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VI Semináro de E/E -AEA-junho-2004 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO EM SISTEMAS EMBARCADOS AUTOMOTIVOS, AEROESPACIAIS E AGRÍCOLAS Alexandre de A. Guimarães, MSc GM do Brasil & Escola Politécnica da USP RESUMO A Eletrônica Embarcada tem sido amplamente utilizada nos mais variados sistemas móveis disponíveis. Automóveis, caminhões, tratores, aviões, helicópteros e até mesmo navios, têm aplicado dispositivos eletrônicos nos mais diversos tipos de controle de seus sistemas. Desde as funções relacionadas ao conforto dos condutores e passageiros às funções relacionadas à segurança dos veículos, os sistemas eletrônicos estão presentes. Esta imensa quantidade de dispositivos inteligentes, por uma questão de otimização dos recursos disponíveis na implementação, devem compartilhar, da melhor maneira possível, os dados disponíveis na aplicação. Este compartilhamento é gerenciado através dos chamados Protocolos de Comunicação. Este artigo procura relacionar e explicar sucintamente alguns dos protocolos mais utilizados em três das aplicações anteriormente citadas: Automotiva, Aeroespacial e Agrícola. Apesar de não detalhar os protocolos, este artigo menciona suas características principais e serve de ponto de partida para futuros estudos, dando subsídios técnicos ao leitor para que o mesmo possa se aprofundar em uma determinada aplicação ou mesmo protocolo. PALAVRAS-CHAVE (KEYWORDS) Protocolo de Comunicação, Eletrônica Embarcada, Rede de Dados, Sistemas Embarcados, Multiplexação, Communication Protocols, On-Board Electronics, Data Networking, On-Board Systems, Multiplexing.

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VI Semináro de E/E -AEA-junho-2004

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO EM SISTEMAS EMBARCADOS AUTOMOTIVOS, AEROESPACIAIS E AGRÍCOLAS

Alexandre de A. Guimarães, MSc GM do Brasil & Escola Politécnica da USP

RESUMO

A Eletrônica Embarcada tem sido amplamente utilizada nos mais variados sistemas móveis disponíveis. Automóveis, caminhões, tratores, aviões, helicópteros e até mesmo navios, têm aplicado dispositivos eletrônicos nos mais diversos tipos de controle de seus sistemas. Desde as funções relacionadas ao conforto dos condutores e passageiros às funções relacionadas à segurança dos veículos, os sistemas eletrônicos estão presentes.

Esta imensa quantidade de dispositivos inteligentes, por uma questão de otimização dos recursos disponíveis na implementação, devem compartilhar, da melhor maneira possível, os dados disponíveis na aplicação. Este compartilhamento é gerenciado através dos chamados Protocolos de Comunicação.

Este artigo procura relacionar e explicar sucintamente alguns dos protocolos mais utilizados em três das aplicações anteriormente citadas: Automotiva, Aeroespacial e Agrícola.

Apesar de não detalhar os protocolos, este artigo menciona suas características principais e serve de ponto de partida para futuros estudos, dando subsídios técnicos ao leitor para que o mesmo possa se aprofundar em uma determinada aplicação ou mesmo protocolo.

PALAVRAS-CHAVE (KEYWORDS)

Protocolo de Comunicação, Eletrônica Embarcada, Rede de Dados, Sistemas Embarcados, Multiplexação, Communication Protocols, On-Board Electronics, Data Networking, On-Board Systems, Multiplexing.

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1. A ELETRÔNICA EMBARCADA E OS PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

O termo Eletrônica Embarcada representa todo e qualquer sistema eletro-eletrônico montado em uma aplicação móvel, seja ela um automóvel, um avião ou mesmo um trator.

Há muitos anos, a indústria da mobilidade tem feito uso de sistemas eletro-eletrônicos no controle das várias funções existentes nas mais variadas aplicações móveis disponíveis.

O compartilhamento das informações disponíveis em cada componente do sistema tem sido fundamental para o conveniente funcionamento das aplicações. Neste sentido, a utilização de sistemas eletro-eletrônicos interligados, compartilhando informações entre si, além de facilitar o projeto, tem viabilizado a execução de inúmeras tarefas que, de outra maneira, só seria possível com a aplicação de sensores e atuadores redundantes e de excessiva quantidade de cabeamento elétrico.

