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AutorMaciel da Costa FurtadoBacharel em Engenharia Mecânica e mestre em Engenharia Mecânica na área de Térmicas e Fluidos pela Universidade Federal do Pará (UFPA). É professor assistente da Faculdade de Engenharia Mecânica da UFPA. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Mecânica Aplicada a Sistemas Mecânicos e Térmicos e Fluidos. Doutorado em andamento em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (PRODERNA) pela Universidade Federal do Pará (UFPA).

Copyright © 2018 por NT Editora.Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por

qualquer modo ou meio, seja eletrônico, fotográfico, mecânico ou outros, sem autorização prévia e escrita da NT Editora.

Furtado, Maciel da Costa.

Sistemas eletroeletrônicos automotivos / Maciel da Costa Furtado – 1. ed. – Brasília: NT Editora, 2018.

166 p. il. ; 21,0 X 29,7 cm.

ISBN 978-85-8416-283-3

1. Eletricidade. 2. Automóvel.

I. Título

Design InstrucionalVinícius Abreu

RevisãoMariana CarvalhoFilipe Lopes

Editoração EletrônicaLaíse Caldeira

Projeto GráficoNT Editora

CapaNT Editora

IlustraçãoRodrigo Souza

NT Editora, uma empresa do Grupo NT SCS Quadra 2 – Bl. C – 4º andar – Ed. Cedro IICEP 70.302-914 – Brasília – DFFone: (61) [email protected] e www.grupont.com.br

LEGENDA

ÍCONES

Prezado(a) aluno(a),Ao longo dos seus estudos, você encontrará alguns ícones na coluna lateral do mate-rial didático. A presença desses ícones o(a) ajudará a compreender melhor o conteúdo abordado e a fazer os exercícios propostos. Conheça os ícones logo abaixo:

Saiba maisEsse ícone apontará para informações complementares sobre o assunto que você está estudando. Serão curiosidades, temas afins ou exemplos do cotidi-ano que o ajudarão a fixar o conteúdo estudado.

ImportanteO conteúdo indicado com esse ícone tem bastante importância para seus es-tudos. Leia com atenção e, tendo dúvida, pergunte ao seu tutor.

DicasEsse ícone apresenta dicas de estudo.

Exercícios Toda vez que você vir o ícone de exercícios, responda às questões propostas.

Exercícios Ao final das lições, você deverá responder aos exercícios no seu livro.

Bons estudos!

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Sumário1 ARQUITETURA DO SISTEMA DE REDE VEICULAR E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO .................................................................................................. 9

1.1 Arquitetura centralizada .....................................................................................................91.2 Arquitetura distribuída ...................................................................................................... 131.3 Protocolos (redes) de comunicação e comunicação de dados .......................... 161.4 Protocolo CAN BUS ou rede CAN BUS ......................................................................... 21

2 DIAGNÓSTICOS DE DEFEITOS NOS COMPONENTES ELÉTRICOS ............ 30

2.1 Ferramentas de diagnóstico ............................................................................................ 302.2 Funcionamento da verificação de falha ...................................................................... 372.3 Painel de instrumentos ..................................................................................................... 442.4 Padrões e normas dos protocolos de diagnóstico .................................................. 462.5 Tipos de problema de reparação eletrônica .............................................................. 49

3 ACUMULADORES ELÉTRICOS ..................................................................... 55

3.1 Tipos de acumuladores .................................................................................................... 553.2 Princípio de funcionamento ............................................................................................ 593.3 Principais parâmetros do acumulador e tipo de ligação dos acumuladores 633.4 Diagnóstico e verificação da bateria automotiva .................................................... 65

4 SISTEMA DE CARGA ...................................................................................... 74

4.1 Principais partes................................................................................................................... 744.2 Fundamentos teóricos da geração de energia ........................................................ 784.3 Circuito elétrico geral do alternador ........................................................................... 814.4 Regulador de tensão .......................................................................................................... 854.5 Construção dos alternadores e funcionamento das ligações estrela-triângulo ... 894.6 Reparação dos alternadores ........................................................................................... 91

5 SISTEMA DE PARTIDA .................................................................................100

5.1 Principais partes do sistema de partida ....................................................................1005.2 Funcionamento e cuidados gerais do sistema de partida .................................1055.3 Diagnóstico ........................................................................................................................108 5.4 Instalação .............................................................................................................................113

6 SISTEMAS ELÉTRICOS AUTOMOTIVOS ....................................................119

6.1 Central eletrônica, sensores e atuadores .................................................................1196.2 Sistema de injeção eletrônica e sistema de travamento de portas ................127

5Sistemas eletroeletrônicos automotivos

6.3 Sistema de vidro elétrico e limpador de para-brisas ............................................1306.4 Sistemas de iluminação, sinalização e climatização .............................................133

7 CAIXA DE FUSÍVEIS .....................................................................................141

7.1 Fusíveis .................................................................................................................................1417.2 Relés (relês) .........................................................................................................................1447.3 Localização da caixa de fusíveis e tabelas de especificações ............................1507.4 Substituição de fusíveis e relés .....................................................................................157

GLOSSÁRIO .....................................................................................................164

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................166


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APRESENTAÇÃO

Caro estudante,

Seja bem-vindo aos Sistemas Eletroeletrônicos Automotivos!

