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Redes de Comunicação Veicular: o Segredo para o Sucesso de um Complexo Sistema


Acompanhe nesta matéria a evolução e as particularidades dos diversos tipos de protocolos de comunicação adotados no segmento automotivo

Por: Leandro Almendro Zamaro - lzamaro@outlook.com - 24 de outubro de 2016

"Primeiramente, focando a simples troca de mensagens voltadas ao diagnóstico, posteriormente o monitoramento e a regularização do índice de poluentes emitido pelo veículo. Em seguida, objetivando limitar a probabilidade do número de falhas através da limitação da quantidade de cabos. Enfim, os protocolos de comunicação utilizados em veículos automotores passam, constantemente, por um processo de desenvolvimento semelhante aos utilizados pelas grandes Multinacionais da Informática" 

Exemplo simplificado de um sistema de comunicaçãoINTRODUÇÃO

Em meados dos anos 70, alguns fabricantes “ousaram” utilizar sistemas eletrônicos para controle e diagnóstico de falhas em veículos.  Aumentar a segurança de motoristas e passageiros e customizar a funcionalidade do veículo através de um maior número de portas de comunicação foram o próximo passo, e nesse caso duas grandes tendências de desenvolvimento das redes de comunicação podem ser identificadas. Tratam-se de conexões multiplexadas, e também sistemas de conforto aperfeiçoados, promovendo a integração multimídia para com os usuários.  

DESDE OS PRIMÓRDIOS

Grande parte dos sistemas automotivos, anos atrás, eram ligados por condutores simples de cobre. O aumento desenfreado do número de sistemas e a constante comunicação entre os módulos de gerenciamento exigiu aprimoramentos significativos. No entanto, a complexidade exigiu um novo conceito para ligar os sistemas. Hoje a maioria das ECU (Electronic Control Unit) envia e recebe informações vitais através de redes de comunicação. 

Mesmo com os esforços incessantes da Engenharia, a velocidade de transmissão dos dados de comunicação automotivos ainda é muito mais lenta se comparada a uma rede típica de computadores. 

Nem a alta velocidade de uma Rede CAN, algo em torno de 01 Mbps, pode ser comparada com uma velocidade em torno de 01 Gbps, velocidade razoável para as redes de computadores amplamente utilizadas. 

CAN (CONTROLLER AREA NETWORK)

O protocolo CAN foi proposto pela Bosch, em meados de 1980, para interligação dos sistemas de controle em veículos, de forma a simplificar os cabeamentos. Em 1986, a Bosch anunciou oficialmente o desenvolvimento de um sistema de comunicação diferenciado entre Unidades Eletrônicas de Controle (ECU) nos automóveis da Mercedes. 

Exemplo contendo diversos Módulos de Gerenciamento e suas respectivas Redes
Já em 1987 surgiram os primeiros circuitos integrados para CAN, fabricados pela Intel e pela Philips, que tornaram-se um padrão internacional, através da Norma ISO 11898. O CAN é um protocolo de comunicação série síncrono utilizado para interligar dispositivos distribuídos. A rede é “Multi-Mestre”, isto é, todos os nós podem tornar-se mestres, e escravos em outros, e tudo depende da situação requerida pelo sistema. 

O CAN usa o mecanismo de acesso ao meio CSMA/DCR (Carrier Sense Multi-Access / Deterministic Collision Resolution), isto é, cada nó, antes de enviar informação para a rede, “verifica atentamente” o que se passa nela e, se eventualmente estiver disponível, envia as mensagens. Para evitar colisão, o algoritmo verifica o barramento analisando as prioridades das mensagens. Caso seja detectada a existência de dois nós a transmitir em simultâneo, a mensagem menos importante termina a sua transmissão, e a de maior prioridade continuará enviando sua mensagem até o final. A prioridade da mensagem é especificada por identificadores únicos, que podem ser de 11 ou 29 bits, e que também determinam a prioridade intrínseca da mensagem ao competir com outras pelo acesso ao barramento. 

LIN (LOCAL INTERCONNECT NETWORK)

O LIN é um protocolo de comunicação projetado pela Volkswagen, Audi, BMW, Daimler Chrysler e Volvo. O seu objetivo resume-se a um padrão aberto de baixo custo para uma rede de comunicações em automóveis, em que a velocidade de um protocolo CAN não é necessária. 

