao...................................................................................... 2.2. Componentes.............................................................................................. 2.2.1. Introduo............................................................................................ 2.2.2. Componentes eletrnicos.................................................................... 2.2.2.1. Introduo.................................................................................... 2.2.2.2. Semicondutores........................................................................... 2.2.2.2.1. Introduo.......................................................................... 2.2.2.2.2. Diodo.................................................................................... 2.2.2.2.2.1. Diodo retificador.......................................................... 2.2.2.2.2.2. Diodo Zener................................................................ 2.2.2.2.2.3. Varactor ou varicap....................................................... 2.2.2.2.2.4. Diodo Schottky............................................................ 2.2.2.2.2.5. Fotodiodo...................................................................... 2.2.2.2.2.6. LED..............................................................................

10 10 10 10 10 11 11 11 13 13 13 15 16 16 17 17 18 18 19 19 19 19 20 20 20 20 21 21 21 21 21

2.2.2.2.2.7. Diodo laser.................................................................... 2.2.2.2.2.8. Outros tipos de diodos................................................... 2.2.2.2.3. Transistor.............................................................................. 2.2.2.2.3.1. Introduo..................................................................... 2.2.2.2.3.2. Transistor bipolar......................................................... 2.2.2.2.3.3. Transistor FET.............................................................. 2.2.2.2.3.4. Tecnologia hbrida BCD.............................................. 2.2.2.2.3.5. IGBT.......................................................................... 2.2.2.2.3.6. Outros tipos de transistores........................................ 2.2.2.2.4. Circuitos integrados........................................................... 2.2.2.2.3.1. Introduo.................................................................... 2.2.2.2.3.2. Unidade central de processamento.............................. 2.2.2.2.3.3. Semicondutores pticos................................................ 2.2.2.2.3.4. Memrias...................................................................... 2.2.2.2.3.5. Semicondutores de potncia........................................ 2.2.2.3. Passivos....................................................................................... 2.2.2.3.1. Introduo........................................................................... 2.2.2.3.2. PTC..................................................................................... 2.2.2.3.3. NTC.................................................................................... 2.2.2.3.4. Varistor................................................................................ 2.2.2.3.5. Centelhador......................................................................... 2.2.2.4. Placa de Circuito Impresso......................................................... 2.2.2.5. Sensores....................................................................................... 2.2.2.5.1. Introduo............................................................................. 2.2.2.5.2. Sensor Hall........................................................................... 2.2.2.5.3. Magneto-resistivo................................................................ 2.2.2.5.4. Acelermetros....................................................................... 2.2.2.5.5. Sensores de presso.............................................................. 2.2.2.6. Outros componentes..................................................................... 2.2.2.6.1. Condutores, conectores, interruptores, fusveis, lmpadas e centelhadores.........................................................................

22 22 22 22 22 23 23 23 23 24 24 24 25 25 26 27 27 27 27 27 28 28 32 32 33 33 33 33 34 34

2..2.2.6.2. Cabo de fibra ptica............................................................. 2.2.2.7. Eletromecnicos............................................................................ 2.3. Confiabilidade e qualidade........................................................................ 2.3.1. Introduo............................................................................................. 2.3.2. Confiabilidade...................................................................................... 2.3.3. Qualidade.............................................................................................. 2.4. Protocolos de comunicao....................................................................... 2.4.1. Introduo............................................................................................. 2.4.2. CAN...................................................................................................... 2.4.2.1. Introduo..................................................................................... 2.4.2.2. Endereamento............................................................................. 2.4.2.3. Estado lgicos do barramento....................................................... 2.4.2.4. Prioridades.................................................................................... 2.4.2.5. Acesso ao barramento................................................................... 2.4.2.6. Formato da mensagem.................................................................. 2.4.3. Outros protocolos................................................................................. 2.4.3.1. LIN................................................................................................ 2.4.3.2. TTP............................................................................................... 2.4.3.3. Flexray.......................................................................................... 2.4.3.4. MOST........................................................................................... 2.4.3.4.1. Introduo............................................................................. 2.4.3.4.2. Rede MOST.......................................................................... 2.4.3.5. TTCAN......................................................................................... 2.4.3.6. Firewire ( IEEE 1394b ) ............................................................... 2.4.3.7. Bluetooth....................................................................................... 2.4.3.7.1. Introduo............................................................................. 2.4.3.7.2. Protocolo de Acesso Mltiplo............................................... 2.4.3.8. Byteflight...................................................................................... 2.5. Arquitetura da eletrnica embarcada automotiva ................................. 2.5.1. Introduo............................................................................................. 2.5.2. OSEK/VDX..........................................................................................

34 35 36 36 36 39 40 40 41 41 42 42 42 43 43 44 44 44 45 48 48 49 51 52 52 52 53 53 54 54 54

2.5.3. CARTRONIC....................................................................................... 2.5.4. Autosar.................................................................................................. 2.6. Compatibilidade eletromagntica ............................................................ 2.6.1. Introduo............................................................................................. 2.7. Indstria automobilstica no Brasil.......................................................... 2.7.1. Organizao da indstria automotiva................................................... 2.7.2. Breve resumo da indstria automobilstica no Brasil........................... 2.8. Informaes sobre o mercado automotivo mundial................................ 2.9. Estudo de caso............................................................................................. 2.9.1. Introduo............................................................................................. 2.9.2. Dados.................................................................................................... 3. ANLISE............................................................................................................ 3.1 Introduo.................................................................................................... 3.2 Materiais e mtodos..................................................................................... 3.3 Anlise.......................................................................................................... 4. CONSIDERAES FINAIS E PROPOSTAS................................................ 4.1. Introduo................................................................................................... 4.2. Informao e meios de comunicao........................................................ 4.3. Legislao.................................................................................................... 4.4. Organizaes e outras associaes............................................................ 4.5. Economia..................................................................................................... 4.6. Tecnologia................................................................................................... 4.7. Seguros e planos de sade......................................................................... 4.8. Educao..................................................................................................... 5. CONCLUSES GERAIS................................................................................. 6. LISTA DE REFERNCIAS.............................................................................

55 55 56 56 59 59 60 62 63 63 63 66 66 68 68 76 76 76 77 79 81 82 83 84 85 88

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Normas europias e Alems para emisses (Infineon, 2002)................ Tabela 2 - Tcnicas de anlise de riscos (Amberkar et al, 2000)............................. Tabela 3 - O segmento de dados consiste de sete campos de bits (Bosch, 2000).... Tabela 4 - Comparao entre os protocolos CAN e LIN (Rylander, Wallin, 2003) Tabela 5 - As principais caractersticas da rede MOST ( MOST Cooperation)...... Tabela 6 - Diversas formas de propagao de interferncia (EPCOS, 2000).......... Tabela 7 - Principais fontes de interferncia dependendo da largura de banda (EPCOS, 2000)...................................................................................... Tabela 8 - Exemplos de equipamentos afetados por EMI dependendo da largura de banda (EPCOS, 2000)...................................................................... Tabela 9 - Posio na Cadeia de Suprimento (Politcnica da USP, 2001).............. Tabela 10 - Ano de incio de produo de veculos leves no Brasil (ANFAVEA, 2003)............................................................................... Tabela 11 - Percentual de veculos com freios ABS (CESVI)................................. 61 64 58 60 58 5 38 43 44 51 57

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Tendncia das aplicaes eletrnicas em powertrain(FAST, 2004).......... Figura 2 - Tendncias de aplicaes em segurana (Leen, Heffernan, 2002)............ Figura 3 - Variao da condutncia resistncia especfica em funo da tenso nominal (Graf et al, 1997).......................................................................... 15 Figura 4 - Participao das perdas entre chaveamento e em estado ligado (FAST, 2004) ............................................................................................. Figura 5 - Fixao do chip com adesivo sobre um substrato (C-MAC Microtechnology) ....................................................................... Figura 6 - Interconexo do chip com o circuito com a fixao de fio de ouro (C-MAC Microtechnology) ...................................................................... Figura 7 - Encapsulamento do chip com o depsito de material (C-MAC Microtechnology) ....................................................................... Figura 8 - Vista em corte do final da montagem (C-MAC Microtechnology)........... Figura 9 - Chip (die) no centro e as conexes com fio de ouro (C-MAC Microtechnology)........................................................................ 31 Figura 10 - Uso de fibra ptica em veculos (Infineon, 2003) ................................... 35 Figura 11 - Comparativo entre protocolos por custo e velocidade (FAST,2004)....... 40 Figura 12 Exemplo de rede CAN (Guimares, 2003)............................................. Figura 13 - Configurao de barramento com dois canais (Flexray, 2005)............... Figura 14 - Configurao estrela simples de canal duplo (Flexray, 2005)................. 42 44 46 30 31 30 29 26 4 6

Figura 15 - Configurao estrela em cascata de canal simples (Flexray, 2005)......... 46 Figura 16 - Configurao estrela em cascata com canal duplo (Flexray, 2005)......... 47 Figura 17 - Exemplo de canal simples hbrido (Flexray, 2005)................................. 47 Figura 18 - Exemplo de topologia hbrida de canal duplo (Flexray, 2005)................ 48 Figura 19 - Topologia de uma rede MOST (Most Cooperation, 2005)...................... 49 Figura 20 - Diversas formas como podem ocorrer interferncias (EPCOS, 2000).... Figura 21 - Interferncia no modo diferencial e comum (EPCOS, 2000).................. 57 59