Sistemas desenvolvidos dentro deste contexto têm sido disponibilizados pelos mais variados fornecedores de sistemas eletro-eletrônicos, dando a impressão aos usuários da aplicação final de que as funções são totalmente integradas, muitas vezes deixando a sensação de existência de uma única unidade de controle inteligente – uma espécie de cérebro.

As formas como os diversos sistemas de controle são implementados e interconectados em uma aplicação embarcada são chamadas de Arquiteturas Eletro-Eletrônicas (ou simplesmente Arquiteturas Elétricas).

As arquiteturas elétricas podem ser divididas em 3 grandes grupos: Arquitetura Centralizada, Arquitetura Semi-Distribuída e Arquitetura Distribuída.

Para as Arquiteturas Semi-Distribuída e Distribuída, faz-se necessário a utilização dos chamados Protocolos de Comunicação, através dos quais é feita a interconexão das ECU´s (Unidades Eletrônicas de Controle) e a troca dos dados pertinentes a cada uma das funções controladas pelo sistema.

Este artigo apresenta os principais Protocolos de Comunicação utilizados atualmente nas aplicações Automotivas, Aeroespaciais e Agrícolas.

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2. APLICAÇÕES AUTOMOTIVAS

Mesmo em veículos comercializados nos chamados países emergentes, é comum utilizar-se de uma arquitetura elétrica fundamentada em um ou mais barramentos de dados. A Figura #1 mostra o exemplo de uma aplicação onde três redes de comunicação de dados são utilizadas.

Figura #1 – Exemplo de Arquitetura Distribuída (com três Redes de Comunicação de Dados)

A seguir são apresentadas algumas tabelas (de #1 a #7) que relacionam os diversos tipos de protocolos existentes e algumas de suas características principais (1)(2). Estas tabelas estão divididas em grupos, seguindo os critérios utilizados pela SAE (Society of Automotive Engineers).

2.1. Classe A: Protocolos com Taxa de Transmissão de até 10Kbps.

Geralmente relacionados às funções de conforto de um veículo.

Tabela #1 – Alguns Protocolos de Comunicação Classe A

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2.2. Classe B: Protocolos com Taxa de Transmissão de 10Kbps a 125Kbps. Geralmente relacionados ao controle dos sistemas de entretenimento de um veículo.

Tabela #2 – Alguns Protocolos de Comunicação Classe B

2.3. Classe C: Protocolos com Taxa de Transmissão de 125Kbps a 1Mbps.

Geralmente relacionados ao controle dos sistemas de segurança de um veículo.

Tabela #3 – Alguns Protocolos de Comunicação Classe C

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2.4. Diagnóstico: Protocolos utilizados nos sistemas de diagnóstico embarcado (OBD – On-Board Diagnosis).

Tabela #4 – Alguns Protocolos de Comunicação para Diagnóstico

2.5. Mobile Media: Protocolos utilizados na implementação do conceito PC-on-

Wheels ou “Computador sobre Rodas”.

Tabela #5 – Alguns Protocolos de Comunicação para aplicações Mobile Media

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2.6. Safety Bus: Protocolos utilizados em sistemas de AirBag.

Tabela #6 – Alguns Protocolos de Comunicação utilizados em AirBags

2.7. Drive by Wire: Protocolos utilizados em aplicações onde sistemas

eletromecânicos substituíram os sistemas puramente mecânicos (direção, freio e aceleração entre outros).

Tabela #7 – Alguns Protocolos de Comunicação para aplicações Drive By Wire

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2.8. Considerações Finais

Percebe-se que, para cada aplicação, existe uma série de protocolos disponíveis, validados e com tecnologia conhecida. Ainda assim, o autor considera o CAN Bus o protocolo com a maior variedade de configurações possíveis, sendo capaz de cobrir a grande maioria das necessidades relacionadas a troca de dados dos veículos automotivos atualmente existentes e em desenvolvimento.

Para aplicações que demandem uma taxa de transmissão superior aos 1Mbps do CAN, existem os protocolos baseados em barramentos de fibra-ótica ou wireless (sem fio).

Deve-se registrar também que o protocolo LIN Bus, apesar de pouco utilizado atualmente, tem grande potencial de aplicação, especialmente em veículos desenvolvidos para os mercados emergentes que necessitem de soluções atualizadas em relação a tecnologia, mas com custos reduzidos. A tendência é que os custos relacionados aos componentes necessários à implementação de uma rede LIN sejam cada vez mais reduzidos.

