ARQUITETURAS
ELETRO-ELETRÔNICAS
“CONCEITUAÇÃO”
ELETRÔNICA EMBARCADA EM AUTOMÓVEIS
Antes de explorarmos as mais variadas
alternativas tecnológicas para arquiteturas elétricas, devemos ter em mente o
que significa a expressão “Eletrônica Embarcada”. Eletrônica Embarcada
representa todo e qualquer sistema eletro-eletrônico montado em uma aplicação
móvel, seja ela um automóvel, um navio ou um avião.
Há muitos anos, a indústria automotiva tem
feito uso de sistemas eletro-eletrônicos no controle das várias funções
existentes em automóveis de passeio e comerciais.
Observamos nos veículos atualmente
comercializados, que boa parte destes sistemas de controle foi desenvolvida de
forma independente, no sentido que cada um é responsável por um determinado
tipo de função no veículo.
Em contra-partida, o real domínio sobre os
diversos dados eletrônicos disponíveis em um automóvel é mais facilmente
conseguido através da utilização de sistemas eletro-eletrônicos interligados,
cada qual responsável por uma parte do veículo, mas compartilhando informações
entre si.
Sistemas desenvolvidos dentro deste
contexto têm sido disponibilizados pelos mais variados fornecedores de
componentes automotivos e empresas montadoras de veículos, dando a impressão ao
motorista e passageiros de que o controle do automóvel é totalmente integrado,
muitas vezes deixando a sensação de existência de uma única unidade de controle
inteligente – uma espécie de cérebro.
A figura 1 mostra a relação entre algumas
informações disponíveis em um automóvel e algumas funções afetadas por elas.
Figura 1
Perceba que, enquanto o sinal da Chave de
Ignição é importante no funcionamento dos cinco sistemas apresentados, o sinal
de Velocidade do Motor importa apenas ao Painel de instrumentos.
ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS À ARQUITETURA ELÉTRICA
As formas como os diversos sistemas de controle são
implementados e interconectados em uma aplicação embarcada são chamadas de Arquiteturas
Eletro-Eletrônicas (ou simplesmente Arquiteturas Elétricas).
No setor automotivo, dentre os diversos
conceitos de arquitetura elétrica atualmente utilizados, podemos destacar dois:
Arquitetura Centralizada e Arquitetura Distribuída.
Arquitetura
Centralizada
Quando analizamos determinadas aplicações,
encontramos uma única ECU responsável por receber todos os sinais de entrada
(como os sensores e chaves de comando), processá-los e comandar as respectivas
saídas de controle do sistema (como as válvulas e relés).
O que é uma ECU ?
ECU é a abreviação de Unidade Eletrônica de
Controle (Electronic Control Unit) e, fisicamente, nada mais é que um
módulo eletrônico responsável por realizar um determinado controle. No caso da
Arquitetura Centralizada, uma única ECU é responsável por todo o tipo de
controle existente no sistema.
Figura
2
O diagrama esquemático que representa este
conceito de arquitetura é apresentado na Figura 2.
Dentro da chamada “ECU Central” são
encontrados Hardware e Software que permitem a leitura das entradas, seu
processamento e a atuação das saídas.
Como vantagens desta arquitetura podemos
destacar:
·
Simplicidade
do Hardware utilizado na implementação do sistema, sendo constituído
basicamente pelos sensores e atuadores, uma ECU para o devido controle do
sistema e, obviamente, o cabeamento que os conecta.
·
Todos os
dados de entrada estarão disponíveis à ECU durante toda a operação do sistema,
não sendo crítica a lógica de varredura e coleta de informações de cada um dos
sensores existentes.
Como desvantagens podemos destacar:
·
Grande
quantidade de cabeamento requerido para conectar os sensores e atuadores à ECU,
especialmente em grandes aplicações, o que dificulta a manufatura do veículo e
a sua eventual manutenção.
·
Limitação
das possibilidades de expansão do sistema, uma vez que qualquer alteração na
ECU significará a modificação de seu Hardware e/ou Software e, eventualmente,
na condição de trabalho das funções originais do sistema.
Arquitetura
Distribuída
Existe a possibilidade de se utilizar, em
um mesmo sistema de controle, várias ECU´s interligadas, dividindo entre elas a
execução das diversas funções existentes no veículo.
O diagrama esquemático que representa este
conceito de arquitetura é apresentado na Figura 3.