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ABS AEA AMPS ANFAVEA API As ASR Au Autosar Baritt BCD BNDES CaCl CAI CAN CAN_H CAN_L CC CD CD CDMA CESVI CI CMOS COB CPU CRC CSMA DDP DMOS Associao Brasileira de Normas Tcnicas Anti-Locking Break System Associao de Engenharia Automotiva Advanced Mobile Phone System Associao Nacional dos Fabricantes de Veculos Automotores Application Programming Interfaces Elemento qumico arsnio Acceleration Sleep Regulation ou Anti-Schlupf Regelung elemento qumico ouro AUTomotive Open System Architecture Barrier Injected Transit Time Bipolar, CMOS, DMOS Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico e Social Cloreto de Clcio Cavity As Interface Controlled Area Network CAN High CAN Low Corrente Contnua Collision Detection Compact Disc Code Division Multiple Access Centro de Experimentao e Segurana Viria Circuito Integrado Complementary MOS ( P e N) Chip On Board Central Processing Unit Cyclic Reduncy Check Carrier Sense Multiple Access Diferena de Potencial Double Diffused MOS

DRAM DSP DVD EBA EBD ECU EHB EMB EMBRAER EMC EME EMI EMS EPROM ESP ESD ETA EUA FET FH-CDMA FMEA FMECA FTA Ga GDF Ge GPS GPRS GSM HAZOP HEMT HID

Dynamic RAM Digital Signal Processor Digital Versatile Disc ou Digital Vdeo Disc Emergency Brake Assistance Electronic Brake Distribution Engine Control Unit ou Electronic Control Unit Electro Hydraulic Braking Electro Mechanical Braking Empresa Brasileira de Aeronutca ElectroMagnetic Compatibility ElectroMagnetic Emission ElectroMagnetic Interference ElectroMagnetic Susceptibility Erasable Programmable ROM Electronic Stability Program ElectroStatic Discharges Event Tree Analysis Estados Unidos da Amrica Field Effect Transistor Frequency Hopping Code Division Multiple Access Failure Modes and Effects Analysis Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis Fault Tree Analysis Elemento qumico glio Geografic Data Files Elemento qumico germnio Global Positioning System General Packet Radio Service Global System for Mobile Communication Hazard and Operability Study High Electron Mobility Transistor High Intensity gas Discharging lamps

HJBT IDB IEEE IGBT IPI IMPATT ISM JFET jitter LCD LED LEMP LIN MMI MOS MOST NaCl NDA NHTSA NTC OcD OEM OLED OSEK PC PCI POF PTC PTH PWM

HeteroJunction Bipolar Transistor Intelligent Data Bus Institute of Electrical and Electronic Engineers Insulated Gate Bipolar Transistor Imposto sobre Produtos Industrializados Impact Avalanche Transit Time Industrial Scientific Medical junction FET oscilaes do sinal Liquid Crystal Display Light Emitting Diode Lightning Electromagnetic impulse Local Interconnect Network Man Machine Interface Metal Oxide Semiconductor Media Oriented Systems Transport Cloreto de sdio, ou sal de cozinha Non-Destructive Arbitration National Highway Traffic Safety Administration Negative Temperature Coefficient Occupant Detection Original Equipment Manufacturer Organic LED Offene Systeme und deren Schnittstellen fr die Elektronik im Kraftfahrzeug Personal Computer Placa de Circuito Impresso Plastic Optical Fiber Positive Temperature Coefficient Plated Through Hole Pulse Width Modulation

INMARSAT International Maritime Satellite Organization

RDS RF RHET RISC ROM RPM SSCA SAE SAW SCR SET SFMEA SMD SMT SRAM Si SiC SO2 SPI TCS TDD TDMA TMC TPMS TRAPATT TTA TTCAN TTP UJT VDX

Radio Data System Radio Frequency Resonance Tunneling Hot Electron Transistor Reduced Instruction Set Computer Read Only Memory Rotaes Por Minuto Software Sneak Circuit Analysis Society of Automotive Engineers Surface Acoustic Wave Silicon Controlled Rectifier Single Electron Transfer Transistor Software Failure Modes and Effects Analysis Surface Mounting Device Surface Mounting Technology Static Random Access Memory Elemento qumico silcio Carbureto de Silcio Dixido de Enxofre Serial Peripheral Interface Traction Control System Time Division Duplex Time division Multiple Access Traffic Message Channel Tire Pressure Monitoring System Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit Time Triggered Architecture Time Triggered CAN Time Triggered Protocol Uni Junction Transistor Vehicle Distributed eXecutive

SINDIPEAS Sindicato Nacional da Indstria de Componentes para Veculos

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1. INTRODUO Para que se possa definir a eletrnica embarcada e que haja um entendimento completo de sua abrangncia, sero descritos nesse trabalho os principais componentes que usam essa tecnologia, bem como as aplicaes e os temas que envolvem esse universo. Em geral, o grande diferencial que a eletrnica oferece a facilidade de se implementar um sistema de controle complexo, ou seja, considerando um sistema com entradas, processamento e sada de dados, possvel ter acesso a uma grande variedade de informaes precisas em perodo de tempo muito curto e assim tomar diversas decises acionando atuadores que iro executar os comandos solicitados. Os benefcios que trazem essas aplicaes so diversos porm freqentemente encontram oposio, principalmente quando o custo prioritrio mas como a anlise desse custo adicional nem sempre bem avaliada, acaba criando algumas distores que sero questionadas nesse trabalho. 1.1. Organizao da dissertao A forma de elaborao desse trabalho teve a preocupao de mostrar os diversos temas que convivem com a eletrnica embarcada. No captulo 2. (Estado da arte), so apresentados as principais aplicaes que usam eletrnica embarcada e, em seguida, os componentes eletrnicos que podem ser entendidos como a menor unidade que constitui o sistema. Apesar do componente ser importante em vrios assuntos relacionados tecnologia, o tema muito vasto e profundo e caberia um trabalho inteiro somente dedicado a essa questo, ento para ser sucinto, os componentes sero apenas mencionados porque no teriam um grande impacto no tema abordado nessa dissertao. Quanto confiabilidade e qualidade, que so tpicos normalmente conhecidos na indstria automotiva, sero mencionados neste trabalho por terem alguns aspectos diferenciados no caso da eletrnica. Os protocolos de comunicao tm importncia vital dentro de um sistema eletrnico e merece um detalhamento maior, assim como a compatibilidade eletromagntica que diz respeito quase que exclusivamente ao sistema eletro-

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eletrnico. Na seqncia, alguns aspectos que envolvem eletrnica automotiva embarcada no Brasil so levantados. Um estudo de caso elaborado pela CESVI apresentado para exemplificar as questes tratadas anteriormente. No captulo 3. (Anlise), as questes abordadas so avaliadas e importantes observaes so feitas. O captulo 4. (Sntese), apresenta algumas sugestes que podem reverter a situao do problema apresentado. Finalmente, em concluses gerais, no captulo 5, alguns pontos so salientados e enfatizados.

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2. ESTADO DA ARTE 2.1. Aplicaes com eletrnica embarcada 2.1.1. Introduo Aqui esto descritas algumas aplicaes automotivas que usam normalmente a eletrnica. Existe uma grande variedade na forma de se classificar cada aplicao que varia muito de uma bibliografia para outra ou mesmo de um fabricante para outro, mas o objetivo aqui mostrar como as diversas aplicaes onde a eletrnica embarcada usada, e os benefcios que trazem. 2.1.2. Trem de fora ( Powertrain ) 2.1.2.1. Introduo Entende-se como trem de fora ou comumente chamado de Powertrain, o motor, cmbio e eventualmente o diferencial. Essa uma das poucas aplicaes eletrnicas que usada em todos os veculos de passeio no Brasil e, em breve, tambm ser necessrio nos motores a diesel devido s restries de emisses de poluentes. Esse tipo de aplicao compreende basicamente de medio, controle e atuao. Na medio obtm-se os parmetros fsicos do motor como temperatura, presso, velocidade, etc, atravs de diversos sensores que ento sero analisados e em seguida as decises so tomadas por microcontroladores ou DSPs da ECU (Engine Control Unit) e sinais apropriados sero enviados aos atuadores para serem ajustados de acordo com as decises do microcontrolador. Essas medies, tomadas de decises e acionamentos, costumam ser rpidos, precisos e confiveis permitindo assim, que se melhorem as caractersticas do motor, principalmente consumo de combustvel e emisso de poluentes (Infineon, 2004). Na figura 1 , podem-se ver as tecnologias para os motores que esto surgindo visando atender as normas: comeando pelas primeiras injees indiretas, passando

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pela injeo direta, pelo turbo eletrnico, pelo comando de vlvulas eletrnicas e seguindo para os veculos hbridos at chegar na tecnologia de clula de combustvel.

Figura 1 - Tendncia das aplicaes eletrnicas em powertrain (FAST, 2004) Para cada pas, inclusive o Brasil, existe um rgo que regulamenta e define as normas e leis que devero ser seguidas. Como exemplo de norma para emisses foi citada abaixo, na Tabela 1, a norma europia que normalmente das mais rigorosas e inovadoras, e que tem determinado muito os avanos feitos em relao aos motores para atenderem essas exigncias. No Brasil, existe uma tendncia a adaptar os benefcios j obtidos de outras normas mundiais, especialmente as europias e, portanto, observ-las pode ser uma forma de prever quais tecnologias sero adotadas mais tarde aqui,, ou pelo menos partes delas. Abaixo segue uma tabela mostrando os principais componentes resultantes da combusto e seus limites de acordo com cada norma europia e alem. interessante salientar que na Europa permitido o uso de diesel em veculos de passeio. A proposta dessa tabela no analisar os componentes resultantes da combusto ou seus nveis e sim perceber que em determinados intervalos de tempo os valores vo diminuindo, ou seja, as normas tendem a serem cada vez mais rigorosas forando os projetistas a desenvolverem novas tecnologias que as atendam. Outro ponto a ser observado que as mudanas so feitas

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gradativamente para que se possa aprimorar em cada fase, as tecnologias incorporadas. (FAST, 2004)

