Tcc Rodrigues

Universidade de Braslia - UnBFaculdade UnB Gama - FGA

Engenharia Automotiva

MODELAGEM E ANLISE DE REDESAUTOMOTIVAS EM AMBIENTE VIRTUAL

Autor: Rafael Rodrigues da SilvaOrientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Braslia, DF2015

Rafael Rodrigues da Silva

MODELAGEM E ANLISE DE REDES AUTOMOTIVASEM AMBIENTE VIRTUAL

Monografia submetida ao curso de graduaoem Engenharia Automotiva da Universidadede Braslia, como requisito parcial para ob-teno do Ttulo de Bacharel em EngenhariaAutomotiva .

Universidade de Braslia - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Braslia, DF2015

Rafael Rodrigues da SilvaMODELAGEM E ANLISE DE REDES AUTOMOTIVAS EM AMBIENTE

VIRTUAL/ Rafael Rodrigues da Silva. Braslia, DF, 2015-71 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Trabalho de Concluso de Curso Universidade de Braslia - UnBFaculdade UnB Gama - FGA , 2015.1. Simulao. 2. Redes Automotivas. I. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira.

II. Universidade de Braslia. III. Faculdade UnB Gama. IV. MODELAGEM EANLISE DE REDES AUTOMOTIVAS EM AMBIENTE VIRTUAL

CDU 02:141:005.6

Rafael Rodrigues da Silva

MODELAGEM E ANLISE DE REDES AUTOMOTIVASEM AMBIENTE VIRTUAL

Monografia submetida ao curso de graduaoem Engenharia Automotiva da Universidadede Braslia, como requisito parcial para ob-teno do Ttulo de Bacharel em EngenhariaAutomotiva .

Dr. Evandro Leonardo Silva TeixeiraOrientador

Dr. Edson Mintsu HungConvidado 1

Dr. Andr Murilo de Almeida PintoConvidado 2

Braslia, DF2015

Agradecimentos

Agradeo primeiramente a Deus por me iluminar com sabedoria e perseveranaem todos os momentos da minha vida.

Aos meus pais Zanir e Nephtali que so a base slida da minha vida, agradeo porterem sempre acreditado no meu potencial e me incentivarem a ser melhor a cada dia.Agradeo tambm aos meus irmos por estarem ao meu lado em todos os momentos daexecuo deste trabalho.

A minha amada Ana Paula pela pacincia e compreenso durante a realizaodeste trabalho. Agradeo ainda por estar ao meu lado nesses seis maravilhosos anos.

Ao meu orientador Prof. Dr. Evandro Teixeira pelo companheirismo, pacinciae principalmente por compartilhar comigo o grande conhecimento que possui, o que foifundamental para a realizao deste trabalho e para a deciso da rea que pretendo seguirno campo acadmico e profissional.

Aprender a nica coisade que a mente nunca se cansa,

nunca tem medo,e nunca se arrepende.(Leonardo Da Vinci)

ResumoA utilizao de componentes eletroeletrnicos em veculos tem aumentado significativa-mente nos ltimos anos. Isto se deve principalmente s vantagens que estes trazem frenteaos sistemas puramente mecnicos ou hidrulicos tais como flexibilidade, reduo de cus-tos, dentre outros. Da necessidade de estabelecer a comunicao entre as unidades decontrole destes sistemas de forma organizada e eficiente surgiram as redes automotivas,que consistem num barramento no qual as diversas unidades presentes no veculo podemse conectar a fim de receber e enviar mensagens que contm informaes fundamentaispara realizarem suas rotinas. Neste contexto, este trabalho apresenta a pesquisa e a utili-zao de ferramentas virtuais voltadas para a modelagem e anlise de redes automotivasem ambiente virtual em que possvel representar, de forma adequada, a rede automo-tiva do veculo dotada das unidades de controle e suas respectivas configuraes. Soapresentados os parmetros que geralmente so tomados como os principais indicadoresde performance da rede, e baseado no protocolo CAN, especificamente o padro J1939que voltado para aplicaes em veculos comerciais, so apresentados estudos de casoscom diferentes configuraes de redes utilizadas em veculos reais e o desempenho dessesdiversos cenrios so analisados segundo as mtricas apresentadas.

Palavras-chaves: Simulao de Redes Automotivas, Rede CAN, J1939.

AbstractThe use of electronic components in vehicles has increased greatly in recent years. Thisis mainly due to the advantages they bring forward to purely mechanical or hydraulicsystems such as flexibility, cost reduction, among others. The need to establish commu-nication between the control units of these in an organized and efficient systems emergedautomotive networks, which consist of a bus in which the various units in the vehicle canconnect in order to receive and send messages that contain key information for performtheir routines. In this context, this paper presents the research and the use of virtualtools focused on modeling and analysis of automotive networks in a virtual environmentthat can be represented in an appropriate manner, the automotive vehicle network withcontrol units and their settings . The parameters are presented which are usually takenas the key network performance indicators, and based on the CAN protocol, specificallythe J1939 standard that is designed for applications in commercial vehicles, case studiesare presented with different configurations of networks used in actual vehicles and theperformance of these various scenarios are analyzed according to the metrics presented.

Key-words: Automotive Network Simulation, CAN Network, J1939.

Lista de ilustraes

Figura 1 Exemplo de uma rede automotiva (DGE INC, ). . . . . . . . . . . . . . 18Figura 2 Camadas no modelo OSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 3 Camadas OSI no protocolo CAN - Adaptada de (BRUDNA, 2000). . . 22Figura 4 Nvel de tenso utilizado para o CAN (GODOY, 2007). . . . . . . . . . 22Figura 5 Conceito de acesso ao barramento no protocolo CAN . . . . . . . . . . 23Figura 6 Formato do frame CAN. Adaptado de (GODOY, 2007) . . . . . . . . 24Figura 7 Formato do frame no J1939 (FELLMETH; LFFLER, 2008). . . . . . 28Figura 8 PGN - Temperatura do motor. (FRITZ KBLER GMBH, 2009). . . . 29Figura 9 Performance da rede. Adaptado de Lian, Moyne e Tilbury (2002). . . . 31Figura 10 Interface software CANoe. (VECTOR, 2014). . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 11 Interface do software Bus Master. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 12 Etapas de elaborao do trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 13 Fluxograma do algortimo das ECUs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 14 Caminho Scania 164/480 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 15 Arquitetura da rede do caminho Scania 164 . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 16 Frames presentes no barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 17 Variao dos valores atravs do handler on key . . . . . . . . . . . . . 47Figura 18 Desempenho da rede do caso 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 19 Caminho R580 Fonte: Scania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 20 Arquitetura da rede para o R580 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 21 Desempenho da rede do caso 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 22 Volvo FH400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 23 Volvo FH400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 24 Desempenho da rede do caso 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 25 Criao do database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Figura 26 Janela de gerenciamento das mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 27 Janela de gerenciamento das mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 28 Tela de configurao dos sistemas simulados . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 29 Iniciando um sistema simulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 30 Insero de novas ECUs ao sistema simulado. . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 31 Definio do nome e endereo da ECU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 32 Cdigo carregado no Bus Master . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Figura 33 Tela de simulao no BusMaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 34 Tela de simulao no BusMaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Lista de tabelas

