Prototipagem Rápida de Funções para Módulo de Controle Eletrônico (ECM) by Ricardo Andrade Ranal

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROTOTIPAGEM RÁPIDA DE FUNÇÕES PARA MÓDULO DE CONTROLE ELETRÔNICO (ECM)

RICARDO ANDRADE RANAL ROBSON ALVES NASCIMENTO DOUGLAS FERNANDES DA CUNHA ANTÔNIO CATEGERÓ DE PAULA

SÃO PAULO

2008

PROTOTIPAGEM RÁPIDA DE FUNÇÕES PARA MÓDULO DE CONTROLE ELETRÔNICO (ECM)

RICARDO ANDRADE RANAL ROBSON ALVES NASCIMENTO DOUGLAS FERNANDES DA CUNHA ANTÔNIO CATEGERÓ DE PAULA

Trabalho de conclusão do Curso, apresentado para obtenção do grau de ENGENHEIRO no Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário UniRadial. Orientador Prof. Sidney Fernandes da Luz.

SÃO PAULO

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Dedicamos este trabalho às nossas famílias. Aos nossos pais, esposas e filhos pelo apoio, amor e incentivo. Eles são as razões do nosso empenho e dedicação na busca de nosso desenvolvimento.

AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus, pelas nossas vidas.

Ao nosso orientador, Prof. Sidney Fernandes da Luz, pela ajuda nos momentos necessários.

Ao supervisor do Centro Tecnológico da MWM International, José Luiz Calmazini, pelo incentivo e viabilização do projeto através da liberação do uso de materiais e equipamentos.

Aos amigos da MWM International, Agnaldo Roberto Okura, Wagner de Camargo Orlof, Eduardo Torrigo, Anderson Almeida Carlos, João Rodrigues Medeiros Neto, Eduardo Angelo Martins, pelo apoio e colaboração nas diversas etapas da realização do projeto.

RESUMO Com a crescente demanda por novas funções de controle nos sistemas de injeção eletrônica de combustível, são requeridas freqüentes alterações no software base desses sistemas, que tem longos prazos e elevados custos de desenvolvimento até que a função esteja validada e aprovada. Isso se deve ao fato de que o desenvolvimento de hardware e software, na maioria das empresas fornecedoras de sistemas de injeção, é realizado nos centros de desenvolvimento espalhados pelo mundo. Levando em conta tal premissa, e sabendo que o desenvolvimento de software possui, pelo menos, as seguintes etapas:         

Descrição dos requisitos Modelagem Simulação Prototipagem Testes funcionais Codificação Implementação em módulos Testes de homologação Liberação final

O objetivo desse trabalho é abordar o tema de maneira a apresentar uma proposta de baixo custo para simulação e prototipagem de funções de software para sistemas de injeção eletrônica de combustível, baseado em um controlador programável externo com tecnologia FPGA (Field Programable Gate Array) para implementação dos protótipos das funções. E somente após o modelo da função ter alcançado um nível de maturidade satisfatório seria então encaminhado para sua finalização nos centros de desenvolvimento, diminuindo os custos totais de projeto já que a parte inicial do desenvolvimento seria realizada no local de origem da demanda. Palavras-chave: prototipagem, modelagem, simulação, funções, controle.

ABSTRACT With the growing demand for new control functions for electronic fuel injection systems, it is needed often changes in the software base of that systems, that expends long time for developing and high costs until the function be validated and approved. The reason for this is the fact of the software and hardware developing in the most of the suppliers of fuel injection systems are made in the developing centers spread in the world. Taking in count of this premise, and know how are the software developing basic phases:         

Requirements description Modeling Simulation Prototyping Functional tests Coding Modules implementation Homologation tests Final release

The objective of this paper is to present a low cost proposal for a simulating and prototyping of control software functions for electronic fuel injection systems, based in a programmable external controller with FPGA (Field Programmable Gate Array ) technology to implementing of prototype functions modeled, and only after the model reaches a good maturity level, it would be send to supplier to do the final development, then reducing the cost once the initial development would be made at the place where has generated demand for the software function. Keywords: prototyping, modeling, simulation, functions, control.

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SUMÁRIO 1. 2.

INTRODUÇÃO ................................................................................................1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS.........................................................................2 2.1. ECM – Módulo de Controle Eletrônico .....................................................2 2.1.1. Introdução .........................................................................................2 2.1.2. Controles de motor sofisticados .........................................................2 2.1.3. Componentes da ECM .......................................................................4 2.1.4. Diagnósticos avançados .....................................................................5 2.1.5. Padrão de comunicação como um facilitador .....................................5 2.1.6. Sensores inteligentes..........................................................................6 2.1.7. Multiplexação....................................................................................7 2.1.8. Segurança, conforto e conveniência ...................................................8 2.2. EGR - Recirculação de Gases de Escapamento ..........................................8 2.2.1. Função e funcionamento da válvula EGR...........................................9 2.3. MAF - Sensor de Massa de Ar.................................................................11 2.4. Emissões Veiculares................................................................................12 2.5. CAN - Controller Area Network..............................................................13 2.5.1. Introdução .......................................................................................13 2.5.2. Histórico..........................................................................................14 2.5.3. Conceituação Básica ........................................................................14 2.5.4. Formatos das Mensagens .................................................................16 2.5.5. Padrões Existentes ...........................................................................17 2.5.6. Detecção de Falhas ..........................................................................18 2.5.6.1. Nível de Bit..............................................................................18 2.5.6.2. Nível de Mensagem .................................................................18 2.5.6.3. Nível Físico .............................................................................19 2.5.7. Aspectos de Implementação.............................................................20 2.5.7.1. Dicionário de Dados.................................................................20 2.5.7.2. Exemplo de Rede .....................................................................20 2.5.7.3. Montagem da Rede ..................................................................21 2.6. Linguagem de Programação do Software de Controle (LabVIEW) ..........22 2.6.1. Sobre o NI LabVIEW ......................................................................22 3. PROJETO DA ARQUITETURA DO SISTEMA ............................................23 4. BENEFÍCIOS DA APLICAÇÃO....................................................................25 5. ESTUDO DE CASO .......................................................................................25 6. DEFINIÇÃO DA ARQUITETURA DO SISTEMA ........................................29 7. CONCLUSÕES ..............................................................................................34 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................34

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LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – Circuito interno de uma ECM................................................................3 Figura 2.2 – Os pinos deste conector interagem com sensores e dispositivos de controle por todo o veículo........................................................................................3 Figura 2.3 – A porta de diagnóstico de uma ECM. ....................................................5 Figura 2.4 – Gráfico simplificado de emissões de modelos movidos a diesel.............9 Figura 2.5 – Detalhe de um sensor MAF. ...............................................................12 Figura 2.6 – Relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmissão dos dados.............................................................................................15 Figura 2.7 – Níveis de tensão em uma rede CAN. ...................................................16 Figura 2.8 – Quadro de mensagem CAN 2.0A. .......................................................16 Figura 2.9 – Quadro de mensagem CAN 2.0B.........................................................17 Figura 2.10 – CAN de um sistema automotivo. .......................................................21 Figura 2.11 – Medidas para desenvolvimento do chicote.........................................22 Figura 3.1 – Exemplo de um controlador PID implementado no ambiente de desenvolvimento. ....................................................................................................23 Figura 3.2 – Detalhe construtivo do controlador externo. ........................................24 Figura 3.3 – Algoritmo de controle implementado no controlador externo. .............25 Figura 5.1 – Diagrama de blocos dos requisitos da função protótipo........................26 Figura 5.2 – Esquema da recirculação dos gases de escapamento (EGR). ................26 Figura 5.3 – Proposta utilizada como referência no desenvolvimento da função protótipo. Atuação da válvula EGR (verde) em função do evento transiente de pressão de admissão (vermelho)..............................................................................27 Figura 5.4 – Máquina de Estados da função protótipo. ............................................27 Figura 5.5 – Diagrama de ligação controlador EGR. ...............................................28 Figura 6.1 – Arquitetura do Sistema de Simulação e suas interfaces. .......................29 Figura 6.2 – Tela do software do Host (PC). ...........................................................30 Figura 6.3 – Código fonte do software do Host (PC). ..............................................30 Figura 6.4 – Código fonte do software Real-Time (cRIO). ......................................31 Figura 6.5 – Sistema de prototipagem montado sobre acrílico para demonstrações..31 Figura 6.6 – Sinais de controle da válvula EGR via ECM (amarelo) e via cRIO (verde). ...................................................................................................................32 Figura 6.7 – Medição do atraso de processamento entre a ECM e o controlador externo através da defasagem dos sinais de controle da válvula EGR. .....................33