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3. APLICAÇÕES AEROESPACIAIS (3)(4)

O crescimento da utilização dos barramentos de comunicação de dados nas aplicações aeroespaciais, durante os anos 70, foi exponencial. O primeiro barramento utilizado em larga escala na aviação civil foi o ARINC 429. A necessidade foi gerada devido ao aumento da utilização de sistemas eletrônicos destinados ao controle de sistemas de segurança e pela necessidade de se reduzir a massa das aeronaves, melhorando principalmente o consumo de combustível.

Já na aviação militar, o protocolo aplicado no primeiro momento em que o conceito de redes de comunicação de dados foi utilizado, foi o MIL-STD-1553. A primeira aeronave a receber este protocolo, em 1973, foi o F-16, em 1973.

Figura #2 – Avião F-16 da Força Aérea Belga – http://www.airliners.net

A utilização de um protocolo de comunicação facilita a atualização tecnológica do sistema ao longo do tempo e, também, a sua manutenção. Com o aumento da utilização da eletrônica embarcada e, conseqüentemente, dos protocolos de comunicação, em poucos anos, cada avião poderá ser considerado um nó de uma rede global que controlará o tráfego aéreo mundial, aumentando o conforto dos passageiros e melhorando a segurança dos vôos.

A tabela #8 relaciona algumas aeronaves comerciais e seus respectivos protocolos de comunicação.

Tabela #8 – Exemplos de Aeronaves e seus Protocolos

Nesta tabela estão relacionados os principais protocolos utilizados na aviação comercial, como por exemplo o ARINC 429, o ARINC 629, o CSDB e o ASCB. Na aviação militar, o protocolo mais utilizado é o MIL-STD-1553.

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A seguir serão mencionadas algumas informações adicionais sobre os principais protocolos de comunicação aplicados em aviões e helicópteros.

3.1. ARINC 429

Desenvolvido no início dos anos 70, o ARINC 429 (Aeronautical Radio Incorporation) tem sido o protocolo mais utilizado no segmento da aviação civil. Trabalha de forma unidirecional, oferecendo duas taxas de transmissão, de 12 a 14Kbps ou 100Kbps (taxas que não podem ser combinadas no mesmo barramento ao mesmo tempo). É um barramento assíncrono, onde cada transmissor necessita estar conectado a cada receptor por um fio específico (conceito ponto a ponto).

As mensagens são transmitidas em regime broadcast, onde até 20 módulos podem estar conectados ao barramento. O cabo utilizado é um par trançado blindado, com impedância igual a 78 ohms, trabalhando com o conceito de tensão diferencial, o que minimiza os problemas relacionados às interferências eletromagnéticas.

Todo transmissor, antes de enviar determinada mensagem, envia uma solicitação de envio que será respondida pelo receptor caso o mesmo esteja disponível (ou pronto). O tamanho de uma palavra no ARINC 429 é de 32 bits, dos quais apenas 19 são bits de dados. O nível do sinal no ARINC 429 pode ser visto na figura #3.

Figura #3 – Nível do Sinal no ARINC 429

3.2. ARINC 629 (DATAC)

DATAC (Digital Autonomous Terminal Access Communication) foi desenvolvido pela NASA em 1983, buscando a redução de massa, volume e tempo de instalação dos sistemas embarcados em aeronaves experimentais, neste caso, um Boeing 737.

Após ficar tecnicamente comprovada a sua eficiência, em 1989, o DATAC foi transformado em padrão aberto e, imediatamente, considerado no projeto do Boeing 777. Naquele momento, o ARINC 629 pareceu ser o sucessor imediato do ARINC 429.

Entretanto, considerando os elevados custos de substituição de um protocolo por outro nas aeronaves já em produção, e o fato de, naquela ocasião, o único projeto em desenvolvimento era o do próprio Boeing 777, a adoção do ARINC 629 foi descartada. Atualmente os Boeing 777 são equipados com uma arquitetura híbrida, baseada no 429 e no 629.

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É permitida a conexão de até 120 módulos à rede DATAC, onde todos podem ser receptores e transmissores (rede multi-mestre). O protocolo trabalha no conceito CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) e opera em dois modos: BP (protocolo básico) e CP (protocolo combinado). No modo básico, dados periódicos ou aperiódicos podem ser enviados e o barramento tem condições de alternar entre eles. Já no modo combinado, o barramento pode enviar os dois tipos de dados dentro do mesmo quadro de mensagem. Cada mensagem possui 32 bits, dos quais 16 são de dados.

A taxa de transmissão recomendada no ARINC 629 é de 2Mbps, com possibilidade de ser aumentada caso a tecnologia do cabeamento e de alguns componentes eletrônicos dos módulos seja melhorada.

