Loja do Mecânico 960x90


Técnicas - Leandro Almendro Zamaro - lzamaro@outlook.com

Sinais Analógicos e Digitais de um Sistema Embarcado - Introdução à Linguagem dos Sistemas

Conheça as características básicas de cada tipo de sinal, suas principais aplicações em sistemas automotivos e conceitos fundamentais de codificação que ampliam a compreensão da lógica de funcionamento de diversos componentes

“Geralmente, quando nos deparamos com dois sistemas idênticos, entretanto sendo um Analógico e outro Digital, é comum julgarmos que o primeiro é “atrasado tecnologicamente” em relação à tecnologia digital, e tal colocação não é totalmente incoerente, já que tal característica de dados justifica seu maior custo através de uma maior eficiência e de transmissão, recepção e processamento. Entretanto, subestimar totalmente a tecnologia analógica é um grande equívoco, descartá-la completamente, coloca em risco o que julgamos de mais inovador na atualidade, ou seja, a própria digitalização de dados.”


SINAIS E SISTEMAS VEICULARES
A própria injeção eletrônica possui como função obter o máximo de rendimento de um sistema de motorização, dentro de suas limitações, e mesmo trabalhando de forma “robusta”, sem espaços significativos para adaptações visando a um aumento considerável de desempenho, tanto o Hardware, representado pela ECU, como também o Software, representado pelo programa de gerenciamento do sistema, trabalham de forma árdua, simplesmente pelo mantenimento das melhores condições possíveis de funcionamento. Dessa forma, pretendemos apresentar aos leitores, de forma clara, uma afirmação coerente sobre a interação da ECU com seu Sistema através de linguagens de programação, suas peculiaridades, e principalmente, sua relação com nossos próprios meios de comunicação.

Tudo isso objetivando obter os melhores ajustes de funcionamento dos motores existentes. 

TRANSMISSÃO DE DADOS - SINAIS ANALÓGICOS E SUAS PARTICULARIDADES
Os meios de transmissão de dados através de sinais elétricos não são perfeitos, já que alguns fatores são responsáveis por uma queda na qualidade dos sinais transmitidos, e isso pode ser chamado de Atenuação ou Distorção.

A atenuação corresponde à perda de energia de um sinal que viaja num meio físico, seja ele por um fio condutor ou até mesmo radiado pelo próprio ar, como, por exemplo, sinais de rádio-frequência utilizados no acionamento de Sistemas de Travamento. Tal perda é causada pela resistência de propagação do meio, causada pela existência de obstáculos. 

Em cabeamentos metálicos, a perda de energia pode ser causada pela degradação do material condutor, comprimento do fio e até mesmo sua espessura, já que tudo isso pode causar um aquecimento demasiado do mesmo, devido ao aumento de sua resistência.


Em relação aos sinais de Rádio-Frequência radiados pelo ar, emitidos por controles de alarmes e Transponders, um dos principais fatores que causam atenuação trata-se de obstáculos físicos entre o emissor e o receptor. Sua perda de energia se dá de forma geométrica, em que dependendo da distância a onda eletromagnética diverge em uma área quadrada cada vez maior, à medida que a distância entre fonte e emissor dobra.


O QUE É UM SINAL ANALÓGICO
Sinal analógico trata-se de sinais contínuos, que variam de acordo com o tempo, e podem ou não pertencerem a um determinado intervalo. São constituídos de infinitos valores, cada qual é representado por simples pontos que quando interligados dão origem a qualquer forma gráfica, curvilínea ou não. 


O QUE É UM SINAL DIGITAL
O sistema decimal é utilizado por nós no dia-a-dia e é, sem dúvida, o mais importante dos sistemas numéricos. Trata-se de um sistema que possui dez algarismos, com os quais podemos formar qualquer número, através da lei de formação.

A digitalização converte o sinal analógico, por exemplo, o sinal de um sensor em uma série de uns e zeros. Essa tecnologia tende a reduzir a fidelidade do sinal, porque 1 e 0 não são representações fiéis do sinal analógico. No entanto, o sinal digital é robusto. Ele pode ser corrigido utilizando-se rotinas de correção de erros se houver interferências. Além disso, os sinais digitais podem ser compactados, tornando os sistemas digitais muito mais eficientes do que os analógicos, quando tratados por uma ECU.


O SISTEMA BINÁRIO DE NUMERAÇÃO
 
O sistema binário de numeração é um sistema no qual existem apenas dois algarismos:

- O algarismo 0 (zero);

- O algarismo 1 (um).