LISTA DE SIGLAS ABS – Anti-lock Braking System ACK – Acknowledgment CAN – Control Area Network CAN_H – CAN High CAN_L – CAN Low CO – Monóxido de Carbono CRC – Cyclic Redundancy Check CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection DIN – Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão para Normatização) DLC – Data Length Code ECM – Electronic Control Module EGR – Exhaust Gas Recirculation EOF – End Of Frame FPGA – Field Programmable Gate Array GPIB – General Purpose Interface Bus HC – Hidrocarbonetos I/O – Inputs / Outputs IDE – Identifier Extension ISO – International Organization for Standartization Kbps – Kilobits por segundo MAF – Mass Air Flow Mbps – Megabits por segundo MP – Material Particulado NDA – Non Destructive Arbitration NMEA – National Marine Electronics Association NOx – Óxidos de Nitrogênio NRZ – Non Return to Zero OSI – Open Systems Interconection PC – Personal Computer PCI – Peripheral Component Interconnect PID – Controle Proporcional, Integral e Derivativo PRODESP – Companhia de Processamento de Dados do Estado de São Paulo PWM – Pulse Width Modulation PXI – PCI Extensions for Instrumentation RTR – Remote Transmission Request SAE – Society of Automotive Engineers SOx – Óxidos de Enxofre SRR – Substitute Remote Request TEDS – Transducer Electronic Datasheet USB – Universal Serial Bus VXI – VME (Versa Module Europa) Extensions for Instrumentation

1. INTRODUÇÃO Os fornecedores de sistemas de injeção eletrônica de combustível possuem toda estrutura necessária para desenvolver as funções de software e circuitos específicos de hardware, porém esses recursos estão espalhados ao redor do mundo, o que dificulta o acesso aos mesmos. Quando um cliente solicita algum desenvolvimento em software ou hardware os custos são elevados e o prazo geralmente é muito longo, o que muitas vezes inviabiliza o desenvolvimento do projeto na sua melhor forma. Esse é o paradigma da engenharia versus custos e prazos. O que acaba sendo implementado, na prática, é um software com as funcionalidades reduzidas ou são utilizados blocos prontos (black boxes) já desenvolvidos previamente para outras aplicações, onde nem sempre todas as funções serão utilizadas. Cada vez mais o desenvolvimento de funções de software é considerado uma questão estratégica pelas montadoras e fabricantes de motores de combustão, pois aqueles que tiverem a capacidade de desenvolver e testar protótipos de funções específicos para sua necessidade terão uma vantagem competitiva no mercado. Se fosse possível realizar as etapas iniciais do desenvolvimento das funções (Descrição dos Requisitos, Modelagem, Simulação, Prototipagem e Testes Funcionais) na própria montadora ou no fabricante de motores, possivelmente, haveria uma redução significativa nos custos totais juntamente com a propriedade intelectual da função específica ou do algoritmo. Como seria possível realizar tal desenvolvimento em uma montadora ou fabricante de motores? A descrição de requisitos e a modelagem de funções de software realizadas utilizando as técnicas da engenharia de software através de abordagens de modelos estruturados ou orientados a objetos são essenciais. Porém, sendo considerados prérequisitos, não fazem parte desse estudo. A simulação, a prototipagem de funções e os testes funcionais dependem de softwares aplicativos e hardware para implantação. Para realizar essas etapas existem basicamente duas opções no mercado: 1ª) Utilizar o mesmo software e hardware do fornecedor de sistemas de injeção para desenvolver a simulação e os protótipos de funções. É uma alternativa excelente do ponto de vista técnico, pois possui integração total com a plataforma de hardware e software originais. Suas desvantagens são o elevado custo (US$ 100 mil em 2007) e a dificuldade de treinamento de pessoal (aplicativos altamente complexos). 2ª) Utilizar um controlador externo e uma plataforma de software aberta para realizar as simulações e testes com as funções protótipos. As maiores vantagens são o baixo custo (US$ 3 mil em 2007) e a facilidade de implementação de modelos em plataforma aberta. A desvantagem é a necessidade de utilizar um controlador externo, não sendo possível implementar as funções no módulo controlador do motor.

Esse trabalho irá abordar a segunda alternativa: utilizar um controlador externo e uma plataforma de software aberta. Com essa configuração é possível construir um sistema de baixo custo e fácil implementação, viabilizando assim, sua aplicação.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1.

ECM – Módulo de Controle Eletrônico

2.1.1. Introdução A cada ano que passa, os veículos ficam mais complexos. Os carros de hoje podem ter aproximadamente 50 microprocessadores. [1] Alguns dos principais microprocessadores são:

motivos

aumento

número

 A necessidade de sofisticados controles do motor para atender padrões de emissões e consumo de combustível;  Diagnósticos avançados;  Simplificação da manufatura e do projeto dos carros;  Redução da quantidade de fios nos carros;  Novas características de segurança;  Novas características de conforto e conveniência.

2.1.2. Controles de motor sofisticados Antes das leis de emissões entrarem em vigor, era possível construir um motor de carro sem microprocessadores. Com a lei cada vez mais rígida quanto às emissões de poluentes, esquemas de controles sofisticados foram necessários para regular a mistura ar-combustível de maneira que o catalisador possa remover grande parte da poluição do escapamento.

Figura 2.1 – Circuito interno de uma ECM. Controlar o motor é o trabalho mais intenso do computador em seu carro e o módulo de controle eletrônico (ECM) é o computador mais potente na maioria dos carros. A ECM usa controle de retroalimentação do circuito, método que monitora as saídas e entradas de um sistema para ter um controle efetivo desse sistema, gerenciando as emissões e o consumo de combustível do motor (assim como um hospedeiro de outros parâmetros). Juntando os dados dos vários diferentes sensores, a ECM sabe de tudo, desde a temperatura da água do radiador até a quantidade de oxigênio no escapamento. Com isso, executa milhões de cálculos a cada segundo, incluindo a observação de valores em tabelas e cálculos dos resultados de equações longas para decidir qual é o melhor avanço de ignição e determinar por quanto tempo o injetor de combustível deve ficar aberto. A ECM faz tudo isso para assegurar uma emissão mais baixa e obter um melhor consumo.

Figura 2.2 – Os pinos deste conector interagem com sensores e dispositivos de controle por todo o veículo. 3

Uma ECM moderna pode ter um processador de 40 MHz e 32 bits. Isto pode não parecer rápido comparado com o processador de 500 a 1000 MHz que você provavelmente tem em seu PC, mas lembre-se que o processador do seu carro usa um código muito mais eficiente do que o do seu computador. O tamanho médio do código em uma ECM usa menos de 1 megabyte (MB) de memória. Comparado a isso, você provavelmente tem pelo menos 2 gigabytes (GB) de programas em seu computador - isso equivale a 2 mil vezes a quantidade em uma ECM.

