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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTO DE ELETRÔNICABACHARELADO EM ENGENHARIA ELETRÔNICACELSO LUIZ MENDES DA SILVAMODELAGEM E TESTE EM BANCADA DE UMA REDE DECOMUNICAÇÃO NO PADRÃO SAE J1939TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSOPONTA GROSSA2018
CELSO LUIZ MENDES DA SILVAMODELAGEM E TESTE EM BANCADA DE UMA REDE DECOMUNICAÇÃO NO PADRÃO SAE J1939Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtençãodo título de Bacharel em Engenharia Eletrônica, do Departamento de Eletrônica,da Universidade Tecnológica Federal doParaná.Orientador: Prof. Dr. Max Mauro DiasSantosPONTA GROSSA2018
Ministério da EducaçãoUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCâmpus Ponta GrossaDiretoria de Graduação e Educação ProfissionalDepartamento de EletrônicaBacharelado em Engenharia EletrônicaTERMO DE APROVAÇÃOMODELAGEM E TESTE EM BANCADA DE UMA REDE DE COMUNICAÇÃO NOPADRÃO SAE J1939porCELSO LUIZ MENDES DA SILVAEste Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado às 10:00 de 08 de junho de2018 como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em EngenhariaEletrônica. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo citados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalhoaprovado.Prof. Dr. Max Mauro Dias SantosOrientadorProf. Dr. Frederic Conrad JanzenMembro TitularProf. Msc. Robson Moreira de OliveiraMembro TitularProf. Dr. Josmar IvanquiResponsável pelos TCCProf. Msc. Jeferson José GomesCoordenador do Curso– O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso –
Dedico este trabalho à minha família, aosmeus amigos, aos meus professores e àsinúmeras pessoas que tornaram ocaminho até aqui possível.
AGRADECIMENTOSEssa etapa da minha vida só foi possível graças a inúmeras pessoas e instituições. Portanto, é importante expressar meu profundo agradecimento nessas poucaslinhas que seguem.Agradeço primeiramente e acima de tudo a Deus. A maneira muito singularcomo eu encontrei a Deus alguns anos antes de começar a graduação foi decisiva naminha vida. Sem isso, não teria escolhido os caminhos que escolhi e, portanto, nãoteria obtido as vitórias e aprendizados que obtive.Agradeço à minha família pelo apoio e paciência durante esses longos anosde graduação. Sem ela, a caminhada até aqui seria impossível. Gostaria de agradecerem especial aos meus primos Joelson e Vanessa, que desde o começo de tudo sãoos meus maiores apoiadores. Também não poderia deixar de agradecer à tia Célia, àBruna Langoni, essa flor especial na minha vida, e sua família pelo apoio nessa retafinal.Agradeço aos meus amigos pelas palavras de incentivo e conforto. Principalmente a Bruno e Lara Perondi, tia Jacinta e família. Sem aquela casa de R 100,00por mês (com água e luz inclusos), eu não teria saído de Guarapuava para perseguirmeu sonho de ser engenheiro.Agradeço aos meus professores e a UTFPR pelo aprendizado. Especialmenteao meu orientador, Dr. Max Mauro Dias Santos, por sempre me incentivar a fazer omelhor e me impulsionar a frente. Obrigado Max!Agradeço ainda a Porsche AG e ao meu ex-chefe Michael Raabe por fazeremparte da minha graduação de uma maneira tão especial que foi a realização do sonhode estar junto dos melhores engenheiros do mundo. Obrigado por uma das melhorespartes da minha graduação!Por fim, não há como colocar aqui nessa página todas as pessoas que merecem reconhecimento. Foram tantas que me ajudaram e impulsionaram até aqui, queuma folha inteira somente de nomes me parece ser insuficiente. Ficam os meus agradecimentos a vários pelas caronas, pelos trocados emprestados/doados, pelas palavras incentivadoras, pelas listas de exercícios, pelos sorvetes compartilhados, etc.
Demore o tempo que for para decidir oque quer da vida, e depois que decidir nãorecue ante a nenhum pretexto, porque omundo tentará te dissuadir (Nietzsche,Friedrich, 1885).