Exemplo 01: Envio de Informações analógicas decimais de velocidade à unidade de gerenciamento do motor

Quando o carro é novo, seu odômetro envia à ECU: 0 0 0 0 0

Após um quilômetro o valor seguinte é enviado: 0 0 0 0 1

E isso ocorre sucessivamente até que se percorram nove quilômetros: 0 0 0 0 9

Nesse instante, considerando-se que um número decimal possui 10 algarismos (inclusive o zero), ao atingir dez quilômetros, o primeiro algarismo volta ao algarismo zero, entretanto o segundo algarismo é somado a 1: 0 0 0 1 0

Exemplo 02: Envio de Informações Digitais Binárias de velocidade à Unidade de Gerenciamento do motor

Quando o carro é novo, seu odômetro envia à ECU: 0 0 0 0 0

Após um quilômetro o valor seguinte é enviado: 0 0 0 0 1

E isso ocorre sucessivamente até que se percorram nove quilômetros: 0 1 0 0 1

Nesse instante, considerando-se que um número decimal possui 10 algarismos (inclusive o zero), ao atingir dez quilômetros, a seguinte mudança ocorre: 0 1 0 1 0

DECIFRANDO A SIMPLICIDADE DE TRANSMISSÃO DOS SINAIS BINÁRIOS
Para uma transmissão de dados, lidar com sinais digitais binários é infinitamente mais simples que considerar grandezas decimais. Tomemos os exemplos anteriores, e consideremos que o odômetro envia sua velocidade atual, representada por sinais digitais binários, à ECU, e tal representação corresponde ao código 0011 1011. Tal transformação pode ser realizada facilmente por uma Calculadora, porém do ponto de vista matemático, como seria possível, um código contendo apenas “1 e 0”, representar um valor de velocidade em formato decimal? Observemos a representação abaixo:


As lacunas representadas por “X” bits correspondem à representação dos bits, que devem ser alocados da direita para a esquerda;

Nesse caso, considerando a mensagem digital binária 0011 1011:


A Transformação de um Sinal Digital Binário em uma grandeza decimal deve ocorrer da direita para a esquerda, ou seja, iniciando pelo Bit 1. Vale afirmar que o sinal digital representado possui 8 Bits:

 

Substituindo as indicações de Bits pelos seus devidos valores (0 ou 1)

  

IMPORTANTE: *20=1 (Qualquer número elevado à potência de “0” é igual a 1)

** 2x=O número 2 (base) “elevado” a uma potência qualquer “x” significa este mesmo número multiplicado por ele mesmo “x” vezes.

Dessa forma, a representação decimal do sinal enviado à ECU de forma digital e em formato binário seria:

 

Finalmente, quando o sinal digital 0011 1011, referente à velocidade do veículo, é informado ao sistema, o valor interpretado é de 59 km/h.

OBSERVAÇÃO: A demonstração acima tem como finalidade, tão somente, demonstrar os cálculos matemáticos utilizados para converter um sinal digital binário em decimal. Entretanto, não existe necessidade de uma compreensão apurada do método utilizado. Tal transformação pode ser feita pela maioria das Calculadoras, além de diversos Programas Computacionais existentes.

CODIFICADORES AD - O FACILITADOR DE TAREFAS
O conversor analógico-digital (frequentemente abreviado por conversor A/D ou ADC) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital a partir de uma grandeza analógica, normalmente um sinal referente a um determinado valor de tensão, corrente, temperatura do líquido de arrefecimento e do ar, pressão absoluta, entre outras grandezas fundamentais para o bom funcionamento do veículo.

Já foi citada em matérias anteriores a importância de transformarem-se sinais analógicos em digitais, porém vale lembrar, toda e qualquer informação  enviada ao Módulo de Gerenciamento do Motor, quando analógica, não é suportada pelos Microprocessadores e Memórias, devido ao fato que mesmo intervalos de 0 a 5 possuem infinitos valores intermediários (1.000000, 1.000001, 1.000002, se considerarmos apenas 6 casas após a vírgula).

Abaixo temos um gráfico da frequência versus pressão relacionada a um Sensor MAP digital. Torna-se interessante o fato que apesar do gráfico conter apenas 6 grandezas de Pressão como amostragem, existem valores intermediários, tanto de pressão como de frequência. Porém de zero a 0,2 bares a frequência varia de 80 Hz a, aproximadamente, 90 Hz, um intervalo de apenas 10 Hz, mas com infinitos valores de frequência dentro dessa faixa. Exemplo: 80,00000000 Hz, 80,00000001 Hz, 80,00000002, e assim por diante.