O cabeamento é constituído por um par trançado não blindado, apenas isolado, podendo alcançar o comprimento máximo de 100 metros. A transmissão é assíncrona.

3.3. SAFEbus

Desenvolvido pela Honeywell e designado como ARINC 659 foi basicamente criado por requisitos colocados pelo Boeing 777. O objetivo principal era aplicar um protocolo que permitisse o funcionamento normal do sistema, mesmo diante de uma condição de falha. Para tanto, utilizou-se o conceito de protocolo determinístico. O protocolo garante que o processamento de uma mensagem dure o suficiente para que outras mensagens não tenham seu processamento prejudicado.

Como o protocolo é determinístico, as mensagens possuem somente bits de dados, variando de 1 à 256 palavras de 32 bits cada.

A figura #4 apresenta a arquitetura do Boeing 777. Percebe-se que esta arquitetura considera vários protocolos diferentes. O SAFEbus, neste caso, está sendo utilizado entre as cabines AIMS (Airplane Information Management System), esquerda e direita.

Figura #4 – Arquitetura no Boeing 777

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3.4. ASCB

O ASCB (Avionics Standard Communication Bus) foi originalmente desenvolvido pela empresa Honeywell e aprimorado pela Associação dos Fabricantes da Aviação Geral (GAMA). O objetivo principal deste protocolo é ser utilizado em jatos comerciais de pequeno porte, os quais utilizam componentes comerciais de baixo custo para o interfaceamento do barramento.

Pode ser considerado um protocolo de alta velocidade, com taxa de transmissão de 670Kbps. O sistema de comunicação é bidirecional com barramentos redundantes e mensagens transmitidas em regime broadcast. Suporta até 48 módulos conectados à rede, com mensagens de até 256 palavras de 16 bits cada.

3.5. CSDB

O CSDB (Commercial Standard Digital Bus) foi desenvolvido originalmente pela Collins e também aprimorado pela Associação dos Fabricantes da Aviação Geral (GAMA).

A conexão dos módulos eletrônicos é feita ponto a ponto, com mensagens transmitidas em regime broadcast e de maneira assíncrona. O cabo é formado por um par de fios trançados e blindados, podendo alcançar até 50m de extensão e permitindo a conexão de até 10 módulos à rede.

Um barramento CSDB pode operar em 12,5Kbps ou em 50Kbps, com dados sendo transmitidos através do modo NRZ (Non-Return to Zero), dentro de um grupo de 11 bits, dos quais 8 são especificamente dados.

3.6. AFDX

As redes Ethernet são muito interessantes às aplicações aeroespaciais, podendo elevar a taxa de transmissão de 1Mbps para até 100Mbps, com uma séria de dispositivos já validados e qualificados à certificação de sistemas críticos de segurança.

Algumas aplicações já estão considerando o AFDX como protocolo base, dentre as quais pode-se destacar o Boeing 767-400ER, o Boeing 777 e o AirBus A380.

As normas correspondentes ao AFDX são: ARINC 664 (Aircraft Data Network) e IEEE 802.3. O sistema é baseado no conceito CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) e com mensagens enviadas em regime broadcast.

3.7. MIL-STD-1553

Com taxa de transmissão de 1Mbps, o 1553 é utilizado em aplicações militares, integrando os sistemas de armas aos demais aviônicos (do inglês avionics) da aeronave.

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Neste protocolo, o principal componente é o chamado BC, Controlador de Barramento, o qual controla o fluxo dos dados de todas as transmissões realizadas. Outro elemento básico neste protocolo é o Terminal Remoto, RT, que conduz os dados dos subsistemas ao BC. Em caso de falha do BC, o RT pode assumir suas responsabilidades, uma vez que possui capacidade própria de processamento. A figura #5 mostra a hierarquia na arquitetura de barramentos do 1553.

Figura #5 – Exemplo de Hierarquia na Arquitetura de Barramentos do MIL-STD-1553

O cabeamento é caracterizado por um par de fios trançados e blindados. Além disso, outra importante característica do MIL-STD-1553 é a possibilidade de se ter barramentos redundantes, fundamentais nas aplicações militares.

As mensagens contêm três tipos de palavras – comando, status e dados – cada qual com 20 bits específicos, dos quais 4 são de sincronização. Os formatos das mensagens no MIL-STD-1553 podem ser vistos na figura #6.

