decodificador de dados usando protocolo can - padrão sae j1939

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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

Emanuel Nunes Baldissera

DECODIFICADOR DE DADOS USANDO PROTOCOLO CAN PADRO SAE J1939

Passo Fundo 2011

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Projeto de Graduao apresentado ao curso de Engenharia Eltrica, com nfase em Eletrnica Telecomunicaes, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Eletricista sob a orientao do prof. Dr. Eduardo Appel.

Passo Fundo 2011

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Projeto de Graduao apresentado ao curso de Engenharia Eltrica, com nfase em Eletrnica Telecomunicaes, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Eletricista sob a orientao do prof. Dr. Eduardo Appel.

Aprovado em ___ de ________________ de ________.

BANCA EXAMINADORA _____________________________________ Prof. Dr. Eduardo Appel.

_____________________________________ Prof. Dr. Carlos Allan Caballero Petersen

_____________________________________ Prof. Dr. Paulo Sergio Correa Molina

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Dedico este trabalho a quem possa encontrar nestas pginas qualquer auxlio, esclarecimento ou direo rumo ao desenvolvimento de solues baseadas no Protocolo CAN.

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Agradeo a Deus e a minha famlia em primeiro lugar. Especialmente s figuras mais importantes de minha vida, responsveis por me tornarem aquilo que sou :Pai e Me. Pelo suporte e companhia durante os ltimos anos, agradeo a minha noiva Itamara. Agradeo Cielo Indstria Mecatrnica, em especial ao Sr. Crio Kolberg e ao Eng. Eletr. Emiliano Ferreira por todo o suporte e assistncia prestados no decorrer deste projeto.

Agradeo tambm ao prof. Dr. Eduardo Appel, pela sua orientao e confiana em mim depositada. E por fim, agradeo a minha ptria pela atual poltica de

viabilizao de acesso ao Ensino Superior.

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Yes, we CAN! (Slogan de campanha do presidente norte-americano Barack Obama - 2008).

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RESUMO Os sistemas de rastreamento de veculos disponibilizados comercialmente no Brasil, atualmente, necessitam oferecer a seus clientes um arranjo de dados que vai alm de informaes bsicas como seu posicionamento geogrfico e abertura ou fechamento de portas. Empresas com sistemas de gerenciamento de frota mais desenvolvidos requerem, dos fabricantes de rastreadores, sistemas avanados que possibilitem a aquisio de uma variedade de dados cada vez maior. No cenrio nacional, a grande parte dos rastreadores comercializados ainda acompanhada por sensores e equipamentos de medio individuais para aquisio de leituras de parmetros como velocmetro, odmetro e giros do motor. O uso destes dispositivos traz consigo uma srie de fatores negativos como, por exemplo, o aumento da complexidade e tamanho do cabeamento, custos com manuteno, necessidade de calibrao e erros de medio, entre outros. Em 2002, seis dos maiores fabricantes europeus de veculos pesados acordaram em disponibilizar diversas informaes de bordo a terceiros atravs da chamada Interface FMS. Esta interface possibilita a leitura de uma srie de dados codificados conforme especificaes do Padro SAE J1939 o qual, por sua vez, roda sobre o Protocolo CAN 2.0B. A fim de aproveitar a tecnologia embarcada ao veculo, este projeto trata do desenvolvimento e construo de um prottipo capaz de ser conectado Interface FMS. O dispositivo, ento, efetua a leitura e realiza a decodificao de at vinte parmetros de bordo do veculo. Os parmetros lidos so disponibilizados ao rastreador e este, por fim, faz a transmisso dos dados recebidos central de monitoramento. A soluo projetada neste trabalho compreende dois dispositivos dotados de hardware e software formando uma espcie de kit de desenvolvimento SAE J1939. Um dispositivo responsvel por simular os sinais existentes no barramento CAN de um veculo comercial enquanto o outro dispositivo compreende o prprio decodificador de dados, em conformidade com as especificaes da Cielo Indstria Mecatrnica Ltda.

Palavras-Chave: Decodificador, Rastreador, Protocolo CAN, SAE J1939, Interface FMS.

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SUMRIO

1.0 INTRODUO ................................................................................................................................ 14 2.0 SISTEMAS DE MONITORAMENTO E SEGURANA VEICULAR ................................................ 15 3.0 MDULOS ELETRNICOS ........................................................................................................... 17 3.1 Comunicao entre as ECUs ...................................................................................................... 17 3.2 Rastreadores comerciais ............................................................................................................. 17 3.2 Atualizao remota ...................................................................................................................... 18 4.0 REDES DE DADOS ........................................................................................................................ 19 4.1 Topologias de Redes de Dados .................................................................................................. 19 4.2 Modelo OSI para Protocolos de Comunicao ........................................................................... 20 4.3 Protocolo de Comunicao de Dados ......................................................................................... 21 4.4 Uso de Protocolos em Redes Automotivas ................................................................................. 22 5.0 CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) ...................................................................................... 23 5.1 Conceituao bsica ................................................................................................................... 24 5.1.1 Caractersticas Fsicas .......................................................................................................... 24 5.1.2 Caractersticas lgicas .......................................................................................................... 26 5.1.2.1 Formato das mensagens ................................................................................................ 26 5.1.2.2 Arbitrao ....................................................................................................................... 27 5.1.3 Padres Existentes ............................................................................................................... 28 6.0 PADRO SAE J1939 ...................................................................................................................... 29 6.1 Grupos de Parmetros (PG) ........................................................................................................ 29 6.1 Formato das Mensagens ............................................................................................................. 29 6.2 Campo de Dados ......................................................................................................................... 31 6.3 FMS (Fleet Management System) Standard ............................................................................... 32 7.0 PROJETO DO DECODIFICADOR DE DADOS .............................................................................. 34 7.1 Especificaes do Projeto ........................................................................................................... 34 7.2 Componentes de Hardware ......................................................................................................... 35 7.2.1 Composio do N TX .......................................................................................................... 35 7.2.2 Composio do N RX ......................................................................................................... 36 7.2.3 Displays LCD e botes de comando..................................................................................... 36

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7.2.4 Simuladores de Acionamentos e Medio da Temperatura ................................................. 37 7.2.5 Interface de Comunicao Serial .......................................................................................... 37 7.2.6 Interface CAN ........................................................................................................................ 37 7.2.6.1 Controlador MCP 2510 ................................................................................................... 38 7.2.6.2 Controlador MCP 2515 ................................................................................................... 38 7.2.6.3 Transceptor MCP 2551 .................................................................................................. 38 7.2.6.4 Escolha da Interface CAN .............................................................................................. 38 7.2.7 Microcontroladores................................................................................................................ 39 7.2.7.1 Microcontrolador AT91SAM7A3-AU.............................................................................. 39 7.2.7.2 Microcontrolador DsPic33FJ64GP804 ........................................................................... 39 7.2.7.3 Microcontrolador PIC18F2580 ....................................................................................... 40 7.2.7.4 Escolha do Microcontrolador .......................................................................................... 40 7.2.8 Memria IC .......................................................................................................................... 40 7.2.9 Fonte de Alimentao ........................................................................................................... 41 7.2.10 Esquemtico de Hardware .................................................................................................. 41 7.2.11 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE ............................................................................. 44 7.2.11.1 N TX ........................................................................................................................... 44 7.2.11.2 N RX .......................................................................................................................... 47 8.0 TESTES E RESULTADOS.............................................................................................................. 50 8.1 Teste de comunicao entre os ns TX e RX ............................................................................. 50 8.2 Teste de comunicao entre o n TX e o mdulo Teltonika FM4200 ......................................... 50 8.3 Teste de comunicao entre o n RX e veculos comerciais ...................................................... 51 CONSIDERAES ............................................................................................................................... 52 REFERNCIAS ..................................................................................................................................... 53 APNDICE A MANUAIS DE OPERAO ......................................................................................... 55 ANEXO A Lista de Materiais do Circuito Eltrico ............................................................................... 60 ANEXO B Descrio da Interface FMS em conformidade com SAE J1939 ...................................... 62

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Esquema genrico de um rastreador comercial .................................................................. 18 Figura 2 Comparativo entre uma rede sem CAN e uma rede com CAN ........................................... 23 Figura 3 Mensagem transmitida via barramento CAN ....................................................................... 24 Figura 4 Relao entre comprimento da rede e taxa de transmisso ............................................... 25 Figura 5 CAN - Barramento diferencial .............................................................................................. 25 Figura 6 Comparativo entre os formatos CAN 2.0A e CAN 2.0B ...................................................... 26 Figura 7 Arbitrao CAN .................................................................................................................... 28 Figura 8 Formato de Mensagem do J1939 ........................................................................................ 30 Figura 9 Diviso entre PGN Global e PGN Especfico ...................................................................... 31 Figura 10 Contextualizao do Projeto .............................................................................................. 34 Figura 11 Diagrama do kit de desenvolvimento ................................................................................. 35 Figura 12 Esquema genrico de hardware do N TX ........................................................................ 35 Figura 13 Esquema genrico de hardware do N RX ....................................................................... 36 Figura 14 Circuito da Fonte de Alimentao ...................................................................................... 41 Figura 15 Esquemtico de Hardware para o N TX .......................................................................... 42 Figura 16 Esquemtico de Hardware para o N RX .......................................................................... 43 Figura 17 Fluxograma do Firmware do N TX (Parte 1 de 3) ............................................................ 44 Figura 18 Fluxograma do Firmware do N TX (Parte 2 de 3) ............................................................ 45 Figura 19 Fluxograma do Firmware do N TX (Parte 3 de 3) ............................................................ 46 Figura 20 Fluxograma do Firmware do N RX (Parte 1 de 3) ........................................................... 47 Figura 21 Fluxograma do Firmware do N RX (Parte 2 de 3) ........................................................... 48 Figura 22 Fluxograma do Firmware do N RX (Parte 3 de 3) ........................................................... 49 Figura 23 Prottipos TX (esquerda) e RX (direita)............................................................................. 50

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LISTA DE TABELAS Tabela 1 Descrio das topologias de rede ....................................................................................... 19 Tabela 2 Modelo de Referncia OSI .................................................................................................. 20 Tabela 3 Alguns protocolos de comunicao Classe B ..................................................................... 22 Tabela 4 Leituras efetuadas em veculos comerciais ........................................................................ 51

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS E UNIDADES Abreviatura Sigla ou Unidade C A ABS ACK AG ASCII Bit CA CAN CRC DAF DIN DLC ECM ECU EIA EOF FMS GE GM GmbH H I/O IC ID IDE IFS ISSO IVECO Kbps Km L

Significado Literal Graus Celsius Ampre Anti-lock Braking System Acknowledgement Aktiengesellschaft American Standard Code for Information Interchange Binary digit Controller Application Controller Area Network Cyclic redundancy check Van Doornes Automobiel Fabriek Deutsche Institut fr Normung Data Length Code Engine Control Module Electronic Control Unit Electronic Industries Alliance End of Frame Fleet Management System Group Extension General Motors Gesellschaft mit beschrnkter Haftung Hora Input/Output Inter Integrated Circuits Identificator Identifier Extension Inter-Frame Space International Standards Organization Industrial Vehicles Corporation Kilobits per second Quilmetro Litro