Tabela 1 Classificao das redes automotivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Tabela 2 Parmetros importantes de configurao de redes CAN. (GODOY, 2007) 31Tabela 3 Parmetros de desempenho de redes CAN.(GODOY, 2007) . . . . . . . 32Tabela 4 Parmetros de configurao da rede CAN para o caso 1 . . . . . . . . . 45Tabela 5 Parmetros de configurao da rede CAN para o caso 2 . . . . . . . . . 50Tabela 6 Parmetros de configurao da rede CAN para o caso 3 . . . . . . . . . 54Tabela 7 Execuo das etapas planejadas no trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . 59

Lista de abreviaturas e siglas

ECU Unidade de Controle Eletrnico

CAN Controller Area Network

ABS Anti-lock Breaking System

ESP Eletronic Stabilit Program

LIN Local Interconnect Network

SAE Socieade dos Engenheiros Automotivos

ISO International Organization for Standardization

OSI Open Systems Interconnection

OBD Onboard Diagnosic

PG Grupo de Parmetros

PGN Nmero Grupo de Parmetros

OME Original Equipament Manufaturer

TSF Test feature set

SPN Suspect Parameter Number

SMS Suspension Management System

EMS Engine Management System

BMS Brake Management System

GMS Gear-Box Management System

Sumrio

1 INTRODUO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1 Objetivos do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2 Estrutura do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 REVISO BIBLIOGRFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 A importncia das redes automotivas em veculos . . . . . . . . . . 172.2 Redes automotivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.1 Modelo OSI/ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3 Rede CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Camada fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.2 Camada de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.2.1 Mtodo de arbitragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.2.2 Mensagens no protocolo CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.2.3 Verificao de erros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4 SAE J1939 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5 Anlise do desempenho de redes automotivas . . . . . . . . . . . . . 302.5.1 Tempo de transmisso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.5.2 Tempo de transmisso sob condies de erro . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5.3 Taxa de utilizao do barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.6 Benefcios e desafios da simulao de redes automotivas . . . . . . . 352.7 Ferramentas para a simulao de redes automotivas . . . . . . . . . 362.7.1 CANoe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7.2 Bus Master . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1 Reviso bibliogrfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2 Definio do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3 Coleta de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4 Modelagem e Simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Validao do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 ESTUDO DE CASO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1 Caso 1: Scania 164 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1.1 Modelagem da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1.2 Simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1.3 Anlise de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Caso 2: Scania R580 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2.1 Modelagem da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2.2 Anlise de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3 Caso 3: Volvo FH400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.3.1 Modelagem da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3.2 Anlise dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5 CONCLUSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

REFERNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14

1 Introduo

A incluso de tecnologia embarcada nos automveis tem crescido exponencialmentenos ltimos anos. Em termos financeiros estas aplicaes chegam a ser responsvel porum quarto do valor total do veculos. A utilizao de componentes eletroeletrnicos setornou fundamental para o setor automotivo, pois garante grande quantidade de benefciosquando comparados a sistemas puramente mecnicos e hidrulicos (BLAKE; LEADER,2005).

Um estudo realizado pela IBM Institute for Business Value defende que existemcinco fatores que motivam o desenvolvimento e a implementao de softwares e eletrnicosnos veculos (GUMBRICH; KOPPINGER, 2004)

Competio - Empresas esto competindo cada vez mais pela preferncia dos con-sumidores e os clientes cada vez mais crticos em relao ao produtos que desejam.

Diferenciao do produto - Criar produtos com caractersticas nicas, que se desta-quem frente aos concorrentes um dos principais motivadores do desenvolvimento.

Legislao - Legislaes ambientais e de segurana que fomentam o desenvolvimentode novos sistemas criam uma grande demanda por sistemas embarcados.

Expectativas dos clientes - O desejo por uma conduo cada vez mais segura ede alta perfomance encoraja os clientes a buscarem produtos mais desenvolvidostecnologicamente.

Inovaes tecnolgicas - Novas tecnologias tais como sistema de navegao, monito-ramento online surgem constantemente, o que demanda cada vez mais da aplicaode sistemas embarcados.

Este estudo mostra os principais motivos da busca por funcionalidades que im-pressionem cada vez mais o mercado consumidor e se diferencie frente aos concorrentes.A aplicao destas funcionalidades em veculos possibilitada devido ao constante desen-volvimento de componentes e sistemas eletroeletrnicos.

Os sistemas eletroeletrnicos implementados nos veculos so composto basica-mente por dispositivos auxiliares, sensores, atuadores e unidades de controle eletrnico(ECU). Uma ECU frequentemente utilizada para adquirir dados de sensores e controlardiversos atuadores presentes no sistema. O nmero de ECUs cresce ao passo em que novasfuncionalidades so implementadas nos veculos. De fato Monot et al. (2010) estima quea quantidade mdia de ECUs nos veculos mais que dobrou nos ltimos 10 anos.

Captulo 1. Introduo 15

A troca de informao entre as diveras ECUs presentes no veculo se faz necessrio,pois ECUs distintas podem necessitar dos mesmos dados para realizar operaes diferen-tes. Dessa forma possibilitar a transferncia de informaes entre as unidades impactadiretamente na reduo de sensores e na eficcia do sistema (NAVET et al., 2005).

Encontrar uma forma de organizar, diminuir custos e tornar mais eficiente a co-municao entre ECUs estimulou o desenvolvimento das redes de comunicao veiculares.Uma rede de comunicao veicular consiste em uma arquitetura de comunicao em queas todas as ECUs so conectadas ao mesmo barramento e seguindo requisitos fsicos ede software so capazes de trocar informaes e garantir o funcionamento dos diversosdispositivos presentes no automvel (NAVET et al., 2005).