2.1.3. Componentes da ECM O processador é instalado em um módulo com centenas de outros componentes em uma placa de circuitos multicamadas. Alguns dos outros componentes que auxiliam o processador em uma ECM são:  Conversores analógico-digitais - estes dispositivos lêem alguns sensores do carro, como o de oxigênio. A saída de um sensor de oxigênio é uma voltagem analógica, normalmente entre 0 e 1,1 volts (V). O processador só entende números digitais, assim o conversor analógico-digital muda esta voltagem para um número digital de 10 bits.  Saída digital de alto nível - em muitos carros modernos, a ECM ativa as velas de ignição, abre e fecha o injetor de combustível e liga e desliga o ventilador. Todas essas tarefas exigem saídas digitais. Uma saída digital fica ligada ou desligada - não há meio termo. Por exemplo, uma saída para controlar o ventilador de resfriamento pode fornecer 12 V e 0,5 ampères para o relé do ventilador quando está ligado, e 0 V quando está desligado. A saída digital é como um relé. A pequena quantidade de energia que o processador libera energiza o transistor na saída digital, permitindo que seja fornecida uma quantidade bem maior de energia para o relé do ventilador de resfriamento, que por sua vez fornece uma quantidade ainda maior de energia para o ventilador. 

Conversores digital-analógicos - algumas vezes, a ECM tem que fornecer uma saída de voltagem analógica para acionar alguns componentes do motor. Como o processador na ECM é um dispositivo digital, ele precisa de um componente que possa converter um número digital em uma voltagem analógica.



Condicionadores de sinal - algumas vezes, as entradas ou saídas precisam ser ajustadas antes de serem lidas. Por exemplo, o conversor analógico-digital que lê a voltagem do sensor de oxigênio pode ser ajustado para ler um sinal de 0 a 5 V, mas o sensor de oxigênio libera um sinal de 0 a 1,1 V. Um condicionador de sinal é um circuito que

ajusta o nível dos sinais que entram e saem. Por exemplo, se usássemos um condicionador de sinal que multiplicasse por 4 a voltagem vinda de um sensor de oxigênio, teríamos um sinal de 0 a 4,4 V, o que maximizaria sua resolução de leitura, aumentando a sensibilidade do sistema. 

Chips de comunicação - estes chips implementam os vários padrões de comunicação que são usados em carros. Há vários padrões em uso, mas o que mais usado nas comunicações em carros é chamado CAN (rede de controle de área). Este padrão permite comunicação com velocidade de até 1 megabit por segundo (1 Mbps). É muito mais rápido do que os antigos. Essa velocidade está se tornando necessária porque alguns módulos enviam dados para o barramento centenas de vezes por segundo. O barramento CAN envia dados usando dois fios.[1]

2.1.4. Diagnósticos avançados Outro benefício em possuir um bus de comunicação é que cada módulo pode comunicar falhas a um módulo central, que armazena as falhas e pode relatá-las a uma ferramenta de diagnóstico externa. [1]

Figura 2.3 – A porta de diagnóstico de uma ECM. Isto pode facilitar o trabalho dos técnicos em diagnosticar problemas com o carro, especialmente problemas intermitentes, que são notórios por desaparecerem assim que você leva o carro para ser consertado.

2.1.5. Padrão de comunicação como um facilitador Ter padrões de comunicação tornou mais fácil o projeto e a construção de carros. Um bom exemplo dessa simplificação é o painel de instrumentos. O painel de instrumentos agrupa e mostra dados das várias partes do veículo. A maior parte desses dados já é usada por outros módulos no carro. Por exemplo, a ECM sabe a temperatura do radiador e a rotação do motor. O controle de transmissão sabe a velocidade do veículo. O controlador para o

sistema antitravamento dos freios (ABS - Anti-lock Braking System) sabe se há algum problema com o sistema de frenagem. Todos estes módulos simplesmente enviam dados para o barramento de comunicação. Várias vezes por segundo, a ECM enviará um pacote de dados que consiste em um cabeçalho e os dados. O cabeçalho é simplesmente um número que identifica o pacote, como uma leitura de velocidade ou de temperatura, e os dados trazem um número correspondente àquela velocidade ou temperatura. O painel de instrumentos contém outro módulo que sabe procurar por certos pacotes - sempre que encontra um e atualiza o mostrador ou indicador apropriado com o novo valor. A maioria dos fabricantes compra o painel de instrumentos montado de um fornecedor, que os projeta de acordo com as especificações do fabricante do carro. Isso facilita o projeto de um painel de instrumentos, tanto para o fabricante quanto para o fornecedor. É mais simples para o fabricante dizer para o fornecedor como cada mostrador será usado, ao invés de ter que explicar que um fio específico irá fornecer o sinal de velocidade, e que a voltagem vai variar entre 0 e 5 V sendo que 1,1 V corresponde a 48 km/h. O fabricante pode simplesmente fornecer uma lista de pacotes de dados e se responsabilizar por verificar se os dados corretos são enviados para o barramento de comunicação. É também mais simples para o fornecedor projetar o painel de instrumentos. Ele não precisa saber nenhum detalhe de como um sinal de velocidade é gerado ou de onde ele está vindo. Ao contrário, o painel de instrumentos simplesmente monitora o barramento de comunicação e atualiza os mostradores quando recebe novos dados. Esses padrões de comunicação simplificam para os fabricantes a terceirização na fabricação dos componentes: o fabricante não precisa se preocupar com detalhes de como cada mostrador ou luz é alimentado e o fornecedor, que faz o painel de instrumentos, não precisa se preocupar com o local de onde vêm os sinais.

2.1.6. Sensores inteligentes Atualmente, os quadros de instrumentos estão sendo usados em menor escala para sensores. Um sensor de pressão tradicional, por exemplo, contém um dispositivo que gera uma voltagem variável dependendo da pressão aplicada ao dispositivo. Normalmente, a geração de voltagem não é linear. Ela depende da temperatura e é uma voltagem de baixo nível que necessita amplificação. [1] Alguns fabricantes estão fazendo um sensor inteligente que é integrado junto a um microprocessador que permite que ele leia a voltagem, calibre-o

usando curvas de compensação de temperatura e envie digitalmente a pressão para o barramento de comunicação. [1] Isso poupa o fabricante de ter que saber todos os detalhes do sensor e economiza energia de processamento no módulo, o qual, em caso contrário, teria que fazer esses cálculos. Isso faz com que o fornecedor, que de qualquer maneira sabe mais sobre os detalhes, seja responsável por fornecer uma leitura precisa. Outra vantagem do sensor inteligente é que o sinal digital viajando pelo bus de comunicação fica menos suscetível a interferências elétricas. Uma voltagem analógica viajando por um fio pode adquirir ruídos na passagem por perto de certos componentes elétricos, ou até mesmo de fios de alta tensão. Barramentos de comunicação e microprocessadores também ajudam a simplificar a fiação através de multiplexação.

2.1.7. Multiplexação A multiplexação é uma técnica que pode simplificar a fiação em um carro. Em carros mais antigos, os fios de cada interruptor são ligados ao dispositivo por eles acionado. A cada ano que passa, e com um número cada vez maior de dispositivos sob comando do motorista, a multiplexação se faz necessária para evitar que a fiação saia do controle. Em um sistema multiplexado, um módulo contendo pelo menos um processador centraliza entradas e saídas destinadas a uma área do carro. Carros que possuem diversos controles em uma porta, por exemplo, podem ter um módulo de controle da porta. Alguns carros possuem controles de vidros elétricos, espelhos elétricos, trava elétrica e até mesmo bancos elétricos na porta. Seria impraticável instalar um grosso maço de fios para um sistema como este a partir de uma porta. Em vez disso, o módulo da porta do motorista monitora todos os comandos. Se o motorista aperta o botão para abrir a janela, um módulo da porta fecha um relê que fornece energia para o motor da janela. Se o motorista aperta o botão para ajustar o espelho retrovisor do passageiro, o módulo da porta do motorista envia um pacote de dados para o barramento de comunicação do carro. Este pacote informa para um outro módulo energizar um dos motores do espelho elétrico. Dessa maneira, a maioria dos sinais que são transmitidos a partir da porta do motorista são consolidados nos dois fios que formam o barramento de comunicação. O desenvolvimento de novos sistemas de segurança também aumentou o número de microprocessadores nos carros.