Significado Traduzido Sistema de frenagem anti-travante Reconhecimento Sociedade de aes Cdigo Padro Americano para o Intercmbio de Informaes Dgito binrio Aplicao controladora Controlador de rede de rea Verificao Cclica de Redundncia Instituto Alemo para Normatizao Cdigo de Comprimento de Dado Mdulo de Controle do Motor Unidade de Controle Eletrnico Aliana das Indstrias Eletrnicas Fim de Quadro Sistema de Gerenciamento de Frota Extenso de Grupo Sociedade de Responsabilidade Limitada Entrada/Sada Circuitos interintegrados Identificador Identificador de Extenso Espao entre quadros Organizao Internacional de Padres Corporao de Veculos Industriais Kilobits por Segundo -

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LCD LFE M MAN Mbps MT NMEA NRZ OSI PDU PG PGN PWM RPM RTR SAE SPI SPN SRR TTL V VPW

Liquid Crystal Display Liquid Fuel Economy Metro Maschinenfabrik Augsburg-Nrnberg Megabits per second Multitimer National Marine Electronics Association Non-Return to Zero Open Systems Interconnection Protocol Data Unit Parameter Group Parameter Group Number Pulse-Width Modulation Rotations per Minute Remote Transmission Request Society of Automotive Engineers Serial Peripherical Interface Suspect Parameter Number Substitute Remote Request Transistor-Transistor Logic Volt Variable Pulse Width

Tela de Cristal Lquido Economia Lquida de Combustvel Megabits por Segundo Mltiplos Temporizadores Associao Nacional de Eletrnica da Marinha No retorna a zero Interconexo de Sistemas Abertos Unidade de Protocolo de Dado Parmetro de Grupo Nmero de Parmetro de Grupo Modulao por Largura de Pulso Rotaes por Minuto Requisio de Transmisso Remota Sociedade de Engenheiros Automotivos Interface Perifrica Serial Nmero de Parmetro Suspeito Substituto de Requisio Remota Lgica Transistor-Transistor Largura de Pulso Varivel

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1.0 INTRODUOUm sistema de rastreamento e monitoramento veicular bsico, usualmente, constitudo por um dispositivo que periodicamente envia a posio geogrfica e alguns eventos, como abertura e fechamento de portas a uma central de monitoramento. Geralmente estes sistemas tambm incluem a opo de bloqueio do veculo sob determinadas condies. Todavia empresas com sistemas de gerenciamento de frotas desenvolvidos requerem, dos fabricantes de rastreadores, dispositivos avanados que possibilitem a aquisio de uma gama de dados cada vez mais ampla em um intervalo de tempo cada vez menor. Embora praticamente todos os nibus e caminhes fabricados na atualidade, j possuam quase todos os parmetros de rodagem adquiridos de forma eletrnica ocorre que a grande parte dos rastreadores comercializados no pas ainda acompanhada por sensores e equipamentos de medio individuais para aquisio de leituras de parmetros como velocmetro, odmetro, e giros do motor. O uso destes equipamentos traz consigo uma srie de fatores negativos como, por exemplo, o aumento da complexidade e tamanho do cabeamento, custos com manuteno, necessidade de calibrao e erros de medio, entre outros. Tomando por exemplo o caso do odmetro, tem-se que atualmente, se um caminhoneiro fizer uma viagem de Passo Fundo, no Rio Grande do Sul a Fortaleza, no Cear, ao longo dos 3.890 km que separam estas duas cidades um sistema individual de medio pode apresentar uma diferena mdia de at 4% com relao leitura do odmetro informada pelo caminho. Em 2002, seis dos maiores fabricantes europeus de veculos pesados acordaram em disponibilizar diversas informaes de bordo a terceiros atravs da chamada Interface FMS. Esta interface possibilita a leitura de uma srie de dados codificados conforme especificaes do Padro SAE J1939 o qual, por sua vez, roda sobre o Protocolo CAN 2.0B. Visando minimizar a quantidade de sensores e instrumentos individuais bem como aproveitar melhor a tecnologia embarcada disponibilizada pelo fabricante, este projeto descreve o desenvolvimento e implementao de um prottipo composto de hardware e software capaz de interpretar os dados presentes no barramento CAN de veculos pesados (nibus e caminhes), decodific-los e transmitir suas leituras diretamente ao dispositivo responsvel pelo rastreamento atravs de comunicao serial. Em linhas gerais, constitui-se como objetivo deste projeto a reduo de custos na construo e manuteno de um aparelho rastreador, atravs da reduo da necessidade de utilizao de dispositivos parte para leitura de parmetros. De igual modo o projeto visa proporcionar total correspondncia entre os dados recebidos pela central de monitoramento com o que mostrado no painel do veculo, uma vez que ambas as informaes possuiro a mesma origem: os recursos embarcados no veculo. Em seus primeiros captulos, este trabalho apresentar conceitos tericos bsicos sobre dispositivos de rastreamento e monitoramento, eletrnica automotiva, redes de dados e os Protocolos CAN e SAE J1939, necessrios ao correto entendimento do projeto. Posteriormente sero apresentados os critrios de projeto, bem como seu desenvolvimento e testes realizados. Finalmente sero apresentados os resultados definitivos e consideraes.

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2.0 SISTEMAS DE MONITORAMENTO E SEGURANA VEICULARUm sistema sofisticado de gerenciamento de frotas veiculares um sistema que possibilita a coleta de uma vasta gama de dados de um veculo, como por exemplo, sua localizao geogrfica exata, assim como o acionamento de travas e dispositivos de segurana [11]. No Brasil, os sistemas de monitoramento de frotas comearam a ser implantados na dcada de 90 e, na ocasio, estes sistemas possuam um custo consideravelmente elevado visto que todas as transmisses eram feitas exclusivamente por satlite [12]. A partir de 2003, quando o celular e a internet banda larga se tornaram mais acessveis verificou-se uma crescente demanda neste nicho de mercado. Para se ter uma idia do crescimento, hoje conta-se com cerca de 20% da frota nacional monitorada, enquanto em 1998 esse nmero era de apenas 1,2% [12]. Em um veculo, na prtica, o sistema de rastreamento constitudo por um mdulo eletrnico, o qual coleta dados atravs de sensores e os transmite para a central de monitoramento [11]. importante salientar que a maioria dos rastreadores disponibilizados comercialmente no Brasil vale-se de sensores prprios para efetuar medies. A utilizao de sensores prprios , sem dvida, um problema. Estes demandam um tempo considervel para a instalao e calibrao, exigem diversos tipos de conexes para alimentao e comunicao, consomem mais energia e so passveis de divergncias com relao s leituras do painel do veculo alm dos custos relacionados manuteno. Usualmente um Sistema de Rastreamento comercial prov: Atualizao da posio geogrfica do veculo em curtos intervalos de tempo; Estado da ignio do veculo (ligada ou desligada); Indicao da abertura de portas e do ba; Alarme de boto de pnico acionado pelo motorista em caso de assalto; Possibilidade de envio e recepo de mensagens de texto para o motorista; Bloqueio de combustvel e travamento das portas feito remotamente pela central;

(KOURI, 2007, Definio de Requisistos para um Sistema de Monitoramento do Veculos no Transporte Rodovirio de Cargas, p. 32). Sistemas mais avanados so capazes de prover central uma gama de dados ainda maior, as quais podem incluir: Controle de velocidade programvel; Hormetro; Nvel de combustvel; Nmero de vezes em que o motorista tentou ultrapassar os limites pr-estabelecidos; Odmetro; Sensor de chuva; Sensor de movimento;

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Sensor de marcha; Situao do veculo (em movimento ou parado); Temperatura do motor; Giros do motor; (CIELO INDSTRIA MECATRNICA, 2011) A implementao de um sistema de gerenciamento de frotas de relevante importncia medida que este prov no apenas recursos de segurana, como o bloqueio do veculo agregado possibilidade de localizao em caso de roubo, mas tambm uma srie de informaes acerca do trajeto do veculo e daquele que o conduz. Verifica-se que as empresas que adotam um sistema de rastreamento podem visualizar quase que em tempo real o que acontece com cada um de seus veculos, de forma a aumentar a segurana de seu patrimnio e a vigilncia incidente sobre o mesmo. Este conjunto de informaes pode ter um papel decisivo permitindo tomadas de decises com antecedncia. Estratgias logsticas podem ser mais bem elaboradas, com a clareza das rotas a serem traadas, problemas de operao podem ser detectados com antecedncia e inclusive a qualidade de seus recursos humanos poder ter um perfil traado alicerado sobre dados reais.

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3.0 MDULOS ELETRNICOSDe acordo com Guimares (2007), os mdulos eletrnicos nada mais so do que dispositivos responsveis pela leitura das entradas, acionamento de sadas e gerenciamento dos protocolos de comunicao utilizados nos veculos. Estes so como um computador, dotados de uma estrutura de hardware com um microprocessador ou microcontrolador e tm como tarefa a deciso de como utilizar suas sadas em funo do que est sendo lido nas entradas. Mdulos eletrnicos podem ter inmeras aplicaes, indo desde um controle MT (Multitimer) responsvel pelo controle de temporizaes, como setas, limpador de pra-brisas, etc., at um controle do tipo ECM (Engine Control Module) responsvel pelo controle do prprio motor. Todos os tipos de mdulos eletrnicos podem ser denominados ECU (Electronic Control Unit) Unidade de Controle Eletrnico [8].

3.1 Comunicao entre as ECUs

medida que os veculos foram evoluindo, incorporaram novas tecnologias e o nmero de dispositivos de bordo que passaram a ser controlados de forma eletrnica multiplicou-se consideravelmente. Na atualidade, um carro de passageiros mediano, pode sair de fbrica contendo cerca de trinta ECUs. J um veculo top de linha pode ultrapassar a marca de duzentas ECUs implementadas [26]. Em diversas ocasies, uma ECU necessita comunicar-se com outra ECU. Um exemplo disso o painel, que constantemente necessita saber o estado dos mais variados perifricos do veculo para informar ao condutor. Esta comunicao notoriamente mesmo em veculos mais antigos tem se dado predominantemente de forma serial.

3.2 Rastreadores comerciais

A grande parte dos rastreadores comerciais, disponveis no mercado, geralmente caracterizase por possuir um mdulo GPS, que periodicamente envia posies ao microcontrolador. Este, por sua vez processa as informaes recebidas e interage com a central de monitoramento atravs de um mdulo GSM ou GPRS, estando apto tanto a receber quanto enviar informaes. Contudo, equipamentos mais modernos vm oferecendo opes de expanso e interao com o usurio, como a presena de entradas e sadas digitais e analgicas de uso geral, assim como um conjunto de entradas e sadas especficas para acessrios com funes mais elaboradas. Alguns so capazes de efetuar o bloqueio do veculo em determinadas ocasies, disparar alarmes, limitar velocidade e, como o caso deste projeto, desempenhar funes de telemetria informando central de monitoramento a leitura de diversos parmetros de rodagem do veculo.