Para auxiliar no desenvolvimento e na implementao das redes de comunicaoveicular surgiram ferramentas capazes de realizar simulaes em que abordam diversosrequisitos de hardware e software de um modelo real. Estas ferramentas contm uma s-rie de funcionalidades que permitem ao desenvolvedor analisar o comportamento da redebaseando-se em parmetros de desempenho e desta forma possibilita realizar o corretodimensionamento da rede, alm de minimizar e corrigir erros que surgiriam na implemen-tao do sistema fsico (KLSER, 2004).

1.1 Objetivos do trabalhoObjetivo Geral:

Este trabalho tem como objetivo utilizar ferramentas de simulao para modelare analisar redes automotivas baseadas no protocolo CAN (Controller rea Network),observando o comportamento destas redes atravs de mtricas de desempenho. Deseja-secomparar o comportamento da rede automotiva de diferentes veculos a fim de avaliar odesempenho da rede para configuraes distintas.

Objetivos Especficos:

Estudar o desenvolvimento das redes automotivas e protocolos de comunicao;

Explorar as mtricas de desempenho que avaliam o comportamento de redes auto-motivas;

Explorar o software BusMaster quanto modelagem e anlise de redes automotivas;

Analisar o desempenho das redes automotivas segundo as mtricas de desempenhosadotadas.

Criar um modelo de rede capaz de simular o funcionamento da rede automotiva deveculo real.

Captulo 1. Introduo 16

1.2 Estrutura do textoOs tens abaixo fornecem ao leitor, de forma rpida, uma breve descrio de cada

captulo que compe este trabalho.

Captulo 2: Neste captulo apresentada a reviso bibliogrfica realizada paradesenvolver este trabalho. Inicialmente so apresentados os conceitos de redes automotivase de protocolos de comunicao. Por fim so apresentados tpicos referentes modelageme simulao de redes automotivas, mtricas que avaliam o desempenho das redes de co-municao, ferramentas computacionais existentes para modelagem e simulao de redesautomotivas, dentre outros.

Captulo 3: Este captulo descreve a metodologia definida para a realizao destetrabalho, apresentando e detalhando as etapas que foram adotadas no desenvolvimentodo mesmo.

Captulo 4: Este captulo apresenta trs estudos de caso. O caso 1 e 2 tratamde redes automotivas de veculos comerciais com diferentes configuraes, em que estasso modeladas e analisadas segundo parmetros de desempenho pertinentes. O caso 3apresenta a modelagem da rede automotiva de um caminho, em que foram obtidas infor-maes da rede no prprio veculo e com base nestes dados realizou-se o modelo da rede.Por fim as mtricas de desempenho so aplicadas para anlise da rede tanto do veculoquanto do modelo.

Captulo 5: Este captulo apresenta consideraes finais sobre o trabalho realizadoe por fim prope questes para trabalhos futuros.

17

2 Reviso bibliogrfica

Este captulo aborda o papel das redes automotivas em veculos, ressaltando os m-todos, benefcios e desafios de sua implementao. Explora tambm tcnicas que avaliam odesempenho de redes automotivas segundo mtricas adotadas por fabricantes e pesquisa-dores. apresentado tambm o conceito de modelagem e simulao de redes automotivas,procedimento realizado em ambientes virtuais que permitem o projeto, monitoramento,anlise entre outros recursos fundamentais para avaliao das funcionalidades das redes.

2.1 A importncia das redes automotivas em veculosA tecnologia embarcada nos automveis uma realidade que se torna cada vez mais

presente nos veculos. Segundo Leen e Heffernan (2002) os componentes eletroeletrnicosso responsveis por cerca de 23 % do custo de fabricao em alguns modelos de luxo eno que se refere a desenvolvimento de novas ferramentas e funcionalidades a eletrnica responsvel por cerca de 80 % das criaes.

A substituio de componentes mecnicos e hidrulicos por componentes eletrni-cos nos automveis tem crescido consideravelmente nos ltimos anos. De fato, a indstriaautomotiva tem sido pressionada por novas demandas como a economia de combust-vel, segurana, entretenimento, desempenho entre outras necessidades. Desde o sistemade alimentao de combustvel, no qual o antigo carburador foi substitudo pela injeoeletrnica, at dispositivos que auxiliam o motorista na conduo como ABS (AntilockBraking System), ESP (Electronic Stability Program), EPS (Eletric Power Steering) asinovaes tecnolgicas tm se tornado um dos principais focos da indstria automotiva(NAVET et al., 2005)

Um subsistema eletrnico automotivo composto por sensores, ECUs e atuadores.Estes componentes so comumente responsveis por detectar, processar e atuar nas maisdiversas funcionalidades do veculo (NAVET et al., 2005). Por exemplo, no sistema deinjeo eletrnica do tipo LE-Jetronic, a ECU responsvel obtm dados dos sensores detemperatura, medidor do fluxo de ar, sensor de posio da borboleta, rotao e cargado motor e dessa forma calcula a quantidade de combustvel que precisa ser injetada nocilindro atravs das vlvulas injetores (atuadores) (BOSCH, 2001).

O nmero de ECUs, unidades responsveis pelo processamento das aes eletroni-camente controladas, tem crescido ao passo que novas funcionalidades so inseridas nosveculos. Atualmente, automveis como o volvo XC90 podem contar com mais de 40 ECUs(NAVET et al., 2005) e em alguns veculos de luxo este nmero pode ultrapassar as 70

Captulo 2. Reviso bibliogrfica 18

unidades (ALBERT, 2004).

Com o aumento das funcionalidades do veculo surge a necessidade natural depromover a troca de informaes entre ECUs. A estrutura necessria para proporcionar acomunicao, caso as ECUs sejam conectadas diretamente uma a outra (ponto-a-ponto),se torna invivel pois fios, conectores e acessrios acarretam em peso, custo e complexi-bilidade elevada. Diante deste cenrio surgem as redes de comunicao veicular, no qualexistem canais, denominados barramentos, em que diversas ECUs podem estar conec-tadas mutuamente para transmitir e obter informaes necessrias para suas rotinas defuncionamento (NAVET et al., 2005).

Para realizar a transferncia de dados atravs do barramento, via de regra, asredes automotivas utilizam protocolos de comunicao, que nada mais so do que padresadotados para definir as atividades realizadas pela rede.

2.2 Redes automotivasAs redes automotivas surgiram da necessidade de promover a interconexo entre

as diversas ECUs presentes nos veculos. Assim cada ECU que se encontra conectada aobarramento poder acessar as informaes adquirindo os dados necessrios para executarsuas tarefas (LIU; AN; YANG, n.d.).