Figura #6 – Formatos das Mensagens no MIL-STD-1553

3.8. Eurofighter EFABus

O EFABus, também conhecido como STANAG 3910, foi considerado no desenvolvimento da aeronave Eurofighter EF2000 Typhoon pois o MIL-STD-1553 não teria capacidade de transmissão de dados suficiente para atender os requisitos dos sistemas embarcados desta nova aeronave.

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De qualquer forma, o EFABus é fortemente baseado no MIL-STD-1553B, com duas redes de fibra-ótica redundantes, podendo operar em até 20Mbps, em uma topologia tipo estrela.

O protocolo EFABus suporta até 31 módulos conectados à rede, cada qual podendo trabalhar em até duas redes distintas, uma de baixa e outra de alta velocidade. Nas redes de alta velocidade baseadas no EFABus, as mensagens podem ter de 624 à 65.548 bits.

A tecnologia ótica foi selecionada para o barramento do EFABus, especialmente por eliminar as interferências eletromagnéticas e por reduzir a sensibilidade às descargas elétricas, radiação e pulsos eletromagnéticos nucleares (NEMP).

Figura #7 – Eurofighter EF2000 Typhoon – http://www.airliners.net

3.9. Considerações Finais

Apesar de haver dois segmentos distintos classificando as aplicações aeroespaciais – a civil e a militar – os requisitos técnicos entre eles são extremamente similares. A principal diferença está no fato das aplicações militares, pelo próprio propósito das aeronaves, demandarem sistemas redundantes. Neste sentido, alguns protocolos destacam-se dos demais por já terem sido concebidos considerando tais conceitos de robustez.

A tendência é que os protocolos aplicados à aviação civil tenham taxas de transmissão de dados cada vez maiores, especialmente pela demanda de sistemas de conforto e entretenimento das aeronaves. Neste sentido, o protocolo AFDX se destaca dos demais.

Já na aviação militar, além das já mencionadas redes redundantes, barramentos baseados em fibra-ótica devem monopolizar os desenvolvimentos, especialmente por garantirem robustez elevada em ambiente magneticamente nocivos.

Especulando uma possível aplicação do CAN Bus na aviação, o autor considera tecnicamente viável a sua utilização em arquiteturas onde hoje utiliza-se o ARINC 429. O CAN possui velocidade e mecanismos de contenção de falhas equivalentes ao do protocolo ARINC. De qualquer maneira, a história mostra que as tecnologias somente migram para a aviação, após muitos anos de utilização em aplicações de baixo risco, como é o caso da automotiva e da agrícola. Neste sentido e considerando que o CAN Bus é um protocolo ainda “jovem”, pouco deve se esperar sobre a sua utilização em aviões para os próximos 5 ou mesmo 10 anos.

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4. APLICAÇÕES AGRÍCOLAS

Analisando-se as diversas aplicações agrícolas existentes, consegue-se identificar os protocolos que já foram utilizados no desenvolvimento de algumas redes embarcadas. Dentre eles destacam-se o RS232, o RS485 e o CAN Bus.

4.1. RS232

Pode ser considerado (5) um dos protocolos mais populares de todos os tempos, existindo em praticamente todos os computadores – pessoais e de grande porte. Foi concebido para a comunicação bidirecional de dados entre dois dispositivos, a uma distância máxima variando de 150m a 300m, dependendo da taxa de transmissão e do tipo de cabo utilizado. É caracterizado por utilizar linhas desbalanceadas, onde o sinal é aplicado a um dos fios e referenciado ao outro, conectado ao terra comum do sistema (6).

Como vantagens de se utilizar o RS232 em aplicações agrícolas, pode-se destacar (7) o fato de ser compatível com a grande maioria dos micro-controladores existentes e por ser um protocolo simples de se implementar.

Sobre as desvantagens deste protocolo, pode-se destacar (7) a dificuldade de expansão e as restrições à implementação de um controle distribuído, pela grande quantidade de cabeamento requerida e por potenciais problemas relacionados às interferências eletro-magnéticas (devido a não ser uma rede de linhas balanceadas ou diferenciais).

Analisando as diversas particularidades do RS232, percebe-se que apesar de simples e extremamente difundido, ele não atende grande parte das características desejáveis a um protocolo agrícola.

4.2. RS485

Este protocolo (5) possibilita a troca de dados entre uma quantidade maior de nós e a uma distância maior entre eles se comparado ao RS232. A quantidade de pontos conectados à rede, dependendo do comprimento da mesma e da taxa de transmissão, pode chegar a 256 (6). Apesar disso, existe somente um nó capaz de conversar com todos os demais, sendo conhecido como mestre (7).