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A Figura 1 apresenta um diagrama de blocos bastante simplificado que ilustra, de uma forma genrica, como esto organizados a maioria dos rastreadores comerciais disponveis no mercado.

RASTREADOR

MDULO GPS

MDULO GSM/GPRS MICROCONTROLADOR

ACESSRIOS

ENTRADAS

SADAS

Figura 1 Esquema genrico de um rastreador comercial

3.2 Atualizao remota Um assunto que merece ser brevemente abordado a questo da atualizao remota. Esta atualizao nada mais do que a capacidade do microcontrolador receber uma nova verso do firmware sem que seja necessria a interveno direta no hardware do dispositivo atravs de uma rotina chamada bootloader. O bootloader fica alocado em uma parte especfica da memria de programo e normalmente gravado uma nica vez. Seu funcionamento restringe-se a verificar em uma dada condio se existe uma nova verso do firmware disponvel, caso positivo a nova verso gravada na memria de programa, caso negativo a rotina principal inicializada [29].

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4.0 REDES DE DADOSAdaptando o conceito de redes de computadores do autor Sousa (1999), pode-se definir uma rede de dados automotiva como um conjunto de ECUs interligadas de maneira a trocarem informaes e compartilharem recursos entre si. Em suma, uma rede composta por uma parte fsica e uma parte lgica, podendo variar em sua arquitetura, isto , os caminhos fsicos atravs dos quais equipamentos interligam-se e interagem entre si.

4.1 Topologias de Redes de Dados

De acordo com Lopes (2007, apud TITTEL, 2003, p. 14) em uma rede de computadores, os dados precisam trafegar por um caminho fsico que interliga os dispositivos da rede. Os diferentes tipos de caminhos so chamados de topologias. A Tabela 1, de uma forma resumida, elenca e descreve as diferentes topologias sobre as quais uma rede pode ser montada.Tabela 1 Descrio das topologias de rede

Topologia Barramento

Topologias de Rede Descrio Similar a arquitetura de barramento que conecta a memria principal CPU. Consiste num caminho simples de dados que conecta a ele mesmo todos os dispositivos da rede, de modo que somente um dispositivo por vez pode usar o barramento.

Anel

uma rede onde cada dispositivo da rede transmite somente para seu vizinho posterior e recebe dados somente de seu vizinho anterior. Caso um dispositivo queira receber dados do seu vizinho posterior mais prximo, estes dados tero que trafegar todo o anel, passando por todos os outros dispositivos at receb-los.

Ponto-a-Ponto

A rede ponto-a-ponto o tipo mais simples, para poucos dispositivos. Esta rede formada por um nico enlace entre dois dispositivos. Quando muitos dispositivos precisam se conectar com vrios outros dispositivos, vrias redes ponto-a-ponto so combinadas, configurando uma estrela ou malha.

Estrela

Nesta configurao, um dispositivo central conectado a todos os outros dispositivos da rede para realizar a comunicao entre eles.

Malha

Para conectar todos os dispositivos entre si, necessrio ??????(?????? 1)/2 conexes (onde n o nmero de dispositivos da rede). Esta rede, apesar de complexa e de custo elevado, tem a vantagem de ser muito rpida, pois um dispositivo na rede tem conexo ponto-a-ponto com qualquer outro dispositivo, transmitindo os dados diretamente. Existem redes chamadas de malha parciais, que eliminam os enlaces raramente usados.

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Hbrida

a combinao de uma ou mais topologias, tentando tirar o melhor proveito de cada uma delas. Fonte: (Lopes, 2007, apud TITTEL, 2003, p. 15).

4.2 Modelo OSI para Protocolos de Comunicao

O modelo OSI (Open Systems Interconnection) baseado em uma proposta desenvolvida pela ISO (International Standards Organization) como um primeiro passo em direo padronizao internacional dos protocolos usados nas vrias camadas (Tanenbaum 2011 apud Day et Zimmermann, 1983, p. 25). Embora os protocolos associados a este modelo raramente sejam usados nos dias de hoje, o modelo em si de fato bastante geral e ainda vlido [24]. Este modelo composto por sete camadas, as quais se encontram elencadas e descritas na Tabela 2.Tabela 2 Modelo de Referncia OSI

Camada

Camadas do Modelo de Referncia OSI Descrio Esta camada contm uma srie de protocolos comumente necessrios aos usurios. Ela responsvel por fornecer uma interface aos softwares de computador, permitindo que estes sejam escritos apenas uma vez e utilizados em diferentes tipos de redes. Esta camada a responsvel pela traduo dos dados para um formato padro.

7 - Aplicao

6 - Apresentao

ASCII, JPEG e MP3 so alguns exemplos. Ela tambm responsvel pela compresso, criptografia e decifrao dos dados com objetivos de segurana. Esta a camada responsvel por estabelecer, manter e encerrar sesses na

5 - Sesso

rede. ela quem administra o reconhecimento de nomes e algumas caractersticas de acesso, como quando e por quanto tempo um dispositivo pode transmitir. Esta camada responsvel pela preparao dos dados a serem transferidos.

4 - Transporte

ela quem gerencia o controle de fluxo, a correo de erros e divide os dados trafegados em blocos de tamanhos adequados para a rede. A camada de rede responsvel por atribuir um endereo nico e global para os dispositivos conectados nesta e prover direes de qualquer ponto a

3 Rede

qualquer outro ponto da rede. De modo geral, a qualidade do servio fornecido (retardo, tempo em transito, instabilidade etc.) tambm uma questo da camada de rede. A principal tarefa da camada de enlace transformar um canal de transmisso

2 Enlace

bruto numa linha que parea livre de erros para a camada de rede. Ela faz com que o transmissor divida os dados em quadros de dados (em geral, algumas centenas ou milhares de bytes) e os transmita seqencialmente. Tambm a

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camada de enlace que realiza os controles de erro e fluxo, alm da atribuio de endereos fsicos a cada um dos dispositivos de enlace. Para estes fins a camada de enlace subdividida em duas outras camadas: LLC (Controle Lgico de enlace) e MAC (Controle de acesso ao meio). Esta a camada mais baixa, responsvel pela definio e reconhecimento de um bit (dgito binrio 0 ou 1), o projeto de rede deve garantir que quando um 1 Fsica lado enviar um bit 1, ele seja recebido pelo outro lado como um bit 1, no como um bit 0. Esta tambm a camada onde esto definidos os meios de transmisso, inclusive o tamanho dos cabos, interfaces de conexes (terminaes de cabos) e tenso. Fonte: Tanenbaum (2003) p. 37

Esta diviso, em camadas, tem por objetivo tornar as funes to discretas e independentes quanto possvel, de forma que qualquer alterao realizada em uma nica camada no implique na necessidade de adaptao de qualquer outra. No modelo OSI cada camada utiliza os servios das camadas inferiores, assim como disponibiliza dados e servios s camadas superiores a sua posio [13]. importante salientar que uma tecnologia que adote o modelo OSI, no necessariamente dever utilizar todas as suas camadas. Existem tecnologias que as utilizam de forma parcial como o Protocolo CAN, o qual possui definido por suas especificaes apenas a camada fsica e a camada de enlace [13].

4.3 Protocolo de Comunicao de Dados

Os protocolos de comunicao de dados exercem uma funo vital na troca de dados entre dispositivos eletrnicos. De uma forma simples, podem ser definidos como um conjunto de regras que controla e sincroniza a comunicao visando que esta seja eficiente e sem erros e assegurando que a mensagem transmitida chegue ao destino da mesma forma que foi transmitida de maneira a preservar a integridade dos dados [22]. Sua composio feita, basicamente, de um software agregado s duas interfaces de comunicao. A garantia de integridade dos dados deve ser mantida no dependendo do meio pelo qual so transmitidos, uma vez que o controle feito nas pontas do meio de transmisso. Este software insere caracteres de controle no incio e no final de cada bloco a ser transmitido. Na chegada do bloco no receptor, estes caracteres so checados e caso algum erro seja detectado, o protocolo dever enviar o mesmo bloco novamente at que este chegue corretamente [22].

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4.4 Uso de Protocolos em Redes Automotivas

Quando se fala em comunicao entre as diversas ECUs presentes em um veculo, diversos so os protocolos utilizados na atualidade. Estes variam de acordo com Associaes de Montadoras, montadoras e s vezes at mesmo conforme o modelo do veculo. Tambm pode ocorrer que em um mesmo veculo sejam encontrados protocolos diferentes de acordo com a aplicao. Em redes automotivas os protocolos dividem-se em grupos seguindo os critrios da Society of Automotive Engineers (SAE). Protocolos de Classe A, possuem uma taxa de transmisso de at 10 kbps e so geralmente relacionados s funes de conforto de um veculo. Os protocolos Classe C possuem uma taxa de transmisso compreendida entre 125 kbps a 1 Mbps e so relacionados aos sistemas de segurana [8]. Os Protocolos Classe B, objeto de interesse deste projeto, so protocolos com taxa de transmisso compreendida entre 10 kbps a 125 kbps, a exceo dos protocolos ISO11898, ISO11592 (os quais podem assumir velocidades superiores) e do SAE J1939, o qual possui velocidade fixada em 250 kbps.Tabela 3 Alguns protocolos de comunicao Classe B

CAN 2.0 ISO 11898 & ISO 11519-2 Instituio diretamente relacionada Aplicao principal Tipo de barramento Codificao dos sinais Deteco de erros Taxa de transmisso Quantidade de dados Comprimento mximo do barramento Quantidade mxima de ns na rede SAE & ISO Controle e diagnstico Par tranado NRZ CRC 10 kbps 1 Mbps 0 8 Bytes 40 metros (p/ 1 Mbps) 32

CAN 2.0 SAE J1939 SAE Controle e diagnstico Par tranado NRZ CRC 250 kbps 8 Bytes 40 metros (p/ 1 Mbps) 32

J1859 Class 2 GM Controle e diagnstico Fio nico VPW CRC 10,4 kbps 08 Bytes 35 metros 32

J1850 SCP Ford Controle e diagnstico Par tranado PWM CRC 41,6 kbps 08 Bytes 35 metros 32

J1850 PCI Chrysler Controle e diagnstico Fio nico VPW CRC 10,4 kbps 0 10 Bytes 35 metros 32

Fonte: Guimares, 2007, p. 212 interessante lembrar que alm destas classes mencionadas, ainda existem classes de protocolos de: diagnstico embarcado, protocolos do tipo Mobile Media utilizados na implementao do conceito computador sobre rodas, Safety Bus utilizados em sistemas de airbag e ainda Driveby-wire aplicados a sistemas eletromecnicos que substituram os sistemas puramente mecnicos, tais como freio, direo, acelerao, etc. [8].