Ao longo dos últimos anos, a indústria automotiva cada vez mais vem incorporando sistemas eletrônicos de controle e acionamentos controláveis. No início dessa transformação, por exemplo, ocorreu uma substituição do sistema de ignição com platinado pela ignição eletrônica, paralelamente a isso, ocorreu o surgimento da injeção eletrônica. Mudanças como essas têm mostrado que a utiliza-ção da eletroeletrônica em veículos automotivos cresceu exponencialmente nos últimos anos.

A busca por veículos automotivos cada vez mais modernos e competitivos tem levado as mon-tadoras do setor a desenvolver sistemas eletroeletrônicos cada vez mais complexos e eficientes. Tais sistemas têm por finalidade controlar todos os dispositivos possíveis, entre os quais podemos citar a injeção eletrônica, o freio ABS, os sistemas de conforto, os alarmes, as travas de segurança, entre outros. Portanto, o conhecimento dos princípios de funcionamento dos sistemas eletroeletrônicos automotivos é, hoje, uma necessidade do profissional que deseja trabalhar na área.

Pode-se dizer que, nos dias de hoje, a parte elétrica do veículo está se transformando em ele-trônica. Do ponto de vista da tecnologia automotiva, os sistemas eletroeletrônicos são responsáveis por controlar praticamente toda a instalação nos modelos. Contudo, devido à dependência cada vez maior desses sistemas e da quantidade de energia empregada no processo, as chances de falhas no funcionamento do motor estão cada vez mais ligados a esses sistemas. Devido a isso, são necessárias várias revisões no veículo e um conhecimento cada vez mais aprofundado sobre o assunto por parte do mantenedor.

Este material foi desenvolvido com o intuito de preparar o profissional de manutenção auto-motiva para o mercado de trabalho. Ele funciona como instrumento de orientação, de maneira a pro-porcionar o entendimento e o diagnóstico de falhas de componentes eletroeletrônicos relacionados ao setor automotivo. Este conteúdo, portanto, auxiliará no aprendizado e servirá como material de consulta visando a oferecer informações detalhadas aplicáveis no dia a dia do profissional. Assim, es-peramos que você tire o máximo proveito deste livro.

Bons estudos!

Maciel da Costa Furtado


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1 ARQUITETURA DO SISTEMA DE REDE VEICULAR E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

A arquitetura elétrica do sistema de rede veicular pode ser definida como o sistema responsável por todos os componentes do conjunto eletroeletrônico do veículo. Essa arquitetura é constituída por módulos que se interligam e compartilham dados e funções. Em outras palavras, podemos dizer que a arquitetura elétrica automotiva é uma estratégia de organização das funções de rede, de hardware e de software.

A arquitetura elétrica que compõe o veículo pode ser de dois tipos: arquitetura centralizada e arquitetura distribuída. Mais adiante vamos estudar sobre cada tipo de arquitetura elétrica.

Na arquitetura distribuída, é necessário um protocolo de comunicação para que os dados rece-bidos e enviados entres os módulos sejam transmitidos. As classificações dos protocolos são estabe-lecidas pela SAE. Esses protocolos ainda possuem padrão nas camadas de transmissão de dados – um exemplo desse padrão é estabelecido pela OSI (ISO 7498).

Objetivos

Ao finalizar esta lição, você deverá ser capaz de:

• saber as diferenças entre as arquiteturas elétricas;

• conhecer os significados das siglas dos módulos presentes nas arquiteturas;

• identificar as classificações dos protocolos conforme a SAE;

• entender as funções de cada camada da transmissão de dados;

• compreender o funcionamento do protocolo CAN Bus.

1.1 Arquitetura centralizada

Está preparado para conhecer o que são as arquiteturas centralizadas da rede veicular? O que são e como funcionam?

A arquitetura centralizada caracteriza-se por apresentar, no automóvel, uma única central in-teligente de controle, denominada de unidade eletrônica de controle (ECU). Essa central inteligente recebe os sinais analógicos e digitais de entrada provenientes de sensores, interruptores, chaves de comando, atuadores, transdutores, entre outros originadores de sinal; em seguida, processa e coman-da os sinais de saídas aos componentes do automóvel.

Esse controle exercido pela ECU é exercido por softwares e hardwares cada vez mais desenvol-vidos.

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Entre os elementos que se associam com a arquitetura centralizada, é importante destacar os sensores e os atuadores.

• Os sensores são dispositivos que monitoram diversas grandezas físicas e químicas, como, por exemplo, pressão de óleo, velocidade, temperatura do líquido de arrefecimento, nível de combustível etc. Por meio desse monitoramento, é possível adquirir os dados necessá-rios para enviar aos módulos.

• Os atuadores, por sua vez, são componentes responsáveis pelo controle de um meca-nismo ou sistema, eles recebem os sinais elétricos dos módulos e os convertem em mo-vimentos mecânicos, como, por exemplo, bobinas, eletroventilador de arrefecimento, bomba de combustível, etc.

Relação dos sensores e dos atuadores com a unidade de controle

Saiba mais

Os interruptores dos veículos são classificados em duas categorias: • os interruptores de toque (touch switches), que recebem a ação direta dos usuários, como, por exemplo, interruptor de freio, interruptor de ré, interruptor de luzes, chaves de seta, etc.; • os interruptores ocultos (hidden switches) são dispositivos que não recebem ação direta dos usuários, como, por exemplo, interruptor de pressão hidráulica, interruptor de ignição, etc.

Na figura abaixo, podemos ver um diagrama esquemático de uma arquitetura centralizada, em que se destaca a presença de uma única unidade eletrônica de controle (ECU).