As ECU´s 1, 2 e 3 são responsáveis pela
leitura direta das entradas do sistema, enquanto que as ECU´s 4 e 5 são
responsáveis pelo comando das saídas. Além disso, no diagrama apresentado,
qualquer uma das ECU´s, dependendo das funções existentes neste sistema de
controle, poderá participar do processamento dos dados e da atuação das saídas.
Como vantagens desta arquitetura podemos
destacar:
·
Quantidade
reduzida de cabeamento do sistema, uma vez que, tendo várias ECU´s disponíveis,
poderemos instalá-las bem próximas aos sensores e atuadores, reduzindo o
cabeamento mais pesado da implementação, formado basicamente por pares e pares
de fios utilizados na conexão das entradas e saídas nas ECU´s.
·
Menor tempo
de manufatura do veículo (exatamente pela menor quantidade de cabeamento
necessário).
·
Maior
robustez do sistema de controle, por termos reduzido as possibilidades de
quebra de um dos circuitos ou o aparecimento de mal contato em determinado
conector (novamente pela menor quantidade de cabeamento necessário).
·
Permite a
ampliação do sistema com significativa facilidade, garantindo que alterações em
uma determinada função do veículo, impactem somente em uma ou em parte das
ECU´s.
·
Facilita a
criação do software de aplicação de cada ECU, uma vez que possibilita a sua
modularização e distribuição de responsabilidades entre elas.
·
Possibilita
a modularização do projeto do sistema e da execução dos testes de validação,
aumentando a confiabilidade da implementação e reduzindo os prazos envolvidos
no desenvolvimento.
Como desvantagens podemos destacar:
·
Obriga a
utilização de um meio de comunicação entre as ECU´s, meio este comumente
chamado de Protocolo de Comunicação.
·
Implica na
existência de um software de controle para a rede de comunicação que interliga
as ECU´s, cuja dificuldade de desenvolvimento depende diretamente da escolha do
protocolo de comunicação.
·
Difícil
determinação da taxa de transmissão ideal para uma dada aplicação, o que
impacta diretamente nos tempos internos do software de controle e na escolha
dos componentes eletrônicos a serem utilizados no projeto das ECU´s.
Explicadas as vantagens e desvantagens
fundamentais dos dois conceitos de arquitetura normalmente utilizados, devemos
acrescentar que a decisão de escolha de uma delas para uma dada aplicação
móvel, depende da ponderação de diversos fatores. Dentre eles podemos destacar:
·
A
complexidade do sistema a ser controlado (quantidade de variáveis de entrada e
saída e o tamanho físico do sistema).
·
A
disponibilidade dos componentes eletrônicos requeridos à montagem das ECU´s e à
medição e atuação no sistema.
·
A robustez,
mecânica (como às vibrações) e elétrica (como às interferências
eletro-magnéticas), requerida pelo sistema a ser controlado.
·
O tempo
necessário à implantação da arquitetura (projeto, construção de protótipos e
validação).
·
O custo
desejado do sistema final (limitações inerentes ao orçamento).
O relacionamento entre os fatores
anteriormente colocados, considerando-se uma determinada aplicação móvel, é que
determinará o conceito de arquitetura mais apropriado ao sistema a ser
controlado. Tal desafio é enfrentado quase que diariamente pelas empresas
montadoras de veículos.
Uma das maiores dificuldades da engenharia
de produtos de uma montadora é determinar a arquitetura elétrica de um novo
modelo; garantindo o mínimo de funções desejadas pelos futuros clientes, dentro
dos limites de custo de projeto e produto final determinados pela empresa.
Normalmente, os produtos têm seu
desenvolvimento iniciado com três ou quatro anos de antecedência ao seu
lançamento, o que dificulta ainda mais a tomada de decisão sobre qual seria a
melhor solução de engenharia para determinado projeto. Tal trabalho precisa
relacionar as visões de Engenharia Avançada (tecnologia), Marketing Estratégico
(mercado) e Político-Econônica (orçamento) da região à que se destina o novo
produto.
De todo modo, a Figura 4 ilustra a
tendência da relação entre a responsabilidade de cada ECU de um determinado
sistema de controle e a complexidade deste sistema como um todo, nessas duas
alternativas – Centralizada e Distribuída.
Figura 4
Analisando friamente cada um dos conceitos
de arquitetura apresentados, não só do ponto de vista da evolução tecnológica,
mas também das possibilidades futuras de expansão de funções com o mínimo de
alteração no sistema de controle do veículo como um todo, podemos considerar a
Arquitetura Distribuída a mais interessante.