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5.0 CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) medida que os veculos foram se modernizando e incorporando novas tecnologias, observou-se uma demanda cada vez maior por um sistema de comunicao prtico e confivel, que interligasse o crescente nmero de ECUs instaladas a bordo [13]. O desenvolvimento do Protocolo CAN possibilitou uma enorme reduo na complexidade do cabeamento e, adicionalmente, tornou possvel conectar diversos dispositivos usando um nico par de fios, permitindo uma troca simultnea de dados entre os ns da rede (Lopes, apud Farsi et al, 2007, p. 20). O Protocolo CAN um protocolo de comunicao serial sncrona voltado, sobretudo, s aplicaes automotivas. Seu desenvolvimento deu-se pela empresa automotiva alem Robert Bosch GmbH e sua apresentao oficial ocorreu em um congresso da Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE) realizado em Detroit no ano de 1986 [30]. Sua aplicao inicial envolvia nibus e caminhes. Atualmente utilizado na indstria, em veculos automotivos, navios tratores e avies, entre outros [8]. Anteriormente ao surgimento do CAN a maioria das conexes automotivas era do tipo hbrida, em uma combinao de topologias Ponto-a-Ponto e Malha [4]. Uma rede com CAN prov uma rede de custo no muito elevado onde as ECUs podem ter uma interface simples ao invs de diversas entradas analgicas e digitais em cada dispositivo, o que diminui, sobretudo, custos com cabeamento e peso nos automveis [14]. A Figura 2 esboa um comparativo entre uma rede sem CAN e uma rede com CAN.

Figura 2 Comparativo entre uma rede sem CAN e uma rede com CAN Fonte: (NATIONAL INSTRUMENTS, 2011)

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5.1 Conceituao bsica

O Protocolo CAN implementa as duas camadas mais inferiores do modelo de referncia OSI: fsica e de enlace. A parte referente ao meio de comunicao, em si, foi deixada de fora da especificao CAN da Bosch, propositalmente, com a finalidade de flexibilizar aos projetistas a possibilidade de adaptao e otimizao do protocolo de comunicao de diversas maneiras. Contudo, com esta flexibilizao vem a possibilidade do surgimento de problemas com questes relacionadas interoperabilidade [15]. Visando amenizar possveis problemas com interoperabilidade a ISO e a SAE definiram protocolos que incluam interfaces dependentes de um meio de transmisso de forma que as duas camadas mais inferiores passaram a ser definidas em sua totalidade. Como exemplos, podem-se citar os protocolos ISO11898, ISO11519 e SAE J1939. Estes trs protocolos especificam um barramento diferencial de 5 volts como interface fsica. As camadas restantes do modelo OSI, so deixadas em aberto para serem implementadas pelos desenvolvedores de software [15]. Uma rede utilizando o Protocolo CAN trabalha no conceito multimestre, onde qualquer mdulo pode tornar-se mestre em um dado momento e escravo no outro. Suas mensagens so enviadas em regime multicast, o que significa que qualquer mensagem enviada ao barramento transmitida a todos os mdulos existentes na rede [8], cabendo aos receptores a filtragem de mensagens indesejadas ou desejadas, conforme ilustra a Figura 3 [3].

Figura 3 Mensagem transmitida via barramento CAN Fonte: CAN in Automation, 2011

5.1.1 Caractersticas Fsicas

O Protocolo CAN, define sua codificao de bit como sendo do tipo Non-Return to Zero (NRZ), onde o nvel de sinal pode permanecer constante durante todo o tempo de bit. Desta forma, medies devem ser feitas para assegurar o tempo mximo permitido entre duas bordas de sinal, o que vem a ser importante para propsitos de sincronismo [3].

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A velocidade de transmisso de dados inversamente proporcional ao comprimento do barramento. A norma ISO11898 especifica que um transceiver deve ser capaz de prover uma velocidade de 1 Mbps em um barramento de 40 metros [16]. A Figura 4 ilustra a relao entre comprimento e taxa de transmisso de dados.

Figura 4 Relao entre comprimento da rede e taxa de transmisso Fonte: (GUIMARES, 2007). Considerando-se fios eltricos como meio de transmisso, os mesmos devero ser tranados e no blindados. Os dados transmitidos atravs do barramento no so caracterizados por possurem nvel lgico alto 1 ou nvel lgico baixo 0, mas sim por uma representao denominada bits dominantes 0 e bits recessivos 1, em virtude de que as informaes so interpretadas pela diferena de potencial entre os fios CAN High (CAN_H) e CAN Low (CAN_L), ilustrado atravs da Figura 5. Por esta razo o barramento CAN classificado como par tranado diferencial [8].

Figura 5 CAN - Barramento diferencial Fonte: (RICHARDS, 2002)

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Este par tranado diferencial atenua fortemente efeitos causados por interferncias eletromagnticas, uma vez que, qualquer ao sobre um dos fios ser sentida tambm pelo outro. Desta forma, ambos os sinais iro flutuar para o mesmo sentido e com a mesma intensidade no alterando a tenso diferencial entre CAN_H e CAN_L, a qual a nica referncia para distino de estados lgicos no transceiver [8].

5.1.2 Caractersticas lgicas

5.1.2.1 Formato das mensagens No protocolo CAN, as mensagens podem possuir dois formatos: CAN 2.0A, ou standard, e CAN2.0B, tambm conhecido como formato estendido. O formato 2.0A, caracterizado por possuir um identificador de 11 bits possibilitando apenas 2.048 mensagens que utilizam esta formatao. Esta limitao levou ao desenvolvimento do formato CAN 2.0B, o qual possui um identificador de 29 bits. A Figura 6 apresenta os quadros de mensagens para ambos os formatos vigentes.

CAN 2.0A

CAN 2.0B

Figura 6 Comparativo entre os formatos CAN 2.0A e CAN 2.0B Fonte: Adaptado de Guimares (2007) A partir da Figura 6, percebe-se que ambos os formatos comeam com um bit de incio, imediatamente sucedido por um identificador de 11 bits. Este identificador estabelece a prioridade da mensagem para os demais ns da rede. Quanto menor o seu valor binrio, maior a prioridade. Em seguida o bit RTR (Remote Transmission Request), para o formato CAN, 2.0A um bit que indica que a informao est sendo solicitada. Este bit seguido de mais dois bits em estado dominante. O bit SRR (Substitute Remote Request), para o formato CAN 2.0B apenas cumpre funo de substituir este bit por um estado sempre dominante [23]. O marco da diviso entre CAN 2.0A e CAN2.0B encontra-se no bit IDE (Identifier Extension). Caso este bit encontre-se em estado recessivo, indica que os prximos dezoito bits sero a

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continuao do identificador para constituir o formato estendido, caso contrrio significa que a mensagem ser uma mensagem no formato standard [23]. Para o formato estendido, aps o complemento do endereo vem o bit de RTR, funcionando exatamente da mesma maneira do modo standard. E aps os dois bits recessivos que o sucedem, ambos os formatos apresentam as mesmas caractersticas, sendo seguidos pelos bits de DLC (Data Length Code) que informam ao receptor de quantos bytes de dados a mensagem se constitui. Embora seja composto por quatro bits, este campo pode assumir o valor mximo de oito [23]. A quantia de bytes informada pelo campo DLC transmitida e em seguida tem-se o campo de CRC (Cyclic Redundancy Check). Este campo contm o checksum para a deteco de erros e sucedido pelo bit ACK (Acknowledgement), o qual lanado em estado recessivo e qualquer n da rede que tenha recebido a mensagem corretamente dever acusar o correto recebimento desta mensagem sobrescrevendo este bit. Caso o transmissor no detecte esta sobrescrio, a mensagem novamente enviada [23]. Por fim, as mensagens possuem sete bits todos em estado recessivo. O primeiro bit denominado EOF (End of Frame), cuja funo seria indicar o final da transmisso e os bits restantes so denominados IFS (Inter-Frame Space) cuja funo dar o tempo necessrio ao microcontrolador mover corretamente os dados para um buffer de recepo de mensagem [23].

5.1.2.2 Arbitrao

De acordo com Guimares (2011) um dos pontos fortes do Protocolo CAN a sua fundamentao no conceito Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CD with NDA), o que significa que todos os mdulos verificam o estado do barramento, analisando se outro mdulo com prioridade maior est tentando transmitir alguma mensagem. Caso esta situao seja detectada, o mdulo de menor prioridade imediatamente interrompe sua transmisso e o de maior prioridade segue a transmisso normalmente. Quanto menor o valor binrio do identificador de uma mensagem, maior a sua prioridade. Um identificador consistindo apenas de zeros o que possui maior prioridade de mensagem na rede, pois se dois ns iniciam uma transmisso simultaneamente, o n que envia um bit dominante enquanto o outro envia um bit recessivo fica com o controle do barramento e envia sua mensagem. E o cancelamento da mensagem, feita pelo n que perdeu a arbitrao, s possvel porque um n monitora constantemente sua prpria transmisso [23]. A Figura 7 ilustra a fase de arbitrao.

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Figura 7 Arbitrao CAN Fonte: (NATIONAL INSTRUMENTS, 2011)

5.1.3 Padres Existentes

Guimares, (2007), afirma que o Protocolo CAN tem seus fundamentos especificados por duas normas: ISO 11898, que determina as caractersticas para redes de alta velocidade de transmisso de dados (de 125 kpbs a 1 Mbps) e ISO 11519-2, a qual determina caractersticas para redes de baixa velocidade de transmisso de dados (de 10 kbps a 125 kbps). Ambos os padres especificam apenas as camadas 1 e 2 do modelo de referncia OSI. As demais camadas so especificadas por outros padres onde cada um possui uma aplicao especfica. Como exemplo, pode-se citar os padres [8]: NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B, aplicaes navais e areas; DIN 9684 LBS: Baseado no CAN 2.0A, aplicao agrcola; ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B, aplicao agrcola; SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B, aplicao automotiva, principalmente nibus e caminhes. Dentre os padres exemplificados, o padro SAE J1939 objeto de interesse deste projeto uma vez que o decodificador de dados a ser projetado ser o elo entre as leituras do caminho com os dispositivos de monitoramento instalados em nibus e caminhes.

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6.0 PADRO SAE J1939O Padro SAE J1939 um protocolo de alto nvel o qual roda sobre o Protocolo CAN2.0B. Nos dias atuais, este Padro utilizado como barramento de comunicao padro para veculos comerciais, sobretudo em nibus e caminhes, em aplicaes de diagnstico e controle. Devido sua popularidade passou tambm a ser adotado em aplicaes agrcolas (ISO 11789), navais e areas (NMEA 2000) [17]. chamado de Protocolo de Alto Nvel porque faz a ligao entre as camadas de Enlace e Aplicao, cabendo lembrar que o Protocolo CAN implementa apenas as duas camadas mais inferiores do modelo de referncia OSI. O Padro J1939 define as camadas, de rede, transporte, sesso e apresentao, deixando a camada de aplicao para outros desenvolvedores [28]. Este Protocolo especifica exatamente como a informao ser intercambeada entre as ECUs de um veculo, ou seja, define a prioridade, tamanho, escala e offset das mensagens. Tomando por exemplo o tacmetro, definido por este Padro que sempre ter uma prioridade 3, um tamanho de 16 bits, uma resoluo de 0.125 RPM/bit e um offset de 0 [17].