RESUMOMENDES DA SILVA, Celso Luiz. MODELAGEM E TESTE EM BANCADA DE UMAREDE DE COMUNICAÇÃO NO PADRÃO SAE J1939. 2018. 66 f. Trabalho deConclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) – UniversidadeTecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2018.A quantidade de componentes eletrônicos tem aumentado em automóveis ao longodos anos. Quanto mais sistemas digitais em um veículo, maior a quantidade e a complexidade de dados que devem ser transmitidos entre as unidades de controle eletrônico do automóvel e dispositivos externos. Assim, é necessário o uso de redes decomunicação automotiva para transmitir e gerenciar esses dados gerados. A rede CANé uma das redes consagradas na indústria automotiva, porém o processo de desenvolvimento dessa rede, ainda hoje, é constante. Baseados nas redes CAN, surgemprotocolos que especificam ainda mais elementos da comunicação de dados, como éo caso do SAE J1939. Por esse motivo, esse trabalho visa mostrar técnicas de desenvolvimento de uma rede CAN baseadas no protocolo SAE J1939 e mostrar a interaçãodessa rede com uma bancada com ECUs reais, sendo isso parte de um processo dedesenvolvimento utilizado nas montadoras de veículos.Palavras-chave: Redes Automotivas. CAN. SAEJ1939. Modelagem. Teste.
ABSTRACTMENDES DA SILVA, Celso Luiz. MODELING AND TEST OF A COMMUNICATIONNETWORK OF SAEJ1939 STANDARD IN A WORKBENCH. 2018. 66 p. FinalCoursework (Bachelor’s Degree in Electronic Engineering) – Federal University ofTechnology – Paraná. Ponta Grossa, 2018.The number of electronic devices are increasing in the automobiles over the years. Themore digital systems are part of a vehicle, the more complex data shall be transmittedbetween electronic control units of the vehicle themselves and also with external devices. Thus, it is necessary the use of automotive networks to transmit and managethe generated data from the vehicles. The Controller Area Network (CAN) is one ofthe established networks in the automotive industry, however its development processstill remains nowadays. Based on the CAN emerge protocols that specify even morethe data communication elements as the SAE J1939. For this reason, this work aimsto show development techniques for CAN based on the SAE J1939 protocol and alsoshow the interaction between this network with a workbench made by real ECUs, beingthis part of the development process used by the car manufactures.Keywords: Automotive Networks. CAN. SAEJ1939. Modeling. Test.
LISTA DE ILUSTRAÇÕESFigura 1 – Mudança nas áreas de desenvolvimento de tecnologia na indústriaautomotiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 2 – Configuração básica de uma rede de comunicação . . . . . . . . . .Figura 3 – Comunicação de dois dispositivos segundo o padrão ISO/OSI . . .Figura 4 – Redes em funcionamento em um veículo de classe média . . . . . .Figura 5 – Construção física da CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 6 – Modelo ISO/OSI para uma rede CAN . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 7 – Diferenças de tensão entre os fios que geram bits no High-Speed CANFigura 8 – Como são gerados os níveis lógicos em uma rede CAN 2.0 . . . . .Figura 9 – Diferenças de tensão entre os fios que geram bits no Low-Speed CANFigura 10 – Pinagem do conector DB-9 para acesso a rede . . . . . . . . . . . .Figura 11 – Divisão de uma mensagem CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 12 – Frame CAN 2.0A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 13 – Frame CAN 2.0B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 14 – Exemplo de três nós que disputam o barramento . . . . . . . . . . .Figura 15 – Caminho seguido por um sinal desde a aquisição até o escalonamentoFigura 16 – Sinal analógico seno que deve passar pelo processo de amostragemFigura 17 – Exemplo de um PGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 18 – Tabelas usadas para o desenvolvimento do banco de dados de Huet al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 19 – Desenvolvimento segundo o modelo V . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 20 – Bancada para desenvolvimento de software automotivo de um modelo Golf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 21 – Interface do CANoe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 22 – Interface VN1610 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 23 – Tela inicial do BUSMASTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 24 – Kvaser Leaf Light v2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 25 – Etapas do desenvolvimento do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 26 – Proposta de execução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 27 – Passos para criação do banco de dados - Parte I . . . . . . . . . . .Figura 28 – Passos para criação do banco de dados - Parte II . . . . . . . . . .Figura 29 – Bloco de Simulink para Injetar Mensagens no Barramento . . . . . .Figura 30 – Mensagem de Velocidade sendo escrita . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 31 – Bancada e materias utilizados nos testes . . . . . . . . . . . . . . .Figura 32 – Distribuição dos instrumentos do painel . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 33 – Mensagens lidas no barramento antes da associação de um dicionário de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 34 – Mensagens no barramento depois da utilização do dicionário de dadosFigura 35 – Sinais lidos no barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 36 – Sinal da posição do pedal aquirido através de uma mensagem CANFigura 37 – Sinal da posição do pedal adquirido diretamente nos pinos do pedalFigura 38 – Gráficos no Simulink de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Figura 39 – Sinal visto pelo osciloscópio com valor igual a 0 . . . . . . . . . . . .Figura 40 – Sinal visto pelo osciloscópio com valor igual a 100 . . . . . . . . . 3454647474748485050515252525353
Figura 41Figura 42Figura 43Figura 44Figura 45Figura 46– Sinais de pedal e velocidade lidos no Busmaster . . . . . . .– Log com todas as mensagens do barramento CAN . . . . . . .– Observação do Time Stamp da Mensagem VP2 X V . . . . .– Variação do atraso na entrega da mensagem VP2 X V . . . .– Zoom de um período com muito jitter da mensagem VP2 X V– Configuração para testes em trabalhos futuros . . . . . . . . .545455555658
LISTA DE TABELASTabela 1Tabela 2Tabela 3Tabela 4––––Classes de redes automotivas . . . . . . . . . . .Extensão vs Taxa de Transmissão no BarramentoPinos do conector DB-9 para uma rede CAN . . .Exemplo de um SPN . . . . . . . . . . . . . . . . .22242734
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOSABREVIATURASkbpskm/hmMbpsrpmVKilobits por segundoQuilômetros por horaMetrosMegabits por segundoRotações por ledgementController Area NetworkController Area Network with Flexible Data-RateCyclic Redundancy CheckData Length CodeUnidades de Controle Eletrônico, do inglês Electronic Control UnitsEnd of FrameHardware-In-The-LoopIdentifierIdentifier ExtensionInstrument PanelInternational Organization for StandardizationLocal Interconnect NetworkModel-based DesignModel-In-The-LoopOriginal Equipment ManufacturerOpen Systems InterconnectionParameter Group NumberProcessor-In-The-LoopRemote Transmission RequestSociedade dos Engenheiros Automotivos, do inglês Society of Automotive EngineersSoftware-In-The-LoopStart of FrameSuspect Parameter NumberWorst-case Blocking Time
WCQDWCRTWorst-case Queuing DelayWorst-case Response TimeACRÔNIMOSA/DCAN HCAN LAnalógico-DigitalCAN HighCAN Low
�ÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .OBJETIVOS GERAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .OBJETIVOS ESPECÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .REVISÃO DA LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .REDES DE COMUNICAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .REDES AUTOMOTIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .O CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) . . . . . . . . . . . . . .Camada Física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Camada de Enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Frame CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Arbitragem de mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Requisitos temporais de uma rede CAN . . . . . . . . . . . . . . . .SAE J1939 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D ESENVOLVIMENTO DE UM Database . . . . . . . . . . . . . . . . . .D ESENVOLVIMENTO DE UMA REDE CAN . . . . . . . . . . . . . . . .Desenvolvimento clássico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Desenvolvimento baseado em modelos . . . . . . . . . . . . . . . . .LEITURA DE DADOS NA REDE CAN: FERRAMENTAS MAISUTILIZADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CANoe e família Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUSMASTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .KVASER