Tabela 1 - Normas europias e Alems para emisses (FAST, 2002) 2.1.3. Segurana (Safety) 2.1.3.1. Introduo Os sistemas veiculares destinados segurana visam o bem estar das pessoas em geral, tanto dentro como fora do veculo e ao contrrio do que algumas interpretaes de segurana pode ter, no significa alarme contra roubo ou qualquer outro tipo de dispositivo para uso em casos de delitos. Os itens de segurana so subdivididos em passivos e ativos e a diferenciao feita pela ao que se toma, no caso de sistemas passivos, as funes atuam quando um acidente inevitvel e o sistema atua tentando minimizar ao mximo os efeitos prejudiciais e, no caso dos sistemas ativos, a inteno evitar que um acidente ocorra. Na figura 2 a seguir pode-se ver o aumento crescente dos itens de segurana tanto passivos como ativos bem como as aplicaes e solues que envolvem segurana, incluindo alguns que no so relacionados com a eletrnica como novos materiais e estudos de deformao de elementos. (x-by-wire consortium, 1998)

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Figura 2 - Tendncias de aplicaes em segurana (Leen, Heffernan, 2002) 2.1.3.2. Sistemas passivos 2.1.3.2.1. Airbag Esse sistema consiste de saco que, aps o impacto inflado imediatamente, auxiliando na proteo dos ocupantes juntamente com os cintos de segurana. Um saco infla aps um impacto em 30 ms protegendo os passageiros (Bosch, 2000). 2.1.3.2.2. Deteco de ocupante OcD (Occupant Detection) um detector que avalia se em um determinado assento existe alguma pessoa adulta ou criana, acionando adequadamente o airbag para cada situao. (Bosch, 2000)

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2.1.3.2.3. TPMS TPMS, Tire Pressure Monitoring System, ou sistema de monitorao de presso do pneu tem como objetivo assegurar que o pneu tenha a presso dentro dos limites aceitveis. Existe a opo de se adotar um sensor dentro do pneu e este se comunicar por rdio freqncia com um mdulo central ou, usar os dados coletados de velocidade em cada roda j disponvel para o ABS, comparando-os e determinando por diferena de velocidade qual pneu est com problema (Infineon, 2004). 2.1.3.2.4. Verificao de proximidade Proximity Checking na forma original um sistema que funciona como um radar que identifica a existncia de obstculos e a distncia at os mesmos (Infineon, 2004). 2.1.3.3. Sistemas ativos 2.1.3.3.1. ABS (Antilock Braking System) Sistema que evita o travamento das rodas em freadas. Basicamente sensores medem a velocidade de cada roda e caso alguma delas pare de girar, mesmo com o veculo em movimento, a presso do fludo modulada de tal forma que o freio funcione no limiar do travamento e como benefcio, alm de parar em distncias reduzidas, o motorista consegue ter dirigibilidade, ou seja , desviar o veculo de uma possvel coliso (Bosch, 2000). 2.1.3.3.2. EBA Emergency Brake Assistance um sistema muito similar ao ABS com a adio de um sistema que percebe a velocidade com que o pedal do freio pressionado e antecipa a frenagem aplicando presso extra no fludo (Jaguar).

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2.1.3.3.3. EBD Electronic Brake Distribution ou distribuio de freio pela eletrnica, esse sistema tambm foi derivado do ABS e seu diferencial que permite que ocorra uma distribuio da fora de frenagem entre as rodas da melhor forma para manter a estabilidade e controle do veculo (Audi). 2.1.3.3.4. EHB Electro Hydraulic Brakes ou freio eletro-hidrulico, nesse estgio da evoluo da aplicao de eletrnica em freios, no existe contato mecnico entre o pedal e os freios e o freio em cada roda pode ser acionado independentemente, mesmo sem o motorista pisar no pedal, oferecendo extenso das funcionalidades do ABS, TCS e ESP. Existe um sensor no pedal e um simulador que d ao motorista a sensao que tem freios convencionais como forma de realimentao (Bosch, 2000). 2.1.3.3.5. EMB Electro Mechanical Braking ou freio eletro-mecnico uma evoluo do EHB e nesse sistema a caracterstica principal que no utiliza fludo. Por no ter sistemas mecnicos ou hidrulicos como redundncia, confiabilidade um ponto crtico nesse sistema, como ser visto mais adiante nesse trabalho, e por isso necessitam de protocolos tolerantes a falha, fonte de alimentao independente, e redundncia de partes do sistema (Freescale, 2005). 2.1.3.3.6. TCS e ASR Traction Control System e Acceleration Sleep Regulation so sistemas que funcionam em conjunto. Enquanto o ASR de forma anloga ao ABS, evita excesso de trao das rodas nas aceleraes de forma a perder aderncia. O TCS une o ABS e ASR para que se evite a perda de aderncia dos pneus (Bosch, 2000).

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2.1.3.3.7. ESP ESP ,ou Electronic Stability Program, assim como o ABS, TCS e ASR evita a perda de aderncia, com a diferena que o ESP evita sadas laterais em curvas, ou seja, por meio de sensores ele avalia para onde o veculo vai, qual o ngulo da direo, aceleraes do veculo e atua individualmente nas rodas de modo a corrigir a trajetria (Bosch, 2000). 2.1.4. Conforto e convenincia 2.1.4.1. Introduo As aplicaes classificadas como conforto e convenincia ou mesmo como body electronics tem como ponto em comum a automatizao de algumas funes e / ou possibilitando o ajuste de outras. .Fator importante para essas aplicaes ter um baixo consumo quando no usados por estarem ligados diretamente bateria, e no ao alternador, j que podem ser usados mesmo com o motor do veculo desligado (Infineon, 2004). 2.1.4.2. Mdulos de iluminao O controle de iluminao feito por diversas formas dependendo do fabricante do veculo mas entre suas caractersticas que valem ser destacadas o aumento constante de fontes luminosas, expanso do uso de LEDs no lugar de lmpadas incandescentes, que alis um dos pontos que mais dificultam a migrao completa para sistema de alimentao em 42V, e tambm o uso de HID nos faris. A eletrnica contribui muito com chaves de potncia inteligentes e uso de PWM para ajustar a intensidade da luz de forma eficiente (Infineon, 2004).

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2.1.4.3. Mdulos de porta As portas dispem cada vez mais de aplicaes como levantador de vidro, ajuste dos espelhos retrovisores por motores eltricos, aquecedores e motor para fechar os espelhos enquanto o veculo estiver estacionado, trava de porta eltrica, luz indicadora de converso, luz de conforto e outras que provavelmente aparecero. Com todas essas funes e como a porta mvel, limitando desta forma a passagem de fios entre o veculo e a mesma, existem mdulos eletrnicos nelas que se comunicam com outras partes do veculo atravs de rede de comunicao, como CAN e LIN (Infineon, 2004; Bosch, 2000). 2.1.4.4. Ar condicionado A necessidade de economia de combustvel faz com que o sistema de ar condicionado seja otimizado atravs da diminuio de seu peso e tornando-o mais eficiente. Para atingir essas metas o controle eletrnico de suas funes a soluo que possibilita essas necessidades serem atingidas (Infineon, 2004). 2.1.4.5. Outras aplicaes Como essas aplicaes procuram proporcionar conforto para o motorista, elas se tornaram uma das mais diversificadas, principalmente em veculos de luxo, onde estas caractersticas particulares tm forte influncia na compra do veculo. 2.1.5 Infotainment 2.1.5.1 Introduo A palavra Infotainment vem da unio de Information com Entertainment, ou informao e entretenimento. um conceito novo pois mescla diversas funes do veculo.

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2.1.5.2. Painel de instrumentos um dos instrumentos eletrnicos mais antigos do veculo e, mesmo nos mais populares, esto presentes. Atualmente uma pea de grande importncia pois algumas vezes funciona como gateway, ou seja, o ponto central por onde passam todas as redes de comunicao e onde ocorrem trocas de informaes entre redes diferentes (Infineon, 2004). 2.1.5.3. Sistema de udio O sistema de udio de um veculo, apesar de ter muitos conceitos do utilizado domesticamente, tem algumas caractersticas diferenciadas. Do ponto de vista tcnico, o projeto precisa ser muito mais robusto, prevendo temperaturas muito mais elevadas, compactao, tolerncia a choques mecnicos constantes e intensos, capacidade do sintonizador manter a freqncia de forma mais eficiente (j que o veculo est em constante deslocamento), o tocador de CD com dispositivos que mantenham o som constante, sem interrupes devido aos mesmos choques mecnicos e do ponto de vista de funes, o sistema de udio pode ser conectado ao sistema de telefonia celular ou mesmo comando de voz, ou seja, ajustando o nvel de intensidade de som para se adaptar a uma conversao, ou ainda em regies como a Europa onde disponibiliza um servio de RDS, Radio Data System, ou TMC, Traffic Message Channel, que so informaes adicionais para o auxlio ao motorista (Infineon, 2004; PME5617, 2005). 2.1.5.4. Telemtica A telemtica um sistema novo cuja caracterstica principal manter um canal de comunicao entre uma base e o veculo. As informaes trocadas podem ser simples dados do motor para diagnose, ou seja, caso o veculo tenha alguma pea com ou prestes a ter um problema, a informao ser transmitida automaticamente para uma central onde providncias podero ser tomadas a tempo, como por exemplo: no caso de alguma pea do veculo apresentar deficincia, sem contudo ser perceptvel pelo

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condutor, a central envia uma mensagem atravs de um display informando qual o problema, a urgncia da necessidade do reparo da pea, o local mais prximo de sua posio atual e, eventualmente at um oramento. Esse sistema basicamente est conectado com a rede de comunicao do veculo onde pode ler qualquer mensagem sobre a situao do mesmo. Essa mensagem enviada pelo sistema de telefonia celular como GSM / GPRS ou CDMA (EUA) ou ento para veculos que costumam transitar por regies muito afastadas, onde o sinal de telefonia celular no est disponvel, pode-se usar uma comunicao pelo sistema de satlites INMARSAT, no entanto o custo deste ltimo muitas vezes mais alto que o anterior. Para a localizao do veculo, usa-se o GPS (e futuramente os sistemas Glonass da Rssia, Egnos e Galileo da Europa e Beidou da China), Global Positioning System, e cabe aqui uma explicao sobre este sistema j que o seu funcionamento ainda pouco compreendido e muitas vezes gerando confuses. Existem em rbita diversos satlites que apenas enviam sinais para a Terra, mas no recebem sinais dos usurios. Quando os sinais de vrios satlites (preferencialmente de 3 ou mais para maior preciso) chegam ao receptor GPS, dentro de um veculo, por exemplo, um microprocessador recebe esses sinais e por clculos matemticos, obtm a posio correta do receptor. Dependendo da situao, existe um fator de erro de 10 a 20 m ou mais, entretanto com um receptor diferencial, pode-se chegar a erros na casa dos dcimos do metro, e que tem grande aplicao, entre outras, na agricultura, no entanto um sistema extremamente caro. Portanto a informao sobre a posio do receptor fica dentro do equipamento GPS e para que uma central de dados ou outros sistemas possam receber essa informao, necessrio um sistema de rdio para transmitir os dados, o que feito, como j citado pela telefonia celular ou INMARSAT ou outro sistema de rdio. Em frotas de veculos, alm dos servios convencionais, uma grande variedade de solues pode ser criada dependendo das necessidades de cada usurio como logstica, desempenho do motorista, rotinas de manuteno e vrios dados estatsticos sobre a frota (Infineon, 2004; Bosch, 2000, PME 5617, 2005).