Observem abaixo o gráfico de um Sensor NTC:


Equacionando-se a Curva Resistência versus Temperatura, nos deparamos com uma Equação Matemática, um tanto que “rebuscada”, e isso tornaria a velocidade de processamento do sistema um tanto que lenta, além do que exigiria do microprocessador um espaço para alocar infinitos valores de temperatura. Algo surreal, mesmo tratando-se de uma ciência tão complexa como a Eletrônica.

TRANSMISSÃO DIGITAL - PRINCÍPIOS BÁSICOS
Antes de adentrarmos em tal assunto, é importante entendermos alguns conceitos.

Qualquer circuito eletrônico digital é baseado em transistores, componentes extremamente simples e muitas vezes analógicos, mas suas combinações permitem apenas dois estados: ligados ou desligado. Já que todo tipo de dado a ser processado precisa ser codificado em sequências destes dois valores, foi criado o sistema binário, que permite representar qualquer tipo de informação, ou de operação aritmética através da combinação dos números 1 e 0, justamente o que chamamos de bit.

RELEMBRAR OS PRIMÓRDIOS PARA COMPREENDER O PRESENTE
As primeiras Centrais de Injeção Eletrônica utilizavam Processadores e Microcontroladores de poucos Bits, os mais simples possuíam 8 Bits, enquanto os mais rebuscados chegavam a 16 Bits. Atualmente, temos microcontroladores de 32 Bits, veículos importados dotados de 64 Bits, e tal característica, com certeza, não parará por aí.

Mas o que significa uma Memória de 8 Bits, 16 Bits ou até mesmo de 4 Bits?

Vamos exemplificar uma Memória de apenas 8 Bits, focando facilitar o entendimento dos demais. 

Tais valores podem ser obtidos facilmente com auxílio de uma Calculadora, porém a seguir apresentaremos a “prova real”.

Equação:
Capacidade Máxima de Dados Armazenados em uma Memória de “x” Bits = 2x

Por exemplo, uma Memória de 16 Bits:

2x = 216 = 65.536 Endereços disponíveis para alocação de Dados existentes.

Considerando uma ECU utilizada nos primeiros veículos injecionados, em que uma Memória de 8 Bits era suficiente:

2x=28=256 Endereços disponíveis para alocação de Dados informados à ECU.

DEMONSTRAÇÃO COMBINATÓRIO DE BITS

Um bit permite 2 combinações:

 

Dois bits permitem 4 combinações:

 

Três bits permitem 8 combinações:

 

Quatro bits permitem 16 combinações:

 
Sensores Automotivos, em sua maioria, enviam sinais analógicos às Unidades de gerenciamento e que posteriormente são convertidos para sinais digitais através de um circuito chamado Conversor A/D (Conversor Analógico/Digital), e então enviados aos Microcontroladores e Processadores. 

Na segunda parte compreenderemos a estrutura construtiva de um conversor convencional.

TRANSFORMAR DADOS ANALÓGICOS EM DIGITAIS - UMA JUSTIFICATIVA À COMPLEXIDADE
Existem motivos irrefutáveis sobre as ECUs utilizarem sinais digitais em vez de sinais analógicos, sendo um dos principais sua alta susceptibilidade do sistema à existência de ruído.

Como os sinais analógicos são contínuos no tempo e podem assumir qualquer valor, os ruídos são interpretados como dados normais enviados pelos sensores ou qualquer outro emissor de informações, ou seja, são vistos como parte integrante do sinal original. Por exemplo, um Sensor de Rotação dotado de ruídos com amplitudes diferenciadas seria compreendido pela Unidade de Gerenciamento como uma anomalia, mesmo em um curto espaço de tempo, o que poderia ocasionar códigos de erros esporádicos e características de funcionamento irregular, ou seja, para uma ECU, devido à velocidade de processamento, nada passa despercebido, e situações como as descritas causariam equívocos desnecessários ao sistema.

Mais uma vantagem dos dados digitais em relação aos analógicos é a capacidade de reduzir drasticamente a utilização de espaços destinados à alocação de dados registradas em memórias de armazenamento. Um sinal digital, em comparação a um sinal analógico, pode possuir quantidade de dados limitados e, dependendo da quantidade de bits utilizados, uma determinada quantidade de valores. Esses números podem ser compactados da mesma maneira que você compacta um arquivo texto utilizando programas de compressão, visando reduzir o tamanho do arquivo. Como dito anteriormente, Memórias possuem “endereços”, e estes são dotados de espaços restritos a determinadas informações.