Leaf Light v2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A RQUITETURA DE ECU S NO CAMINHÃO VOLVO FH . . . . . . . . . .MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D ELIMITAÇÃO DO TEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .P ESQUISA BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .L EVANTAMENTO DE HIPÓTESES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D ESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Criação do banco de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Simulação CAN através do Matlab/Simulink . . . . . . . . . . . . . .T ESTES E AQUISIÇÃO DE DADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .E SCRITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .APÊNDICESAPÊNDICE A – LINHA DE CÓDIGO PARA A ANÁLISE DOS 39394041414344444545464648495057596465
141 INTRODUÇÃOA indústria automotiva está em constante desenvolvimento e as exigênciasdos clientes em relação as questões referentes ao desempenho, conforto e meio ambiente tem aumentado. Segundo Mohr et al (MOHR et al., 2013), as companhias dosetor têm atualmente quatro grandes desafios para serem superados, que são: complexidade e custos, mercados divergentes, demanda digital e mudança do panoramada indústria. Em especial, a demanda digital está altamente relacionada com a tecnologia embarcada nos veículos, uma vez que questões como conectividade, activesafety e assistência ao motorista aparecem em foco.Bäker (BAEKER, 2014) afirma ainda que nos últimos 20 anos a inovação naindústria automotiva têm se desenvolvido com foco nos produtos eletrônicos, principalmente nas classes mais luxuosas de automóveis. O gráfico da figura 1 foi adaptadode uma projeção feita pela empresa Mercer Management Consulting que na épocajá previa a crescente importância da eletrônica embarcada na indústria automotiva. Épossível perceber no gráfico que componentes eletrônicos se tornam parte cada vezmaior da composição de um automóvel.Figura 1 – Mudança nas áreas de desenvolvimento de tecnologia na indústriaautomotivaFonte: Adaptado de (MERCER MANAGEMENT CONSULTING; FRAUNHOFERGESELLSCHAFT, 2003).
15Com o aumento da eletrônica embarcada em veículos, têm-se imediatamenteo aumento da quantidade e da complexidade de dados que as Unidades de Controle Eletrônico, do inglês Electronic Control Units (ECU), devem processar e transmitir. Basicamente, uma ECU é um módulo eletrônico que controla dados de sensores, atuadores, outras ECUs e dos ocupantes de um veículo. A melhor estratégiapara fazer comunicação dos dados que as diferentes ECUs geram é a utilização deuma rede de dados com um protocolo estabelecido. Na indústria automotiva os protocolos de comunicação comumente utilizados são: Controller Area Network (CAN)(ISO11898/TC22/SC31, 2015), Local Interconnect Network (LIN) (SAE, 2005a), FlexRay (ISO17458, 2010) e o Automotive Ethernet (ISO/TC22/SC31, 2010).Dentre esses, o protocolo CAN ganhou popularidade desde os anos 80,sendo até hoje o protocolo mais utilizado na indústria automotiva (NAVET et al.,2005). Ele é um protocolo serial, não-determinístico, não-preemptivo, desenvolvidonos anos 80 pela Bosch GmbH (ROBERT BOSCH GMBH, 1991) e padronizadopelas normas da International Organization for Standardization (ISO) (ISO 11898)(ISO11898/TC22/SC31, 2015) e Sociedade dos Engenheiros Automotivos, do inglêsSociety of Automotive Engineers (SAE) (SAE, 2005b). Sua primeira utilização em veículos de série foi feita pela Mercedes Benz na Alemanha (BAEKER, 2014) e desdeentão a rede CAN é bastante utilizada por montadoras de veículos, uma vez que arede é simples de ser implementada, de baixo custo, identifica e corrige erros e ésegura para aplicações de tempo real.Apesar de não ser uma tecnologia nova, a rede CAN ainda é aplicada na comunicação automotiva e por esse fato está em constante melhoria, como nas pesquisas feitas por Bernardeschi (BERNARDESCHI et al., 2017), Bordoloi & Samii (BORDOLOI; SAMII, 2014), Di Natale et al (NATALE; SILVA; SANTOS, 2016) e Urul (URUL,2015) devido ao desenvolvimento do Controller Area Network with Flexible Data-Rate(CAN-FD) (ROBERT BOSCH GMBH, 2012). Elas visam aumentar a velocidade darede e o volume de dados transmitidos por ela e a melhorar as questões de segurança contra ataques externos de terceiros. Nesse sentido, esse trabalho mostra comoacontece hoje em dia o desenvolvimento de uma rede baseada no protocolo CAN naindústria automotiva.