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2.1.5.5. Sistema de navegao O seu princpio muito similar ao sistema de telemtica. As mesmas informaes obtidas atravs do receptor de GPS, podem ser associadas a mapas, normalmente arquivos do tipo GDF, Geografic Data Files, que contm diversas informaes para navegao em camadas, ou seja, em uma camada encontra-se as vias, em outra os nomes das vias, outras dados como semforos, sentido do fluxo, situaes especiais como horrios, altura mxima (para caminhes e nibus) e diversos outros dados para que um software possa indicar o melhor caminho a ser seguindo, inclusive com antecedncia para virar para esquerda ou direita (PME 5617, 2005). 2.1.6. Alimentao em 42 V 2.1.6.1. Introduo O aumento contnuo de aplicaes dentro de um automvel tem ocorrido desde que surgiu e como cada aplicao necessita de energia para seu funcionamento, o aumento de demanda por mais energia cresceu. Como normalmente a tenso da bateria fixa, ento a corrente aumenta, o que leva a um aumento na bitola dos fios condutores para alimentarem as diversas aplicaes espalhadas pelo veculo. Esse problema no novo pois em 1955, houve uma mudana de 6 para 12 V (Strategy Analytics, 1999), que naquela poca tinha aproximadamente 45 m de cabos contra os 1 a 2 km atuais. A troca tambm foi mais fcil pois a quantidade de aplicaes que utilizavam eletricidade era pouca. O consumo de energia eltrica varia de acordo com o veculo e normalmente tende a aumentar quanto mais opcionais tem, principalmente nos veculos de luxo, por exemplo: poucos anos atrs a carga de consumo era de 800 W a 1,5 kW, poder chegar em breve a 3 kW ou at 7 kW. Com a grande disseminao de aplicaes eltricas nos veculos, cria-se necessidade de aumentar novamente a tenso da bateria, atualmente muito mais difcil realizar uma nova transio, assim espera-se que leve mais tempo at que ela ocorra e que sistemas alternativos apaream nesse meio tempo.

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O uso de protocolos de comunicao tem ajudado na diminuio da quantidade de cabos mas, com as novas aplicaes sendo continuadamente introduzida a necessidade por mais potncia mandatria. A soluo do problema volta a ser o aumento da tenso de alimentao, mas para qual valor ? Quanto maior, menor a corrente e menores sero os cabos. Entretanto os riscos de provocar acidentes com pessoas maior j que em torno de 56 V (Strategy Analytics, 1999) o corpo humano perde a isolao eltrica. Com 42 V, haveria uma folga para dar maior segurana e a diferena de 14 para 42 V j d uma variao bem acentuada na queda de corrente. Para vrias aplicaes a mudana para 42 V ocorrer sem maiores dificuldades, inclusive permitindo desde j a melhoria de alguns fatores como permitir a reduo do tamanho de alguns componentes entretanto, os processos de qualificao e homologao so os que mais consomem tempo (e dinheiro). Para outras aplicaes normalmente mecnicas e / ou hidrulicas o uso de sistemas eltricos facilita o controle da eficincia e diminui o peso do sistema e assim melhora a economia de combustvel. Outra dificuldade para essa migrao a necessidade de converter a tenso de 42 V para valores menores, o que acarreta em aumento de custo, principalmente quando a potncia alta, pois para se fazer isso, necessrio usar conversores CC / CC, que uma fonte chaveada em alta freqncia que converte um valor de tenso contnua para outro, mas com rendimento elevado, tambm conhecido como conversor Buck. mas em contra partida, com o uso de tenso maior, possvel usar transistores menores, ou melhor, para o fabricante de semicondutores, os principais custos so o chip, conhecido como die, e o encapsulamento. Com a diminuio da corrente, ser possvel usar chips com reas menores, e o custo do chip diretamente proporcional rea. Com a diminuio das perdas por efeito Joule, poder ser usado um encapsulamento menor, economizando em rea de PCI e no encapsulamento (por ser menor mais barato). Na figura 3 mostrada a condutncia do transistor necessria para chavear uma dada carga com perda constante quando variada a tenso de alimentao ( VN ). A curva 1 / VN mostra a queda acentuada da condutncia acima de 14 V (100%). Por outro lado, a resistncia especfica quando o transistor est ligado aumenta exponencialmente com a mxima tenso ocorrendo na chave em Vmax = VN + Vadd ,

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onde Vadd a diferena entre a mxima tenso de operao esttica e a tenso nominal VN, e ser adotado como sendo 30 V, baseado nos semicondutores atuais onde Vmax = VN + Vadd => 14 V + 30 V (100%). (Graf et al, 1997).

Figura 3 - Variao da condutncia resistncia especfica em funo da tenso nominal (Graf et al, 1997) 2.1.6.2. Bateria, alternador e motor de partida O sistema funciona com uma forte relao entre a bateria e o alternador, que a carrega. Quando o veculo est funcionando com carga normal, o alternador alimenta o sistema eltrico, incluindo a bateria mas, quando o consumo de energia aumenta acima da capacidade, por exemplo, quando o veculo est em marcha lenta (a capacidade de fornecer corrente do alternador varia de acordo com a velocidade do mesmo), a bateria auxilia a suprir energia, e assim ela descarrega. Quando o motor est desligado, somente a bateria fornece energia, inclusive para o motor de partida (Bosch, 2000). Por esses motivos existem os valores de bateria de 12 V, e quando o veculo funciona, sobe para 14 V (justamente para carregar a bateria). De forma anloga, no sistema de 42 V, a bateria ser de 36 V, ou seja, 14 V ou 42 V so as tenses nominais enquanto que 12 V ou 36 V so as tenses da bateria.

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Alm da simples mudana de valor de tenso, haver outro fator que trar resultados melhores. O Alternador um gerador trifsico e como o sistema do veculo funciona em corrente contnua, na sada do alternado ele tem uma ponte retificadora com diodos que em mdia tem uma queda de tenso de uns 2 V e quando a corrente passa pelos diodos, eles perdem energia por calor. Por exemplo, em um sistema 14 V que fornea 110 A, 220 W so perdidos, mas quando se usa 42 V, a queda de tenso continua sendo 2 V, mas com uma corrente trs vezes menor, ou seja, 36,7 A e como resultado somente 73 W sero desperdiados no lugar de 220 W (Graf et al, 1997),(Infineon, 2004). 2.1.6.3. Sistema de iluminao Entre os componentes que emitem luz, a lmpada incandescente que traz um problema para a implementao dos 42 V, pois para uma tenso menor e corrente menor, o filamento deve ser mais fino para ter uma resistncia maior, o que o torna mais frgil contra pancadas e vibraes. Usar LEDs ou HID (High Intensity gas Discharging lamps) seria a sada mas o custo ainda elevado para algumas aplicaes, apesar de ter uma vida mais longa e que a princpio pagaria pelo custo inicial mais elevado (Graf et al, 1997). 2.1.6.4. Outros sistemas Os sistemas baseados em x-by-wire sero um dos mais beneficiados por essa mudana, cada um ter uma razo especfica, mas em todos eles apresentar vantagens importantes desde a diminuio de perdas, aumento do rendimento, flexibilizao na escolha de locais melhores, ou seja, otimizao do espao dentro do veculo, e que, sem dvida, outras aplicaes aparecero no futuro devido s caractersticas que o sistema de 42 V proporciona (Infineon, 2004),(Graf et al, 1997).

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2.1.7 X-by-Wire 2.1.7.1.Introduo Os sistemas x-by-wire normalmente so associados a aplicaes futuristas presentes apenas em projetos e estudos ou usados em veculos de luxo. Embora exista alguma verdade nessa primeira impresso, os fatos mostram que existem outros sistemas bem antigos que podem ser considerados como by-wire , como por exemplo buzina, limpador de pra-brisa, e outros que foram incorporados aos veculos, portanto para definir uma aplicao nesse sistema, entre o comando (boto) de uma funo e o objeto acionado (buzina) deve ser feito eletricamente, ou seja, atravs de fios e cabos eltricos. Com isso fica claro que existem diversos outros itens em um veculo que podem ser denominados como sendo by-wire. Entretanto o que chama a ateno sobre esses sistemas so as aplicaes que visam substituir as atuais solues mecnicas, hidrulicas ou pneumticas (no caso de caminhes, nibus e outros veculos especiais mas que fogem ao escopo desse trabalho) que envolvem a segurana de forma geral como os sistemas de freio, direo, suspenso entre outros. Como esses sistemas so crticos principalmente em casos de falhas, existem diversos estudos que visam garantir a integridade dos mesmos, tema abordado em confiabilidade e qualidade. Como parmetro comparativo, a indstria aeronutica, entre outras, j usa essa tecnologia e vai alm, a comunicao feito por fibra ptica, o que melhora ainda mais o EMC (ver em 2.2.2.6.2. Cabo de fibra ptica). Esses sistemas so classificados de diversas formas dependendo da bibliografia, mas as categorias a seguir foram baseadas no paper da SAE de Keeling e Leteinturier, onde dividem as aplicaes em 1 gerao e 2 gerao. So assim divididos pois j existem diversas aplicaes usando essa tecnologia e outras que apresentam mudanas relativamente pequenas com os sistemas atuais e portanto chamados de 1 gerao. Os sistemas que mais chamam ateno e geram receios so aqueles que envolvem basicamente a segurana e por isso a evoluo tecnolgica apresenta um salto maior e assim so classificados como de 2 gerao.