6.1 Grupos de Parmetros (PG)

Um Grupo de Parmetro um conjunto de informaes transmitidas em uma mensagem J1939. Estes parmetros podem incluir comandos, dados, requisies, e reconhecimentos positivos e negativos [21]. O comprimento de um Grupo de Parmetro no est limitado ao comprimento do quadro de mensagens do CAN. Comumente um Grupo de Parmetro possui um comprimento mnimo de oito bytes, podendo atingir at 1785 bytes. Grupos de Parmetros com mais de oito bytes requerem um protocolo de transporte para sua transmisso [10].

6.1 Formato das Mensagens

Dado ao fato que o J1939 roda sobre o Protocolo CAN 2.0B, suas mensagens utilizam sempre um identificador de 29 bits. Este campo, como o prprio nome diz, destina-se identificao do dispositivo transmissor, e em alguns casos, enderear o destino de informaes no barramento [28]. A Figura 8 ilustra o formato de mensagens do Protocolo J1939.

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Figura 8 Formato de Mensagem do J1939 Fonte: Voss (2008) Analisando a Figura 8, percebe-se que o campo do identificador dividido em trs blocos: prioridade, PGN (Parameter Group Number) e endereo de origem. A prioridade de uma mensagem no J1939 fundamental na fase de arbitrao. Quanto menor for o seu valor binrio, mais alta ser a prioridade de uma mensagem. Este campo possui a dimenso de trs bits, ficando limitado a oito valores de prioridade [20]. O bloco denominado PGN, posteriormente dividido em quatro blocos menores: Reservado, Pgina de Dados, Formato PDU (Protocol Data Unit) e Especificidade do PDU. Os bits Reservado e Pgina de Dados (Data Page) ainda no possuem funes especificadas para o J1939. Neste bloco, estes dois primeiros bits destinam-se a aplicaes futuras que ainda sero definidas pela SAE e so sempre lidos como zero [28]. Existem dois tipos de PGN: Global e Especfico. Um PGN global identifica Grupos de Parmetros que so enviados para todos sob a forma de broadcast de informaes, enquanto um PGN especfico indica que Grupos de Parmetros so enviados a dispositivos particulares ou peer-topeer e, desta forma, tambm pode ser utilizado como endereo de destino. O Formato da Unidade de Protocolo de Dados (PDU Format) o subconjunto de bits responsvel pela identificao do tipo de PGN [10]. Um broadcast definido quando o bloco PDU Format possui um valor igual ou superior a F016, neste caso este campo recebe a denominao de PDU1. Quando este bloco possuir valor inferior, significa que Grupos de Parmetros sero enviados a um dispositivo especfico (peer-topeer), o campo ento recebe o nome de PDU2 [10]. Seguindo adiante, na composio do PGN, vem o bloco chamado PDU Specific. Este bloco, de acordo com Junger (2010), utilizado apenas quando a mensagem global. Neste caso, o bloco chamado de Extenso de Grupo (GE), caso contrrio sempre zero [10]. A Figura 9, facilita a compreenso desta diviso.

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Figura 9 Diviso entre PGN Global e PGN Especfico Fonte: (JUNGER, 2010)

Por fim, o identificador de uma mensagem J1939 possui um bloco de oito bits o qual contm o endereo da Aplicao de Controle (CA). Cabe salientar que uma ECU pode conter uma ou mais CAs, porm cada CA contm um nico endereo associado com o nome do dispositivo [10].

6.2 Campo de Dados

Em uma rede J1939, todos os parmetros utilizados so descritos por suas especificaes e so identificados por um nmero denominado SPN (Suspect Parameter Valor). Para cada SPN atribudo pelo Comit da SAE, a norma SAE J1939-71, so estabelecidos os seguintes critrios: comprimento de dado (em bytes), tipo de dado, resoluo, offset, faixa de dado, e um rtulo para identificao. Os SPNs que compartilham uma mesma caracterstica so agrupados em um mesmo Grupo de Parmetros (PG), e por sua vez, so transmitidos pela rede utilizando o mesmo PGN [1]. Para uma melhor compreenso, pode-se tomar como exemplo a taxa de consumo de combustvel (SPN=183) e a economia instantnea de combustvel (SPN=184). De acordo com a Norma SAE J1939-71 tem-se:

SPN 183 Taxa de Combustvel do Motor Quantidade de combustvel consumida pelo motor por unidade de tempo. Comprimento de dado: 2 bytes Resoluo: 0.05 L/h por bit, 0 offset Faixa de Dado: 0 a 3.212,75 L/h Faixa operacional: igual faixa de dado Tipo: Medido Informao de Apoio: Referncia PGN: 65266 SPN 184 Economia Instantnea de Combustvel do Motor Economia atual de combustvel na velocidade atual. Comprimento de dado: 2 bytes Resoluo: 1/512 km/L por bit, 0 offset Faixa de Dado: 0 to 125.5 km/L Faixa operacional: igual faixa de dado Tipo: Medido Informao de Apoio: Referncia PGN: 65266

(SAE J1939-71, 2006, p. 39-40).

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Para estes dois parmetros, consultando a Referncia PGN indicada pelos SPNs 183 e 184 encontra-se a definio:

PGN 65266 Economia de Combustvel (Lquido) - LFE Taxa de Repetio de Transmisso: 100 ms Comprimento de dado: 8 Pgina de dados estendida: 0 Data Page: 0 Formato PDU: 254 Especificidade PDU: 242 Informao de Suporte PGN: Prioridade Padro: 6 Parameter Group Number: 65266 (0xFEF2) Incio 1-2 3-4 5-6 7 Comprimento 2 bytes 2 bytes 2 bytes 1 byte Nome do Parmetro Taxa de Consumo de Combustvel do Motor Ec. Instantnea de Combustvel do Motor Economia Mdia de Combustvel Posio do Acelerador do Motor SPN 183 184 185 51

(SAE J1939-71, 2006, p. 627). Uma anlise destas duas citaes leva concluso de que para efetuar uma leitura dos parmetros Taxa de Combustvel do Motor e Economia Instantnea de Combustvel no Motor devese esperar uma mensagem identificada pelo PGN=FEF216. Ambas so compostas por dois bytes de dados, com resoluo, offset, e faixa de valores definidas. Uma vez recebida uma mensagem contendo o PGN desejado, basta efetuar a leitura dos Bytes 1 e 2 para o SPN 183 e os bytes 2 e 4 para o SPN 184. No entanto observa-se que o PGN=FEF216 ainda poder conter duas informaes adicionais: Economia Mdia de Combustvel e Posio do Acelerador do Motor, onde estes dados, no sendo desejados, devem ser ignorados. Para um melhor entendimento pode-se consultar a tabela contida no Anexo C deste projeto, a qual versa sobre o exemplo do PGN=FEF216, para a Interface FMS (seo 6.2). O leitor ir notar que para esta interface no se utilizam os SPNs 185 e 51. SPNs no implementados, via de regra possuem seus bytes preenchidos com FF16.

6.3 FMS (Fleet Management System) Standard

O FMS-Standard (Sistema de Gerenciamento de Frota) uma interface aberta e padronizada que visa disponibilizao dos dados veiculares a terceiros, objetivando tornar aplicaes de telemetria independentes de fabricantes. Esta interface aplica-se a nibus e caminhes, sendo desenvolvida em 2002, por seis dos principais fabricantes europeus: Daimler AG, MAN AG, Scania, Volvo (incluindo Renault), DAF Trucks e IVECO [7].

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Uma interface FMS-Standard, usualmente, prov: Velocidade do Veculo (baseada na roda); Velocidade do Veculo (do tacgrafo); Chavel da Embreagem (ligada/desligada); Chave do Freio (ligada/desligada); Controle de Cruzeiro (Ligado/Desligado); Tomada de Fora (PTO) (Estado/Modo); Posio do Pedal do Acelerador (0100 %); Total de Combustvel Usado (Em litros, desde o tempo de vida); Nvel de Combustvel (0100 %); Giros do Motor; Peso nos Eixos (kg); Total de Horas do Motor (h); FMS-Standard Verso do Software (modos suportados); Nmero de Identificao do Veculo (ASCII); Informao do Tacgrafo; Distncia do Veculo em Alta Resoluo; Servio de Distncia; Temperatura Refrigerante do Motor.

(Wikipedia, 2011, Fleet Management System)

Estas informaes seguem a codificao em conformidade com as especificaes da Norma SAE J1939 em todos os aspectos descritos pelo documento SAE J1939-71. Embora esta interface possibilite a independncia de fabricantes, no tocante s aplicaes, a quantidade de dados disponibilizados dependente no apenas do fabricante, como tambm do modelo dos veculos. No necessariamente todos os dados listados acima estaro disponveis em um mesmo veculo [30]. A interface FMS de grande importncia por ser descrita como o nico local para uma conexo de dados segura para a rede interna do veculo [7]. Pois, de acordo com a carta intitulada Letter to the European Institutes, ligaes feitas diretamente ao barramento no so permitidas, devido aos grandes riscos de interferncias em sistemas de controle, como motor e freios. Caso tais ligaes sejam encontradas em um veculo, Hodac (2004) declara que os fabricantes reservam-se ao direito de retirar qualquer garantia sobre o produto.

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7.0 PROJETO DO DECODIFICADOR DE DADOS

Este projeto surge da necessidade da empresa CIELO INDSTRIA MECATRNICA, para o desenvolvimento de um novo aparelho rastreador, capaz de extrair informaes de bordo de um veculo a partir de todos os sensores que o fabricante disponibilizar. Com isso, espera-se reduzir os custos de um sistema de rastreamento, atravs da diminuio do nmero de sensores prprios a serem instalados e despesas relacionadas a estes, bem como eliminar divergncias entre as leituras recebidas pela central de monitoramento e as apresentadas ao condutor no painel do veculo.

7.1 Especificaes do Projeto

O decodificador de dados necessita conectar-se ao barramento CAN de veculos pesados, isto , nibus e caminhes, dotados de informaes codificadas conforme especificaes da norma SAE J1939 e disponibilizados atravs da Interface FMS. Os dados lidos devem ser decodificados e disponibilizados a outros dispositivos atravs comunicao serial. A Figura 10, ilustra onde o projeto estar inserido dentro de um sistema de rastreamento.

Figura 10 Contextualizao do Projeto importante que o decodificador seja um dispositivo de baixo custo e realize apenas operaes de leitura do barramento CAN, no enviando informao alguma ao barramento, nem mesmo bits de acknowledgement. O protocolo de comunicao serial a ser utilizado o RS-232. Tambm necessrio que o dispositivo esteja apto a receber novas verses do Firmware em um sistema de atualizao remota via serial.

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7.2 Componentes de Hardware

Partindo do ponto de que no possvel fazer testes com o barramento CAN sem a existncia de pelo menos dois ns de rede, e no possvel contar com um nibus ou caminho sempre disposio, faz-se necessria a construo de um pequeno kit de desenvolvimento J1939, em uma disposio ilustrada pelo diagrama da Figura 11. Neste esquema, o bloco denominado N TX assumir o papel do veculo enquanto o N RX constitui o objetivo geral deste projeto.