Figura 1 Exemplo de uma rede automotiva (DGE INC, ).

As redes automotivas seguem uma classificao, segundo a sociedade dos engenhei-ros automotivos (SAE), em que so divididas em trs categorias de acordo com a taxa detransmisso e funcionalidades, como mostra a tabela 1 (LIU; AN; YANG, n.d.).

Classe AAs principais caractersticas da classe A so as baixas taxas de transmisso (at

10 kb/s). Geralmente este tipo de rede aplicada em funes auxiliares e de conforto,


Tabela 1 Classificao das redes automotivas

Classe Velocidade AplicaoA


Figura 2 Camadas no modelo OSI.

Camada de aplicao

Essa camada a mais prxima do usurio, nela onde o usurio pode interagircom a rede requisitando servios das camadas inferiores.

Camada de apresentao

A camada de apresentao responsvel por obter os dados gerados pela camadade aplicao e transform-los numa linguagem comum a rede em que esto inseridos,ou seja, deixa as mensagens em pacotes, caracteres, formatos comuns aos dispositivosreceptores.

Camada de seo

Nesta etapa estabelecida a comunicao entre o dispositivo emissor e receptor afim de iniciar, gerenciar e detectar erros durante a transmisso das mensagens.

Camada de transporte

A camada de transporte recebe as mensagens das camadas superiores e transmitepara a camada de rede, controlando tamanho dos pacotes de dados, o fluxo de informaodentre outras variveis a fim de assegurar uma transmisso livre de erros.

Camada de rede

A camada de rede define o endereamento de destino dos pacotes de dados, assimcomo a melhor trajetria que estes devero seguir para chegarem aos dispositivos dedestino.


Camada de enlace

Tambm conhecida como camada de ligao ou data link responsvel pelo en-capsulamento dos dados no formato do protocolo definido (frame) e tambm pela detecode erros durante a transmisso dos bits.

Camada fsica

Esta camada responsvel por definir os meios fsicos nos quais os bits serotransmitidos e tambm as especificaes dos parmetros da rede tais como tenso, tempode transmisso, cabos, conectores entre outras caractersticas.

2.3 Rede CANO protocolo CAN (Controller Area Network) foi criado na dcada de 80 por Ro-

bert Bosh GmbH visando a comunicao entre dispositivos de controle em automveis.Embora tenha sido inicialmente projetado no intuito de promover somente a comunicaoentre ECUs, este protocolo foi posteriormente utilizado em diferentes reas como m-quinas agrcolas, robtica, satlites entre outras aplicaes (SOUSA, 2002). Atualmente considerado como sendo o protocolo mais difundido em aplicaes automotivas, visto que,estima-se que existam mais de 140 milhes de ECUs baseadas neste protocolo ao redordo mundo (LEEN; HEFFERNAN; DUNNE, 1999).

Para a rede CAN so especificadas apenas as camadas fsicas e de enlace do modeloOSI/ISO, como mostra a Figura 3. A utilizao das camadas superiores ficam a cargo dosdesenvolvedores que as projetam segundo a necessidade de cada aplicao (BRUDNA,2000).


Figura 3 Camadas OSI no protocolo CAN - Adaptada de (BRUDNA, 2000).

2.3.1 Camada fsicaA camada fsica responsvel pela transmisso de informao, na forma de bits,

entre os dispositivos conectados a rede. Nesta camada so definidos, dentre outros par-metros, os nveis de tenso, sincronizao das ECUs, codificao e decodificao dos bits,cabos e conectores presentes na rede.

O barramento CAN composto por dois condutores, geralmente do tipo cabo depar tranado que proporciona a reduo de rudos. Esses cabos so denominados CAN_He CAN_L e podem assumir dois nveis de tenso durante a comunicao, sendo recessivo(nvel lgico 1) ou dominante (nvel lgico 0) como mostra a Figura 4.

Figura 4 Nvel de tenso utilizado para o CAN (GODOY, 2007).

A dominncia de bit um dos conceitos mais importantes na rede CAN. A domi-nncia de bit se assemelha a dominncia gentica em que a presena de um gene dominanteinibe o efeito do gene recessivo (BARBOSA, 2003). O estado do barramento, recessivo oudominante, definido pelo diferencial de tenso entre os fios. A tenso eltrica de refern-


cia 2.5 V que corresponde ao estado recessivo, para assumir o estado dominante o fioCAN_H tem o nvel eltrico elevado para 3.5 V enquanto que o CAN_L assume o valorde 1.5V gerando uma diferena de potencial de 2V que corresponde ao estado dominante.

2.3.2 Camada de enlaceA camada de enlace responsvel por encapsular e desencapsular as mensagens,

definir a arbitragem das mensagens, detectar e indicar erros nas transmisses ou pacotesde mensagens.

2.3.2.1 Mtodo de arbitragem

No protocolo CAN o mtodo para arbitrar a mensagem a ser transmitida no bar-ramento, caso haja mais de uma ECU transmitindo em simultneo, baseado no conceitoCSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) em que um bit domi-nante ter prioridade frente ao recessivo em situaes de coliso.

A Figura 5 ilustra este mtodo de arbitrao em que duas ECUs iniciam a transmis-so emitindo um simples bit dominante SOF (start of frame), os bits enviados continuamcom o mesmo valor lgico at o quarto bit, instante em que a ECU 1 emite um bit domi-nante enquanto que a ECU 2 um recessivo, desta forma a ECU 2 encerra a transmisso e aECU 1 continua com a transmisso da mensagem. Esta verificao continuar (bit-a-bit)at haver apenas uma ECU transmitindo no barramento (PARET, 2007).

Figura 5 Conceito de acesso ao barramento no protocolo CAN


2.3.2.2 Mensagens no protocolo CAN

As mensagens no protocolo CAN so encapsuladas na forma de frames. Os framesso compostos por uma sequncia de bits delimitados por campos com funes especficasque juntos formam uma mensagem completa.

Os frames transmitidos no barramento do protocolo CAN podem ser de quatrotipos diferentes:

Frame de dados - Encapsula mensagens contendo dados.

Frame de requisio - Ocorre quando uma ECU requisita alguma informao pro-veniente de outra unidade.

Frame de erro - transmitida por uma ECU quando erros so detectados.

Frame de sobrecarga - gerado para inserir um tempo a mais entre a transmissode dois frames consecutivos, a fim de evitar que alguma ECU no esteja pronta praemitir ou receber os frames enviados.