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2.1.7.2. 1 a gerao Dentro de Powertrain as aplicaes como gas-by-wire so solues pequenas como electronic throttle valve ou vlvula do acelerador eletrnico, injeo eletrnica, realimentao da exausto, e electrical turbo-charger, ou carregador do turbo eltrico. As vantagens so claras devido s possibilidades de ajustes mais precisos e variveis de acordo com as condies de uso, como variao da composio do combustvel, variao de altitude, e tambm permitem a reduo de emisso de poluentes. As aplicaes power-by-wire que so devidos ao motor de partida/alternador que possibilitam o uso de stop-go, ou para e anda, freio regenerativo, e torque booster, e finalmente shift-by-wire que incluem diversas formas de caixas de cmbio automatizadas que em geral permitem que as relaes das marchas sejam otimizadas melhorando o consumo de combustvel, e como benefcio adicional ao motorista, proporcional um conforto maior. Tambm tem os sistemas brake-by-wire, que j foi abordado em 2.1.3. Segurana (safety), mas cabe ressaltar que so sistemas x-by-wire. Suspension-by-wire em conjunto com outros sistemas de segurana ajustam a suspenso de acordo com a situao, principalmente quanto segurana. 2.1.7.3. 2 Gerao A diviso dos diversos sistemas de um automvel tem sua origem nos conceitos mecnicos em que diferenciam o motor como um sistema, transmisso, suspenso, freios, etc. Entretanto com as mudanas que esto ocorrendo essas divises podem no atender mais as necessidades, principalmente quando motor, suspenso, freios, transmisso esto todos interligados e interagindo um com outro. Kelling e Leteinturier propem novos agrupamentos para atenderem os novos conceitos. Por exemplo, poderia tomar uma roda como um mdulo, onde suspenso, trao, direo e freios estariam inclusos. Agrupamento por necessidades de segurana, que so as aplicaes onde as falhas so crticas para a integridade das pessoas, outro agrupamento por localizao, ou seja, em cada parte do veculo existiria uma central que atuaria nos sistemas

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prximos e se comunicaria por rede com as outras centrais, diminuindo assim a quantidade de cabos espalhados pelo veculo. 2.2. Componentes 2.2.1 Introduo Os sistemas eletrnicos so compostos por diversas partes como , interruptores, conectores fios e cabos, invlucro onde est o circuito, PCI (Placa de Circuito Impresso) e os componentes eletrnicos. Os componentes eletrnicos so subdivididos normalmente em semicondutores, passivos e eletromecnicos. Os semicondutores so os itens que derivam da tecnologia de se usar basicamente silcio, Si, (embora Ge, SiC, GaAs e outras materiais tambm sejam usados) e dentro desse segmento tem-se diodos (retificadores, Schottky, zener, led, varicap, etc), transistores (bipolar, MOSFET, IGBT, etc), circuitos integrados, CI, e nesse ponto inclui-se uma ampla variedade de funes que ser vista com um pouco mais de detalhes. Entre os componentes passivos tm-se como exemplos os resistores, capacitores, indutores, PTCs, NTCs, Varistores, filtros SAW (Surface Acoustic Wave), osciladores a cristal, ceradiode, entre outros. Os eletromecnicos so basicamente os rels, motores eltricos, solenides, atuadores, etc. Placa de circuito impresso so placas isolantes com camadas finas de condutores que interligam os componentes eletrnicos. O invlucro uma designao bem generalizada do compartimento onde fica a PCI, normalmente para proteg-la do ambiente agressivo fora dele. Os conectores tm como finalidade bsica, facilitar a interligao dos diversos componentes de um sistema. Interruptores so chaves eltricas acionadas mecanicamente. As fontes de informaes para os componentes abaixo so basicamente Siemens HL, 1986 e Infineon, 2004.

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2.2.2. Semicondutores 2.2.2.2.1. Introduo Esses componentes foram os principais responsveis pelo grande avano, no apenas na indstria automobilstica, mas em diversas outras reas. Alguns dos pontos que favoreceram seu desenvolvimento rpido foram o tamanho reduzido (chamado muitas vezes de microeletrnica e atualmente fundindo-se com a nanotecnologia) e conseqentemente aumento da densidade de elementos em um nico chip, reduo contnua de custo e peso, melhorias em suas caractersticas eltricas (freqncia de operao, temperatura limite, diminuio de perdas por efeito Joule, etc). 2.2.2.2.2. Diodo Esse o semicondutor mais simples de todos por ser formado apenas por duas de suas estruturas bsicas, o material P e material N, formando a juno PN. As caractersticas que determinam seu uso como tenso de operao, corrente, freqncia, temperatura, curva caracterstica, capacitncia, etc, so controladas de diversas formas durante a fabricao, desde a dopagem do material P e N, tamanho at encapsulamento determinam como esses componentes sero usados. As principais variedades de componentes encontrados so: 2.2.2.2.2.1. Diodo retificador o tipo mais comum, sua funo bsica transformar corrente alternada em contnua, ou como protetor de algum circuito. Sua caracterstica principal deixar que a corrente flua somente em um sentido (do nodo para o ctodo) e bloqueie no sentido inverso.

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2.2.2.2.2.2. Diodor zener utilizado normalmente com polarizao reversa utilizando sua caracterstica de baixa variao de corrente com grande variao de tenso, sendo usado como um regulador de tenso ou proteo de sobre tenso. 2.2.2.2.2.3. Varactor ou varicap um diodo que foi aumentado sua capacidade na juno PN, ou seja, a capacitncia varia de acordo com a tenso, e assim usado em circuitos sintonizados. 2.2.2.2.2.4. Diodo Schottky Suas caractersticas construtivas levam esse diodo a uma velocidade de chaveamento maior do que os outros tipos, sendo assim utilizado em circuito de alta freqncia e at como retificadores de fontes chaveadas. 2.2.2.2.2.5. Fotodiodo um diodo que sensvel a luz, ou seja, conforme a intensidade de luz que incide sobre ele, a corrente reversa aumenta quando polarizado negativamente, tendo como principal funo medir a intensidade de luz ambiente ou como chave por barreira luz. 2.2.2.2.2.6. LED O LED, Light Emitting Diode, ou diodo emissor de luz como o prprio nome diz utilizado para iluminao. Quando seu uso comeou, a intensidade era baixa e usada normalmente como luz indicadora entretanto, com a evoluo da tecnologia desse componente, essa forma de emisso de luz tem substitudo paulatinamente a lmpada incandescente e fluorescente em diversas aplicaes. Suas grandes vantagens se mostram na eficincia (maior emisso de luz por energia consumida), durabilidade, versatilidade, entre outras.

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2.2.2.2.2.7. Diodo laser Esse tipo de diodo que emite laser de uma forma simples e barata, comparando com outras fontes de laser, por enquanto no tem nenhuma aplicao que utilize o utilize, mas suas propriedades podem vir a ser de utilidade no futuro. 2.2.2.2.2.8. Outros tipos de diodos Entretanto alm das verses mais comuns mencionadas acima, existem outras variaes com aplicaes especficas como diodo Gunn (oscilador de RF), Baritt (Barrier Injected Transit Time), IMPATT (Impact Avalanche Transit Time), TRAPATT (Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit), Burrus (diodo emissor de infravermelho) mas que no tem, ou tem pouca, importncia em aplicaes automotivas 2.2.2.2.3. Transistor 2.2.2.2.3.1. Introduo Atualmente a estrutura eletrnica mais importante, pois mesmo o mais avanado processador existente, formado internamente com mltiplos do transistor. Entre os vrios modos de se us-los pode-se destacar como amplificador de sinal ou chave. 2.2.2.2.3.2. Transistor bipolar o transistor formado pelos materiais NPN ou PNP, conectados externamente pelo C (Coletor), B (Base) e E (Emissor) e so usados principalmente como amplificadores de sinais ou chaves eletrnicas. Sua caracterstica principal que seu ganho proporcional sua corrente. Mesmo entre os transistores bipolares existe uma infinidade de variedades e caracterstica prprias para algumas aplicaes como baixo sinal, de potncia, de chaveamento, baixa e alta freqncia, microondas, fototransistores, etc.