Figura 11 Diagrama do kit de desenvolvimento

7.2.1 Composio do N TX

O N TX a parte do kit de desenvolvimento responsvel por simular acionamentos captados e sinais emitidos a bordo de um veculo pesado. Seu funcionamento consiste da leitura peridica de quatro entradas digitais e duas entradas analgicas acionadas pelo usurio e disponibilizadas a cada segundo por um display para fins de acompanhamento. O diagrama da Figura 12 ilustra sua composio genrica.SINAL DO SENSOR DE TEMPERATURA

SINAL DO PEDAL DO ACELERADOR

SINAL DO VELOCMETRO

DISPLAY LCD 16x2

MICROCONTROLADOR

CAN TRANSCEPTOR

BOTES DE NAVEGAO

CHAVE PEDAL DO FREIO

BARRAMENTO CAN

CHAVE PEDAL DA EMBREAGEM

CHAVE PILOTO AUTOMTICO

Figura 12 - Esquema genrico de hardware do N TX

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7.2.2 Composio do N RX

Este n representa o projeto do decodificador de dados. Seu objetivo inicial receber as mensagens do barramento CAN, decodific-las e disponibiliz-las atravs da porta serial. No entanto, para fins de demonstrao o n tambm oferece a possibilidade de visualizao dos dados recebidos atravs de um display, de maneira peridica. Seu esquema genrico mostrado na Figura 13.

BARRAMENTOCAN

MEMRIA IC

INTERFACECAN

MICROCONTROLADOR

DISPLAY LCD16x4

INTERFACESERIAL

BOTES DE NAVEGAO

COMPUTADOR

COMPUTADOR

Figura 13 - Esquema genrico de hardware do N RX

7.2.3 Displays LCD e botes de comando

Ambos os ns utilizam um display LCD individual para um melhor acompanhamento dos sinais gerados e recebidos. Para o N TX adotado um display LCD 2x16 ao passo que para o N RX ser utilizado um display LCD 4x16. A navegao atravs dos menus de configurao e dados exibidos dada por trs botes de comando para cada n, dispostos na configurao Seta Esquerda, Enter e Seta Direita. Estes so botes de ao momentnea, isto , retornam posio original aps seu pressionamento.

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7.2.4 Simuladores de Acionamentos e Medio da Temperatura

O N TX contm duas entradas analgicas, as quais so utilizadas para que o usurio possa simular diferentes valores para a posio do pedal do acelerador e para velocidade do veculo. Fisicamente esto constitudos por dois potencimetros conectados a dois canais A/D do microcontrolador. A simulao dos sinais de acionamento de pedais do freio e embreagem, bem como o piloto automtico ser feita atravs de chaves de ao permanente. Outro sinal a ser enviado ao microcontrolador a leitura da temperatura ambiente. Para a realizao desta leitura, utilizou-se o sensor de temperatura DS1820, escolhido por estar disponvel tanto no estoque da Cielo Indstria quanto no almoxarifado da UPF. Este um sensor de temperatura digital que requer uma nica porta para comunicao, podendo medir temperaturas compreendidas entre -55C e +125C

7.2.5 Interface de Comunicao Serial

Conforme especificao do projeto, a transmisso dos dados decodificados dever ocorrer atravs de comunicao serial RS-232. Embora para o rastreador a presena de uma interface serial no seja necessria em virtude de que a comunicao entre este e seus acessrios ocorre diretamente entre seus microcontroladores, sua presena necessria para fins de testes e demonstraes no computador. O hardware desta interface composto por um circuito integrado MAX232, escolhido por ser um CI relativamente comum e disponvel no Almoxarifado de Eletrnica da UPF, ligado a um conector DB9 (padro para este tipo de comunicao).

7.2.6 Interface CAN

Presente nos dois ns do kit de desenvolvimento esta interface realiza a converso entre as configuraes fsicas do sinal no formato TTL, para um sinal no formato CAN e vice versa. Para desempenhar esta funo foram analisados trs circuitos integrados: MCP 2510, MCP 2515 e MCP 2551.

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7.2.6.1 Controlador MCP 2510

caracterizado por ser um controlador CAN com interface embarcada SPI que implementa por completo CAN 2.0A e CAN 2.0B. Possui uma taxa de transmisso programvel de at 1 MBPS, dois buffers de recepo com armazenamento priorizado, seis filtros de aceitao completos, duas mscaras de filtro de aceitao e trs buffers de transmisso com priorizao. oferecido em encapsulamentos de 18 e 20 pinos.

7.2.6.2 Controlador MCP 2515

O circuito integrado MCP 2510, um controlador CAN que implementa o protocolo CAN formato 2.0B. capaz de transmitir e receber ambos os formatos. Possui duas mscaras de aceitao e seis filtros de aceitao, os quais so utilizados para rejeitar mensagens no desejadas. Sua comunicao com microcontroladores dada atravs da interface embarcada SPI. oferecido em encapsulamentos de 18 e 20 pinos.

7.2.6.3 Transceptor MCP 2551

Este dispositivo um transceptor de alta velocidade que suporta at 1 MBPS de taxa de transmisso, recomendvel para sistemas de 12 V e 24 V. Opera em baixa corrente quando em standby, possui proteo contra condies de curto-circuito e protees contra transientes de tenso at 250 V no barramento. Tambm apresenta proteo contra condies trmicas, entrando em desligamento automtico quando a temperatura limite for ultrapassada. oferecido em encapsulamentos de 4 pinos.

7.2.6.4 Escolha da Interface CAN

Diante das opes analisadas optou-se pela utilizao do transceptor MCP 2551. Entende-se que a interface CAN deva ser responsvel apenas pela converso entre um formato de sinal e outro. Esta escolha permite que funes mais complexas como aplicao de filtros e mscaras, programao da taxa de transmisso e seleo de padres A ou B fiquem sob o gerenciamento do microcontrolador, sem a necessidade da criao de um cdigo fonte especfico para a Interface CAN.

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7.2.7 Microcontroladores

Para os dois ns do kit de desenvolvimento utilizou-se o mesmo microcontrolador que deveria, obrigatoriamente, ser dotado de um mdulo CAN capaz de trocar mensagens nos formatos CAN 2.0A e CAN 2.0B, uma vez que o dispositivo utilizado como interface CAN apenas realiza a converso de um tipo de sinal fsico para outro. Analisando o esquema das Figura 12 e Figura 13 verificou-se que para a construo de ambos os ns seria necessrio um microcontrolador com pelo menos quatorze portas de I/O digitais e, no caso especial do N TX, tambm necesssitaria possuir ao menos duas entradas digitais. Trs modelos de microcontroladores foram avaliados: AT91SAM7A3-AU, DsPic33FJ64GP804 e

PIC18F2580.

7.2.7.1 Microcontrolador AT91SAM7A3-AU

Tambm chamado de ARM7, um microcontrolador de 32-bits de alto desempenho. Possui dois controladores CAN 2.0B ativos, suportando mensagens tanto CAN 2.0A quanto CAN 2.0B. Seus mdulos suportam taxas de transmisso de at 1 Mbps, podendo ser setada automaticamente quando em modo listen. Oferece tambm gerenciamento de prioridades entre as caixas de sada de transmisso. O tamanho do buffer de transmisso pode ser programado para at 16 caixas de entrada. Possui modos sleep e wake-up programveis pela atividade do barramento ou pela aplicao. dotado de 60 pinos de I/O digitais e dois conversores AD contendo 8 canais cada um, com resoluo de 10 bits.

7.2.7.2 Microcontrolador DsPic33FJ64GP804

um microcontrolador de 16-bits com um mdulo ECAN 2.0B ativo, o qual oferece suporte a taxas de transmisso de at 1 Mbps. Este mdulo capaz de implementar at 8 buffers de transmisso e 32 buffers de recepo nas configuraes normal, loopback e listen only. Possui 16 filtros de aceitao e trs mscaras, assim como distintos modos de operao para diagnstico e monitoramento do barramento. O dispositivo tambm pode processar automaticamente requisies remotas e quando em modo sleep o dispositivo pode ser despertado automaticamente ao detectar uma mensagem CAN. Possui 35 pinos de I/O digitais e um conversor AD com 13 canais com resoluo de 12 bits.

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7.2.7.3 Microcontrolador PIC18F2580

Trata-se de um microcontrolador de 16-bits com um mdulo ECAN 2.0B ativo. Seu mdulo suporta taxas de transmisso de at 1 Mbps passveis de operar em trs modos distintos: Legacy, Enhanded Legacy e FIFO (First Input First Output). Possui trs buffers dedicados transmisso com priorizao e dois buffers dedicados recepo, alm de seis buffers programveis, dentro das configuraes normal, loopback e listen only. Possui trs mscaras de aceitao e 16 filtros com associao dinmica. Quando em sleep capaz de despertar quando for detectada uma mensagem no barramento CAN. Possui um conversor AD com 8 canais a uma resoluo de 10 bits e 25 pinos de I/O.

7.2.7.4 Escolha do Microcontrolador

Conforme especificao do projeto e em conformidade com o padro J1939 o projeto ir operar a uma faixa de transmisso de 250 kbps, apenas em modo listen. Embora os microcontroladores AT91SAM7A3-AU e DsPic33FJ64GP804 possuam recursos bastante avanados e numerosos, tanto em seus mdulos CAN quanto nas suas entradas analgicas e pinos de I/O, para implementao deste projeto optou-se pela utilizao do microcontrolador PIC18F2580. Alm de estar disponvel em boa quantidade no estoque da empresa Cielo, seus recursos so suficientes para atender a todas as necessidades dos dois ns do kit de desenvolvimento.

7.2.8 Memria IC

Quando uma atualizao remota de firmware for iniciada, todo o arquivo hexadecimal ser descarregado previamente nesta memria IC, de forma a assegurar que o microcontrolador s inicie o processo de gravao na memria de programa aps todos os dados j terem sido recebidos pelo circuito. Uma vez completada a descarga de uma nova verso, o microcontrolador sinaliza o

recebimento de um novo firmware ao bootloader, e se reinicia. O bootloader, por fim, grava o arquivo hexadecimal na memria de programa, limpa a sinalizao e reinicia novamente o microcontrolador. Dentre as opes de memria disponveis tanto na Cielo, quanto no almoxarifado da UPF, optou-se por utilizar a memria 24LC512, por ser a maior memria disponvel com 64 kB sendo suficiente aos arquivos hexadecimais para esta aplicao.

41

7.2.9 Fonte de Alimentao

Partindo do ponto de que em um veculo pesado comercial encontram-se sadas de tenso de 12 V e 24 V e que o consumo tpico dos circuitos em funcionamento com backlight ligado de 120 mA para cada n, projetou-se uma fonte utilizando o regulador de tenso 7805, o qual alm de operar na faixa de tenso de entrada desejada fornece uma tenso de sada de 5 V [6], necessria ao correto funcionamento dos circuitos. A topologia da fonte de alimentao descrita pela Figura 14, a seguir.U6 IN 12~24ENTRADA

FU1

D11 1N4007

7805 VI VO 3 VCC

5VDCGNDPIN

R6 C1110u 560R

D21N4007

C9100uF

C10100nF

2

C12100nF

GNDTERRA

D3LED

Figura 14 Circuito da Fonte de Alimentao

No circuito da Figura 14, os diodos D1 e D2 atuam como proteo contra inverso da alimentao, o fusvel FU1 atua como proteo contra sobrecorrente e os capacitores de C10 e C12 atuam como filtro para sinais de alta freqncia. No momento da partida, a queda de tenso da bateria de um veculo em mdia de 3 V. Esta queda no representa problemas para o regulador de tenso 7805, o qual necessita de apenas 7 V de alimentao para funcionar, de qualquer forma foram acrescentados os capacitores C9 e C11 para minimizar efeitos de transientes que possam levar a tenso de alimentao abaixo dos 7 V.