O frame de dados no protocolo CAN composto por sete campos principais, sendoque existem duas formas de implementao deste protocolo as quais se diferenciam apenasna quantidade de bits do campo de identificao, podendo assumir o formato padro (CAN2.0A) ou formato estendido (CAN 2.0B) (PARET, 2007). A Figura 6 ilustra a composiode um frame no formato CAN e mostra as diferenas entre o formato padro e estendido.

Figura 6 Formato do frame CAN. Adaptado de (GODOY, 2007)

Incio do frame

Consiste em um bit dominante que tem a funo de marcar o incio da transmissodo frame. Esse bit responsvel pela sincronizao de todos os ns da rede atravs domtodo hard synchronization 1

1Hard syncronization ocorre aps a mudana de estado do barramento de recessivo para dominanteaps um perodo de inatividade, este mecanismo faz com que todos as unidades da rede reiniciem o tempode bit e passem a trabalhar sincronizadas.


Campo de Arbitragem

Para o formato 2.0A este campo composto por 11 bits de identificao que ocabealho da mensagem seguidos do bit RTR (remote transmission request bit) que tema funo de definir se o frame do tipo dados ou requisio, de forma que assume o valor0 (dominante) para o primeiro caso e 1 (recessivo) para o segundo.

No formato estendido 2.0B o campo contm 29 bits, sendo a primeira parte com-posta por 11 bits de identificao, seguidos por dois outros bits sendo estes o SRR (substi-tute remote request bit e IDE (identifier extension bit). Este campo ainda conta com mais18 bits que complementam a identificao e por fim o bit RTR.

SRR (substitute remote request bit) sempre recessivo para garantir a prioridade detransmisso para os frames no formato padro em detrimento do formato estendido,em casos de coliso dos dois formatos.

IDE (identifier extension bit) utilizado para determinar o formato do frame, ado-tando dominante para o formato padro e recessivo para estendido.

Campo de Controle

composto por 6 bits, sendo os dois primeiros indefinidos, reservado para futurasaplicaes e os quatro ltimos designados para informar a quantidade de bytes existentesno campo de dados.

Campo de Dados

Encapsula os parmetros (como velocidade, rotao do motor e etc) a serem trans-mitidos. neste campo que contm a magnitude das informaes contidas nos frames.O comprimento deste campo varia de 0 a 8 bytes de acordo com o valor configurado nocampo de controle.

Campo CRC (Cyclic Redundancy Check)

composto por 15 bits para a verificao de redundncia cclica que responsvelpela identificao de erros na transmisso do frame, alm de um bit recessivo para indicaro trmino do campo.

Campo ACK (Acknowledgment Error Check)

Consite em dois bits ACK slot e ACK delimiter : ACK slot atua no momento emque o n receptor confirma que no houve erro na transmisso do frame e assim substituio bit recessivo que se encontrava no campo ACK por um dominante. O ACK delimiter um bit que deve sempre ser recessivo.

Fim do Frame

uma sequncia de 7 bits recessivos que indicam o fim do frame.


2.3.2.3 Verificao de erros

O protocolo CAN possui 5 mtodos para verificao de erros de transmisso ou deconstruo da mensagem. De acordo com Lopes (2007) estas verificaes fazem com queesse protocolo possua grande capacidade de se adaptar a situaes adversas que podemocorrer durante o funcionamento da rede. Os mtodos utilizados so:

Monitoramento de bit - Aps enviar um bit dominante a ECU emissora verificao estado do barramento. Se o bit lido for recessivo houve alguma falha e ento aECU emite um frame de erro.

Bit Stuffing - Aps a transmisso de 5 bits consecutivos idnticos o sexto bit obrigatoriamente complementar aos anteriores. Em outras palavras, caso haja anecessidade de uma ECU transmitir mais de 5 bits consecutivos a unidade insereum bit complementar (stuff bit), a cada sequncia de 5 bits, e assim cabe a ECUreceptora retirar este bit adicionado para ento e interpretar a mensagem.

CRC A ECU emissora calcula um valor, baseado num polinmio, em funo dos bitsencaminhados na mensagem e esse valor enviado junto ao frame. A ECU receptorafaz o mesmo procedimento e se esses valores forem divergentes ocorreu algum errodurante transmisso.

Checagem de frame - As ECUs receptoras verificam o sinal de bits que possuemvalores fixos segundo o padro utilizado, por exemplo o frame de incio da mensa-gem que sempre possui valor dominante no protocolo CAN. Caso esses valores noestejam de acordo com a padro verificado um erro.

ACK Aps a leitura de uma mensagem sem erros as ECUs receptoras marcam ocampo ACK com um bit dominante e enviam uma mensagem de resposta a ECUemissora. Se a ECU emissora receber uma mensagem de resposta com o campo ACKcontendo um frame recessivo significa que a mensagem enviada inicialmente estavacorrompida ou nenhuma unidade recebeu a mensagem.

2.4 SAE J1939Como o protocolo CAN define apenas duas camadas do modelo OSI/ISO, as outras

camadas ficam reservadas para aplicaes especficas. Existem diversos protocolos quedefinem as camadas de aplicaes do modelo OSI/ISO tais como CANopen, DeviceNet,SAE J1939 entre outras que so utilizadas em diversas reas, mas utilizam o protocoloCAN como padro para as camadas fsicas e de enlace (HU et al., 2007).

SAE J1939 so prticas recomendadas para padronizar a interconexo entre ECUsem veculos comerciais, principalmente em nibus, caminhes e equipamentos agrcolas


(JUNGER, 2010). Existem algumas extenses da J1939 para aplicaes ainda mais es-pecficas como a ISO11783 utilizadas em mquinas e equipamentos agrcolas, ISO11992para veculos que tracionam reboque entre outras (JUNGER, 2010).

Algumas caractersticas particulares da J1939 so destacadas por (JUNGER, 2010).

Utiliza o protocolo CAN como camada fsica.

Identificador estendido (29 bits).

Taxa de transmisso 250kbit/s.

Comunicao peer-to-peer e/ou broadcast2

Existe uma srie de documentos do padro J1939 que especificam as camadas domodelo OSI/ISO estabelecendo as prticas necessrias para utilizao do padro. A listaa seguir descreve os principais documentos que incorporam o padro J1939.

J1939/1X Definem caractersticas da camada fsica.

J1939/21 Camada de enlance.

J1939/31 Camada de rede.

J1939/71 Camada de aplicao.

J1939/73 - Diagnstico da camada de aplicao.

J1939/81 Gerenciamento de rede.