Exemplo de Protocolo LIN, com sistema MASTER/SLAVE
O protocolo LIN não executa somente a transmissão de dados, mas também orienta os demais sistemas, oferecendo-lhes condições de atuarem em harmonia e com total eficácia. Esta rede foi implementada de forma a auxiliar o protocolo CAN, principalmente pelo seu baixo custo em situações em que a taxa de transmissão é baixa. As aplicações que utilizam a tecnologia de rede LIN são essencialmente: vidros eléctricos, fecho central de portas, iluminação, ar-condicionado, sensor de chuva, regulação de bancos, entre outros que requerem baixo poder de processamento e de recursos de comunicação. Nesses sistemas o uso do LIN é mais adequado do que o uso do CAN no que diz respeito ao custo. O protocolo é aberto e foi introduzido no mercado em meados de 2000. A velocidade de comunicação apenas pode ir até os 19.2 kbit/s, mais que suficiente para sistemas de conforto, por exemplo.

REDE BYTEFLIGHT

A rede “ByteFlight” foi introduzida pela BMW em 1996, e mais tarde desenvolvida em conjunto pela BMW, ELMOS, Infineon, Motorola e a Tyco EC. A principal aplicação desta rede é nos sistemas de segurança crítica, nos quais hoje em dia a rede CAN ainda é dominante. O meio de transmissão que esta rede utiliza é a fibra ótica de plástico, com uma metragem de até 100 metros espalhados pelos veículos. Suas principais aplicações estão relacionadas aos sistemas de Airbag e Pré-Tensores dos cintos de segurança. Por permitir taxas de transmissão na ordem dos 10MB/s, esta tecnologia é utilizada hoje em dia em alguns aparatos automotivos e também na aeronáutica.

REDE FLEXRAY

O protocolo Flexray é apontado como a próxima tendência de redes em automóveis, as quais exigem barramentos de dados de alta velocidade que são determinantes para um sistema distribuído de controle. O número de dispositivos em um automóvel aumenta exponencialmente, e com isso o aumento da quantidade de mensagens. Ou seja, o protocolo tem que ser capaz de ter largura de banda suficiente para suprir todos os sistemas de forma eficiente. 

Arquitetura veicular, com um gráfico ao lado constando a quantidade de Pontos atuantes e suas respectivas velocidades de processamentoO FlexRay tem uma largura da banda 20 vezes superior ao CAN, um comportamento determinístico e tolerante a falhas, isso porque possui duas linhas de transmissão, e na falta de uma delas, a segunda pode assumir todo gerenciamento essencial. Ou seja, transmite as mensagens no tempo certo e de forma confiável para as aplicações de segurança. O sistema Flexray é mais do que um protocolo de comunicação, inclui também especificações para transmissões de alta velocidade e definições de interfaces de hardware e software, entre os componentes de um nó FlexRay. 

Tecnologias menos Difundidas, Porém Igualmente Importantes
Algumas tecnologias de transmissão de dados que foram utilizadas num passado recente;  a grande maioria continua sendo amplamente útil: 

Safe-by-Wire
Trata-se de uma rede do tipo Master/Slave, de grande aplicação em sistemas de airbag. Surgiu no momento que as redes CAN e LIN não foram consideradas plenamente seguras em quesitos específicos como Airbag e ABS. Possui semelhanças com Redes CAN e chega a suportar velocidades de 150kbps. 

MI - Motorola InterConnect
Sua similaridade à Rede LIN pode confundir os mais experientes no assunto. Trata-se de mais uma rede do tipo master/slave de baixo custo, porém designada ao controle de sensores inteligentes integrados nos dispositivos de conforto do veículo, porém não pode ser comparada como uma substituta imediata de um protocolo LIN. 

DSI - Distributed System Interface 
A rede DSI, igualmente do tipo master/slave, assim como a Safe-by-Wire, é utilizada em alguns sistemas de airbag, por suportar velocidade de 150kbps.

TTP (Time Triggered Protocol)
O Protocolo TTP foi desenvolvido nos anos 80 pela Vienna University of Technology devido à ânsia por um projeto inteiramente europeu  que, inclusive, teve a participação da Daimler Chrysler. Em 1998, após a conclusão do projeto, o desenvolvimento da tecnologia teve prosseguimento e sua implementação teve início em 2002. O TTP foi desenvolvido como uma espécie de irmão gêmeo do Flexray,  com características semelhantes, entretanto o TTP é um código aberto, ao contrário do Flexray. O meio físico utilizado pelo TTP é o par trançado e permite velocidades de até 25 Mbp/s. Já em aplicações críticas de segurança, seu Byteflight (ou reações de alta velocidade) utiliza o protocolo TDMA [Time Division Multiple Access] de acesso ao meio e permite velocidades até 10 Mbp/s. E tudo isso pode ocorrer em par de fios entrelaçados ou fibra ótica. A BMW é a única empresa construtora de automóveis que ainda participa no desenvolvimento deste protocolo.