7.2.10 Esquemtico de Hardware

O modelo esquemtico do hardware projetado para os dois ns encontra-se ilustrado atravs da Figura 15, para o n TX e pela Figura 16, para o n RX. A lista dos materiais utilizados pode ser visualizada no Anexo A, deste projeto.

42

LCD2LM016L

J31 2 3 4 5 VPP2 VCC GND PGD2 PGC2

VCC

RV450%

VCC

VCC

VCC

SPEED 5k

S3CLUTCH BRAKE

S4CRUISE

S5

VSS VDD VEE

RS RW E

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

TBLOCK-I5

1 GND 2 VCC 3 VE2 PGC2 4 5 PGD2 6

DT0 DT1 DT2 DT3

VCC

7 8 9 10 11 12 13 14

RV350%

VCC

RV250%

R1310k

R1410k

R1510k

VE2 ACCEL 5k 2 3 4 5 6 7 10 9 21 22 23 24 25 26 27 28 ACCEL SPEED BRAKE CLUTCH CRUISE

11 12 13 14 SDAB 15 16 17 18 VPP2 1

5k

U4RC0/T1OSO/T13CKI RA0/AN0 RC1/T1OSI RA1/AN1 RC2/CCP1 RA2/AN2/VREFRC3/SCK/SCL RA3/AN3/VREF+ RC4/SDI/SDA RA4/T0CKI RC5/SDO RA5/AN4/SS/HLVDIN RC6/TX/CK RA6/CLKO/OSC2 RC7/RX/DT RA7/CLKI/OSC1 RE3/VPP/MCLR RB0/INT0/AN10 RB1/INT1/AN8 RB2/INT2/CANTX RB3/CANRX RB4/KI0/AN9 RB5/KBI1/PGM RB6//KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD

VCC

RIGHTB

S6INTOB CANTX CANRX LEFTB RIGHTB PGC2 PGD2

S7 R1010k

S8 R1110k

R1210k

PIC18F2580 VCC

3 VCC TXD RXD RS GND MCP2551 2 CANH CANL VREF

U57 6 5

R7120R

VCC

CANTX 1 CANRX 4 RS 8

J8PIN

U825.5 VCC DQ GND 3 2 1 SDAB

J5PIN DS1822

R510k

J10CHAVEENTRADA

FU1150mA

D41 1N4007

U97805 VIGND

VO

3

VCC

R18 C6100u

D61N4007

C51000uF

C7100nF

2

560R

J11TERRA

D5LED

Figura 15 Esquemtico de Hardware para o N TX

43

VCC

RV150%

VEE

LCD1LM041L VCC

RIGHT

5k

S9 R210kVSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

S10 R310k

S11 R410k

GND 1 VCC 2 VEE 3

PGC 4 5 PGD 6

D0 D1 D2 D3

7 8 9 10 11 12 13 14

VCC

C1 U12 3 4 5 6 7 10 9 INT0 INT1 TXD RXD LEFT RIGHT PGC PGD 21 22 23 24 25 26 27 28 RA0/AN0 RC0/T1OSO/T13CKI RA1/AN1 RC1/T1OSI RA2/AN2/VREFRC2/CCP1 RA3/AN3/VREF+ RC3/SCK/SCL RA4/T0CKI RC4/SDI/SDA RA5/AN4/SS/HLVDIN RC5/SDO RA6/CLKO/OSC2 RC6/TX/CK RA7/CLKI/OSC1 RC7/RX/DT RB0/INT0/AN10 RE3/VPP/MCLR RB1/INT1/AN8 RB2/INT2/CANTX RB3/CANRX RB4/KI0/AN9 RB5/KBI1/PGM RB6//KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD PIC18F2580 VCC 3 VCC CANH CANL VREF GND MCP2551 2 TXD RXD RS 11 12 13 14 15 16 17 18 D0 D1 D2 SCK SDA D3 TX RX 1 C1+ TX RX 11 12 10 9 T1IN R1OUT T2IN R2OUT 1uF 3 C1T1OUT R1IN T2OUT R2IN VS+ VSC2+ 4 C214 13 7 8 2 6

U2 C31uF 1 6 2 7 3 8 4 9 5

J1

1 VPP

C41uF

CONN-D9F

C21uF

R9MAX232 10k

5

J4PIN

R8120R 7 6 5

U3 R161 TXD 4 RXD 8 SLP 10k SCK SDA

R1710k 6 5 7

U7SCK SDA WP 24LC512 A0 A1 A2 1 2 3

J25 4 3 2 1 TBLOCK-I5 PGC PGD GND VCC VPP

J9PIN

R110k

J6ENTRADA

S1CHAVE

FU2150mA

D11 1N4007

U67805 VIGND

VO

3

VCC

R6 C11100uF

D21N4007

C91000uF

C12100nF

2

560R

J7TERRA

D3LED

Figura 16 Esquemtico de Hardware para o N RX

44

7.2.11 DESENVOLVIMENTO DO FIRMWARE 7.2.11.1 N TX

Esta parte do projeto a responsvel pela simulao dos dados emitidos por um veculo, seu funcionamento, de uma forma geral, descrito pelo fluxograma das Figura 17 e 18.

Incio

Configurao

TX Buffer disponvel e Hormetro setado? SIM

Transmite dados do Hormetro

NO

Incrementa 1 ms Transmite dados do Nvel doCombustvel

#INT_TIMER2

TX Buffer disponvel e Nvel do Comustvel SIM setado? NO Transmite dados de pedais, cruise control,SIM e velocidade baseada na roda Inverte estado

Atingiu 1000 ms? SIM

Reseta contador

TX Buffer disponvel

C. Control / Velocidade setado?

do LED e incrementa contador

NO

Transmite dados

TX Buffer disponvel

Contador atingiu

da velocidade do motor SIM

e Engine Controller #2 setado? NO NO Calcula consumo,distncia percorrida,

180?

SIM

Incrementa Hormetro e sinaliza flag

e sinaliza flags TX Buffer disponvelconsumo de combustvel

Transmite dadosdo consumo de

setado?

SIM

combustvel

NO

Figura 17 Fluxograma do Firmware do N TX (Parte 1 de 3)

NO

45

Transmite leitura da velocidade do motor SIM

TX Buffer disponvel e Engine Controller #1 setado?

NO Calcula taxa consumo O valor de "ms" possui TX Buffer disponvel Distncia Percorridasetado? SIM diviso exata por 100?

de combustvel e SIMadquire referncia

Transmite leitura do odmetro NO

de velocidade

NO

Adquire referncia de posio do acelerador e calcula SIM O valor de "ms" possui diviso exata por 50?

Transmite dados do Tacgrafo SIM

TX Buffer disponvel e Tacgrafo setado?

dados do tacgrafo

NO NO O valor de "ms" possui diviso exata por 20? TX Buffer disponvele Condies Ambiente

Calcula velocidade SIM do motor

Transmite leiturada temperatura

setado?

SIM

ambiente NO

NO FIMTransmite dados TX Buffer Disponvel

da economia de combustvel SIM

e Economia de Comb. setado?

NO

TX Buffer disponvel e Desconhecido setado? SIM

Transmite leitura desconhecida

NO


NO

46NO

NO

Existe solicitao de menu?

SIM

Qual menu foi solicitado? Taxa de Transmisso

Modo de Operao Enquanto no forEnquanto no for pressionado ENTER ENTER Pressionado Configura Modo

Configura ENTER Pressionado Taxa

pressionado ENTER

Tecla Pressionada?Tecla Pressionada?

NO RIGHT ENTER

NO RIGHT ENTER LEFT Decrementa Decrementa modo Incrementa modo Sinaliza ENTER Pressionado taxa

LEFT

Incrementa taxa

Sinaliza ENTER Pressionado

Delay 200 ms

Delay 200 ms

#INT_EXT

Seta solicitao de menu

Enquanto ENTER estiver sendo pressionado

Usurio Pressionou LEFT ou RIGHT? SIM

Usurio Pressionou LEFT ou RIGHT?

Reseta Flags

NO Define solicitao de menu Sada

FIM


47

7.2.11.2 N RX

O n RX o responsvel pela recepo, decodificao e transmisso dos dados lidos, em conformidade com o fluxograma mostrado nas Figuras 19, 20 e 21, a seguir.

Incio

Flag de nova

Grava nova verso

verso setado?

na memria de programa

Inicia Firmware instalado

Limpa memria IC,reseta Flags

Configurao

Recebeu MsgCAN? NO

SIM

Verifica ID

O ID vlido?

O modo DEBUG?

NO

NO

SIM

SIM

Decodifica

Envia dados CSVpela Serial

A Sada Display Serial ou Display?

Serial

Figura 20 Fluxograma do Firmware do N RX (Parte 1 de 3)

Display

48Serial


Ativa Frame


SIM Seguinte ou Anterior

NO

NO

SIM

Alterna entre dados NO O tempo maior ou igual a 1s? Brutos e Formatados

SIM Dados Brutosou Formatados? Atualiza visualizao Formatados

Brutos

Envia dados Formatados pela Serial

Envia dados CSV pela Serial

Existe solicitao de menu? SIM

NO


49SIM

NO

Sada

Qual menu foi solicitado? Taxa de Transmisso

Modo de Operao Enquanto no for Configura ENTER Pressionado Taxa

Enquanto no forpressionado ENTER ENTER Pressionado

ConfiguraModo

pressionado ENTER

Tecla Pressionada? Tecla Pressionada? NO

NO

LEFTLEFT RIGHT ENTER

RIGHT

ENTER

DecrementaDecrementa modo Incrementa modo Sinaliza ENTER Pressionado

Incrementa taxa


taxa

Delay 200 ms Enquanto no for pressionado ENTER

Delay 200 ms

Delay 200 ms

ENTER Pressionado

#INT_EXTTecla Pressionada? NO Seta solicitao de menu

LEFT

RIGHT

ENTEREnquanto ENTER estiver sendo pressionado

Decrementa menu

Incrementa menu


Usurio Pressionou LEFT ou RIGHT? Reseta Flags SIM


NO Define solicitao demenu Sada

FIM


50

8.0 TESTES E RESULTADOS

O projeto montado pode ser visualizado atravs da Figura 23, abaixo e os procedimentos de ligao e operao encontram-se descritos no Apndice A, deste trabalho. Optou-se por construir os ns TX e RX em caixas separadas por ser mais fcil efetuar testes distintos em simultneo. Enquanto um aparelho testado a bordo de um veculo, o outro pode ser testado com dispositivos capazes de ler informaes em um barramento com protocolo J1939. Os testes executados foram basicamente trs: comunicao entre os ns TX e RX, comunicao entre o n TX com o mdulo Teltonika FM4200, e comunicao do n RX com veculos comerciais.