Como vantagens do RS485 pode-se destacar o fato de ser simples de se implementar, necessita de uma quantidade inferior de cabos para as conexões e tem maior imunidade a ruídos elétricos (uma vez que adota par trançado e loop de corrente em sua linha de comunicação).

Sobre as desvantagens, pode-se destacar o fato de não ser um controle verdadeiramente distribuído, caracterizando na verdade uma comunicação mestre-escravo (8).

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Do ponto de vista de uma aplicação agrícola, a baixa eficiência desta rede devido à comunicação ser efetuada dentro do conceito mestre-escravo, dificulta a sua utilização em aplicações que necessitem de um controle completamente distribuído, onde os módulos troquem, de forma rápida e direta, as informações necessárias ao seu processamento interno.

4.3. CAN Bus

Com o passar dos anos, as exigências à troca de informações entre os diversos módulos eletrônicos cresceram de tal forma que o cabeamento requerido para tais conexões chegou a atingir vários quilômetros de comprimento. Esta condição acarretou problemas crescentes relativos ao custo de material, tempo de produção dos veículos e até mesmo em relação à confiabilidade dos sistemas de controle.

A solução para este problema é a troca da forma de comunicação entre estas ECUs, devendo-se considerar um protocolo que garanta os fatores mencionados a seguir (9):

• Possibilitar o cabeamento total da rede reduzido.

• Ser capaz de transmitir altas taxas de informação, uma vez que os sistemas operam com informações em tempo-real.

• Boa flexibilidade das linhas de comunicação para facilitar a instalação do chicote no veículo.

• Capacidade de interligar diversos nós, garantindo futuras expansões do sistema.

• Trabalhar dentro do conceito multi-mestre, eliminando a existência de um módulo principal responsável pelo gerenciamento da rede.

• Robustez suficiente para garantir seu funcionamento em ambientes móveis e nocivos.

• Capacidade para detectar e tratar eventuais falhas geradas por problemas em hardware e software ou interferências externas, como as eletro-magnéticas.

O protocolo que cobre todos estes requisitos é o CAN Bus. Existem vários padrões fundamentados no CAN - padrão ISO11898 para redes de alta velocidade e ISO11519-2 para redes de baixa velocidade. Alguns deles já foram considerados em estudos e no desenvolvimento de algumas aplicações agrícolas. Destacam-se os seguintes:

• SAE J1939: Originalmente desenvolvida para ônibus e caminhões;

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• DIN9684 – LBS: Desenvolvida especificamente para aplicações agrícolas;

• ISO11783: Padrão em desenvolvimento a ser utilizado em aplicações agrícolas;

• ISOBUS: Reunião de algumas informações da ISO11783, já liberadas (em avançado) pela ISO com o intuito de orientar determinados desenvolvimentos agrícolas.

4.3.1. SAE J1939

Este padrão define todos os níveis necessários a um protocolo, para que o mesmo possa ser efetivamente utilizado em aplicações completas (10), especialmente as relacionadas a ônibus e caminhões, segmentos para os quais a J1939 foi desenvolvida.

Baseada no CAN 2.0B, a J1939 foi considerada como ponto de partida dos trabalhos que buscam a criação de um padrão agrícola internacional ISO (11)(12). Partes do padrão internacional ISO11783 (em desenvolvimento) foram baseadas na J1939. Por outro lado, partes da J1939 foram modificadas, recebendo informações e requisitos destinados às aplicações agrícolas (11).

Trabalha com velocidade de transmissão de 250Kbps, comportando até 30 nós conectados a cada segmento do barramento.

O cabeamento utilizado possui 4 fios trançados, um para a linha CAN_H, outro para a linha CAN_L e os demais para a alimentação das terminações (Alimentação ou Bateria e Referência ou Terra).

Comparando-se as partes da J1939 com as correspondentes da ISO11783, percebe-se claramente que o esperado padrão internacional procura tirar da norma SAE, especificações já implementadas e validadas em outras aplicações (12).

4.3.2. DIN9684 – LBS

A LBS (Landwirtschaftliches Bus System ou Agricultural Bus System) (5), como é chamada no meio agrícola, foi desenvolvida com base no CAN 2.0A, especificamente para as aplicações agrícolas. O grupo responsável por sua criação foi formado pela LAV (Associação dos Fabricantes de Máquinas Agrícolas), empresas e instituições alemãs. Finalizado em 1993 (13)(14)(15), a principal motivação para sua criação foi o crescimento acelerado da disponibilidade de equipamentos eletrônicos para aplicações agrícolas (16).

