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Redes de Comunicação: Arquitetura, evolução, componentes, características e diagnóstico


Vamos introduzir o conceito de redes de comunicação, seus componentes e por fim, mostraremos alguns pontos de medições para capacitar o reparador a realizar verificações no sistema e identificar possíveis falhas

Por: Laerte Rabelo - 12 de março de 2023

⦁ Introdução

No passado, a indústria automotiva já contemplava funções adicionais necessárias apenas para o funcionamento dos sistemas dos veículos, porém, tendo como base componentes mecânicos e hidráulicos.

Durante anos desenvolveram-se pesquisas com o objetivo de agregar novas funções, considerando a evolução dos sistemas eletroeletrônicos em relação ao custo e tamanho, fatores determinantes para o desenvolvimento de novas funções automotivas.

Entretanto, para satisfazer os requisitos de funções adicionais em sistemas automotivos, cresceu a utilização de dispositivos microprocessados, redes de comunicação e o desenvolvimento de softwares. A área de computação tornou-se importante e até mesmo, fator diferencial no desenvolvimento de novos produtos em sistemas automotivos.

A indústria automotiva é uma das grandes beneficiadas da tecnologia, que resultou em redução de peso, gerenciamento de tráfego de informações, entretenimento, facilidade em diagnósticos, manutenção e uma vasta oferta de funções de conforto, conveniência e segurança ao usuário final.

A evolução dos sistemas eletroeletrônicos nos veículos pode ser dividida em diversas fases, atualmente está na eletrônica embarcada e como ela gerencia ou facilita as operações necessárias em um carro.

Para entender o funcionamento dos veículos atuais, não basta simplesmente o conhecimento da mecânica. É preciso conhecer eletricidade básica, e a partir desta, os fundamentos dos sistemas eletroeletrônicos.

O CAN Bus (controller Area Network) ou rede de comunicação de dados foi desenvolvido pela empresa alemã Bosch e disponibilizado em meados dos anos 80. A figura abaixo apresenta a estrutura básica de uma rede de comunicação. 

Sua aplicação inicial foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios e tratores, entre outros.

2- Conceitos

CAN

Controle Area Network, Rede de Controladores de Área ou Sistema Multiplexado, que faz circular muitas informações, por meio de um único canal de transmissão.

BUS

Transporta grande quantidade de informação.

Multiplexagem

Significa transmitir simultaneamente duas ou mais informações através de uma única via, em nosso caso, por meio de cabos.

Eletrônica embarcada e arquiteturas eletrônicas 

O termo Eletrônica Embarcada representa todo e qualquer sistema eletroeletrônico montado em uma aplicação móvel, seja ela um automóvel, um navio ou um avião. Há muitos anos, a indústria automotiva tem feito uso de sistemas eletroeletrônicos no controle das várias funções existentes em automóveis de passeio e comerciais.

3- Antes da multiplexagem

Um veículo lançado em 1960, que não era equipado com muitos acessórios, contém mais ou menos 200 metros de cabos elétricos e centenas de conexões.

Quarenta anos depois, no ano 2000, um veículo mais luxuoso necessitava em torno de 2 mil metros de cabos para manter seus sistemas eletrônicos funcionando.

A  forma de ligação entre o sensor de temperatura e os diferentes módulos que precisam de sua informação.

Observem que neste tipo de ligação cada módulo precisa estar ligado fisicamente ao sensor de temperatura, ou seja, a medida que o número de acessórios e tecnologia embarcada aumentou, o número de cabos também aumentou e em dez anos a quantidade de cabos poderia transformar o automóvel em um novelo de cabos ambulante, isso impossibilitaria a inclusão de novas tecnologias.

A engenharia automotiva buscou uma alternativa para mudar essa realidade e encontrou uma solução que, ao mesmo tempo reduziu a quantidade de cabos, o custo deste material e ainda aumentou a confiabilidade no produto e por fim facilitou o diagnóstico de eventuais falhas e na reparação dos sistemas, o nome de tudo isso é a Multiplexagem.

4. Multiplexagem 

Nos projetos de eletrônica embarcada em veículos desenvolvidos a partir da multiplexagem, foram reduzidos em média de 2.500 para 1.000 metros a quantidade de cabos em comparação ao modelo anterior, sem a rede de multiplexagem.

Multiplexagem significa transmitir simultaneamente duas ou mais informações, por meio de uma única via, em nosso caso, através de cabos.

A multiplexagem estabelece possibilidades de evoluções no âmbito da eletrônica embarcada, já que seu princípio de funcionamento elimina consideravelmente a quantidade de cabos, sensores, conectores e unidades de comando.