Mensagem no padro J1939Baseado na especificao CAN 2.0B, as mensagens no padro SAE J1939 tambm

so enviadas na forma de frames. O campo identificador no SAE J1939 composto basi-camente pelo nmero do grupo de parmetros (PGN), endereo da ECU que realizou atransmisso e prioridade do frame como mostrado na Figura 7.

O padro SAE J1939 adiciona o conceito de Grupo de Parmetros (PGs), meca-nismo no qual parmetros distintos so reunidos em grupos e transmitidos em um mesmoframe. Esses grupos so identificados por nmeros denominados Nmero do Grupo deParmetros (PGNs) os quais identificam unicamente cada PG. Um exemplo de PG defi-nido pela J1939, referente a temperatura do motor, mostrado na Figura 8 cujo PGN

2peer-to-peer a mensagem encaminhada para uma ECU exclusiva. Broadcast uma mensagemencaminhada a um grupo de ECUs.


65,262. O campo de dados desse frame contm informaes de diversos parmetros, taiscomo temperatura do lquido do motor, temperatura do combustvel entre outros.

Figura 7 Formato do frame no J1939 (FELLMETH; LFFLER, 2008).

Os trs primeiros bits so os mais significativos e tm a funo de definir a pri-oridade do frame no barramento, embora como afirma (FELLMETH; LFFLER, 2008)esses bits no substituam o mecanismo de prioridade imposto pelo protocolo CAN, elesgarantem apenas que a prioridade entre os PGNs descritos pela J1939 seja atendida.

O prximo campo encapsula o PGN a ser atribudo a um determinado frame etem o papel de identificar o contedo da mensagem no frame de dados, ou seja, identificase o frame contm informaes de velocidade, rotao do motor, temperatura do leo ouqualquer outro parmetro definido na SAE J1939 (ZCAN; GNAY, 2012).

A Figura 7 tambm mostra que o campo PGN subdividido em PDU Format (8bits), PDU Specific (8 bits), Data Page (1 bit) e Extended Data Pagee (1 bit), sendo oExtended Data Page reservado para aplicaes futuras e o Data Page expande o nmerode PGs que podem ser representados pelo identificador. Os campos PDU Format e Specificpossuem dois cenrios como define (JUNGER, 2010).

Se o valor decimal do PDU format for igual ou superior a 240 a mensagem dotipo broadcast e o campo PDU specific se refere a extenso de um grupo que devereceber a mensagem.

Se o valor decimal do PDU format for inferior a 239 a mensagem do tipo peer-to-peer e o PDU specific contm o endereo da ECU que dever receber a mensagem.


O ltimo campo Source Adress tem a funo de identificar a ECU que realizou atransmisso do frame.

SAE J1939/71

O SAE J1939/71 o documento que especifica a camada de aplicao (modeloOSI/ISO) do SAE J1939. Este documento contm informaes essenciais para se realizaro desenvolvimento da rede de comunicao como: PGNs, taxas de transmisso dentreoutros parmetros (FRITZ KBLER GMBH, 2009). A Figura 8 mostra um exemplo daespecificao de um PGN de acordo com o SAE J1939/71.

Figura 8 PGN - Temperatura do motor. (FRITZ KBLER GMBH, 2009).

O nmero deste PG 16, que identifica o frame responsvel por armaze-nar informaes relativas a temperatura do motor, em que so especificadas: a taxa detransmisso de 1s, Formato do PDU de valor 254 caracterizando uma mensagen do tipobroadcast, o PDU especfico (238) que define o grupo de ECUs que receber a mensagem,a prioridade do frame frente a outros PGs e por fim so definidos os 8 bytes do campo dedados, mostrando os bytes especficos para cada parmetro que compe o frame.

Cada um dos parmetros agrupados no frame identificado por um SPN ( SuspectParameter Number ), que um conjunto de especificaes do parmetro definido nodocumento SAE J1939/71. Por exemplo, o parmetro temperatura do combustvel possuiSPN de nmero 174. O documento SAE J1939/71 especifica que este SPN ocupa 1 dos 8bytes do campo de dados do frame, especifica tambm a resoluo do SPN em que nestecaso para cada variao de 1 bit a temperatura se altera em 1 grau Celsius, para este casoexiste o offset de forma que para cada temperatura calculada deve haver a subtrao em40o para assim corresponder a temperatura real do combustvel. Por fim so definidos ointervalo de dados do SPN, em que neste caso pode variar de -40oC a 210oC.


2.5 Anlise do desempenho de redes automotivasEntender o comportamento de um sistema de fundamental importncia para

conhecer a capacidade do mesmo. Testar a capacidade de um sistema j implementadodemanda na grande maioria dos casos de tempo e recurso. Desta forma analisar o com-portamento do sistema atravs da utilizao de modelos uma alternativa que tem semostrado eficaz uma vez que possui a capacidade de representar com alto grau de confi-abilidade o sistema real, quando desenvolvido de forma satisfatria (GODOY, 2007).

Para avaliao do desempenho, por exemplo do controlador de um sistema de con-trole, devem-se definir quais parmetros so confiveis para representar o comportamentodo modelo. Outra vertente importante na avaliao definir o mtodo no qual sero rea-lizadas estas anlises, tais como mtodos analticos, simulaes dentre outros (GODOY,2007).

Utilizar a simulao como mtodo de anlise tem se mostrado uma alternativaeficaz devido principalmente ao fato de permitir testar o sistema para as mais variadascondies de funcionamento. Com aumento da utilizao do protocolo CAN e variedadede aplicaes em que tem sido utilizado, aplicar anlises de desempenho tm se tornadocada vez mais importante na avaliao destes sistemas (LOPES, 2007).

De acordo com Godoy (2007) nos protocolo CAN os parmetros a serem analisadosse dividem em dois grupos:

Parmetros de configurao: - Dados de configurao (de entrada) do protocolonecessrio para operao da rede.

Parmetros de Desempenho: - Referem-se aos dados relacionados operaoda rede e o comportamento do sistema. Dados de sada.