Diagrama esquemático de uma arquitetura centralizada


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Na arquitetura centralizada, temos como vantagem:

• a simplicidade, pois sua construção é constituída apenas por sensores, atuadores e uma ECU interligados pelo cabeamento entre eles;

• os dados de entrada estarão disponíveis na ECU durante a operação e, pela simplicidade, possuem uma lógica comum e fácil de identificar.

Nessa arquitetura centralizada, temos como desvantagens:

• enorme quantidade de fios e cabos, onerando o custo construtivo e a manutenção duran-te a vida útil do veículo;

• expansão limitada do sistema, dada a impossibilidade de alterações utilizando a mesma ECU, o que só seria possível modificando-se o software ou até mesmo o hardware do ve-ículo.

Importante Para realizar a transmissão de dados na arquitetura centralizada, não se faz necessário o uso de nenhum protocolo de comunicação. Portanto, basta que as ECUs tenham porta de entrada e saída discretas e uma sequência de instruções (algoritmo).

Exemplo do funcionamento de uma arquitetura centralizada

Na figura abaixo, podemos analisar um automóvel que possui arquitetura centralizada. Observe que são demostrados dois sistemas de controle: iluminação externa e levantador elétrico dos vidros. Além desses sistemas, observam-se quatro módulos: instrumentos do painel (IPC), módulo de contro-le da carroçaria (BCM), módulo de controle do motor (ECM) e o rádio.

Exemplo de arquitetura centralizada

O instrumento do painel (IPC), o módulo de controle da carroceria (BCM), o módulo do controle do motor (ECM) e o rádio recolhem os sinais de entrada através dos interruptores de comandos dos sistemas e, em seguida, processam as informações e procedem sobre suas saídas.

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O BCM é um módulo que centraliza o controle dos sistemas, conferindo, regulando e coman-dando os dispositivos eletroeletrônicos do automóvel. Portanto, integra as funções de todos esses dispositivos para facilitar e melhorar o desempenho do sistema eletroeletrônico do automóvel.

A seguir, vamos exemplificar o recebimento de sinais, o processamento de informações e os sinais de saída dos módulos ECM, IPC e do rádio.

• Para o funcionamento otimizado da injeção eletrônica, o módulo de controle do motor (ECM) recebe informações através dos sensores (sinais de entrada) sobre o funcionamen-to do motor, tais como pressão, velocidade, temperatura, entre outras. Em seguida, as informações são utilizadas para gerenciar de forma mais eficaz o funcionamento dos atu-adores, como bobina de faísca, ventoinha de arrefecimento, motor de passo, bomba de combustível etc.

• O IPC recebe o sinal de entrada da velocidade do automóvel, processa as informações e, em seguida, por meio do sinal de saída, aciona o ponteiro de indicação da velocidade.

• O rádio, por meio da chave de ignição, recebe o sinal de entrada e atua no comando de ligar e desligar o sistema.

Automatizando o conhecimento A respeito da arquitetura centralizada, analise os itens que seguem e marque a alternativa correta. I. A arquitetura centralizada geralmente apresenta mais de uma central inteligente de controle ECU (unidade eletrônica de controle). II. Os dados de entrada e saída estão disponíveis na ECU durante a operação. III. O uso de um protocolo é primordial para o funcionamento da arquitetura centralizada. IV. Uma vantagem da utilização da arquitetura centralizada é a enorme quantidade de fios e cabos, onerando o custo construtivo e a manutenção durante a vida útil do veículo. As afirmativas corretas são: a) todas estão corretas. b) apenas a II está correta. c) I, II e IV estão corretas. d) II e III estão corretas. Comentário: se você marcou a alternativa “b”, está correto, pois a ECU nesse caso trabalha ne-cessariamente com os dados de saídas e entradas. Vamos analisar os erros das opções I, III e IV. Na opção I, o erro encontra-se na afirmação de que a arquitetura centralizada precisa de mais de uma central de inteligência (ECU), pois uma das principais características dessa arquitetura é trabalhar com apenas uma central de dados. Na opção III, o erro encontra-se na afirmação de que é necessário um protocolo para esse tipo de arquitetura, mas sabemos que o protocolo se torna necessário apenas na arquitetura distri-buída, pois nela existe mais de uma ECU que necessita de delegações de funções e padrões das camadas de dado. Na opção IV, o erro encontra-se na afirmação de que é vantajosa a grande quantidade de fios, porém sabemos que essa quantidade grande de cabeamento torna o processo de instalação e manutenção mais caro.


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1.2 Arquitetura distribuída

A arquitetura distribuída, por sua vez, caracteriza-se pela utilização de várias unidades eletrô-nicas de controle (ECUs), interligadas por um sistema único de controle do veículo. Repartindo entre essas ECUs as diversas funções exercidas pelos componentes do veículo, é possível montar um orga-nograma de interconexões com modularização, como podemos verificar na figura a seguir.

Organograma de interconexões com modularização

Na figura anterior, as ECUs 4 e 5 são responsáveis pela leitura dos sinais de entrada do sistema; por sua vez, as ECUs 1, 2 e 3 são encarregadas pelos sinais de saída. Entretanto, dependendo das fi-nalidades contidas no sistema, qualquer uma das ECUs poderá atuar no processamento de entrada e saídas dos sinais.