161.1TEMARedes de comunicação automotiva são importantes para o desenvolvimentodo setor, sem elas o peso e os gastos seriam muito maiores para a produção deveículos. Entretanto, é necessário se investigar a implementação e a eficiência dasredes de comunicação.Este documento visa mostrar um estudo de caso sobre o desenvolvimentode uma rede automotiva no padrão SAE J1939 utilizando os softwares comerciaisBusmaster e Matlab/Simulink e mostrar o impacto dos requisitos temporais da redenos dados lidos. Para se demonstrar o desenvolvimento completo das mensagens noprotocolo CAN, uma bancada com duas ECUs, um tacógrafo e um Instrument Panel(IP) do caminhão modelo FH12 da Volvo serão utilizados.1.2PROBLEMAA implementação de uma rede de comunicação, apesar de parecer trivial, écomplexa e deve ser feita de tal maneira que o processo tenha o número de erros tendendo a zero por questões de segurança. Sistemas de comunicação automotiva ondehá um atraso muito grande na entrega de mensagens, por exemplo, são passíveis deerro e isso se torna perigoso quando há funções que tomam decisões baseadas nainformação recebida.1.3OBJETIVOS GERAISMostrar o processo de desenvolvimento de redes de comunicação automotivadesde a criação do Database das mensagens até a comunicação entre ECUs. Alémdisso, mostrar a importância dos requisitos temporais da rede.1.4OBJETIVOS ESPECÍFICOSOs principais objetivos a serem atingidos até o final do presente trabalho são: Entender o processo e a importância da criação de um Database padronizado. Desenvolver um Database e Setups de testes rápidos para desenvolvimento de
17uma rede CAN. Mostrar o desempenho da rede com as mensagens criadas. Elucidar o desenvolvimento com algumas das principais ferramentas disponíveisno mercado para redes de comunicação automotiva.1.5JUSTIFICATIVADevido a importância do tema "redes automotivas" e principalmente da grandeutilização do protocolo CAN, este trabalho visa mostrar como acontece o desenvolvimento das mensagens da rede CAN, desde as primeiras fases até a aplicação. Casoexista muito atraso na entrega de mensagem isso pode se tornar um problema.A realização desse trabalho justifica-se pela investigação dos efeitos do número de mensagens CAN em um barramento.1.6METODOLOGIAPara este trabalho foi realizada uma ampla pesquisa bibliográfica em reposi-tórios acadêmicos e científicos. Uma vez que as principais fontes foram estudadas, opróximo passo foi interpretar as normas técnicas do documento SAE J1939-71 SAE(2005b) e comparar com os dados lidos no computador através da interface KVASER e o software BUSMASTER . Dessa maneira, observando-se o comportamento dasmensagens conforme o estímulo dado na entrada, que foi possível criar o Databasedas ECUs disponíveis no laboratório.Depois disso, usou-se o arquivo ".dbf" produzido no BUSMASTER em umprojeto de rede CAN em ambiente Simulink para injetar mensagens no barramento.Numa terceira etapa as mensagens da rede foram adquiridas através do KVASER pelo BUSMASTER e fez-se a análise dos sinais criados e dos requisitos temporais da rede. Maiores detalhes sobre a metodologia utilizada estão descritos nocapítulo 3.
181.7ORGANIZAÇÃO DO TRABALHOEste trabalho foi organizado de maneira a apresentar o conteúdo de formapragmática para proporcionar ao leitor uma leitura lógica e agradável. Os capítulosestão aqui descritos de forma breve, como segue abaixo.Capítulo 2: neste capítulo é feita uma revisão bibliográfica com técnicas doestado da arte. Os conceitos de redes de comunicação, redes de comunicação emautomóveis, rede CAN e padrão SAE J1939 são descritos. Além disso, serão apresentados alguns equipamentos que facilitam o trabalho do engenheiro que precisaacessar e manipular as informações transmitidas pelas redes de comunicação de umcarro.Capítulo 3: no capítulo 3 está descrita a metodologia abordada para a realização desse trabalho. Ainda apresenta-se os materiais necessários para a realizaçãoda pesquisa.Capítulo 4: nessa seção serão apresentados os resultados obtidos de um estudo de caso através da utilização de bancada de testes com duas ECUs, um tacógrafoe um painel de instrumentos do caminhão modelo FH12 da Volvo.Capítulo 5: aqui estão as considerações finais sobre o trabalho, bem comoas conclusões obtidas pela utilização do método estudado. Ainda neste capítulo,apresenta-se sugestões de trabalhos futuros no tema.