A tabela 2 mostra o conjunto de parmetros de configuraes da rede CAN queGodoy (2007) adota como importantes para serem considerados na anlise de desempenho:


Tabela 2 Parmetros importantes de configurao de redes CAN. (GODOY, 2007)

Nome DescrioFormato do frame Formato padro (CAN2.0A) ou For-

mato estendido (CAN2.0B)Nmero de mensagens Nmero total de mensagens de dados

que trafegam pela redeTipo de mensagem Peridica ou aperidicaTaxa de transmisso Valor da taxa de transmisso de dados

pelo barramentoPerodo ou tempo de amostragem Intervalo de tempo entre transmisses

consecutivas de uma mensagemEsquema de prioridade Prioridade de acesso das mensagens

que trafegam pelo barramentoTamanho do campo de dados das mensagens Quantidade de bits de dados (campo de

dados) de uma dada mensagem

De acordo com Lian, Moyne e Tilbury (2002), um dos parmetro de configuraoque possui maior impacto no desempenho da rede o perodo ou tempo de amostragemda mensagem. A Figura 9 mostra a influncia do tempo de transmisso das mensagenspara o desempenho da rede.

Figura 9 Performance da rede. Adaptado de Lian, Moyne e Tilbury (2002).

Com base no grfico possvel perceber que em perodos mais lentos (da origemao ponto B) a rede pode apresentar menos problemas em seu funcionamento, todaviaesta configurao faz com que a rede possua altos nveis de ociosidade, uma vez que acapacidade total da rede no explorada.

Do ponto C em diante, apesar da diminuio na ociosidade, a rede volta a apresen-tar desempenho desfavorvel devido a grande quantidade de frames sendo transmitidos


simultaneamente, ocasionando mais choques de mensagem no acesso ao barramento econsequentemente atrasos no tempo de comunicao.

H diversos parmetros que so adotados como medidores de desempenho das redesde comunicao, todavia definir aqueles que devem ser adotados requer uma ponderaopor parte dos projetistas a fim de definirem quais so os mais representativos.

A tabela 3 mostra os parmetros que segundo Godoy (2007) so comumente ado-tados em anlises de desempenho de redes CAN.

Tabela 3 Parmetros de desempenho de redes CAN.(GODOY, 2007)

Nome DescrioTempo de transmisso Tempo entre o incio da transmisso

de uma mensagem e o recebimento damesma

Tempo de resposta total Tempo total de leitura ou transmissode mensagens de todo os dispositivosda rede

Taxa de utilizao Porcentagem utilizada pela comunica-o de dados em relao capacidadetotal de uma rede

Nmero de mensagens enviadas e recebidas Relao entre o nmero de mensagensenviadas e recebidas pelos nodos darede

Cumprimento de deadline Verifica-se o cumprimento do requisitotempo de cada mensagem

Nmero de mensagens no buffer Monitoramento do nmero de mensa-gens nos buffers de recepo e trans-misso de cada ECU da rede.

Portanto definir quais os parmetros so mais importantes para medir o desempe-nho de determinada rede de comunicao papel do desenvolvedor, que pode ponderaros parmetros segundo os requisitos do projeto.

2.5.1 Tempo de transmissoAs equaes que definem o tempo de transmisso de uma mensagem no pior caso

so definidas por Tindell, Burns e Wellings (1995) como:

= + + (1)

O termo o jitter da mensagem, o qual corresponde ao atraso na entrega depacotes de mensagens no pior caso, este valor determinado empiricamente e geralmenteutiliza-se o valor de 0,1 milissegundo. O termo representa o tempo de espera damensagem na fila de transmisso no pior caso, ou seja, o maior tempo entre o instante em


que inserida na fila de prioridades at o incio da transmisso. O termo representao maior tempo para transmisso de uma mensagem (m) sobre o barramento fsico.

De acordo com os trabalhos de Tindell e Burns (1994) o pacote de mensagens noprotocolo CAN possui 47 bits de overhead e stuff com largura de 5 bits. Resultando parao termo a seguinte equao:

=([34 + 8

5

]+ 47 + 8

)bit (2)

O termo corresponde ao comprimento da mensagem m em bytes. O termo bitse refere ao tempo necessrio para transmitir um bit sob o barramento. Por exemplo, paraa taxas de transmisso de 1 Mbit/s o bit percorre o barramento em 1 milissegundo.

O tempo de espera de uma mensagem m na fila de prioridades dado por:

= B +

j()

[ + j + bit

] (3)

O termo hp(m) o grupo de mensagens com prioridades superior a mensagem m.Tj se refere ao perodo da mensagem m. Jj o jitter de uma mensagem. Bm o tempode bloqueio no pior caso da mensagem m dado por:

= klp(m)() (4)

O termo lp(m) se refere ao conjunto de mensagens com prioridade inferior a men-sagem m. Os valores de e podem ser obtidos utilizando a equao 2.

Na equao 3 o termo aparece em ambos os lados da equao o que requer autilizao de uma relao de recorrncia conforme apresentado na equao 5.

+1 = B +

j()

[ + j + bit

] (5)

2.5.2 Tempo de transmisso sob condies de erroDurante a o funcionamento da rede CAN podem surgir erros de diversas naturezas

que comprometam a transmisso das mensagem. Para aplicaes automotivas, uma fonteque pode causar erros de transmisso no barramento CAN a interferncia eletromagn-tica, devido principalmente a presena de aparelho como celulares e rdios no interior doveculo, alm de grande quantidade de dispositivos eltricos utilizados nas mais diversas


aplicaes (PUNNEKKAT; HANSSON; NORSTROM, 2000). O tempo de transmissosob condies de erro definido em Tindell e Burns (1994) como:

= + + (6)

Os termos e so os mesmos utilizados para a Equao 1, porm o termo aplicado sob condies de erro pode ser calculado atravs da seguinte equao:

+1 = +

j()

[ + j + bit

]. + ( + ) (7)

O termo representa o tempo mximo necessrio para deteco e recuperaodo erro em um intervalo de tempo e dado por:

() =( +

[

] 1

)(31 + hp(m)()) (8)

o nmero de erros em sequencia que podem ocorrer em um intervaloarbitrrio.

perodo de ocorrncia do erro.

Em cada erro, o overhead de recuperao de erros pode ser aumentado em 31bits seguidos pela retransmisso da mensagem. Apenas mensagens de prioridade maiorque a mensagem m podem ser retransmitidas e atrasar a mensagem m. A maior destasmensagens dada pela equao 9

hp(m)

() (9)

2.5.3 Taxa de utilizao do barramentoA taxa de utilizao do barramento outro parmetro importante na anlise de

redes automotivas e mede o carregamento relativo situao onde o barramento esttotalmente carregado. Por exemplo um barramento com 25% de carregamento significaque durante 25% do tempo o barramento utilizado para a transmisso de mensagens,enquanto que para 75% do tempo o barramento est ocioso (HOFSTEE; GOENSE, 1999).