Outro fator preponderante resume-se ao fato que alguns sistemas digitais são utilizados para realizar o acionamento e desligamento de sistemas analógicos de potência, em que os únicos dados a serem alocados em seus endereços de memória são zero e um, ou seja, níveis alto (ligado) e baixo (desligado), e para tais funções os valores não são preponderantes, mas sim o nível em que se encontra (alto ou baixo). Por exemplo, para sistemas que trabalham com valores 1 e 0, caso seja constatado 1,24V e 0,3V, não haveria problema, uma vez que, desde que dentro das tolerâncias, o nível alto ainda permanece maior que o segundo valor.

Finalmente, operações matemáticas tornam-se mais simplificadas aos processadores quando os mesmos trabalham com valores digitais. Por exemplo, ao observarmos as duas operações aritméticas abaixo, constituídas de valores analógicos, contidos em um intervalo de 5 a 16, concluímos que a segunda é resolvida mais rapidamente que a primeira, portanto mais facilmente transformada em um resultado de soma.

Entretanto, com o auxílio de uma Calculadora constatamos que um mesmo resultado final pode ser obtido trabalhando-se com dados de maior simplicidade:

SENSORES AUTOMOTIVOS - UMA DAS APLICAÇÕES DIGITAIS AUTOMOTIVAS
Um sensor é um componente que “capta uma informação e repassa”. Na eletrônica automotiva, sensores são responsáveis por manter a Central de Gerenciamento atualizada de tudo que ocorre em seu Sistema. É o que se conhece como Transdutor, que transforma toda e qualquer informação em sinais elétricos. 

O desenvolvimento de sensores e a sua aplicação trouxe como consequência inúmeras vantagens ou comodidades aos sistemas veiculares. Desde a possibilidade de aumentar a eficiência no funcionamento de um motor ou de uma linha de produção, realizar uma pesquisa científica com maior precisão e em menor tempo, até o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de batê-lo ou de ter a segurança de que qualquer tentativa de furto de sua casa poderá ser frustrada, tais são as vantagens oferecidas pelo uso de sensores.

Apesar da grande variedade de sensores ou transdutores, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores analógicos e sensores digitais. Essa divisão é feita de acordo com a forma a qual o componente responde à variação da condição. 

Os sensores analógicos, apesar de subestimados por algumas pessoas, possuem robustez e resistência, porém são os dispositivos mais comuns e se baseiam em sinais contínuos no tempo, de forma simplificada podemos afirmar que tratam-se de dados que nunca ocorrem no mesmo instante de tempo. Sinais analógicos são aqueles que, mesmo limitados entre dois valores de tensão, podem assumir infinitos valores intermediários. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada nível da condição medida, haverá um nível de tensão correspondente.

Sensores emissores de dados analógicos possuem, durante seu funcionamento, faixas de tolerância sujeitas às influências negativas de diversos tipos e possuem certas limitações ao seu funcionamento, não possuindo precisões metrológicas tão eficazes. Fatores como a temperatura e a umidade do ambiente podem gerar certos erros de medida e os materiais utilizados em sua construção limitam a sensibilidade e a faixa de operação do componente.

A utilização desses sensores analógicos é realizada sem problemas, porém, quando for necessário monitorá-los através de algum circuito digital, como um Microcontrolador ou um Hardware adequado, como um scanner, esse sinal deverá ser convertido num sinal digital equivalente. Isso deve-se ao fato de que sinais digitais podem ser registrados e processados muito mais facilmente do que os analógicos. Finalmente, tal conversão ganha velocidade e melhora considerável em relação aos processamentos.

Entretanto o assunto referente à “Programação Digital de Dados” vai além das informações enviadas pelos sensores, e está presente em todo sistema  programável de um carro. Esta matéria foi focada, em sua maioria, na transmissão e manipulação de informações digitais e binárias enviadas à ECU. Porém, o objetivo no decorrer de futuras matérias baseia-se em mostrar, demonstrar e provar que toda e qualquer complexidade é possível de simplificação quando tratada coerentemente e de forma sensata. 

Nenhum gráfico digital foi mostrado, nenhum conversor AD foi abordado funcionalmente, porém uma interação inicial dos Leitores com o assunto foi promovida, de forma a incentivá-los quanto ao aprofundamento que julgarem satisfatório sobre assuntos abrangentes e responsáveis por agregar maiores conhecimentos, seja aos Profissionais Reparadores quanto à interpretação de parâmetros visualizados em seus scanners, ou até mesmo aos técnicos de reparos de ECU, quanto à compreensão das milhares de linhas de códigos escritas em linguagem hexadecimal. Esses e outros assuntos serão tratados no momento certo, e sempre respeitando a cadência de aprendizagem de nossos Profissionais, dotados de tamanha capacidade para compreenderem estes e outros assuntos.

 

comentários
Avaliar:

Comentários