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2.2.2.2.3.3. Transistor FET Os transistores FET, Field Effect Transistor, ou transistor por efeito de campo, difere do transistor bipolar por ter seu ganho de tenso, fato que se assemelha s antigas vlvulas terminicas. Outra caracterstica importante o baixo consumo. Existem duas subdivises importantes desses componentes que so os JFET, junction FET e MOS, Metal Oxide Semiconductor, o ltimo podendo ser PMOS, NMOS ou CMOS Complementary MOS, ou seja, usa um transistor PMOS e outro NMOS. 2.2.2.2.3.4. Tecnologia hbrida BCD Os transistores BCD, usam em conjunto a tecnologia Bipolar, CMOS e DMOS, Double Diffused MOS, e esses componentes procuram usar as melhores caractersticas de cada tecnologia para se obter uma performance melhor. 2.2.2.2.3.5. IGBT Esse transistor conhecido como IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor, tem como caracterstica bsica a entrada para acionamento uma porta de um FET e a sada bipolar, ou seja, ele composto de gate (FET) e coletor e emissor (bipolar) e amplamente usado na indstria como inversor de freqncia e para o uso automotivo est sendo usado para chavear o transformador que aciona a vela de ignio. 2.2.2.2.3.6. Outros tipos de transistores Alm dos principais transistores mencionados anteriormente, existe uma grande variedade de tipos que, citando alguns exemplos temos UJT (Uni Junction Transistor), HEMT (High Electron Mobility Transistor), HJBT (HeteroJunction Bipolar Transistor), RHET (Resonance Tunneling Hot Electron Transistor), SET (Single Electron Transfer Transistor), Tiristor ou SCR ( Silicon Controlled Rectifier), e por no ser o objetivo desse trabalho, no ser dada demasiada ateno a eles. Entretanto de grande importncia o acompanhamento da evoluo desses

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componentes pois ano a ano suas caractersticas tcnicas e reduo de custo vem melhorando, viabilizando novas aplicaes. Como exemplo, pode-se mencionar um transistor canal N, como o SPB 160N04S2 da Infineon que tem RDSon = 2,9 m @ 25C, ou seja uma corrente de at 160 A ( 40 V ) em um encapsulamento TO-263, que so caractersticas inimaginveis alguns anos atrs e que por necessidades de aplicaes como o EPS, foram concretizadas (Infineon, 2003). 2.2.2.2.4. Circuito Integrado 2.2.2.2.4.1. Introduo O CI ou Circuito Integrado, depois do transistor, foi uma das chaves da grande evoluo da eletrnica. Como o nome diz, ele rene diversos componentes individuais como diodos, transistores, resistores, capacitores, entre outros, em um nico encapsulamento. Isto permitiu disponibilizar circuitos comuns a vrias aplicaes em um componente e em um espao muito reduzido com caractersticas eltricas superiores. Como cada CI uma combinao de diversos componentes, a variedade de tipos muito grande e cresce dia a dia. Atualmente, pelo grau de especializao que esses componentes atingiram, muitos deles tm caractersticas que atendem uma determinada aplicao, fora da automotiva, e que no entra no escopo desse trabalho. Devido sua grande importncia, ser dada uma nfase maior queles de uso constante nos veculos, principalmente quando so dedicados a essa aplicao. 2.2.2.2.4.2. Unidade Central de Processamento A Unidade Central de Processamento, a UCP, ou como mais conhecido no mercado, a CPU, Central Processing Unit, o componente dentro de uma aplicao responsvel pelo controle e tomada de decises, normalmente recebe as informaes de sensores, se comunica atravs de perifricos de comunicao seriais, por exemplo CAN, com outras unidades controladoras, recebe e transmite diversas informaes, viabiliza a interface homem-mquina, ou MMI, Man Machine Interface, lendo os

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comandos acionados por uma pessoa de diversas formas, como interruptores, botes, voz, entre outros. Tcnicas recentes que ainda esto em desenvolvimento, se comunicam com o motorista atravs de imagens, como painel de instrumentos, sons, e outras formas que usem os sentidos humanos para se transmitir uma informao. Atualmente existe uma variedade imensa de microcontroladores, desde os mais simples com seis terminais, passando pelos microcontroladores de 8, 16 e 32 bits. Tambm so usados DSPs, Digital Signal Processor, que tem como funo bsica transformar sinais analgicos em digitais, process-los e restaur-los de outra forma, ou ento tomar decises. Atualmente existem componentes de 32 bits com DSP, com a versatilidade de um microcontrolador em tempo real e um processador RISC, Reduced Instruction Set Computer, ou seja, existe uma capacidade crescente de computao em espaos reduzidos possibilitando o lanamento de novas tecnologias, principalmente aquelas conhecidas como x-by-wire. 2.2.2.2.4.3. Semicondutores pticos Os LEDs, j citados anteriormente, fotos-diodos, fotos-transistores, optoacopladores, rels de estado slido, diodo lasers, emissores e receptores de infravermelho, OLED, Organic LED, tecnologia recente e em desenvolvimento que muito provavelmente substituir os LCDs, Liquid Crystal Display, atuais com diversas vantagens, constituem os principais componentes pticos semicondutores sendo usados para iluminao, inclusive de sinalizao como luz de r, freios, sinalizao de converso, para comunicao (lasers e infravermelho), isolao de circuitos e sensores dos mais variados tipos, como por exemplo, sensor de chuva. 2.2.2.2.4.4. Memrias Componentes usados para armazenar dados que podem ser utilizados de diversas maneiras, como software de um programa, como parmetros de ajustes, informaes e outras aplicaes. Assim como outros componentes, existe uma infinidade de variedade que muda de acordo com sua tecnologia possibilitando ou inibindo seu uso nas aplicaes

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dependendo de suas caractersticas como, possibilidade e / ou facilidade em gravar informaes, velocidade com que se l e grava informaes, capacidade de armazenamento das informaes, quantidade de vezes que se pode ler e gravar as informaes, e outras que determinam para cada uso qual a melhor soluo. Entre os principais tipos de memrias existem as no volteis como ROM, Read Only Memory, EPROM, Erasable Programmable ROM, Flash e Ferromagntica e as volteis como SRAM, Static Random Access Memory, e DRAM Dynamic RAM. 2.2.2.2.4.5. Semicondutores de potncia Classificar um componente como semicondutor de potncia no tarefa fcil pois se pode faz-lo de diversas formas, conforme o ponto de vista de quem os classifica, justamente por ser um termo relativo. Entretanto essa classificao necessria e para uso automotivo podemos considerar aplicaes que usem correntes entre 5 a 100 A, ou tenses acima de 100V, como no caso da vela de ignio ou HID, como sendo de potncia.100%

90%

80%

70%

60% ON losses 50%

40%

30%

20%

10% Switching losses 0% 1 500 1.000 2.000 5.000 10.000 frequency [kHz] 15.000 20.000 50.000 100.000 300.000

Figura 4 - Participao das perdas entre chaveamento e em estado ligado (FAST, 2004) Esses componentes, na maioria das vezes iro acionar os atuadores como solenides, motores eltricos, lmpadas e resistores para aquecimento. Uma das caractersticas

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importantes em chaves transistorizadas, avaliar as perdas que mudam consideravelmente dependendo da freqncia em que se atua, como pode ser observado na figura 4. 2.2.2.3. Passivos 2.2.2.3.1. Introduo Os componentes conhecidos classicamente como passivos so os resistores, capacitores e indutores, entretanto existem algumas variaes de componentes que valem serem destacados. 2.2.2.3.2. PTC Apesar da maioria dos componentes terem um coeficiente de temperatura positivo, o PTC, ou Positive Temperature Coeficient, tem essa caracterstica mais acentuada, sendo muito mais perceptvel sua variao, facilitando assim a diferenciao entre valores de temperaturas prximos. Entre outras aplicaes utilizado como sensor de temperatura. 2.2.2.3.3. NTC O NTC, ou Negative Temperature Coeficient, tem uma caracterstica em relao temperatura inversa do PTC e sua grande aplicao como proteo em circuitos, como surtos de corrente. 2.2.2.3.4. Varistor O Varistor, VARiable resISTOR, assim como o NTC ele tambm utilizado como proteo, pois acima de uma determinada tenso o valor resistivo cai rapidamente, na casa dos nano segundos, protegendo normalmente os circuitos que seguem de sobre tenses.

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2.2.2.3.5. Centelhador Esse componente tem aparentemente a mesma funo do varistor mas foi desenvolvido para valores muito altos de descargas eltricas, como alta tenso de relmpagos. Normalmente consiste de duas placas ou eletrodos separados por ar ou algum gs que acima de uma determinada tenso o ar, ou gs, ionizado comea a conduzir, mudando a rota que poderia ter encontrado sobre um componente mais susceptvel a esse tipo de descarga. No caso da vela de ignio, a ionizao feita propositadamente para ocorra a queima do combustvel. 2.2.2.4. Placa de circuito impresso A funo bsica da placa de circuito impressa ou PCI conectar eletricamente diversos componentes e servir como base para fixao mecnica dos mesmos. Os componentes so soldados sobre essas placas. As principais caractersticas dos diversos modelos de PCI so o material (fibra de vidro, cermico, fibra, etc ), quantidade de camadas (simples, dupla ou multi-camadas) espessura de cobre (1, 2 ou mais onas). Quanto tecnologia usada para fixar os componentes podem ser PTH, Plated Through Hole, onde os terminais do componente atravessam a PCI e so soldados do lado oposto da placa e SMT, Surface Mounting Technology, onde os componentes ficam no mesmo lado da superfcie onde so soldados sobre a placa. Tambm podem ser confeccionados em diversas camadas, layers, facilitando a interconexes e diminuindo a rea para somente a necessria para colocao dos componentes. O principal cuidado quanto a esse componente, na fase de projeto, principalmente com as placas multi-camadas, pois entre uma camada e outra, pode-se formar capacitncias e indutncias parasitrias, dependendo de como o terra interconectado ou a alimentao pode-se criar diversos problemas de difcil identificao e correo.

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J existem outras solues de alta tecnologia, conhecidas como chip-on-board, COB, ou seja, o chip no encapsulado e sim montado diretamente sobre uma placa FR4 ou PCI flexvel ou substrato cermico atravs de um adesivo como mostra a figura 5, para ento serem feitas as conexes com fio de ouro, wire bonding, figura 6. Em seguida uma resina epxi ou cobertura de silicone depositada sobre o chip para encapsular e dar proteo.