Na arquitetura distribuída, temos como vantagens:

• baixa quantidade de cabos e fios, o que desonera a construção e a manutenção veicular, pois as conexões das ECUs podem ser alocadas muito próximas dos sensores e dos atua-dores. Logo a fiação é curta;

• processo construtivo do veículo mais rápido, pela facilidade de montagem relacionada ao baixo volume e às passagens de fios e cabos na lataria do veículo;

• considerável robustez do sistema, pela baixa exposição do cabeamento, justamente pelo menor volume exposto a mau contato e ressecamento pelo ambiente agressivo em que está envolvido o veículo (poeira, calor, vibração etc.);

• expansão do sistema facilitada pela troca apenas da ECU secundária que se deseja mo-dernizar, permanecendo os demais componentes do sistema inalterados, diminuindo-se de forma considerável o tempo de modernização do sistema;

• a modularidade do sistema permite diminuição do tempo de desenvolvimento do proje-to, assim como o upgrade dos sistemas pela simples substituição de software, podendo-se atribuir a cada ECU responsabilidades e atribuições específicas, dada a individualidade de cada ECU secundária gerada por essa modularidade, aumentando a confiabilidade do sistema.

Na arquitetura distribuída, temos como desvantagens:

• só é possível realizar a comunicação entre as ECUs por meio de um protocolo de comu-nicação;

• necessidade de um software de controle que deve possuir padrões que aceitem o proto-colo de comunicação;

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• elaboração de um projeto mais robusto que suporte as taxas de transmissão ideal para cada aplicação e seu componente, assim como tempos internos exigidos pelos softwares de cada ECU.

Exemplo do funcionamento de uma arquitetura distribuída

Na figura a seguir, vamos analisar um exemplo de arquitetura distribuída, utilizando os mesmos módulos e sistemas do exemplo de arquitetura centralizada. Contudo, na arquitetura distribuída, as ECUs estão interligadas por diferentes redes de comunicação de dados.

Exemplo de arquitetura distribuída

• A rede 1 é encarregada pela troca de comandos entre a ECM e o BCM 1, sendo a velocida-de de transferência de dados alta nessa rede.

• A rede 2 é encarregada pela troca de dados entre o painel de controle de instrumentos (IPC) e o rádio. A velocidade de transmissão de comandos entre esses módulos é média.

• A rede 3 é encarregada pela interconexão do IPC com os BCMs 1 e 2. A velocidade de transmissão de informações entre esses módulos é baixa.

Por meio dessas redes de comunicação de dados, um sinal de entrada de uma ECU pode ser transmitido para outra ECU.

Para que você entenda melhor o funcionamento desse tipo de arquitetura, vejamos um exem-plo passo a passo:

1. um sensor de velocidade da roda dianteira envia um sinal para o BCM1;

2. logo em seguida, o sinal é reenviado para o IPC pela rede 3;

3. como resultado, a indicação da velocidade (velocímetro) aparece no painel de instrumen-tos.


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Importante A escolha da arquitetura elétrica é uma solução primordial para dar suportabilidade aos compo-nentes do automóvel, portanto sua escolha é crucial para o sucesso do produto. A responsabili-dade de cada ECU e a complexidade do sistema são, sem dúvida, o cerne da decisão, como po-demos ver na figura a seguir.

Aplicação dos tipos de arquiteturas

Agora você irá entender por que uma montadora de automóveis decide, de maneira geral, qual arquitetura elétrica utilizará em determinado projeto veicular.

Essa montadora deverá observar, entre outras questões:

• custo compatível com o projeto, que varia desde o carro popular até carros sofisticados, sendo que a faixa de compradores do veículo possui exigências de conforto e utilidade;

• o tempo de desenvolvimento do projeto, levando em conta que a arquitetura escolhida não deverá impactar o tempo de lançamento do veículo, considerando as fases relativas aos protótipos e à validação do projeto;

• o tipo de robustez necessária ao sistema para enfrentar as condições ambientais adver-sas, relativas a: vibração, calor, ondas eletromagnéticas, umidade, poeira, etc.;

• a disponibilidade mercadológica dos componentes e respectivos acessórios (montagem, medição, diagnóstico, etc.);

• o nível de complexidade e a diversidade de aplicações;

• o atendimento das exigências do público consumidor (tecnológicas, segurança, entrete-nimento, conforto, etc.).

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Automatizando o conhecimento A respeito do que acabamos de estudar sobre arquitetura distribuída e seu funcionamento, as-sinale a alternativa incorreta. a) Na arquitetura distribuída, uma grande vantagem é a baixa quantidade de cabos e fios.

b) Só é possível realizar a comunicação entre as ECUs por meio de um protocolo de comunicação.

c) Necessidade de um software de controle que possua padrões que aceitem o protocolo de

comunicação.

d) As ECUs não estão interligadas entre si, cada uma trabalha com uma função separadamente.

Comentário: a alternativa incorreta é a “d”, pois as ECUs são interligadas por um sistema único,

dividindo entre elas as diversas funções.

1.3 Protocolos (redes) de comunicação e comunicação de dados

Os protocolos de comunicação são fundamentais para a transmissão e a recepção de dados que transitam entre as ECUs, os sensores e os atuadores do automóvel.

O desenvolvimento desses protocolos segue um padrão instituído pela SAE (Society of Automo-tive Engineers). A SAE classifica os protocolos em classes A, B e C e outras classificações extras (redes de entretenimento e redes sem fio). Entre os critérios estabelecidos, estão a capacidade de transmissão, a satisfação dos requisitos operacionais e a facilidade de manutenção.

Importante Os protocolos de comunicação viabilizam a implementação de determinada arquitetura, mas permitem, principalmente, a realização de diagnóstico de falhas.