Fazendo uma analogia com a Internet, para se buscar uma informação em um determinado site, o internauta deve possuir meios físicos (computador e conexão), acesso a um provedor e também um código de acesso, chamado de endereço eletrônico.

Logo exibe a ligação do sensor de temperatura, mas desta vez segundo a aplicação da multiplexagem. 

Nessa configuração, há a necessidade de apenas uma ligação física entre o sensor de temperatura e o módulo do motor, pois a informação de temperatura irá ser disponibilizada via barramento para os demais módulos, o que diminui significativamente a quantidade de sensores e cabos. 

4.1 Gateway

Em um veículo, a rede multiplexada está interligada por meio de uma central eletrônica ‘Gateway’, que pode ser o módulo da carroceria ou módulo do painel, por exemplo, que recebe, processa e distribui as informações da rede provenientes de sensores, atuadores e das unidades de comando.

Esta central eletrônica pode ser comparada a um provedor de Internet. As informações que chegam das unidades de comando são codificadas, isto é, são comparadas ao endereço eletrônico da Internet, como se as unidades de comando acessassem as informações de um sensor (site), através da central eletrônica (provedor da Internet) e as redes se encarregassem de propagar o código digital (endereço eletrônico).

As vias de comunicação da rede multiplexada podem ser de cabos de cobre, fibra óptica, ondas de rádio, entre outros, por estas trafegam sinais elétricos (tensão, corrente), ondas eletromagnéticas ou luz.

 A figura abaixo apresenta detalhes do módulo com função de gateway. 

Notem que no modulo gateway, além da alimentação positiva e negativa, comum aos demais módulos, temos ainda o transceptor B-CAN para receber a rede CAN de baixa velocidade e o transceptor F-CAN para se comunicar com a rede CAN de alta velocidade. O módulo gateway possibilita a troca de informações entre as redes de baixa e alta velocidade. 

5. Evolução do sistema

Existem muitos componentes em um veículo que dependem de informações provenientes de outras fontes para transmiti-las. A rede de comunicação de dados fornece de maneira segura e com uma boa relação/custo benefício meios de conexão para vários componentes do veículo “conversarem” uns com os outros e compartilharem informações

A  diversidade de componentes que trocam informações entre si para que o veículo com seus diferentes sistemas funcione adequadamente.

⦁ Tipos de arquiteturas

⦁ Centralizada 

Quando analisamos determinadas aplicações, encontramos uma única ECU responsável por receber todos os sinais de entrada (como os sensores e chaves de comando), processá-los e comandar as respectivas saídas de controle do sistema (como atuadores e relés).

Logo exibe a estrutura desse tipo de ligação entre os componentes.

⦁ Convencional ou ponto a ponto

O sistema de controle convencional é realizado ponto a ponto, ou seja, cada módulo necessita estar conectado a todos os outros módulos do veículo, afim de “conversarem” uns com os outros e compartilharem informações. Apresentando em detalhes um veículo que trabalha com essa forma de comunicação. 

⦁ Arquitetura distribuída (barramento)

Existe a possibilidade de se utilizar, em um mesmo sistema de controle, vários módulos de controle interligados, dividindo entre elas a execução de várias funções existentes no veículo.

A mostra o diagrama esquemático que representa este conceito de arquitetura. 

6. Vantagens da arquitetura distribuída (barramento)

Este tipo de arquitetura apresenta diversas vantagens.

A indústria automotiva é uma das grandes beneficiárias da tecnologia, o que resultou em redução de peso, gerenciamento de tráfego de informações, entretenimento, facilidade em diagnóstico e manutenção e uma vasta oferta de funções de conforto, conveniência e segurança ao usuário final. A figura exibe a arquitetura distribuída a partir do conector de diagnóstico, chegando ao gateway que conecta à rede de alta velocidade (F-CAN) e a de baixa velocidade (B-CAN), promovendo a troca de informações entre os diversos módulos. 

7. Detalhes da Rede CAN BUS de alta velocidade

A Rede CAN (Controller Area Network) de alta velocidade é um bom exemplo de rede de comunicação de dados entre os módulos de controle vitais para o funcionamento do veículo.

Esta rede é composta por dois cabos entrelaçados, entre si, conforme mostra a figura acima, configuração adequada para evitar interferências de campos magnéticos, proteção necessária aos componentes eletrônicos sensíveis a essas interferências.