Figura 5 - Fixao do chip com adesivo sobre um substrato (C-MAC Microtechnology)

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Figura 6 - Interconexo do chip com o circuito com a fixao de fio de ouro (CMAC Microtechnology)

Figura 7 - Encapsulamento do chip com o depsito de material (C-MAC Microtechnology) Para uma melhor visualizao do resultado, a figura mostra o chip (die) montado

sobre um adesivo epxi que por sua vez est montado sobre a placa que d sustentao ao circuito. Os fios de ouro (Au wire) fazem a ligao eltrica entre o

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chip (die) e a metalizao sobre a placa que ir ligar aos outros componentes da placa ( SMD Surface Mounted Device ). Sobre eles encontra-se o material (GlobTop) que encapsula o chip (die). No lado oposto mostrado uma aplicao com dissipador, que nem sempre necessrio, com as vias trmicas para facilitar a conduo do calor e um adesivo trmico especial para fixar o dissipador.

Figura 8 - Vista em corte do final da montagem (C-MAC Microtechnology) Na figura 9 pode-se ver melhor como a conexo entre o chip e o resto do circuito

Figura 9 - Chip (die) no centro e as conexes com fio de ouro (C-MAC Microtechnology)

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2.2.2.5. Sensores 2.2.2.5.1. Introduo Sua funo bsica converter um parmetro fsico ou qumico em sinal eltrico. Esses componentes podem estar inclusos dentro da classificao como semicondutores ou passivos, mas devido sua grande importncia em veculos, ser dada uma ateno maior. Entretanto o termo sensor utilizado de diversas formas criando alguma confuso. Por exemplo, um sensor de temperatura fornece um valor eltrico que proporcional temperatura, entretanto, ele pode ser um PTC, ou bi-metlico, ou mercrio ou atravs de infravermelho e outras tcnicas que forneam a informao necessria. Por outro lado, tendo como exemplo um sensor Hall, que varia sua tenso de acordo com a intensidade do campo magntico, pode ser usado como sensor de campo magntico, de corrente, de posio, rotao, fim de curso, etc. Portanto podemos verificar que existem dois conceitos de sensores, ou seja, os sensores componentes, que no exemplo usado seria o sensor Hall e os sensores por funo seriam o exemplo do sensor de temperatura. Os principais tipos de sensores por funo em veculos so (Bosch, 2000): Sensores de posio Sensores de velocidade e RPM Sensores de acelerao / vibrao Sensores de presso Sensores de fora / torque Sensores de vazo Sensores de concentrao Sensores de temperatura Sensor de sujeira Sensor de chuva Sensor de imagem

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Como os sensores por funo fogem ao escopo desse trabalho, ser dada uma nfase aos sensores componentes. 2.2.2.5.2. Sensor Hall Atravs do efeito Hall, onde o campo magntico que atravessa esse sensor provoca uma diferena de potencial (DDP), e assim tem-se um valor de tenso proporcional ao campo magntico. Atualmente as pastilhas Hall vm integradas com outros circuitos que aumentam sua preciso, flexibilidade, facilidade de manuseio, aplicaes, comunicao e inclusive programao. 2.2.2.5.3. Magneto-resistor Esse componente varia sua resistividade de acordo com o campo magntico. 2.2.2.5.4. Acelermetros Os sensores de acelerao ou acelermetros so componentes que internamente possuem uma massa que varia de posio de acordo com a acelerao (F = m*a). Quando essa massa se desloca varia a capacitncia e a medio desse valor determina a acelerao. 2.2.2.5.5. Sensores de presso um dos componentes mais antigos e importante no veculo por informar ao condutor caso tenha problema com a presso pois pode causar danos srios ao motor.

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2.2.2.6. Outros componentes 2.2.2.6.1. Condutores, conectores, interruptores, fusveis, lmpadas e centelhadores Apesar de serem itens de grande utilidade e por muito tempo em uso, atualmente so componentes bem dominados, geralmente so componentes que esto sendo substitudos por eletrnica, como por exemplo a rede de comunicao que diminui drasticamente a quantidade de fios e cabos e conseqentemente os conectores, que alis so as principais causas de defeitos na parte eltrica (PME 5617, 2005). Interruptores esto sendo substitudos por componentes semicondutores, assim como os fusveis. As lmpadas esto sendo trocadas por LEDs e apenas os centelhadores, ou,velas de ignio, que so utilizadas para provocar a combusto. 2.2.2.6.2. Cabo de fibra ptica Em determinadas aplicaes onde o volume de informaes muito grande e necessrio imunidade a rudos, a fibra ptica uma soluo que tem caractersticas consideravelmente superiores s demais, como segue abaixo (Infineon, 2003). Imunidade aos rudos de EMI No existe crosstalk Mais leve que fios a cobre Largura de banda operacional ampla Baixas perdas (atenuao) Aumento da segurana de transmisso Isolao eltrica total Imunidade a descarga eltricas (relmpagos) e surtos de corrente Faixa ampla de temperatura de funcionamento No produz centelhas No tem malha fechada de terra Soluo de baixo custo

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importante mencionar que existe uma grande diferena entre as solues de fibra pticas para telecomunicaes e a apresentada aqui. Apesar de terem o mesmo princpio de funcionamento, possuem tecnologias bem distintas, resultando em uma soluo muito mais simples e barata, entretanto de menor alcance e largura de banda, que na aplicao automotiva totalmente desnecessria.

Figura 10 - Uso de fibra ptica em veculos (Infineon, 2003) Principais caractersticas: Terminais (leadframe) para baixo custo de produo Tecnologia de moldagem voltada para confiabilidade automotiva Minimizao de tolerncias Acoplamento de fibra avanado (plugar e transceptar) Adequado para integrao de lentes

2.2.2.7. Eletromecnicos Os componentes eletromecnicos transformam eletricidade em movimento mecnico e como principais exemplos utilizados em automveis os motores eltricos, solenides, rels so mais comuns.

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2.3. Confiabilidade e qualidade 2.3.1. Introduo Entre os diversos componentes e sistemas eletrnicos, conceitos como qualidade e confiabilidade so altamente relevantes e necessrios. Apesar dos sistemas mecnicos j adotarem esses princpios por muitos anos, a eletrnica veio a introduzir novas perspectivas, as quais sero tratadas nesse item. 2.3.2. Confiabilidade Desde que o uso de eletrnica em automveis comeou a se expandir dentro dos veculos particularmente em aplicaes que envolvem segurana como freios, estabilidade, direo e outros sistemas de importncia vital, sua confiabilidade foi posta em dvida principalmente pela experincia que as pessoas j tiveram em algum momento com eletrodomsticos e outros produtos de consumo e principalmente com PCs e derivados com suas freqentes falhas levando as pessoas a extrapolar para um veculo as mesmas falhas e questionando se no estaria correndo os mesmos riscos, podendo assim colocar vidas humanas em perigo no pior dos casos, pela troca de tecnologia atual para a eletrnica. O objetivo desse captulo discutir esse assunto, desmistificando-o e apresent-lo de forma cientfica. Em um veculo existem diversas aplicaes que utilizam a eletrnica, entretanto algumas delas, em caso de falhas, tero como conseqncias apenas desconfortos ou aborrecimentos como, por exemplo, equipamento de som, vidro eltrico, luzes internas, entretanto aplicaes como freio, direo e suspenso envolvem segurana tanto de quem est no veculo como de pedestres ou outros veculos, logo aqui j se faz uma diferenciao quanto aos diversos tipos de falhas, que nesse caso avalia a funo do sistema e analisa as conseqncias de quando elas ocorrerem. Aqui ser dado um enfoque maior nas aplicaes que envolvem segurana, j que onde a questo mais complexa.

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Uma das causas freqentes de falhas o ambiente automotivo que bastante agressivo com temperaturas variando de -40C at 150C podendo chegar a 650C na exausto. Mesmo no interior do veculo a temperatura pode chegar a 85C. O gradiente de temperatura pode ser alto com ciclos trmicos de at 40C/min. Umidade relativa de at 99%, produtos qumicos corrosivos (NaCl, CaCl, SO2, ...) e vapor de combustvel podem acelerar os mecanismos de corroso e adicionando aceleraes momentneas de at 30 g. Interferncia Eletromagntica (EMI) pode ser muito intensa com fontes de radiao dentro e fora do veculo, tendo assim que a eletrnica embarcada suportar, sem cometer erros, freqncias na faixa de 5 kHz at 18 kHz com campos de at 100 V/m. Transientes de tenso na linha de alimentao que variam entre 10 a 120 V sobre a tenso nominal por diversas causas como motores, solenides, lmpadas (quando frias sua resistncia extremamente baixa), e no pior dos casos, desconectar a bateria quando o motor estiver funcionando em giro alto (Zanoni e Pavan, 1993). Portanto, para aplicaes automotivas, os componentes eletrnicos passam por testes mais rgidos que em outras aplicaes onde no h riscos. claro que essas e outras medidas aumentam significativamente a confiabilidade, entretanto para algumas aplicaes, principalmente as conhecidas como x-by-wire, como freio ou direo ou suspenso, etc, isso no basta, precisando assim ter um sistema que mesmo na eventualidade de uma falha, estar preparado para quando isso ocorrer e assim evitar conseqncias catastrficas. A primeira idia que normalmente se tem ter um sistema redundante mecnico. Apesar ser uma estratgia vlida, existem metodologias apropriadas como em (Amberkar et al, 2000), onde proposto um sistema seguro para sistemas automotivos by-wire. Nessa metodologia, para a implementao de um sistema seguro inclui, diversos passos que analisam o sistema sob diversos aspectos. Como exemplificao que se pode ver na tabela 2, existe uma variedade grande de tcnicas para avaliar o risco. No cabe nesse trabalho entrar em detalhes sobre cada uma delas, mas o propsito de apresent-las aqui mostrar a extenso da complexidade que um sistema requer para ser analisado. Alm das anlises abaixo, so feitas anlises em categorias de severidade dos riscos e tambm nveis de probabilidade resultando em uma matriz de avaliao de risco