192 REVISÃO DA LITERATURAEsse capítulo é destinado a uma breve revisão dos conceitos de redes decomunicação, a elucidação da importância das redes no setor automotivo e, principalmente, a descrever o formato de uma rede CAN e as ferramentas utilizadas noprocesso de desenvolvimento dela.2.1REDES DE COMUNICAÇÃOUma rede de comunicação existe quando dois ou mais dispositivos estão co-nectados por links de comunicação (FOROUZAN, 2008). Para que a comunicaçãoaconteça entre esses dispositivos é necessário que haja a ligação física e o protocolode comunicação (software), caso contrário, afirma Forouzan (FOROUZAN, 2008), serácomo que duas pessoas que falam línguas diferentes tentassem se comunicar.Pode-se dizer que uma rede é formada basicamente de dois componentesessenciais: hardware e software. Na figura 2 está demonstrada a configuração mínima de uma rede para que haja troca de informação entre dois dispositivos. Na figuraobserva-se que há dois dispositivos comunicantes que podem ser dispositivos microcontrolados, por exemplo. Esses dispositivos compartilham de um meio que pode serum fio elétrico, um cabo óptico ou o ar. Para que haja a comunicação é necessárioque os dispositivos tenha um protocolo em comum, essa é a parte de software. Umelemento muito importante da comunicação é a mensagem. Para que haja comunicação é necessário que um dos dispositivos, denominado emissor, deseje transmitiruma mensagem ao outro dispositivo, denominado receptor.Figura 2 – Configuração básica de uma rede de comunicaçãoFonte: Adaptado de (FOROUZAN, 2008)Como mencionado acima, para que se transmita dados entre dispositivos é
20necessário que se estabeleçam regras de comunicação, assim surgem os padrões.Atualmente, os padrões mais utilizados são o Open Systems Interconnection (OSI) eo Internet. O modelo ISO/OSI, que é o padrão em que o CAN utiliza, é composto desete camadas de comunicação, que são: Física, Enlace de Dados, Rede, Transporte,Sessão, Apresentação e Aplicação (SOUSA, 2002). A figura 3 mostra como acontecea comunicação entre dois dispositivos pelo modelo ISO/OSI.Figura 3 – Comunicação de dois dispositivos segundo o padrãoISO/OSIFonte: (SOUSA, 2002)Cada camada do modelo tem uma função que permite com que aconteça acomunicação. A seguir, descreve-se de maneira sucinta as funções de cada camadado modelo ISO/OSI:Camada de aplicaçãoCamada mais alta do modelo. Segundo Silva (SILVA, 2015), é nessa camadaque o usuário pode interagir com a rede requisitando serviços. O usuário pode serhumano ou software.Camada de apresentaçãoEssa camada é que faz a transdução entre as requisições feitas na camadada aplicação e a rede em si. Basicamente, ela transforma uma informação obtida dousuário em um dado que será entendido pela rede. Nessa fase as informações comoletras, números e símbolos serão convertidas em bits. Na camada de apresentação
21ainda é possível fazer criptografia e compressão de dados, conforme a necessidadedo projeto.Camada de sessãoSegundo Forouzan (FOROUZAN, 2008), nessa camada a comunicação entresistemas é estabelecida, mantida e sincronizada. As principais funções dessa camadasão o controle de diálogo e a sincronização entre dispositivos comunicantes.Camada de transporteEssa camada garante que haverá entrega da mensagem da origem ao destino. É aqui também onde é feito parte do controle de erros de transmissão, o controlede fluxo, o controle de conexão, a segmentação e a reconstrução da mensagem.Camada de redeA camada de rede é responsável pela entrega das mensagens. As principais atividades dessa camada são: endereçamento lógico e roteamento (FOROUZAN,2008).Camada de enlace de dadosÉ onde ocorre o escalonamento de dados no formato do protocolo que