A seguir, exemplificamos as classes de protocolos A, B, C, redes de entretenimento e redes sem fio, conforme Santos (2010).

Na classe A, a taxa de transmissão de dados é baixa (10 kbps a 50 kbps), portanto é utilizada em funções de conforto para os usuários, como, por exemplo, lâmpadas internas, vidro elétrico, controle de bancos, retrovisor, etc. Outra função que essa classe pode exercer é o diagnóstico do sistema ele-troeletrônico do veículo por meio de protocolos de comunicação. Na tabela abaixo, são demonstrados alguns exemplos de protocolos da classe A e suas características.


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Protocolos de classe A

Na classe B, a taxa de transmissão dos protocolos é de 250 Kpbs a 500 Kbps, sendo que não são necessários elevados requisitos de comunicação. Normalmente, são utilizados na transmissão entre ECUs. Na tabela abaixo, são demonstrados exemplos de protocolos que utilizam a classe B.

Protocolos de classe B

Fonte: SANTOS, 2010.

Na classe C, a taxa de transmissão é alta (Mbps a 25 Mpbs), e essas transmissões costumam ser utilizadas no sistema de segurança. Na tabela abaixo, são demonstrados exemplos de protocolos que utilizam a classe C.

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Protocolos de classe C


Na classe de redes de entretenimento, as transmissões de dados podem ser feitas por meio das funções de entretenimento, como DVD, rádio, amplificadores, alto-falantes, microfones, sistema de reconhecimento de voz, etc. Na tabela a seguir, são demonstrados protocolos que utilizam esse tipo de classe.

Protocolos da classe de entretenimento



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Na classe de redes sem fio, temos as funções de logística e roteirização. Entre as tecnologias que utilizam esse tipo de classe, temos o bluetooth e o wi-fi. Na tabela a seguir, são listados alguns proto-colos que utilizam a classe redes sem fio.

Protocolos da classe redes sem fio


Comunicação de dados: padrão de sete camadas

No mundo globalizado, não existe mais espaço para tecnologias proprietárias, isto é, as tecno-logias tendem a ser abertas, seguindo um padrão internacional, de modo que fabricantes, comprado-res e usuários usem a mesma linguagem, pois só assim um produto poderá ser utilizado globalmente.

A transmissão de dados entre os componentes automotivos é realizada pelos protocolos de comunicação, que são fundamentais na troca de informações entre as ECUs e seus componentes equi-pados com microcontroladores e transceivers (transceptores). No nosso caso, esses protocolos (redes) de comunicação seguem padrões internacionais, a exemplo da SAE e da ISO.

Um exemplo que representa muito bem essa situação é o padrão OSI de sete camadas (ISO 7498), que consiste na definição de níveis de responsabilidade para cada uma das sete camadas que compõem o processo de comunicação, que são predeterminadas conforme abaixo:

Camada 7 → Aplicação

Camada 6 → Apresentação

Camada 5 → Sessão

Camada 4 → Transporte

Camada 3 → Rede

Camada 2 → Enlace de dados

Camada 1 → Física

Vejamos agora alguns detalhes sobre cada camada:

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• camada 1 (física): congrega as especificações físicas e também as especificações elétricas dos dispositivos ligados ao barramento de dados;

• camada 2 (enlace de dados): é chamada também de camada de link de dados. Essa ca-mada tem como função corrigir possíveis erros gerados na camada 1, permitindo a troca (enlace) de dados gerados e recebidos pelos dispositivos;

• camada 3 (rede): realiza o roteamento na rede, garantindo que os dados sejam trocados entre receptores e transmissores;

• camada 4 (transporte): controla a confiabilidade do fluxo (transporte) de dados, segmen-tando as informações e controlando erros eventuais;

• camada 5 (sessão): gerencia as conexões estabelecendo e finalizando as conexões entre os módulos conectados à rede de comunicação de dados;

• camada 6 (apresentação): também chamada de camada de tradução, nessa camada os dados transmitidos são padronizados de forma que possam ser manipulados pela cama-da 7. Pode comprimir os dados, melhorando, assim, o desempenho da rede, pois menos dados serão transmitidos para a camada inferior (camada 5);

• camada 7 (aplicação): é a camada superior, destinada a serviços de aplicações superiores (programas) no topo. Ela é a interface principal entre o usuário e o sistema.

Automatizando o conhecimento Analise as informações a seguir e marque a alternativa correta sobre a classificação dos protoco-los e o padrão de sete camadas. I. Na classe C, a taxa de transmissão de dados é baixa; por sua vez, a classe A apresenta uma taxa de transmissão alta. II. A transmissão de dados é realizada por meio dos protocolos. III. A camada 3 do padrão de protocolos é responsável pela padronização de dados que serão manipulados pela camada 2. IV. Os dados do sistema podem ser comprimidos pela camada 6, melhorando o desempenho do sistema. As opções corretas são: a) I, II e IV. b) II e III. c) I, III e IV. d) II e IV. Comentário: se você pensou na alternativa “d”, está correto. Vamos analisar os erros nas outras opções. Na opção I, o erro encontra-se na confirmação da qualidade de transmissão de dados nas classes C e A. Portanto, o correto seria afirmar que a classe A tem taxa de transmissão baixa, e a classe C, taxa de transmissão alta. Na opção III, o erro está em afirmar que a camada 3 pode comprimir os dados do sistema, mas sabemos que essa função pode ser executada apenas na camada 6.