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1. Anlise de causa-efeito 2. Anlise de causa comum 3. Anlise de EMC e testes 4. Anlise de eventos em rvore (ETA event tree analysis) 5. Anlise do modo de falha e efeitos (FMEA - Failure Modes and Effects Analysis) 6. Anlise de modos de falha, efeitos e criticalidade (FMECA Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis) 7. Anlise de falhas em rvore (FTA Fault Tree Analysis) 8. Estudo de risco e operabilidade (HAZOP Hazard and Operability Study) 9. Modelamento 10. Anlise da causa raiz 11. Reviso de segurana 12. Anlise de circuito sorrateiro 13. Anlise de modos e efeitos de falha de software (SFMEA Software Failure Modes and Effects Analysis) 14. Anlise falhas de software em rvore 15. Anlise de risco em software 16. Anlise de circuito sorrateiro (SSCA Software Sneak Circuit Analysis) Tabela 2 - Tcnicas de anlise de riscos (Amberkar et al, 2000) Basicamente segurana e confiabilidade podem ser alcanadas atravs da combinao de remoo de falha, evitar a falha, tolerncia falha, deteco e diagnstico de falha e proteo e superviso automtica que por sua vez necessitam de estudos em anlise de falhas. deteco de falha a questo bsica para sistemas tolerantes falha com mdulos redundantes (Isermann, 2002). Dependendo do sistema, a carga computacional e redundncia inviabilizam o seu uso, entretanto em algumas aplicaes como acelerador, troca de marcha e assistncia eletrnica ao motorista que utilizam a eletrnica tem-se mostrado bastante confiveis e seguras. Sistemas de freio eletro-hidrulico j esto no mercado e eletromecnico j est a caminho, mas direo levar um pouco mais de tempo devido ao alto grau de danos e poucas possibilidades de tolerncia a falhas. Com isso se conclui que com a

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evoluo de sensores, capacidade computacional, diminuio de custos, aos poucos essa tecnologia j est sendo incorporada aos veculos. 2.3.3. Qualidade Assim como em outros itens automotivos, os itens eletrnicos tm caractersticas similares e portanto bem conhecidos. Aqui sero mostradas apenas caractersticas particulares dos semicondutores, entretanto outros componentes podem ter outros modos de falha dependendo da situao. As principais ocorrncias de defeitos em semicondutores ocorrem na produo, tanto do fabricante de semicondutores, como da montadora da placa de circuito impresso e at mesmo durante a montagem final do mdulo no veculo, e que se no detectados ainda nos estgios iniciais da produo, apresentar a falha no comeo de vida em operao. Existem infinidades de causas que podem induzir s falhas, entretanto algumas delas so mais comuns como, entre o fabricante de componentes e o montador de placas de circuito impresso, e o modo de falha mais comum por ESD (funcionrio ou equipamento que manipula o componente no est aterrado adequadamente) ou umidade (quando o componente no est armazenado adequadamente ou o prazo de validade expirou), mecnico (durante o transporte o componente ou embalagem so deformados ou a mquina de insero desregulada danifica o componente) ou at mesmo stress trmico (caso a mquina de solda esteja desajustada ou alguma conexo errada feita). Outros aspectos como a eliminao de materiais nocivos a natureza est em andamento e cujo elemento principal a retirada do chumbo, principalmente da solda, que ter como conseqncia o aumento da temperatura de fuso da mesma e assim os componentes devero estar preparados para essas nova realidade (Infineon, 2004).

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2.4. Protocolos de comunicao 2.4.1. Introduo Com o aumento crescente de aplicaes eletrnicas, observou-se um aumento demasiado de fios e conectores entre diversas partes de um veculo. Com o objetivo de diminuir a quantidade de cabos e fios, conseqentemente o peso do veculo que por sua vez diminui o consumo de combustvel, bem como aumento a confiabilidade, as conexes de fios e cabos so responsveis pelos maiores ndices de falhas das aplicaes eletro-eletrnicas, (PME5617, 2005) e possibilidade de compartilhar uma informao em diversas partes do veculo e mesmo na manuteno como conectores especiais para diagnstico, iniciou-se a utilizao da multiplexao, ou seja, comunicao serial. O protocolo que teve maior destaque, e ainda hoje o mais amplamente usado sem dvida o CAN (Controlled rea Network). Por ser o protocolo mais conhecido, ser dada a ele uma nfase maior e aos outros protocolos sero comparados em quais caractersticas se diferem do CAN. A figura 11 ilustra diferentes protocolos e suas caractersticas principais como data rate , ou seja, velocidade da rede em bit/s e custo relativo por n. Nos extremos encontram-se o LIN, com velocidade e custos baixos para aplicaes mais simples e MOST, desenvolvido para transmisso multimdia.

Figura 11 - Comparativo entre protocolos por custo e velocidade (FAST,2004)

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2.4.2. CAN 2.4.2.1. Introduo Esse protocolo originalmente desenvolvido pela Bosch tem como caractersticas principais ter mltiplos mestres, ou seja, diferentes mdulos dentro da mesma rede CAN podem assumir o controle enquanto os outros se tornam escravos, e momentos depois outro mdulo, antes escravo, torna-se mestre assumindo a rede enquanto os outros mdulos, incluindo o que anteriormente havia assumido a funo de mestre, tornam-se escravos. A estrutura linear, ou seja, os diversos mdulos esto conectados a um barramento de modo que se um mdulo falhar os outros continuam a operar. O sincronismo da rede feito no incio de cada mensagem em intervalos de tempo determinados. Uma caracterstica desse protocolo que todos os mdulos verificam se a mensagem que est trafegando tem prioridade maior ou menor para poder ento assumir a rede ou aguardar o trmino da mensagem, que um conceito baseado em CSMA/CD com NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration). Existem diversas velocidades de barramento, podendo chegar a 1 Mbps. A rede constituda basicamente de um par de fios tranados, para reduo de EMI (Eletromagnetic Interference) sendo um CAN_H e o outro CAN_L e a mensagem transmitida ser a diferena de potencial entre o par tranado, e essa uma das caractersticas que a tornam muito segura (Guimares, 2003),(Bosch, 2000). Na figura 12 mostrada uma rede CAN com duas linhas, uma de alta velocidade para aplicaes que envolvem segurana como freio ABS, controle de motor, etc e outra, normalmente de menor velocidade, para aplicaes sem riscos como ar condicionado (A/C), vidro eltrico e travas de portas. A Bosch divide a rede CAN em quatro aplicaes, em tempo real, onde a velocidade varia entre 125 kbit/s at 1Mbit/s, aplicaes multiplex onde a velocidade fica na faixa entre 10 kbit/s e 125 kbit/s, aplicaes de comunicao-celular onde interliga sistemas de navegao, celulares e outros sistemas de udio, mas sem passar sinais de udio, apenas os comandos entre os sistemas para interagirem e aplicaes de diagnstico com uma velocidade em torno de 500 kbit/s substitui a linha K.

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Quando alguma informao for necessria por um mdulo que esteja conectado a uma linha diferente, o Gateway que na figura exemplificada como o painel de instrumentos, far a comunicao entre as duas linhas.

Figura 12 - Exemplo de rede CAN (Guimares, 2003) 2.4.2.2 Endereamento O endereamento est embutido na mensagem (identificador) e a classifica, assim todos os mdulos da ECU a recebero, mas somente os mdulos que necessitam da mensagem a aceitaro (filtragem de mensagem) e depois processaro a mensagem aceita. 2.4.2.3. Estados lgicos do barramento Em CAN o bit 0 significa dominante e 1 recessivo, ou seja, quando um mdulo envia um bit 0 ele assume o controle do barramento, escrevendo sobre outras mensagens. 2.4.2.4. Prioridades Os rtulos de identificao . Identificador e com valores binrios menores tem prioridade maior.

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2.4.2.5. Acesso ao barramento Cada mdulo pode iniciar a transmisso assim que o barramento estiver livre, mas quando vrios mdulos iniciam a transmitir simultaneamente, o barramento se comporta como uma porta AND, e a mensagem de maior prioridade comea a transmitir enquanto os outros mdulos, mesmo aqueles que tambm iriam transmitir, aguardam pelo recebimento da mensagem, e aqueles que tiveram que esperar a transmisso mais prioritria, aguardaro at que o barramento esteja livre novamente. 2.4.2.6. Formato da mensagem Existem dois formatos de segmentos de dados que um dos campos (ver tabela3), com a diferena nica no comprimento do identificador (ID). O formato padro compe-se de 11 bits enquanto a verso estendida tem 29, ou seja, no formato padro o segmento de dados tem 130 bits e no estendido tem 150 bits, o que assegura o menor tempo de espera at a transmisso seguinte (que poderia ser urgente). Incio do campo indica o incio de uma mensagem e sincroniza todas estaes, Campo de arbritagem contm o identificador de mensagem e um bit adicional de controle, Campo de controle contm o cdigo de quantos bytes de dados esto no campo de dados, Campo de dados a informao propriamente dita com 0 a 8 bytes, sendo que o 0 serve para sincronizar os processos distribudos, Campo CRC (Cyclic Reduncy Check) ou conferncia cclica redundante que contm uma palavra para confirmar se houve alguma interferncia, Campo Ack (Acknownledgement) um sinal que todos os receptores leram a mensagem no-corrompida, Fim de campo marca o fim da mensagem. Tabela 3 - O segmento de dados consiste de sete campos de bits (Bosch, 2000).

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2.4.3. Outros protocolos 2.4.3.1. LIN (Local Interconect Network) LIN ou Local Interconect Network um protocolo bem recente e surgiu da necessidade de barateamento de custos onde o uso do CAN torna-se super dimensionado, como por exemplo em sensores inteligentes e atuadores. Ele constitudo de apenas um fio e sua velocidade bem inferior a do CAN e tem menos identificadores entre outras caractersticas como podemos observar na tabela 4 abaixo (Rylander, Wallin, 2003).

Tabela 4 - Comparao entre os protocolos CAN e LIN (Rylander, Wallin, 2003) 2.4.3.2. TTP O TTP, Timer Triggered Protocol, um protocolo desenvolvido para aplicaes cuja necessidade bsica seja a