2.1.8. Segurança, conforto e conveniência No decorrer da década passada, vimos sistemas de segurança como ABS e air bags se tornarem comuns em carros. Outras características de segurança como controle de tração e sistemas de controle de estabilidade estão começando a ficar comuns também. Cada um desses sistemas acrescenta um novo módulo ao carro e este módulo contém múltiplos microprocessadores. No futuro, haverá mais desses módulos por todas as partes do carro, conforme novos sistemas de segurança forem sendo adicionados. Cada um desses sistemas de segurança necessita de capacidade de processamento, normalmente inserido em seu próprio módulo eletrônico. Nos próximos anos, aparecerão diversos tipos de novas características de conveniência em veículos e cada uma delas necessitará de mais módulos que contenham microprocessadores múltiplos. Não há limites para a quantidade de tecnologia que as fábricas irão usar nos veículos. O acréscimo de todas essas características eletrônicas é um dos fatores que leva as fábricas a aumentarem o sistema de voltagem nos carros do sistema atual de 14 V para um sistema de 42 V. Isso ajudará a fornecer a energia extra que estes módulos precisam. [1]

2.2.

EGR - Recirculação de Gases de Escapamento

Responsável pelo controle do fluxo dos gases produzidos pela combustão da mistura dentro dos cilindros do motor, a válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation) ajuda a controlar e reduzir a emissão de poluentes. [2] Os motores veiculares mais modernos incorporam dispositivos destinados a diminuir os poluentes lançados na atmosfera, sendo este um dos principais motivos da utilização do gerenciamento eletrônico nos veículos atuais, nacionais e importados. Basicamente, os três mais importantes poluentes produzidos por um motor de combustão interna são, em ordem de importância, o Monóxido de Carbono (CO), os Hidrocarbonetos (HC), e os Óxidos de Nitrogênio (NOx). [2] Falando especificamente sobre os Óxidos de Nitrogênio, eles são formados quando a temperatura da câmara de combustão atinge níveis mais elevados, seja pelo empobrecimento gradual da mistura, devido ao aquececimento do motor, seja por condições de trabalho mais críticas. Neste caso, devem ser controlados para se manterem dentro dos limites de emissões definidos por lei.

Figura 2.4 – Gráfico simplificado de emissões de modelos movidos a diesel. [17] A fim de reduzir a formação destes óxidos, os gases de escapamento são desviados até o sistema de admissão, através de uma tubulação existente no coletor de escapamento do veículo, para que possam ser aspirados e ocupar um espaço dentro da câmara de combustão usualmente destinado à mistura ar/combustível. Os gases de escape são formados por uma mistura já queimada e, portanto, não são mais combustíveis. Todavia, se ocuparem um espaço dentro da câmara, irão limitar a queima da mistura ar/combustível, diminuindo, conseqüentemente sua temperatura. Ao reduzir a temperatura, automaticamente será reduzido o nível de formação dos Óxidos de Nitrogênio produzidos pelo motor. [2] A admissão destes gases na câmara, ocupando o lugar destinado a mistura ar/combustível, reduzirá a potência disponível gerada pelo motor e, portanto, este processo deve ser controlado criteriosamente, com a finalidade de não prejudicar o desempenho do veículo em determinados regimes de funcionamento. [2]

2.2.1. Função e funcionamento da válvula EGR A válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation ou Válvula de Recirculação dos Gases de Escape) controla o fluxo e o momento em que estes gases devem ser admitidos na câmara de combustão. [2] A válvula EGR abre pela ação do vácuo do coletor de admissão, por um lado, e pela ação da pressão dos gases de escape, pelo outro, permitindo que os gases de escapamento fluam para o interior do coletor de admissão. Os gases de escapamento seguem com a mistura ar/combustível para a câmara de combustão. Se houver um excesso de gases de escapamento admitidos, não ocorrerá combustão, ou haverá falha de combustão. Por isso,

apenas uma quantidade controlada de gás passa pela válvula, que deverá estar totalmente fechada na marcha lenta. [2] No regime de marcha lenta não deverá haver admissão de gases de escape no coletor de admissão, pois não há geração de NOx nestas condições, sem mencionar o fato de que na marcha lenta, pela baixa quantidade de combustões nos cilindros, haverá irregularidade em seu funcionamento, oscilações e até mesmo apagamento do motor em casos extremos. [2] Nos sistemas mais avançados de gerenciamento eletrônico, as funções desta válvula são controladas pelo Módulo de Controle Eletrônico (ECM), que se utiliza de atuadores para determinar o momento e o tempo em que ela deve operar, sendo sua real atuação monitorada por um potenciômetro presente na própria válvula. Este, por sinal, será parte do tema abordado na segunda parte desta matéria. A válvula EGR abre atendendo a uma das seguintes condições:   

Motor Aquecido; Rotação do motor superior à da marcha lenta; Condições diversas de aceleração e desaceleração do veículo.

A quantidade dos gases de escape admitidos na câmara e o tempo que a válvula permanece aberta dependerão das variações no vácuo e na pressão dos gases de escapamento, de acordo com o regime de funcionamento do motor. Identificação da Válvula EGR - Existe uma seqüência padrão nos códigos de identificação da válvula EGR, com informações importantes para o aplicador:   

As válvulas EGR de pressão positiva terão um “P” gravado na lateral superior de sua carcaça, seguindo o número da peça; As válvulas EGR de pressão negativa terão um “N” estampado na lateral superior da válvula em seguida à sua numeração; As válvulas EGR de passagem, ou seja, que trabalham tanto com pressão negativa quanto com pressão positiva, não possuem nenhuma identificação de seu regime de trabalho após seu número de peça.

A substituição da EGR deverá ser feita observando-se estas indicações de aplicação, uma vez que fisicamente todas elas são parecidas ou mesmo idênticas. Não existe um teste eficiente para checar a eficiência das válvulas EGR, uma vez que só se poderá comprovar se seu diafragma está perfeito através da aplicação de vácuo. Porém, seu correto funcionamento depende também da atuação da pressão positiva dos gases de escapamento, o que nem sempre se pode confirmar. [2]

Quando forem observadas falhas no funcionamento do motor em altas rotações, marcha lenta irregular ou mesmo apagamento do motor após desacelerações, bem como altos níveis de emissão de CO, o culpado pode ser a válvula EGR e deverá ser substituída por outra de mesma especificação. Porém, mesmo motores idênticos, mas aplicados em veículos diferentes, podem utilizar EGRs diferentes, embora fisicamente idênticas. [2] O técnico deverá estar atento quanto à aplicação específica do tipo de componente correto, pois falhas de funcionamento ocorrerão se a EGR inadequada for aplicada. Vale à pena lembrar também que, como as EGRs trabalham utilizando o vácuo do coletor, um exame criterioso das tubulações deverá ser feito, prevenindo, dessa forma, vazamentos e oscilações da marcha lenta.

2.3.