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1.4 Protocolo CAN BUS ou rede CAN BUS

Agora você conhecerá o protocolo CAN, contido nas classes B e C e já representado anterior-mente em algumas tabelas, e verá como ele revolucionou a indústria automobilística, pois permitiu a maior variedade de configurações possíveis, o que permite atender à maioria das necessidades de troca de dados entre os dispositivos dos veículos mais modernos.

Esse protocolo denominado CAN Bus (barramento – controller area network) contém os seguin-tes diferenciais:

• o CAN faz sincronismo entre os módulos (ECUs) realizado no início de cada mensagem lançada ao barramento, por meio de intervalos de tempo conhecidos;

• utiliza o conceito multimestre, cujo princípio é: em dado momento, o módulo é mestre e, em outro momento, o mesmo módulo é escravo de outro módulo que era escravo e se tornou mestre, assim sucessivamente, aplicando o conceito de multicast, que significa que todos os módulos enviam e recebem mensagens;

• também se aproveita do conceito de carrier sense multiple acess/collision detection with non-destyructive arbitration (CSMA/CD with NDA), pois os módulos analisam o status do barramento, verificando se outro módulo está enviando mensagens com maior priori-dade ou de menor prioridade. Caso isso seja identificado, aquele módulo de mensagem com menor prioridade para sua transmissão e aquele de maior prioridade continuam transmitindo desse ponto, no entanto sem reiniciá-la;

• aplica também o conceito NRZ (non return to zero), em que o bit 0 e o bit 1 possuem tensão elétrica específica para cada tipo de bit.

Uma característica importante do protocolo CAN Bus é a proporcionalidade existente entre o comprimento do barramento e a taxa de transmissão (velocidade de transmissão de dados), conforme podemos ver na figura abaixo.

Configuração básica de uma rede CAN

Saiba mais

O protocolo CAN Bus foi desenvolvido pela Bosch, empresa multinacional alemã de engenharia e eletrônica, na década de 1980.

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No CAN Bus, a taxa de transmissão é inversamente proporcional ao comprimento do barramen-to, conforme mostrado no gráfico abaixo.

Gráfico taxa de transmissão x comprimento do barramento de um protocolo CAN Bus

No protocolo CAN Bus, ao utilizar fios elétricos, pode-se montar um barramento de três formas:

• com um fio: o fio de dados é chamado de linha CAN;

• com dois fios: permite trabalhar com sinais de dados CAN High (CAN_H) e CAN Low (CAN_L);

• com quatro fios: permite trabalhar com sinais de dados CAN High (CAN_ H) e CAN Low (CAN_L) e mais um fio com VCC (alimentação elétrica) e outro com o GND (referência).

Importante Para as formas de dois e quatro fios, esses fios devem ser trançados, e não blindados, pois a in-terferência eletromagnética não tem efeito sobre o par trançado, porque os dados transmitidos são interpretados pela diferença de potencial (d.d.p) entre os fios CAN_H e CAN_L.

No barramento CAN, os dados são interpretados pela diferença de potência existente entre as linhas CAN_H e CAN_L. Essa diferença de potência no barramento define se os dados são dominantes ou recessivos, conforme a figura a seguir.

Bit recessivo ou dominante na rede CAN


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Vale destacar que o sistema de barramento de dados CAN ocupa hoje um lugar de destaque, e sua utilização é majoritária no mundo automobilístico, pois, após o lançamento do CAN Bus, pela Robert Bosch, as ECUs deixaram de ser interligadas por um enorme volume de cabos e passaram a utilizar uma rede de dados por meio de um barramento. A seguir, vamos observar um exemplo de utilização do protocolo CAN Bus.

Na figura a seguir, os componentes de transmissão, o motor, a embreagem, o reservatório de combustível, entre outros elementos fazem parte do controle de injeção eletrônica e direção.

Imagine que o motorista mude a marcha; nesse momento, a ECU de transmissão envia a infor-mação para que seja regulada a injeção de combustível.

Aplicação do protocolo CAN em alguns sistemas do veículo

A essa altura, você já deve ter percebido que o protocolo CAN Bus é muito significativo para as plataformas automotivas, por isso é importante compreender o formato das mensagens manipuladas por esse protocolo.

Dicionário de dados

O dicionário de dados é o conjunto de mensagens que podem ser transmitidas na rede. A forma mais eficaz de ordenar esse conjunto é por meio de uma matriz com todos os módulos da rede. Essa matriz deve conter a mensagem de função de cada módulo. Outro ponto de grande importância que deve estar contido na matriz é o intervalo de transmissões, ou seja, o tempo de atualização dos valores de mensagem. Cada mensagem presente no dicionário deve ser detalhada de bit a bit. O dicionário deve ser implementado na rede CAN por meio de um software.

Estrutura da rede CAN Bus

A estrutura da rede CAN Bus varia conforme a aplicação solicitada, podendo conter diversos módulos conectados no veículo. A quantidade máxima de conexão dos módulos em barramento da CAN Bus vai depender da norma utilizada em cada aplicação.

Em geral, a rede CAN Bus possui dois resistores (terminadores) com valores entre 120 e 124 ohms. Esses resistores são conectados à rede para proporcionar a perfeita propagação dos sinais elé-tricos.

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No barramento da rede CAN, encontram-se os condutores elétricos das linhas de comunicação e a forma como eles são conectados. Considerando uma aplicação CAN de dois fios, em que se utiliza o par trançado, a secção transversal de cada um dos fios deve ser de no mínimo 0,35 mm².