Este protocolo define todos os componentes necessários a um barramento de comunicação agrícola, tendo como características principais (16) a capacidade de trabalhar com até 2048 mensagens diferentes e interligando o máximo de 20 nós em uma rede de 40 metros e taxa de transmissão de 125 Kbps.

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Diversos equipamentos, desenvolvidos sob ela, já são comercializados. Como exemplo, pode-se citar o sistema Fieldstar (17), hoje comercializado como opcional dos tratores da empresa Massey Ferguson ou AGCO. Trata-se de um terminal de operação responsável por receber todos os dados disponíveis no trator e implementos, calcular a partir deles uma série de informações e orientar o operador do sistema à realização de determinadas ações requeridas à boa continuidade das atividades. A Tabela #9 mostra alguns equipamentos disponíveis, desenvolvidos considerando-se a LBS.

Fabricante Equipamento em Comercialização Hardi Controlador de Pulverização

LH-Agro Interface Adaptadora (Sinais Discretos X LBS)

AGCO-Fieldstar Terminal Virtual

John Deere Terminal Virtual

Muller / AgroCom Terminal Virtual

Kverneland Terminal Virtual

WTK Terminal Virtual

Tabela #9 – DIN9684: Produtos e seus Fabricantes

Entretanto, analisando-se as várias literaturas disponíveis (16)(18)(19), percebe-se que mesmo sendo aplicado a equipamentos já em comercialização, a LBS não é a melhor solução para todas as aplicações agrícolas, especialmente as futuras. Um padrão com uma maior quantidade de pontos disponíveis na rede, maior taxa de transmissão e maior quantidade de mensagens, o que aumentaria a flexibilidade do sistema, é realmente necessário. De qualquer forma, todos os trabalhos realizados sobre a LBS têm sido utilizados como referência às atividades da Comissão ISO que trata da criação da ISO11783.

4.3.3. ISO11783

O ISO11783 é um padrão de comunicação agrícola baseado no CAN 2.0B. Está em desenvolvimento pelo grupo de trabalho ISO TC23/SC19/WG1, que procura reunir os diversos requerimentos dos sistemas agrícolas atuais e predizer o que seria interessante em um protocolo de comunicação, para que o mesmo seja flexível e possa suportar as diversas aplicações futuras (18).

Esta norma, assim como a DIN9684 – LBS, define todos os componentes necessários a um barramento agrícola. Tem como características principais (20)(12) a capacidade de trabalhar com até 8672 mensagens diferentes (condição adquirida da SAE J1939) e interligando o máximo de 256 nós em uma rede de 40 metros e taxa de transmissão de 250 Kbps.

Como dito anteriormente (16)(18)(19), grande parte dos resultados obtidos com os demais protocolos de comunicação em aplicações agrícolas têm sido direcionados aos trabalhos de criação da ISO11783. Este fator garante a abrangência desta

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norma a todas as aplicações agrícolas existentes (as atuais que operam sob a DIN9684) e às futuras.

4.3.4. ISOBUS

A ISOBUS é assim chamada pois reúne algumas informações de determinadas partes da norma ISO11783. O objetivo desta recomendação – ISOBUS – é permitir que alguns segmentos da indústria de equipamentos agrícolas, especialmente os ligados ao desenvolvimento de Monitores de Operação ou Terminais Virtuais, iniciem suas atividades fundamentados em documentos com conteúdo oficial, internacional e, especialmente, padronizado.

O que se espera com a liberação do chamado “Conjunto Mínimo do Padrão ou Minimum Standard Set” é que parte dos desenvolvimentos atualmente em andamento, já considerem os conceitos da ISO11783 em seus projetos (21).

O trecho abaixo, retirado do documento oficial da ISOBUS (22), descreve o sentimento do grupo responsável por sua liberação:

“ISOBUS é a especificação comum dos fabricantes participantes da aplicação uniforme do padrão internacional de Controle Serial e Rede de Comunicação de Dados ISO11783. Como o padrão ISO é muito extenso e muito complexo para aplicação direta, uma especificação orientada à aplicação foi dele derivado: ISOBUS”.