MAF - Sensor de Massa de Ar

O sensor de massa de ar ou sensor mássico (MAF- Mass Air Flow) mede diretamente a massa do ar admitida pelo motor. Está localizado na entrada da tubulação de admissão junto ao suporte do filtro de ar. Pode ser analógico ou digital (o digital ainda não está sendo empregado nos veículos nacionais). O sensor digital é alimentado pela ECM com uma tensão de referência de aproximadamente 5 V e “devolve” um sinal de onda quadrada, cuja freqüência varia com a massa de ar admitida pelo motor. [4] O sensor analógico consiste em um tubo cujo interior possui um desvio (bypass) onde existem 2 elementos sensores (fios ou filmes); um aquecido (sensor de massa) e um a temperatura ambiente. O fio aquecido é mantido a uma temperatura de aproximadamente 200ºC maior que a do fio a temperatura ambiente. [4] O fluxo de ar admitido pelo motor provoca o resfriamento do fio quente (sensor), provocando uma variação de sua resistência elétrica e um aumento da tensão medida pela ECM no fio de sinal do sensor. Quanto maior for o fluxo de ar, maior será a tensão enviada para a ECM. Portanto, a massa de ar admitida pelo motor é estimada em função do calor perdido pelo fio quente sensor. Quando não há fluxo de ar, a tensão enviada pelo sensor é de aproximadamente 0V e em marcha lenta deve estar entre 0,6 e 1,3 V (com o motor aquecido). O medidor de massa de ar é de grande confiabilidade, eficiência e precisão, porque além de medir diretamente a massa do ar admitido, não possui mecanismos (palhetas, cames etc.) que obstruem o fluxo do ar, diminuindo a capacidade de admissão do motor.

Figura 2.5 – Detalhe de um sensor MAF.

2.4.

Emissões Veiculares

Nas áreas metropolitanas o problema da poluição do ar tem-se constituído numa das mais graves ameaças à qualidade de vida de seus habitantes. Os veículos automotores são os principais causadores dessa poluição em todo mundo. As emissões causadas por veículos carregam diversas substâncias tóxicas que, em contato com o sistema respiratório, podem produzir vários efeitos negativos sobre a saúde. O Brasil, como todo país em desenvolvimento, apresenta um crescimento explosivo de suas regiões metropolitanas. O Estado de São Paulo enfrenta uma situação particularmente preocupante por deter cerca de 40% da frota automotiva do país. Segundo dados da PRODESP, a frota motorizada no Estado de São Paulo, em dezembro de 2004, é de aproximadamente 15,1 milhões de veículos. A frota da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) representa cerca de 7,8 milhões de veículos. A frota de veículos do ciclo Diesel (caminhões, ônibus, microônibus, caminhonetes e vans), no Estado de São Paulo, é composta por 1.057 mil veículos e na RMSP por 452,6 mil veículos. [5] Nas áreas metropolitanas, o problema da poluição do ar tem-se constituído numa das mais graves ameaças à qualidade de vida de seus habitantes. As emissões causadas por veículos carregam diversas substâncias tóxicas que, em contato com o sistema respiratório, podem produzir vários efeitos negativos sobre a saúde. Essa emissão é composta de gases como: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos (HC), óxidos de enxofre (SOx), material particulado (MP), etc. [5] O monóxido de carbono (CO) é uma substância inodora, insípida e incolor atua no sangue reduzindo sua oxigenação.

Os óxidos de nitrogênio (NOx) são uma combinação de nitrogênio e oxigênio que se formam em razão da alta temperatura na câmara de combustão dos motores - participa na formação de dióxido de nitrogênio e na formação do smog fotoquímico (smog: smoke + fog = fumaça + neblina). Os hidrocarbonetos (HC) são combustíveis não queimados ou parcialmente queimados que é expelido pelo motor - alguns tipos de hidrocarbonetos reagem na atmosfera promovendo a formação do smog fotoquímico. A fuligem (partículas sólidas e líquidas), sob a denominação geral de material particulado (MP), devido ao seu pequeno tamanho, mantém-se suspensa na atmosfera e pode penetrar nas defesas do organismo, atingir os alvéolos pulmonares e ocasionar:      

Mal estar; Irritação dos olhos, garganta, pele etc.; Dor de cabeça, enjôo; Bronquite; Asma; Câncer de pulmão.

Outro fator a ser considerado é que essas emissões causam grande incômodo aos pedestres próximos às vias de tráfego. No caso da fuligem (fumaça preta), a coloração intensa e o profundo mau cheiro desta emissão causam de imediato uma atitude de repulsa e pode ainda ocasionar diminuição da segurança e aumento de acidentes de trânsito pela redução da visibilidade. [5]

2.5.

CAN - Controller Area Network

2.5.1. Introdução A primeira parte deste artigo procurou explicar os dois principais conceitos de Arquitetura Eletro-Eletrônica existentes – o Centralizado e o Distribuído. Além de destacadas as vantagens e desvantagens de ambos os conceitos, foram mencionados dois exemplos de aplicação, um fundamentado no sistema Centralizado e outro no Distribuído. Percebeu-se que, para a viabilização do sistema, especialmente no conceito Distribuído, é extremamente necessária a utilização de um Protocolo de Comunicação. Neste sentido, o CAN Bus mostra-se o mais adequado se considerada a aplicação em questão: Eletrônica Embarcada em veículos automotivos.

2.5.2. Histórico O CAN Bus (ou Barramento Controller Area Network) foi desenvolvido pela empresa alemã Robert BOSCH e disponibilizado em meados dos anos 80. Sua aplicação inicial foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios e tratores, entre outros.

2.5.3. Conceituação Básica O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. O sincronismo entre os módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem lançada ao barramento (evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares). Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro, além de suas mensagens serem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede. Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration). Isto significa que todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la. Outro conceito bastante interessante é o NRZ (Non Return to Zero), onde cada bit (0 ou 1) é transmitido por um valor de tensão específico e constante. A velocidade de transmissão dos dados é inversamente proporcional ao comprimento do barramento. A maior taxa de transmissão especificada é de 1Mbps considerando-se um barramento de 40 metros. A Figura 2.6 representa a relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmissão dos dados.

Figura 2.6 – Relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmissão dos dados. Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN. Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser trançados e não blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN é classificado como Par Trançado Diferencial. Este conceito atenua fortemente os efeitos causados por interferências eletro-magnéticas, uma vez que qualquer ação sobre um dos fios será sentida também pelo outro, causando flutuação em ambos os sinais para o mesmo sentido e com a mesma intensidade. Como o que vale para os módulos que recebem as mensagens é a diferença de potencial entre os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecerá inalterada), a comunicação não é prejudicada. [6] No CAN, os dados não são representados por bits em nível “0” ou nível “1”. São representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L. A Figura 2.7 ilustra os níveis de tensão em uma rede CAN, assim como os bits Dominantes e Recessivos.

Figura 2.7 – Níveis de tensão em uma rede CAN. Como mencionado no início, todos os módulos podem ser mestre e enviar suas mensagens. Para tanto, o protocolo é suficientemente robusto para evitar a colisão entre mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit não destrutiva. É possível exemplificar esta situação, analisando o comportamento de dois módulos enviando, ao mesmo tempo, mensagens diferentes. Após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica se outro módulo na rede o sobrescreveu (vale acrescentar que um bit Dominante sobrescreve eletricamente um Recessivo). Um módulo interromperá imediatamente sua transmissão, caso perceba que existe outro módulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante). Este módulo, com maior prioridade, continuará normalmente sua transmissão. [6]

2.5.4. Formatos das Mensagens Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN: 

CAN 2.0A – Mensagens com identificador de 11 bits. É possível ter até 2048 mensagens em uma rede constituída sob este formato, o que pode caracterizar uma limitação em determinadas aplicações. A Figura 2.8 apresenta o quadro de mensagem do CAN 2.0A.