Exemplo de estrutura de uma rede CAN Bus

Importante Caso seja necessário fazer algum retrabalho no barramento, é recomendado fazer a troca do chicote elétrico danificado, pois emendas podem afetar o funcionamento da rede.

Formatos de mensagens da CAN Bus

O protocolo CAN Bus trabalha com dois formatos de mensagem: o formato CAN 2.0 A e o 2.0 B.

O formato 2.0 A possui identificador de 11 bits, permitindo um total de 2048 mensagens, con-forme podemos ver na figura abaixo:

Padrão de mensagem do CAN Bus no formato 2.0 A possui limitações em determinadas aplicações

O formato 2.0 B, por sua vez, possui 29 bits, permitindo um total de 537 milhões de mensagens, mas possui o problema do overhead (aumento do tempo de transmissão), como podemos ver na fi-gura a seguir.

CAN Bus, no formato 2.0 B, não possui limitações na quantidade de mensagens, mas possui o problema do overhead


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Portanto, utilizando ponderadamente os dois formatos, é possível atender às mais diversas ne-cessidades do veículo, bastando, para isso, conhecer as vantagens e as desvantagens de cada formato.

Importante Caso ocorra a necessidade de abrir módulos ECUs por algum motivo, tenha cuidado com cargas eletrostáticas nos microprocessadores e nas unidades de memória internas, pois, caso ocorra alguma avaria, o módulo pode não funcionar quando conectado novamente no sistema.

Automatizando o conhecimento Analise as informações a seguir sobre o protocolo CAN Bus e marque a alternativa correta. I. O formato 2.0 A do CAN é mais eficiente no tempo de transmissão do que o protocolo 2.0 B. II. No barramento CAN, os dados são interpretados pela diferença de potência existente entre as linhas CAN_H e CAN_L. III. Quanto maior a taxa de transmissão, maior deverá ser o comprimento do barramento da CAN. IV. A vantagem da utilização do barramento é a menor quantidade de cabeamento necessária. As afirmações corretas são: a) I, II e III. b) I e IV. c) I, II e IV. d) II e III. Comentário: se você marcou a alternativa “c”, você está correto. Vamos analisar a opção errada. Na opção III, o erro está em afirmar que, quanto maior for a taxa de transmissão, maior será o barramento, pois sabemos que, para melhores velocidades de transmissão de dados, os barra-mentos devem possuir uma menor extensão.

Resumindo

Nesta lição, você estudou sobre os principais tipos de arquitetura elétrica dos sistemas de redes veicular e seus protocolos de comunicação. Vimos que essas arquiteturas são responsáveis por contro-lar e fazer a comunicação entre todos os componentes eletroeletrônicos que compõem o automóvel. Essa arquitetura elétrica que compõe os veículos pode ser de dois tipos: centralizada e distribuída. Além disso, também foram mostrados os prós e os contras dessas arquiteturas.

Abordamos, também, os protocolos de comunicação, que são fundamentais para transmissão e comunicação dos dados que transitam entre as ECUs, os sensores e os atuadores do automóvel e aprendemos a classificação desses protocolos de acordo com a SAE.

Por fim, você conheceu o protocolo CAN Bus, ou rede CAN Bus, e pôde ver a revolução que ele representou para indústria automobilística.

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Veja se você se sente apto a:

• explicar as diferenças entre as arquiteturas centralizada e distribuída;

• lembrar os significados das siglas dos módulos presentes nas arquiteturas;

• indicar as classificações dos protocolos conforme a SAE;

• explanar as funções de cada camada da transmissão de dados;

• demonstrar o funcionamento do protocolo CAN Bus.

Exercícios

Questão 1 – A arquitetura elétrica do sistema de rede veicular pode ser definida como o sistema responsável por todos os componentes do conjunto eletroeletrônico do veículo. Sobre essa arquitetura, assinale a alternativa correta.

a) A arquitetura elétrica do sistema de rede veicular pode ser definida como o sistema res-ponsável por todos os componentes do painel de instrumentos.

b) Essa arquitetura é constituída por módulos que se interligam e compartilham dados e funções.

c) A arquitetura elétrica que compõe o veículo pode ser de dois tipos: arquitetura cinemá-tica e arquitetura distribuída.

d) Qualquer tipo de arquitetura pode ser instalado no veículo, pois possui a mesma estru-tura.

Questão 2 – Analise as informações a seguir acerca da arquitetura centralizada e marque a alternativa correta.

I. Apresenta uma única central de inteligente de controle (ECU).

II. Apresenta pouca quantidade de fios e cabos, onerando o custo construtivo e a manu-tenção durante a vida útil do veículo.

III. Possui expansão limitada do sistema, dada a impossibilidade de alterações utilizando a mesma ECU.

IV. A ECU recebe sinais de entrada e saídas.

As alternativas corretas são:

a) I e IV.

b) I, II e III.

c) II e III.

d) I, III e IV.

Parabéns, você fina-lizou esta lição!

Agora res-ponda às questões ao lado.


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Questão 3 – Assinale a alternativa que não representa uma vantagem ou desvantagem para a arquitetura centraliza.

a) Enorme quantidade de fios e cabos, onerando o custo construtivo e a manutenção du-rante a vida útil do veículo.

b) Expansão limitada do sistema, dada a impossibilidade de alterações utilizando a mesma ECU.

c) A simplicidade, pois sua construção é constituída apenas por sensores, atuadores e uma ECU interligados pelo cabeamento entre eles.

d) Necessidade de um software de controle que deve possuir padrões que aceitem o pro-tocolo de comunicação.