Iniciativas como esta, de liberar um conjunto mínimo de especificações relacionadas a um padrão completo, mostram a preocupação das instituições e empresas relacionadas à agricultura em dar subsídios tecnológicos ao desenvolvimento de sistemas de controle modernos e, acima de tudo, internacionalmente padronizados.

4.3.5. Comparação entre as Normas

Pode-se avaliar cada um dos padrões citados anteriormente de duas formas: Técnica e de Mercado (5).

Do ponto de vista técnico, os padrões SAE J1939 e ISO11783 são similares; posição reforçada pelo fato de eles terem partes de suas normas em comum. Sendo fundamentados no CAN 2.0B e com taxa de transmissão de 250Kbps, torna-se possível através deles a implementação de sistemas flexíveis e com boa capacidade de expansão.

Já o DIN9684 – LBS, especialmente por ter sido fundamentado no CAN 2.0A, por agregar não mais que 20 nós e trabalhar com taxa de transmissão máxima de 125Kbps, não suportaria determinadas necessidades de controle embarcado (16)(18)(12).

Do ponto de vista de mercado, se analisados os mesmos três padrões, percebe-se que o único com sistemas efetivamente implementados e comercializados é o

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DIN9684 – LBS, sendo em sua grande maioria Monitores de Operação e Terminais Virtuais (20)(11)(17). Por outro lado, a ISOBUS tem sido referência a diversos fabricantes e ferramentas de trabalho no desenvolvimento de vários sistemas, especialmente Receptores GPS, Terminais Virtuais e Unidades de Controle de Trator e Implemento (21).

A Tabela #10 relaciona alguns fabricantes e seus dispositivos cujo desenvolvimento tem sido fundamentado na ISOBUS (21).

Fabricante Dispositivo ou Equipamento em Desenvolvimento

Beeline Technologies Receptor GPS

Caterpillar / AGCO ECU de Trator

CNH Global Terminal Virtual

John Deere Terminal Virtual ECU de Implemento

Kverneland Terminal Virtual ECU de Implemento

Satloc Receptor GPS

Technical University of Muenchen

ECU Controladora de Tarefas Indicador de Implemento (espécie de Terminal Virtual)

Trimble Receptor GPS

Vector Informatik Ferramenta de Análise CANoe 4.0

Tabela #10 – ISOBUS: Produtos e seus Fabricantes

4.3.6. Considerações Finais

Percebe-se que grande parte das atividades executadas até o momento, não só com a LBS, mas também com a SAE J1939, buscam e contribuem para o aumento das experiências com os protocolos de comunicação serial nas aplicações agrícolas e auxiliam no desenvolvimento do padrão ISO11783, futuro padrão internacional para redes de comunicação de dados na agricultura.

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CONCLUSÕES

Este artigo relaciona cerca de 40 protocolos de comunicação, dentro das aplicações automotiva, aeroespacial e agrícola. Deve-se observar que, mesmo entre aplicações supostamente diferentes, muitos requisitos são compartilhados. Basicamente os sistemas devem ter cabeamento reduzido, devem ser padrões abertos e, principalmente, devem ser robustos e confiáveis.

Cada aplicação tem seu “protocolo destaque”, basicamente avaliado em função dos três fatores colocados anteriormente e, além disso, em relação a sua taxa de transmissão de dados e os custos envolvidos na implementação do sistema. O autor considera como “protocolo destaque” para cada uma das aplicações mencionadas, os seguintes padrões:

• Automotiva (desconsiderando os sistemas de segurança e multimídia): os baseados no CAN Bus para os sistemas de alta e média velocidade e o LIN Bus para os sistemas de baixa velocidade.

• Aeroespacial: o AFDX para a aviação civil e o STANAG 3910 para a aviação militar.

• Agrícola: o ISO11783 (padrão fundamentado no CAN Bus).

O principal é que, apesar de não descrever minúcias técnicas sobre os protocolos mencionados, este artigo serve como ponto de partida para uma pesquisa mais detalhada sobre as aplicações aqui tratadas.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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SOBRE O AUTOR

Alexandre de Almeida Guimarães trabalha na GM do Brasil desde 1993. Iniciou suas atividades na área de automação industrial e trabalha atualmente como Líder de Projetos na Engenharia Eletro-Eletrônica. Formou-se em Engenharia Elétrica pela PUC de São Paulo e titulou-se Mestre em Sistemas Digitais pela Escola Politécnica da USP, onde cursa atualmente Doutorado. Possui diversos artigos publicados na área de Eletrônica Embarcada.

Web Page: http://planeta.terra.com.br/educacao/ee/