irátransmitir a mensagem. Assim como na camada de transporte, é possível aqui detectarpossíveis erros de transmissão. Também recebe o nome de camada de ligação e datalink.Camada físicaOnde estão definidas todas as especificações do meio físico onde ocorrerá atransmissão de dados. Aqui define-se tensão, tempo de transmissão, cabos, conectores, topologia, etc.2.2REDES AUTOMOTIVASNo setor automotivo o uso de redes de comunicação traz algumas vantagensclaras como: diminuição de peso e espaço ocupados por fios e, por consequência,redução de custos no produto final, como observado por Navet et al. (NAVET et al.,2005).A princípio, as redes automotivas surgiram para comunicar as diversas ECUspresentes nos veículos, porém com o avanço da tecnologia, elas começaram a ser empregadas cada vez mais em funções próximas do usuário humano, como por exemplo
22em aplicações de Infotainment. Devido essa grande diversidade na utilização das redes, elas são classificadas atualmente pela SAE (SILVA, 2015). A tabela 1 adaptadade Liu et al. (LIU; AN; YANG, n.d.) mostra a atual divisão de classes das redes automotivas. O CAN está inserido nas classes B e C.Tabela 1 – Classes de redes automotivasClasseVelocidadeAplicaçãoABC 10 kbps10 kbps a 125 kbps 125 kbpsFunções não críticas. Por exemplo áudioSensores, atuadores, painel, etcDados de tempo realFonte: (LIU; AN; YANG, n.d.)Geralmente, automóveis apresentam mais de uma rede em funcionamento ea utilização destas se dá conforme a aplicação que se necessita. A figura 4 ilustraparte das redes que funcionam em um automóvel de classe média. Na figura é possível observar que em um automóvel de classe média podem funcionar, ao mesmotempo, uma rede High-Speed CAN, uma Low-Speed CAN, uma LIN, uma MOST eque todas elas se comunicam internamente e externamente através de gateways. Opainel somente recebe as informações das redes CAN.Figura 4 – Redes em funcionamento em um veículo de classe médiaFonte: Adaptado de (ZIMMERMAN; SCHMIDGALL, 2006)
232.3O CONTROLLER AREA NETWORK (CAN)O CAN é um protocolo de comunicação serial que surgiu para ser simples, se-guro e com bom custo-benefício (BAEKER, 2014). Ele suporta eficientemente controlede tempo real com um alto grau de confiabilidade (ROBERT BOSCH GMBH, 1991).Essa característica é de extrema importância quando se desenvolve produtos que devem conter o menor número possível de erro nos seus processos, como é o caso deveículos automotores.A construção da rede com n-ECUs é simples e acontece como representadona figura 5. Os dispositivos comunicantes ficam conectados a um barramento e estepossui terminadores de rede nas pontas, a fim de evitar o espelhamento de sinal.A conexão geralmente é feita por um par de fios trançados, podendo ser blindadosou não (a especificação dependerá das exigências do projeto). Cada dispositivo quecompartilha o barramento recebe o nome de nó e cada nó da rede será responsávelpor transmitir e receber um número determinado de mensagens.Figura 5 – Construção física da CANFonte: Autoria própriaA velocidade de transmissão de dados varia conforme a extensão do barramento. Para o CAN clássico, a velocidade máxima atingida em 40 metros de fio é de1 Megabits por segundo (Mbps). A tabela 2 mostra a relação típica Extensão do Fio xTaxa de Transmissão no Barramento.O documento da Robert Bosch GmbH (ROBERT BOSCH GMBH, 1991) define dois modelos de CAN. Um de baixa velocidade, específicado na ISO 11898/3,que recebe o nome de Low-Speed CAN, e um de alta velocidade, especificado na
24ISO
RESUMO MENDES DA SILVA, Celso Luiz. MODELAGEM E TESTE EM BANCADA DE UMA REDE DE COMUNICAÇÃO NO PADRÃO SAE J1939. 2018.66f.Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) - Universidade