Diante deste posicionamento, faz-se
necessária a utilização de um protocolo de comunicação que permita a
interconexão das ECU´s e a troca dos dados pertinentes a cada uma das funções
controladas pelo sistema. Nesta linha de raciocínio, dentre os diversos
protocolos de comunicação existentes, os de comunicação serial
mostram-se tecnicamente mais adequados e, mais adiante, dentro desta classe de
protocolos, o CAN (Controller Area Network) tem grande destaque.
EXEMPLOS DE SISTEMAS EXISTENTES
Após definirmos as arquiteturas
normalmente utilizadas em veículos automotores, nada como colocar um exemplo
prático de cada uma delas para fiquem claras suas diferenças principais.
A figura 5 mostra um veículo cuja
Arquitetura Elétrica é fundamentada no conceito Centralizado. Perceba que são
ilustrados, além de dois sistemas de controle (o de Iluminação Externa e o
Levantador Elétrico dos Vidros), quatro módulos principais: O ECM (Módulo de
Controle do Motor); o Rádio; o IPC (Instrumentos do Painel) e o BCM (Módulo de
Controle da Carroçaria).
Neste exemplo, o BCM recebe, de forma discreta,
os sinais de entrada (interruptores de comando) dos respectivos sistemas e,
após trabalhar internamente com estas informações, atua, também de forma
discreta, nas saídas (lâmpadas e motores elétricos). O BCM centraliza o
controle destes sistemas, sendo totalmente independente dos demais módulos
existentes no veículo.
Da mesma forma, o ECM, o Rádio e o IPC,
recebem seus sinais de entrada, processam cada um deles e atuam sobre as
respectivas saídas. Como exemplo, o ECM recebe, dentre vários sinais, a Posição
do Pedal do Acelerador, atuando em seguida na Borboleta, alterando sua posição.
O Rádio, recebe o sinal da Chave de Ignição, atuando no controle Liga / Desliga
do sistema. Já o IPC, recebe o sinal de Velocidade do veículo e atua no
Ponteiro de Indicação da Velocidade.
Para realizar os controles dentro deste
conceito de arquitetura, note que nenhum protocolo de comunicação é necessário.
Basta que as ECU´s possuam portas de Entrada e Saída discretas e um algoritmo
interno de controle, muitas vezes de concepção simples.
Figura 5
A figura 6 mostra um veículo cuja
Arquitetura Elétrica é fundamentada no conceito Distribuído. Perceba que são
ilustrados neste exemplo, os mesmos módulos considerados na ilustração
anterior. Entretanto, neste caso, as ECU´s estão interconectadas por três Redes
de Comunicação de Dados diferentes:
REDE 1: Responsável pela troca de dados entre o ECM e o BCM
1, esta rede trabalha com taxa de transmissão de dados de alta velocidade.
REDE 2: Responsável pela comunicação entre o Rádio e o IPC,
esta rede trabalha com taxa de transmissão de dados de média velocidade.
REDE 3: Responsável pela interconexão dos BCM´s 1 e 2 e o
IPC, esta rede de comunicação de dados trabalha com taxa de transmissão de
baixa velocidade.
Neste conceito de arquitetura, um sinal
recebido por uma das ECU´s poderá ser enviado, através das redes de
comunicação, para qualquer uma das demais ECU´s.
Como exemplo, o Sinal de Velocidade do
Motor poderia ser medido pelo BCM 1 (por este estar mais próximo do Sensor da
Roda Dianteira), colocado por este módulo nas redes 1 e 3, de onde seria
coletado respectivamente pelo ECM e pelo IPC que, respectivamente, o
utilizariam nos Cálculos do Sistema de Injeção e na Indicação da Rotação do
Motor ao motorista.
Perceba que, com apenas uma medição, um
determinado sinal pôde ser utilizado por duas ECU´s distintas. Esta é uma das
grandes vantagens de uma Arquitetura Distribuída – a maximização da
utilização dos dados disponíveis no veículo.
Figura 6
A pergunta que deve ser respondida agora
é: Como realizar a comunicação entre as ECU´s ?
Ou melhor: Qual protocolo utilizar em
aplicações automotivas, garantindo que todos os critérios de desempenho e
segurança estejam presentes ?
A resposta para esta pergunta é: CAN
Bus (ou barramento CAN), que será detalhado na próxima parte deste artigo.