Figura 2.8 – Quadro de mensagem CAN 2.0A.



CAN 2.0B – Mensagens com identificador de 29 bits. É possível ter, aproximadamente, 537 milhões de mensagens em uma rede constituída sob este formato. Percebe-se que a limitação em virtude da quantidade de mensagens não mais existe. Por outro lado, o que pode ser observado em alguns casos é que, os 18 bits adicionais no identificador aumentam o tempo de transmissão de cada mensagem, o que pode caracterizar um problema em determinadas aplicações que trabalhem em tempo-real (problema conhecido como overhead). A Figura 2.9 apresenta o quadro de mensagem do formato CAN 2.0B.

Figura 2.9 – Quadro de mensagem CAN 2.0B. Legenda: SRR – Substitute Remote Request RTR – Remote Transmission Request IDE – Identifier Extension DLC – Data Length Code CRC – Cyclic Redundancy Check ACK – Acknowledgment EOF – End Of Frame

2.5.5. Padrões Existentes Os fundamentos do CAN são especificados por duas normas: a ISO11898 e a ISO11519-2. A primeira, ISO11898, determina as características de uma rede trabalhando com alta velocidade de transmissão de dados (de 125Kbps a 1Mbps). A segunda, ISO11519-2, determina as características de uma rede trabalhando com baixa velocidade (de 10Kbps a 125Kbps). Ambos os padrões especificam as camadas Física e de Dados, respectivamente 1 e 2 se considerado o padrão de comunicação OSI (Open Systems Interconnection) de 7 camadas (ISO7498). As demais camadas, da 3 à 7, são especificadas por outros padrões, cada qual relacionado a uma aplicação específica. [6] Existem diversos padrões fundamentados no CAN, dentre os quais podemos destacar:  NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações navais e aéreas.

 SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações automotivas, especialmente ônibus e caminhões.  DIN 9684 – LBS: Baseado no CAN 2.0A e utilizado em aplicações agrícolas.  ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B e também utilizado em aplicações agrícolas. Estes padrões especificam o equivalente às camadas de Rede (3), Transporte (4), Sessão (5), Apresentação (6) e Aplicação (7), do padrão OSI, incluindo-se as mensagens pertinentes ao dicionário de dados de cada aplicação em especial. [6]

2.5.6. Detecção de Falhas Algumas das maiores vantagens do CAN é a sua robustez e a capacidade de se adaptar às condições de falha, temporárias e/ou permanentes. Podemos classificar as falhas de uma rede CAN em três categorias ou níveis: Nível de Bit, Nível de Mensagem e Nível Físico.

2.5.6.1.

Nível de Bit

Possui dois tipos de erro possíveis: 

Bit Monitoring: Após a escrita de um bit dominante, o módulo transmissor verifica o estado do barramento. Se o bit lido for recessivo, significará que existe um erro no barramento.



Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo valor (dominante ou recessivo). Caso seja necessário transmitir seqüencialmente seis ou mais bits de mesmo valor, o módulo transmissor inserirá, imediatamente após cada grupo de cinco bits consecutivos iguais, um bit de valor contrário. O módulo receptor ficará encarregado de, durante a leitura, retirar este bit, chamado de Stuff Bit. Caso uma mensagem seja recebida com pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado terá ocorrido no barramento.

2.5.6.2.

Nível de Mensagem

São três os tipos de erro possíveis: 

CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um checksum. O módulo transmissor calcula um valor em função dos bits da mensagem e o transmite juntamente com ela. Os módulos

receptores recalculam este CRC e verificam se este é igual ao transmitido com a mensagem. 

Frame Check: Os módulos receptores analisam o conteúdo de alguns bits da mensagem recebida. Estes bits (seus valores) não mudam de mensagem para mensagem e são determinados pelo padrão CAN.



Acknowledgment Error Check: Os módulos receptores respondem a cada mensagem íntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de uma mensagem resposta que é enviada ao módulo transmissor. Caso esta mensagem resposta não seja recebida (pelo transmissor original da mensagem), significará que, ou a mensagem de dados transmitida estava corrompida, ou nenhum módulo a recebeu.

Toda e qualquer falha acima mencionada, quando detectada por um ou mais módulos receptores, fará com que estes coloquem uma mensagem de erro no barramento, avisando toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor deverá reenviá-la. Além disso, a cada mensagem erroneamente transmitida ou recebida, um contador de erros é incrementado em uma unidade nos módulos receptores, e em oito unidades no transmissor. Módulos com estes contadores iguais a zero são considerados Normais. Para os casos em que os contadores contêm valores entre 1 e 127, os módulos são considerados Error Active. Contadores contendo valores entre 128 e 255 colocam os módulos em condição de Error Passive. Finalmente, para contadores contendo valores superiores a 255, os módulos serão considerados em Bus Off e passarão a não mais atuar no barramento. Estes contadores também são decrementados a medida que mensagens corretas são recebidas, o que reduz o grau de incerteza em relação a atividade dos módulos com contadores contendo valores diferentes de zero e possibilitando novamente a plena participação deles no barramento.

2.5.6.3.

Nível Físico

Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a ocorrer com os fios de dados CAN_H e CAN_L, a rede continuará operando sob uma espécie de modo de segurança. Seguem abaixo algumas das condições de falha nas linhas de comunicação que permitem a continuidade das atividades da rede:   

Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC); Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L; Ruptura do CAN_H (ou CAN_L);

2.5.7. Aspectos de Implementação

2.5.7.1.

Dicionário de Dados

É a parte mais dedicada à aplicação quando se trabalha com um protocolo como o CAN. O Dicionário de Dados (Data Dictionary) é o conjunto de mensagens que podem ser transmitidas naquela determinada rede. A forma mais interessante de se organizar um dicionário de dados é criando uma matriz com todos os módulos da rede. Esta matriz mostrará cada mensagem sob a responsabilidade de cada módulo, relacionando quem a transmite e quem a recebe. Outros dados importantes nesta matriz são: o tempo de atualização dos valores da mensagem, o intervalo de transmissão da mesma e o valor relativo ao seu identificador. Além desta matriz, a documentação referente ao Dicionário de Dados deverá conter uma descrição detalhada de cada mensagem, bit a bit. O Dicionário de Dados é implementado numa rede CAN via software e deverá ser o mesmo (ter a mesma versão de atualização, inclusive) em todos os módulos conectados à rede. Isto garantirá total compatibilidade entre os participantes do barramento. [6]

2.5.7.2.

Exemplo de Rede

Uma rede CAN, dependendo da sua aplicação, poderá ter até centenas de módulos conectados. O valor máximo para a conexão de módulos em um barramento depende da norma que se utiliza na dada aplicação. Toda rede CAN possui 2 Terminadores. Estes terminadores nada mais são que resistores com valores entre 120 e 124 ohms, conectados à rede para garantir a perfeita propagação dos sinais elétricos pelos fios da mesma. Estes resistores, um em cada ponta da rede, garantem a reflexão dos sinais no barramento e o correto funcionamento da rede CAN. Outra característica de determinadas aplicações fundamentadas no CAN é que estas poderão ter duas ou mais sub-redes trabalhando, cada qual, em uma velocidade diferente. Os dados são transferidos de uma subrede para a outra através de módulos que atuam nas duas sub-redes. Estes módulos são chamados de Gateways. [6] A Figura 2.10 ilustra a rede CAN de um sistema automotivo, com duas sub-redes e dois terminadores. O Gateway desta aplicação é o Painel de Instrumentos.

Figura 2.10 – CAN de um sistema automotivo.

2.5.7.3.