REDE DE DADOS ZIGBEE

O ZigBee é uma rede wireless de baixo custo e consumo de energia, cuja função é auxiliar o funcionamento dos sensores e dispositivos de controle. Esta rede é utilizada em situações de monitoração e controle que não necessitem de elevada largura de banda. 

A existência de diversos protocolos de comunicação causou um grande índice de incompatibilidade entre eles. Pode se dizer que a tecnologia Flexray resolveu grande parte desses problemas. Mas ainda havia adaptações necessárias, e em dezembro de 2004 a ZigBee Alliance (com 120 empresas atuando em conjunto) desenvolveu o protocolo perfeito para lidar com tais diferenças. Com uma velocidade de 250kbp, tende a ser uma forte tendência adotada na área de sensores de rede, sistemas de monitoramento e controle de módulos de ar-condicionado, aquecimento e sistemas de arrefecimento.

MOST (MEDIA ORIENTED SYSTEMS TRANSPORT)

O MOST (Media Oriented Systems Transport) é um protocolo de rede para ligar equipamentos multimídia em automóveis. A grande vantagem em relação a outras tecnologias é o fato de poder transmitir uma imensa quantidade de dados, e tudo isso por fibras óticas, chegando a 150 Mbp/s com um comprimento de fibra de até 20 metros, mas num futuro próximo, a engenharia prevê velocidades de até 500 Mbp/s. A especificação do MOST define todas as sete camadas do modelo ISO/OSI. As redes MOST podem suportar até sessenta e quatro dispositivos interligados. 

SINAIS ÓPTICOS - PRINCÍPIOS DE COMUNICAÇÃO ÓTICA

Dados referentes a um Modelo fabricado pela BMW. Um esboço subdividindo o sistema em Comunicações via condutores metálicos, via Fibras Óticas e através de Wireless (sem cabeamento)Em 1870, John Tyndall descobriu que seria possível transmitir luz por trajetórias curvilíneas e retilíneas, ou seja, insinuou a curvatura da luz.  Inicialmente, por meio de um recipiente com água em seu interior, verificou a propagação da luz ao longo do recipiente, aplicando-se um feixe luminoso em uma extremidade e verificando o mesmo sinal na outra extremidade. Já em 1910, comprovou-se a possibilidade de transmitir a luz através de materiais transparentes, porém em curtos espaços, ou seja, havia uma atenuação muito alta.

Em 1966, uma fibra de vidro com um revestimento ao seu redor foi implantada na transmissão da luz, e eis que surge o termo “embrião” fibra óptica. Mas somente em 1970 a tecnologia foi levada a sério, e foi insinuada sua utilização para transmissão de informações. Algo que deu certo, restando à engenharia aperfeiçoá-la.

Tal tecnologia torna possível utilizar uma espécie de “Plug and Play” que permite adicionar e remover dispositivos de maneira muito fácil. Os transmissores são diodos emissores de luz (leds) geralmente de 650 nm (nanômetros), com potência de 0,1 a 0,75 MW, e são diretamente modulados. Os receptores são baseados em PIN fotodiodos. Ou seja, recebem os sinais, convertendo-os para forma eletrônica em cada dispositivo, e em seguida são repassados a todo anel. O sinal de transmissão para todos os dispositivos é sincronizado pelo “Master Clock”, que faz o controle da rede. A rede requer dados sincronizados para 25 Mbit/s para aplicações de vídeo, e manuseia dados assíncronos a 14,4 M bits/s. O controle dedicado a cada um dos canais suportados requer 700 kbits/s. Em conjunto à Rede MOST, outros protocolos participam:

D2B – Domestic Digital Bus
Desenvolvida pelo Consórcio Optical Chip, é uma rede de comunicação ótica que disponibiliza a alta velocidade de 20Mbps. A D2B é utilizada em alguns modelos da Mercedes Benz. 

MML BUS
Trata-se de uma visão “Mega-Futurista” da “Delphi Automotive Systems”. Tal rede idealiza várias funcionalidades de forma simultânea, como: acesso a imagens por satélite, internet e navegação virtual, diagnóstico e controle automatizado de veículos, entre outras comodidades, talvez, surreais para nossa época atual. Todas estas funcionalidades somente serão possíveis graças a uma série de tecnologias integradas no próprio veículo. 