 Em caso de reparo, deve-se respeitar a especificação de no mínimo 10 voltas a cada 31 cm, medidos em qualquer local ao longo do comprimento dos cabos. O diâmetro externo dos cabos entrelaçados não deve exceder 6 mm. 

Resistores de fim de linha

Algumas arquiteturas de Rede CAN possuem dois blocos de resistores (de terminação ou de fim de linha) com valores de 120 Ohms (ou associados em série, 60+60 Ohms), conectados à rede para garantir a perfeita propagação dos sinais elétricos pelos cabos da rede.

Esses resistores, um em cada ponta da rede, garantem a reflexão dos sinais no BUS de dados e o correto funcionamento da rede CAN, eliminando ruídos. 

É possível fazer uma rápida verificação da continuidade da rede com uma medida de resistência entre os cabos CAN-Alto (CAN-High) e a CAN-Baixo (CAN-Low), sem que haja tensão na rede e as unidades de comando estejam conectadas.

A medida da resistência entre os pinos 6 (CAN – alto) e pino 14 (CAN – baixo) no conector de diagnóstico, com o terminal negativo da bateria desconectado, deve ser de aproximadamente, 60 ohms. 

Apresentando  a medição realizada com o multímetro nos pinos 6 e 14 do conector de diagnóstico com o barramento com perfeita continuidade. 

OBSERVAÇÃO IMPORTANTE 1: Algumas arquiteturas de rede de comunicação não utilizam resistores de terminação, desta forma, é imprescindível que o técnico procure conhecer detalhes sobre o sistema do veículo que está realizando o diagnóstico.

Protocolo de comunicação

Para que ocorra comunicação entre todos os elementos da rede multiplexada é necessário gerar uma linguagem de comunicação comum denominada Protocolo de Dados.

O Protocolo de Dados ou Protocolo de Comunicação define todas as regras de comunicação de dados entre os equipamentos. Essas regras são: o modo de transmissão (analógico ou digital), o tipo de código, o endereço, a ordem de transmissão, a detecção de erros, prioridade de informações, entre outras.

O protocolo CAN é um protocolo de comunicação de dados seriais sincronizados. O sincronismo entre os módulos conectados à rede é feito em relação ao início de cada trama lançada à mesma, evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares.

O protocolo CAN em aplicações de eletrônica embarcada, conforme explicado, requer um par de condutores entrelaçados, denominados BUS de dados, para evitar as interferências eletromagnéticas perturbadoras procedentes do próprio cabo do bus de dados ou de outras fontes existentes no veículo como circuitos de potência, centelhas, telefone celular ou rádio.

Cada um dos condutores da rede CAN tem níveis lógicos diferentes, denominados CAN-Alto (CAN_High) e CAN-Baixo (CAN_Low) e, por isso, a soma das tensões é constante em qualquer momento, minimizando os efeitos eletromagnéticos de ambos.

exibe um exemplo de comportamento dos sinais dos cabos entrelaçados da Rede CAN de alta velocidade. 

De acordo com o que vemos que o sistema pode assumir dois estados distintos: Se a diferença entre as tensões entre a CAN- Alta e CAN- Baixa for igual a zero, o sistema assume Bit a 1, e quando a diferença de tensão é igual ou superior a 2 volts, assume Bit a 0 (zero). 

Compreender esta lógica de funcionamento é fundamental, pois podemos verificar com o multímetro ou osciloscópio se a rede está trabalhando corretamente. 

Por exemplo, ao realizarmos a medição da tensão nos pinos 6 e 14, teremos os seguintes valores aproximados, indicado, indicando uma rede em perfeito funcionamento: 

Observando, que vemos que a tensão no pino 6 (CAN-Alta) é superior à tensão medida no pino 14 (CAN-Baixa), indicando bom funcionamento da rede. Lembrando que, com o multímetro não conseguiremos medir a tensão instantânea da rede, pois esse valor muda rapidamente e o multímetro não consegue acompanhar essas variações, o resultado em sua tela é uma média dos valores, pois ele realiza em média quatro medidas por segundo. 

OBSERVAÇÃO IMPORTANTE 2: Alguns sistemas somente “acordam” ou ativam a rede após a instalação do scanner no conector de diagnóstico, por isso é fundamental que o reparador conheça as características específicas da rede de comunicação que é aplicada ao veículo que está realizando a análise. 

Na segunda parte desta matéria, iremos apresentar as características do sinal da Rede CAN de alta velocidade através da utilização do osciloscópio, além de mostrar diferentes diagnósticos de falhas na rede por meio de casos reais vividos na oficina e disponibilizados por nossos parceiros.

Até a próxima!!!