Montagem da Rede

Barramento é o termo técnico que representa os condutores elétricos das linhas de comunicação e a forma como eles são montados. Apesar de parecer simples, o ato de interligar os módulos requer bastante atenção. Sobre o cabeamento necessário, considerando-se uma aplicação CAN de dois fios, deve-se utilizar par trançado onde a secção transversal de cada um dos fios deve ser de no mínimo 0,35mm².[6] As duas terminações (resistores de aproximadamente 120 ohms), do ponto de vista teórico, podem ser instaladas nas extremidades do chicote, diretamente nos fios de dados CAN_H e CAN_L. Do ponto de vista prático isto é extremamente complexo. O que deve ser feito é adicionar as terminações nas duas ECMs (Módulos Eletrônicas de Controle) conectadas aos extremos da rede. Se as ECMs forem montadas dependendo dos opcionais do veículo, deve-se procurar instalar as terminações nas ECMs que sempre estarão presentes nele (veículo). As terminações são mandatórias numa rede CAN. No momento de se projetar o roteamento do barramento, algumas regras em relação ao comprimento dos chicotes devem ser observadas. O sincronismo das operações das ECMs no CAN é fundamentado no tempo de propagação física das mensagens no barramento. Assim, a relação do comprimento de determinados intervalos do chicote no barramento são fundamentais ao bom funcionamento da rede. A Figura 2.11 mostra um diagrama que ilustra as medidas que devem ser observadas no desenvolvimento do chicote.

Figura 2.11 – Medidas para desenvolvimento do chicote. Destaca-se que, após o barramento ser montado, caso seja necessário qualquer retrabalho no mesmo, é aconselhável a troca do chicote elétrico danificado. Emendas poderão alterar a impedância característica da rede e com isso afetar o seu funcionamento.

2.6.

Linguagem de Programação do Software de Controle (LabVIEW)

O NI LabVIEW é um ambiente gráfico do desenvolvimento para criar aplicações de teste, medição, e controle flexíveis e escalonáveis rapidamente e com custo mínimo. Com o LabVIEW, engenheiros e cientistas podem rapidamente, e com ótimo custo/benefício, interagir com hardware para medição e controle, analisar dados, compartilhar resultados e distribuir sistemas.

2.6.1. Sobre o NI LabVIEW O NI LabVIEW – considerado pela indústria, acadêmicos e comunidade editorial como o melhor software em testes eletrônicos, controles industriais e projetos eletrônicos industriais – tem redefinido medições e automações com sua metodologia unicamente gráfica para desenvolvimento. Ganhador de 15 prêmios em 2004, o LabVIEW proporciona uma intuitiva e poderosa maneira de adquirir, analisar e apresentar medições em cada estágio do desenvolvimento, desde a prototipagem ao projeto para testes de fabricação. Uma plataforma aberta que possui compatibilidade com centenas de camêras, estágios de movimento, sensores e atuadores TEDS (Transducer Electronic DataSheet), dispositivos industriais compatíveis com OPC assim como mais de 4000 dispositivos de medição controlados por GPIB, VXI,

PXI, PCI, Serial, Ethernet e USB. O LabVIEW está disponível para os sistemas operacionais Windows, Macintosh e Linux. Com o lançamento do LabVIEW em 1986, a National Instruments introduziu o conceito de instrumentação virtual. Utilizando LabVIEW para aplicações de medição e automação, pode-se adquirir dados ao conectar-se com vários dispositivos de hardware, definir uma aplicação para analisar ou tomar decisões com base nestes dados e depois apresentar suas medições por meio de interfaces gráficas, páginas Web, arquivos de banco de dados e muito mais.

PROJETO DA ARQUITETURA DO SISTEMA

O sistema de simulação e prototipagem de funções de software proposto nesse trabalho, é baseado na plataforma de software de desenvolvimento LabVIEW e no controlador externo compactRIO, ambos da National Instruments. O software de desenvolvimento consiste em um ambiente gráfico, com várias ferramentas para sistemas de medição, análise e controle, com uma linguagem de programação através de símbolos e blocos funcionais gráficos. Possui plataforma aberta, o que facilita a sua interface com outros sistemas e equipamentos e suporta múltiplos protocolos de comunicação.

Figura 3.1 – Exemplo de um controlador PID implementado no ambiente de desenvolvimento.

O controlador externo é robusto e reconfigurável. Possui um processador local para obter performance ultra rápida podendo processar funções de controle em tempo real. Baseado em dispositivos FPGA, que são dispositivos programáveis formados por células com milhares de portas lógicas configuráveis utilizadas de acordo com a necessidade da aplicação, possui também módulos de I/O que são instalados de acordo com a aplicação, inclusive com I/O para barramento CAN.

Figura 3.2 – Detalhe construtivo do controlador externo. O sistema utilizado para simulação e teste das funções protótipos, consiste na função implementada na plataforma do software de desenvolvimento e no controlador externo. A função desenvolvida é carregada no controlador externo que processa os algoritmos e realiza as funções de controle. A flexibilidade é total, sendo possível implementar controladores digitais de malha aberta ou fechada, com atuação direta de dispositivos via saída PWM ou analógica. Também é possível realizar a conexão direta com sensores analógicos ou digitais. O conjunto funciona como um by-pass trazendo para fora do controlador original os parâmetros necessários para o processamento no controlador externo, ou seja, independente do sistema de injeção eletrônica. A comunicação é feita via barramento CAN ou conexão direta com sensores e atuadores. A simulação pode ser realizada em computador, através de estímulos padrões ou através de algum modelo específico previamente modelado no software de desenvolvimento.

Figura 3.3 – Algoritmo de controle implementado no controlador externo.

BENEFÍCIOS DA APLICAÇÃO

Nas montadoras e nos fabricantes de motores há sempre necessidade de desenvolvimento e testes de novas funções de software de controle de algum dispositivo, bem como os algoritmos de diagnose do sistema. O tipo de situação mais comum de se encontrar é a impossibilidade de se ter acesso aos desenvolvedores do software que, geralmente, estão alocados em outros continentes. Por isso, faz-se necessário diversas reuniões com os representantes locais para descrição do software que serão posteriormente encaminhados para os especialistas. Quando a informação chega ao programador ela pode conter erros que resultam em bugs no software que só serão descobertos, muitas vezes, na hora do teste no dinamômetro ou no veículo. Esse tipo de problema obriga a repetição da parte final do ciclo de desenvolvimento, gerando várias versões de software até se corrigir todos os bugs, acarretando atrasos e aumento dos custos. Grande parte desses problemas podem ser evitados, com a utilização prática da simulação e testes dentro da própria montadora ou fabricante de motores, pois o algoritmo somente seria entregue para codificação depois de ter atingido um nível de maturidade sem “bugs” e, conseqüentemente, haveria uma sensível diminuição no número de liberações de software com erros.

5. ESTUDO DE CASO Apresentação de um caso prático onde foi necessário desenvolver uma função de controle protótipo para corrigir a atuação da válvula EGR em um determinado evento transiente de pressão de admissão onde o nível de emissões (NOx) era prejudicado. A função existente no módulo de injeção eletrônica não era capaz de tomar uma ação em cima do evento transiente. Era necessário desenvolver e implementar uma função protótipo baseada nos requisitos de projeto designados pelo cliente em conjunto com o departamento de engenharia de performance e emissões.