IDB-1394
IDB-1394 trata-se de uma Norma Automotiva IEEE 1394 para aplicações de multimídia, desenvolvida em conjunto pelo IDB Fórum e 1394 Trade Association. Tal arquitetura permite ligar equipamentos no próprio veículo e interagir com as aplicações de funcionamento do mesmo. Essa rede suporta uma taxa de dados de 100, 200 ou 400 Mbps sobre um par entrançado de FOP (Plastic Optical Fiber) com um número máximo de 63 nós, e trata-se de um sério concorrente da tecnologia MOST. Todos os sinais analógicos são convertidos para sinais digitais antes da transmissão.

COMPREENDER O PRESENTE É O SEGREDO PARA O FUTURO

Os protocolos de comunicação utilizados em veículos automotores passaram por um processo de desenvolvimento semelhante aos utilizados pelas grandes Multinacionais da Informática. O sistema de comunicação automotiva ocorreu em várias etapas.

Primeiramente, focando a simples troca de mensagens voltadas ao diagnóstico, posteriormente o monitoramento e a regularização do índice de poluentes emitido pelo veículo. Em seguida, o objetivo foi limitar a probabilidade do número de falhas através da limitação da quantidade de cabos. 

Aumentar a segurança de motoristas e passageiros e customizar a funcionalidade do veículo através de um maior número de portas de comunicação foram o próximo passo, e nesse caso duas grandes tendências de desenvolvimento das redes de comunicação podem ser identificadas.

Redes de Comunicação Veicular: o Segredo para o Sucesso de um Complexo Sistema
A não padronização das Redes de Comunicação Veicular é um obstáculo que impede uma maior eficiência quanto às capacidades alcançadas pelas redes de supercomputadores, capazes de uma variedade de funções, desde o envio e recebimento de mensagens até a interação multimídia para com o usuário dos automóveis.

Enfim, os protocolos usuais estão tornando-se ineficientes diante de diversas aplicações, que já não se tratam mais de comodidades supérfluas, porém benefícios destinados a facilitar o dia-a-dia das pessoas.

Atualmente existem diversos protocolos de comunicação, cada um serve para determinados tipos de sistemas e de acordo com as exigências dos fabricantes. Os protocolos mais utilizados são o LIN, o CAN, o MOST, entre outros. Para sistemas em que a quantidade de fios não é preponderante, protocolos LIN atendem com excelência, por ser de fácil implementação e com custo reduzido, o que significa boas razões às montadoras. 

Para sistemas com necessidades de cabeamentos estruturados é utilizada a Rede CAN, para sistemas em que há necessidade de velocidades elevadas utiliza-se a Rede MOST, e para aplicações sem fios serão utilizados Sistemas Wireless. 

Porém, tudo isso somente é possível devido a Gateways, que permitem a interação de informações, em resumo, convertem os diversos protocolos e promovem o entendimento mútuo entre todos eles.  

O Flexray é um sério candidato a substituir redes CAN. A rede MOST, embora atualmente seja o protocolo mais utilizado em sistemas multimídia, poderá dar o seu lugar ao protocolo 1394. 

Finalmente, é coerente pensarmos que o Zigbee tende a ser o protocolo que fará a comunicação sem fios, e entre sensores e controladores.  Isso reduziria o peso bruto da carroceria e proporcionaria uma economia de materiais. 

Enfim, é perceptível que o futuro reserva-nos veículos com apenas um protocolo, e que este satisfaça às necessidades dos diversos sistemas, trazendo maior tranquilidade aos desenvolvedores e profissionais responsáveis pelas criações, além de extrema satisfação aos fabricantes que poderão oferecer produtos de qualidade inquestionável, por um custo extremamente inferior ao atual, e, claro, clientes contemplados com o que há de melhor em tecnologia.

Group

Bus System

Date Rate

Structure

Main

D-Bus (diagnostic Bus)

10.5/115 Kbit/s

Linear, Single-Wire

Main

K-CAN (Body Bus)

100 Kbit/s

Linear, Two-Wire

Main

PT-CAN (Powertrain-CAN)

500 Kbit/s

Linear, Two-Wire

Main

F-CAN (Chassis CAN)

500 Kbit/s

Linear, Two-Wire

Main

MOST

22.5 Kbit/s

Ring, Fiber Optic

Main

K-Bus (Body Bus)

9.6 Kbit/s

Linear, Single-Wire

Main

K-Bus (Protocol Body Bus)

9.6 Kbit/s

Linear, Single-Wire

Main

LIN-Bus (Local Interconnect Network Bus)

9.6/19.2 Kbit/s

Linear, Single-Wire

Main

BBSD (Bit Serial Data Interface)

9.6 Kbit/s

Linear, Single-Wire