Figura 23 - Prottipos TX (esquerda) e RX (direita)

8.1 Teste de comunicao entre os ns TX e RX

Este teste consistiu em ligar os dois aparelhos com o objetivo de verificar o funcionamento do kit como um todo. Verificou-se que todos os sinais gerados pelo n TX foram recebidos, e decodificados pelo n RX. Ao mesmo tempo, tambm se testou a capacidade do n RX de transmitir os dados recebidos atravs do canal serial. Todas as leituras recebidas foram transmitidas ao computador com sucesso.

8.2 Teste de comunicao entre o n TX e o mdulo Teltonika FM4200

O mdulo Teltonika FM4200 um rastreador comercial, importado da Litunia, com a funcionalidade de leitura e decodificao CAN J1939 embarcada. O teste consistiu em ligar o n TX neste mdulo visando verificar sua capacidade de interao com dispositivos fabricados por terceiros. Neste teste, configurou-se o rastreador da Teltonika para receber os parmetros de Velocidade do Veculo, Giros do Motor e Distncia percorrida. Todos os sinais gerados foram corretamente lidos pelo mdulo da Teltonika, o que permite afirmar que o teste foi bem sucedido.

51

8.3 Teste de comunicao entre o n RX e veculos comerciais

O teste de comunicao do n RX, com veculos comerciais foi realizado a bordo dos veculos Volvo FH 440, IVECO Stralis 380, Scania G380 e Mercedes Axor e consistiu na ligao do n TX ao conector da interface FMS ou junto ao conector do tacgrafo quando esta interface no estava presente. Os resultados obtidos encontram-se listados na Tabela 4. LEGENDA NO DISPLAY WBS ODO ENS TGS BRS CLS CCA VMD EPL AAP ECT AAT ETF FRT IFE FLV HFC OVS ERT PGN (Hex) FEF1 FEC1 F004 FE6C FEF1 FEF1 FEF1 FE6C F003 F003 FEEE FEF5 FEE9 FEF2 FEF2 FEFC FD09 FE6C FEE5 VOLVO FH 440 IVECO Stralis 380 SCANIA G380 MERCEDES Axor

PARMETRO Velocidade baseada na roda Odmetro Giros do motor Velocidade no tacgrafo Chave do Freio Chave da Embreagem Piloto Automtico Detector de Movimento Carga Percentual do Motor Posio do Acelerador Temperatura do refrigerante do motor Temperatura ambiente do ar Combustvel total consumido Taxa de Consumo de Combustvel Economia Instantnea de Combustvel Nvel do Combustvel Consumo de Combustvel em Alta Resoluo Detector de Excesso de Velocidade Hormetro - Leitura efetuada com sucesso.

Tabela 4 - Leituras efetuadas em veculos comerciais

Enquanto os modelos da Scania e IVECO mostraram-se bastante completos no sentido de disponibilizar informaes a terceiros, nos caminhes Volvo e Mercedes, verificou-se que apesar de possurem computadores de bordo capazes de mostrar a maioria dos parmetros listados acima poucos parmetros encontravam-se codificados segundo o protocolo J1939. Nestes veculos efetuouse a leitura de diferentes PGNs, os quais no se encontram descritos pela norma SAE J1939-71. Isto permite concluir que, ao menos, estes modelos possuem uma mescla entre a norma da Sociedade de Engenheiros Automotivos e um protocolo prprio desenvolvido por estes fabricantes.

52

CONSIDERAESO desenvolvimento deste projeto permitiu que se chegasse a um prottipo que atende todas as especificaes requisitadas pela Empresa Cielo Indstria Mecatrnica LTDA os quais incluem: leitura e decodificao dos dados presentes no Barramento CAN conforme especificaes da norma SAE J1939, operao em modo listen e capacidade de receber novas verses de firmware e envio das informaes decodificadas atravs da conexo serial. De forma indireta, os meios utilizados para a resoluo do problema acabaram por desenvolver um segundo prottipo tambm de aplicao. O n TX agora chamado de Simulador J1939, e tem sido utilizado para realizao de testes tanto com novos prottipos quanto com dispositivos de terceiros a utilizar o Protocolo J1939. Os testes realizados mostraram que, no momento, apenas trs parmetros so unanimidade entre os fabricantes testados: velocidade do veculo, odmetro e giros do motor. Ainda necessrio efetuar testes de bordo em veculos de outros fabricantes. Todavia, nos veculos testados pode-se concluir que ao menos trs parmetros j podem ser adquiridos diretamente dos instrumentos embarcados ao veculo. O dispositivo projetado, com relao aos parmetros lidos, possibilitou uma srie de vantagens verificadas na prtica as quais incluem: Eliminao de dispositivos de aquisio de dados a parte, bem como sua calibrao e manuteno; Eliminao de divergncias entre as leituras do veculo e da central de monitoramento; Reduo nos custos do equipamento, proporcional ao nmero de dispositivos secundrios eliminados; Facilidade e rapidez na instalao, uma vez que alm da alimentao apenas dois fios adicionais necessitam ser conectados ao veculo; Capacidade de atualizao remota de firmware. No entanto, o decodificador de dados desenvolvido ainda possui uma demanda para expanso. Por esta razo sugere-se que futuros projetos possam incluir tambm o Protocolo ISO 11898, utilizado em veculos de passeio, assim como protocolos prprios de montadoras como a Mercedes e a Volvo, podendo inclusive detectar automaticamente o tipo de linguagem a circular em um barramento qualquer quando conectado.

53

REFERNCIAS[1] AXIOMATIC. Q&A - What is SAE J1939. Missauga, Canada. 2006. [2] BAKER, B. C. Ease into the Flexible CANbus Network. [S.l.], Application Note. Microchip Technology Inc. 2003. [3] CAN IN AUTOMATION (CIA). CAN in Automation. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2011. [4] CANNEWSLETTER.COM. J1939 Referncias. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2011. [5] CIELO INDSTRIA MECATRNICA. Catlogo de Produtos, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 08 set. 2011. [6] FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator. Datasheet Catalog, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 2011 set. 15. [7] FMS-STANDARD. FMS-Standard Interface Description, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 03 set. 2011. [8] GUIMARES, A. D. A. Eletrnica Automotiva Embarcada. So Paulo: rica, 2007. [9] HODAC, I. Letter to the European Institutes. FMS-Standards, 2004. Disponvel em: . Acesso em: 03 set. 2011. [10] JUNGER, M. Introduction to J1939. Stuttgart, Alemanha. 2010. [11] KOURI, M. G. Definio de requisitos para um sistema de monitoramento de veculos no transporte rodovirio de cargas. Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. So Paulo. 2007. [12] LOIOLA, R. Como Funciona o Rastreamento de Caminhes Via Satlite? Revista Mundo Estranho, Editora Abril, 2011. [13] LOPES, C. A. C. CAN - Controller Area Network. Universidade Estadual de Londrina. Londrina-PR. 2009. [14] NATIONAL INSTRUMENTS. Controller Area Network (CAN) Overview. National Instruments, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 25 ago. 2011. [15] PAZUL, K. AN713 - Controller Area Network (CAN) Basics. Microchip Technology Inc., 2002. [16] RICHARDS, P. AN228 - A CAN Physical Layer Discussion. Microchip Technology Inc., 2002. [17] SIMMA SOFTWARE. Introduction to SAE J1939. Terre Haute, EUA. 2009. [18] SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. SAE J1939-21 - Data Link Layer. [S.l.]. 2001. [19] SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. SAE J1939-81 - Network Management. [S.l.]. 2003.

54

[20] SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. SAE J1939 - Recommended Practice for a Serial Control and Communications Vehicle Network. [S.l.]. 2005. [21] SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. SAE J1939-71 - Vehicle Application Layer. [S.l.]. 2006. [22] SOUSA, L. B. D. Redes de Computadores, Dadoz, Voz e Imagem. In: SOUSA, L. B. D. Redes de Computadores, Dadoz, Voz e Imagem. So Paulo: rica, 1999. p. 60. [23] SOUZA, V. A. Introduo ao CAN. Cerne Tecnologia, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 25 ago. 2011. [24] TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011. [25] TECHTARGET. What is Transceiver?, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 17 set. 2011. [26] TISBURY MOTORS LTD. Modern Vehicles. Disponvel em: . Acesso em: 18 ago. 2011. [27] VARGAS, M. T. Computador de Bordo Automotivo. Universidade de Passo Fundo. Passo Fundo, RS. 2007. [28] VOSS, W. A Comprehensible Guide to J1939. Greenfield, EUA. 2008. [29] YOUR ELECTRONICS OPEN SOURCE. What a microcontroller Bootloader is and how it works?, 2008. Disponvel em: . Acesso em: 03 dez. 2011. [30] WIKIPEDIA. Fleet Management System, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 03 set. 2011.

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APNDICE AMANUAIS DE OPERAO

SIMULADOR J1939 (N TX)

1 - Ligando o aparelho Com a chave localizada na parte traseira na posio O alimente o prottipo de demonstrao com uma tenso de 12 Volts, atravs do plugue padro ou atravs dos bornes de alimentao na parte traseira. Depois de alimentado a chave localizada na parte traseira do aparelho dever ser posicionada para a posio I.

2 Conectando a uma rede CAN Para conectar o Simulador a uma rede CAN, ligue os bornes CANH e CANL, localizados na parte frontal do aparelho, respectivamente aos conectores CANH e CANL da rede de destino. Por padro, este dispositivo trabalha apenas no modo NORMAL, enviando mensagens continuamente ao barramento.

3 Lista de abreviaturas utilizadas no dispositivo ABREVIATURA WBS ODO ENS TGS BRS CLS CCA VMD APP ECT AAT ETF FRT IFE FLV SIGNIFICADO LITERAL Wheel Based Speed Odometer Engine Speed Tachograph Speed Brake Switch Clutch Switch Cruise Control Active Vehicle Motion Detect Accelerator Pedal Position Engine Coolant Temperature Ambient Air Temperature Engine Total Fuel Fuel Rate Instantaneous Fuel Economy Fuel Level SIGNIFICADO TRADUZIDO Velocidade baseada na roda Odmetro Giros do motor Velocidade lida pelo tacgrafo Chave do pedal do freio Chave do pedal da embreagem Acionamento do piloto automtico Deteco de movimento do veculo Posio do pedal do acelerador Temperatura do refrigerante do motor Temperatura ambiente Total de combustvel consumido Taxa de consumo de combustvel Economia instantnea de combustvel Nvel do combustvel

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HFC OVS ERT

High Resolution Fuel Consumption Overspeed Engine Running Time

Consumo de combustvel em alta resoluo Excesso de velocidade Hormetro

4 Visualizando e ajustando parmetros Para visualizar os diferentes parmetros gerados pelo dispositivo, navegue atravs dos botes esquerda () e direita () no topo do aparelho. Apesar de apenas dois parmetros serem mostrados a cada vez, o dispositivo envia continuamente todos os parmetros gerados atravs do barramento. Para ajustar: a) Veloci

decodificador de dados usando protocolo can - padrão sae j1939

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