Figura 5.1 – Diagrama de blocos dos requisitos da função protótipo. A válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation) tem como objetivo reduzir as emissões de NOx (óxidos de nitrogênio) mantendo a temperatura de combustão abaixo da faixa crítica. Para isso, através dessa válvula, é introduzida uma pequena quantidade de gases de escapamento (recirculação) na admissão de maneira a "contaminar" a mistura ar-combustível. admissão

válvula admissão

válvula escape

válvula EGR

válvula Throttle

bomba de vácuo

escape

válvula controle fluxo de ar

ECM

Figura 5.2 – Esquema da recirculação dos gases de escapamento (EGR). Sendo assim, a função a ser prototipada precisaria corrigir a atuação da válvula EGR simultaneamente com a atuação da válvula Throttle (admissão). Na ocorrência do evento transiente, ambas as válvulas deveriam atuar de maneira inversa: a EGR totalmente fechada e a Throttle totalmente aberta. Depois de transcorrido o evento, ambas deveriam retornar aos seus regimes normais de funcionamento. A função original não poderia ser alterada.

Figura 5.3 – Proposta utilizada como referência no desenvolvimento da função protótipo. Atuação da válvula EGR (verde) em função do evento transiente de pressão de admissão (vermelho). Era necessário também que a função atendesse às condições da máquina de estados designada nos requisitos.

Figura 5.4 – Máquina de Estados da função protótipo. Decidiu-se que as variáveis de entrada seriam lidas diretamente do barramento CAN da ECM e posteriormente processadas pela função protótipo no controlador externo compact RIO (cRIO). Ainda seguindo os requisitos do projeto, esse processamento deveria ser realizado em 5ms no máximo.

A válvula Throttle deveria ser controlada por PWM (Pulse Width Modulation) com o duty cycle variando de 5% a 95% e freqüência de 250 Hz. Já para a vávula EGR foi necessário construir um drive de potência na configuração de ponte H com transistores Darlington de alto ganho para o acionamento de seu motor elétrico. Todo o controle (PID) foi desenvolvido e implementado por software e descarregado na placa controladora do cRIO. + VCC

MAF RPM do sistema de injeção

sensor pos. real

Figura 5.5 – Diagrama de ligação controlador EGR.

6. DEFINIÇÃO DA ARQUITETURA DO SISTEMA Definiu-se que a arquitetura do sistema ficaria da seguinte maneira:

placa controladora rodando software de simulação e controle (NI LabVIEW) NI cRIO

ethernet

chicote com ECM

CAN

sensores e

notebook rodando

atuadores

software de medição e calibração (NI LabVIEW) válv. Throttle

PWM com DO

válv. EGR

Figura 6.1 – Arquitetura do Sistema de Simulação e suas interfaces. O software foi, basicamente, dividido em três partes: 

Host (PC): consiste na indicação gráfica dos acionamentos das válvulas, indicação numérica das variáveis de entrada e comunicação com o controlador externo.



Real-Time (cRIO): algoritmo da função protótipo, pontos calibráveis de trabalho das válvulas, posição da máquina de estados e comunicação com o barramento CAN e o host.



FPGA (chip no cRIO): gerenciamento da modulação por largura de pulso (PWM) dos sinais de acionamento das válvulas.

Figura 6.2 – Tela do software do Host (PC).

Figura 6.3 – Código fonte do software do Host (PC).

Figura 6.4 – Código fonte do software Real-Time (cRIO).

ECM PONTE H cRIO FONTE

EGR THROTTLE MAF

Figura 6.5 – Sistema de prototipagem montado sobre acrílico para demonstrações.

Durante os testes realizados no veículo houve a necessidade de se realizar alguns ajustes no algoritmo da função. É importante ressaltar que todas as alterações ocorreram sem que fosse necessário qualquer manuseio do cRIO ou qualquer alteração nas instalações do sistema de simulação. Todas as modificações foram feitas apenas com a mudança do software via computador e o posterior “download” da função para o ambiente Real-Time da placa controladora do cRIO. Analisando-se os dados dos testes constatou-se uma pequena diminuição no nível de NOx, porém nada representativo. Verificou-se a possibilidade da função protótipo conter algum tipo de erro. Nada foi encontrado, estando a função absolutamente de acordo com os requisitos do projeto. Dentre outras coisas, uma questão levantada pelo cliente a respeito da possível ineficiência da simulação pareceu plausível: Era possível que o cRIO tivesse um atraso no processamento da função protótipo em relação ao processamento da ECM comprometendo a estratégia de controle? Para sanar essa dúvida realizou-se um pequeno experimento que consistia na medição do acionamento das válvulas pela ECM e pelo cRIO simultaneamente com um osciloscópio.

Figura 6.6 – Sinais de controle da válvula EGR via ECM (amarelo) e via cRIO (verde).

Com as medições, notou-se que realmente existia um atraso do cRIO em relação à ECM. Mais precisamente um atraso de 38,8µs. Um valor insignificante levando-se em consideração que o loop de controle era de 5ms, ou seja, 5000µs. Ainda sim, cabe ressaltar uma outra análise feita em cima das medições realizadas. No instante em que o cRIO apresenta 10V em sua saída a ECM ainda encontra-se com 7V na sua. Com isso, se a diferença de velocidade de processamento e acionamento das válvulas já era pequena, com esse dado ela torna-se, praticamente, desprezível.

≈7V Atraso:

38,8000 µs

≈ 10 V

Figura 6.7 – Medição do atraso de processamento entre a ECM e o controlador externo através da defasagem dos sinais de controle da válvula EGR. Concluiu-se então que, apesar da função protótipo estar de acordo com os requisitos, a estratégia de controle proposta não era a melhor para a diminuição dos níveis de NOx ocorridos nos eventos transientes anteriormente citados. Talvez houvesse a necessidade de um estudo mais aprofundado com o acréscimo de mais variáveis de entrada e, conseqüentemente, uma função de controle mais aprimorada. De qualquer maneira, as ferramentas utilizadas para a simulação de função provaram-se extremamente funcionais.

7. CONCLUSÕES Utilizaram-se tecnologias já existentes na empresa e conhecimentos adquiridos de outros projetos. Fora isso, os conhecimentos absorvidos nesse experimento são inestimáveis na utilização das próximas simulações. Do contrário, seria necessário um investimento de 50.000,00 euros (cotação de 07/2007) para solicitar ao fabricante da ECM que prototipasse uma função onde, posteriormente, concluiría-se não ser apropriada para a resolução do problema. Um investimento altíssimo com os agravantes de não se reter os conhecimentos e o domínio da tecnologia e muito menos a conquista do projeto solicitado pelo cliente.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] COMO FUNCIONAM OS COMPUTADORES DO CARRO [on line]. <http://carros.hsw.uol.com.br/computadores-de-bordo.htm>. Setembro de 2008. [2] NETO, Carlos Napoletano. RECIRCULAÇÃO DOS GASES DE ESCAPAMENTO [on line]. <http://mitsumania.com/forum2/viewtopic.php?t=13311&sid=0dd0270b4794 a12c62cd46cca522d809>. Setembro de 2008. [3] PADRÃO EUROPEU DE EMISSÕES [on line]. <http://pt.wikipedia.org/wiki/Padr%C3%A3o_europeu_de_emiss%C3%B5es >. Setembro de 2008. [4] SENSOR DE MASSA DE AR [on line]. <http://www.webmecauto.com.br/servicos/serv19_01.asp>. Setembro de 2008. [5] CETESB - EMISSÕES VEICULARES [on line]. <http://www.cetesb.sp.gov.br/Ar/emissoes/introducao.asp>. Setembro de 2008. [6] GUIMARÃES, Alexandre de A.. Can Bus – Barramento Controller Area Network [on line]. <http://www.pcs.usp.br/~laa/Grupos/EEM/CAN_Bus_Parte_2.html>. Setembro de 2008. [7] ENGENHARIA DE SOFTWARE – ROGER S. PRESSMAN – ISBN 85 346 0237 9, Pearson Makron Books, 1995. [8] SISTEMAS DIGITAIS PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES – RONALD J. TOCCI – NEAL S. WIDMER – ISBN 85 216 1179 X.

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