Questão 4 – Sabemos que a arquitetura centralizada apresenta, no automóvel, uma única ECU. Sendo assim, assinale a alternativa que apresenta um exemplo que não corresponde a essa arquitetura.

a) O rádio, por meio da chave de ignição, recebe o sinal de entrada, em seguida atua no comando liga/desliga do sistema.

b) O instrumento do painel (IPC) recebe o sinal de entrada da velocidade do automóvel, processa as informações e, em seguida, por meio do sinal de saída, aciona o ponteiro de indicação da velocidade.

c) O módulo de controle do motor (ECM), por meio dos sensores, recebe informações (si-nais de entrada) sobre o funcionamento do motor, tais como pressão, velocidade, tempe-ratura, entre outras. Em seguida, as informações são utilizadas para gerenciar de forma mais eficaz o funcionamento dos atuadores, como bobina de faísca, ventoinha de arrefeci-mento, motor de passo, bomba de combustível e entre outros atuadores.

d) Um sensor de velocidade da roda dianteira envia um sinal para o BCM1, logo em segui-da reenvia para o IPC pela rede 3, tendo como resultado a indicação da velocidade (velocí-metro) no painel de instrumentos.

Questão 5 – Uma arquitetura distribuída possui algumas características que a diferem da arquitetura centralizada. Sabendo disso, assinale a alternativa que apresenta corretamente as características de uma arquitetura distribuída.

a) Tem na sua estrutura várias unidades eletrônicas de controle (ECUs) interligadas por um sistema único de controle do veículo, repartindo entre essas ECUs as diversas funções exercidas pelos componentes do veículo.

b) Não é necessária a comunicação entre as ECUs por meio de um protocolo de comuni-cação.

c) Os dados de entrada estarão disponíveis em uma única ECU durante a operação e, pela simplicidade, possuem uma lógica comum e fácil de identificar.

d) O protocolo CAN Bus não pode ser utilizado nesse tipo de arquitetura.

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Questão 6 – Qualquer arquitetura de um sistema veicular possui pontos positivos e pon-tos negativos. Sendo assim, qual das opções abaixo não é considerada uma desvantagem da arquitetura distribuída?

a) Só é possível realizar a comunicação entre as ECUs por meio de um protocolo de comu-nicação.

b) Necessita de um software de controle com padrões que aceitem o protocolo de comu-nicação.

c) Considerável robustez do sistema pela baixa exposição do cabeamento, justamente pelo menor volume exposto a mau contato e ressecamento pelo ambiente agressivo em que está envolvido o veículo (poeira, calor, vibração, etc.).

d) Elaboração de um projeto mais robusto que suporte as taxas de transmissão ideal para cada aplicação e seu componente, assim como tempos internos exigidos pelos softwares de cada ECU.

Questão 7 – Analise as opções abaixo que versam sobre os critérios utilizados na escolha do tipo de arquitetura.

I. Custo compatível com o projeto, que varia desde o carro popular até carros sofisticados, sendo que a faixa de compradores do veículo possui exigências de conforto e utilidade.

II. O tipo de robustez necessária ao sistema para enfrentar as condições ambientais adver-sas, relativas a: vibração, calor, ondas eletromagnéticas, umidades, poeiras, etc.

III. O nível de complexidade e a diversidade de aplicações.

IV. O atendimento das exigências do público consumidor (tecnológicas, segurança, entre-tenimento, conforto, etc.).

Marque abaixo a alternativa correta.

a) I e II estão corretas.

b) I, II, III e IV estão corretas.

c) II e IV estão corretas.

d) Apenas I está correta.

Questão 8 – Sobre os protocolos de comunicação, analise as informações a seguir.

I. Não são necessários na arquitetura centralizada.

II. Podem ser desenvolvidos aleatoriamente, pois o importante é o custo.

III. Devem seguir padrões e podem ser classificados conforme a taxa de transmissão.

IV. Os protocolos de comunicação são responsáveis pela transmissão de dados entre os módulos da arquitetura elétrica.

As alternativas corretas são:

a) I e IV.

b) I, III e IV.

c) II, III e IV.

d) II e III.


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Questão 9 – O modelo OSI tem a função de transmitir uma sequência de bits por meio de um canal de comunicação. As funções típicas dos protocolos desse nível são fazer com que um bit 1 transmitido por uma estação seja entendido pelo receptor como bit 1, e não como bit 0. Assim, esse nível trabalha basicamente com as características mecânicas e elétricas, como por exemplo:

• número de volts que devem representar os níveis lógicos 1 e 0;

• velocidade máxima da transmissão.

O texto refere-se à camada:

a) transporte.

b) transmissão.

c) física.

d) enlace de dados.

Questão 10 – De acordo com a classificação da SAE, a classe A dos protocolos é destinada a:

a) transmissões no sistema de segurança.

b) funções de conforto e diagnóstico, que não necessitam de grande quantidade de dados e velocidade, como controle de bancos, lâmpadas, vidro elétrico, retrovisor, etc.

c) funções de logística e roteirização. Entre as tecnologias que utilizam esse tipo de classe, temos o bluetooth e o wi-fi.

d) funções de entretenimento como DVD, rádio, amplificadores, alto-falantes, microfones, sistema de reconhecimento de voz, etc.

autor - grupo nt · sensores e os atuadores. • os sensores são dispositivos que monitoram...

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