A taxa de utilizao definida em Godoy (2007) como sendo:

=Ti

CiTi 100 (10)

Em que:


= Tempo de tranmisso da mensagem dado pela Equao 2;

= Perodo de amostragem da mensagem (parmetro da rede);

= Nmero total de mensagens na rede.

2.6 Benefcios e desafios da simulao de redes automotivasA simulao de redes automotivas traz uma srie de benefcios que impactam

diretamente na reduo de tempo e custos tanto na fase de desenvolvimento quanto naavaliao de sistemas de comunicao veicular. Emaus (2008) e Klser (2004) listam osprincipais benefcios da simulao de redes automotivas:

Permite simular um sistema de redes automotivas com mltiplas ECUs. Alm dacapacidade de integrar ECUs que trabalham com diferentes protocolos tais comoCAN, LIN dentre outros.

Avaliao dos canais de comunicao verificando a integridade dos sinais durante atransferncia de informaes entre as unidades.

Anlise dos parmetros de desempenho da rede.

Permite avaliar o carregamento no barramento.

Adquire-se conhecimento das situaes crticas de carregamento em que os disposi-tivos fsicos estaro submetidos e a partir da permite projet-los de forma a supriras condies de operao solicitadas.

Os desenvolvedores tambm podem se beneficiar e otimizar o projeto de novas apli-caes atravs da reutilizao de mecanismos abordados em simulaes anteriores.

Possibilita a integrao total ou parcial entre ns reais e virtuais.

As ECUs fabricadas pelos fornecedores e adquiridas pelos OEM(Original Equipa-ment Manufaturer) podem apresentar erros no momento da implementao, devidoprincipalmente ao no cumprimento dos requisitos de projeto, utilizar as ferramen-tas de simulao uma forma de contornar este problema, pois os requisitos sodetalhados de forma clara e o erros potenciais so detectados durante a simulao.

Desafios na simulao de redes automotivas tambm so citados por Emaus (2008),Klser e Fetzr et al (2004).

Necessidade de hardwares especficos e seus respectivos drivers para integrao deECUs reais simulao.


Dificuldade na simulao de funes que envolvem controle como ABS, ESP, controlede trao e etc.

2.7 Ferramentas para a simulao de redes automotivasExistem diversos softwares disponveis para anlise e simulao de redes auto-

motivas. Estas ferramentas possibilitam ao usurio reproduzir de maneira adequada ocomportamento da rede de um veculo real, abordando todos as mensagens e sinais queso transmitidas pelas diversas ECUs. Alm de controlar o disparo dos frames de forma arepresentar o funcionamento do veculo em determinadas situaes como acelerar, freiar,acionar os dispositivos de iluminao e etc. Estes softwares permitem tambm uma anlisedetalhada do comportamento da rede quanto ao carregamento do barramento, quantidadede mensagens transmitidas, cumprimento do deadline entre outras mtricas de desempe-nho.

2.7.1 CANoeO CANoe R uma ferramenta proprietria criada pela companhia alem Vector R e

tem por objetivo o desenvolvimento, teste e anlise de redes automotivas e ECUs individu-ais atravs da simulao. Este software permite desenvolver um sistema composto apenaspor ECUs virtuais quanto a integrao de ns reais com virtuais(ZHOU; LI; HOU, 2008).Alm de simular vrios ns, o CANoe tambm possibilita simular ns com diferentes pro-tocolos, por exemplo, para um veculo que possua o protocolo CAN no gerenciamento domotor, LIN para dispositivos de entretenimento e GPS e FlexRay no controle da suspen-so pode ser modelado com todas suas funcionalidades no CANoe(VECTOR, 2009). Noprimeiro momento do desenvolvimento a ferramenta utilizada para simular o modelode funcionamento das ECUs, em seguida esses modelos so analisados e integrados a ou-tras unidades a fim de constituir uma rede. Essa metodologia possibilita principalmentea deteco e correo de erros de forma rpida (VECTOR, 2014).


Figura 10 Interface software CANoe. (VECTOR, 2014).

2.7.2 Bus MasterO BusMaster R uma ferramenta desenvolvida em conjunto por ETAS, Robert

Bosch Engineering and Business Solutions (RBEI) que permite o projeto, monitoramento,anlise e simulao de redes automotivas. um software de cdigo aberto, livre paracontribuies de pesquisadores, estudantes, indstrias entre outros que tenham interesseem adicionar ou gerenciar funcionalidades a esta aplicao que desenvolvida em umaarquitetura modular3. A Figura 11 mostra a interface principal do Bus Master.

3Diviso do software em partes com funes bem definidas e o mais independente possvel do restantedo algoritmo, facilitando a interpretao, modificao, incluso de novas funcionalidades entre outrosbenefcios.


Figura 11 Interface do software Bus Master.

As principais funcionalidades do software BusMaster so:

Integrao de hardwares conectados ao computador para a simulao e monitora-mento da rede.

Compatvel com diversos tipos de protocolo: CAN 2.0A e 2.0B, FlexRay, Lin e etc.

As mensagens podem ser exibidas em formato decimal facilitando a visualizao dainformao para o usurio ou em formato hexadecimal.

Monitoramento de erros ocorridos ao longo da transmisso.

Mecanismos para filtro de mensagens, nos quais podem ser definidos os frames es-pecficos que sero destacados e exibidos para o usurio.

O filtro de mensagens, que define quais frames devem ser exibidos, podem ser feitostanto a nvel de software quanto a nvel de hardware, caso este esteja presente nasimulao.

As mensagens podem ser destacadas e analisadas individualmente utilizando o timestamp4.

Possui editores que permitem definir cores especficas para frames, de acordo comos IDs(campo de identificao do frame).

Atende parcialmente as mtricas de desempenho.4Mecanismo que define o tempo(baseado num cronmetro gerado pelo prprio software) em que

determinado frame foi transmitido

39

3 Metodologia

Este captulo mostra a metodologia para a realizao deste trabalho. De formaque so explicitadas as 5 grandes etapas, bem como o detalhamento de cada etapa.

Figura 12 Etapas de elaborao do trabalho.

3.1 Reviso bibliogrficaNesta etapa foram revisadas as bibliografias pertinentes ao desenvolvimento deste

trabalho. Abordou-se primeiramente estudos sobre o avano da tecnologia nos automveis,o que gerou uma demanda por dispositivos controladores de novas funes, o aumento daquantidade de ECUs culminou ento no surgimento das redes automotivas. Em seguidabuscou-se explorar o conceito de rede automotiva e assim avaliar sua importncia nodesenvolvimento de um veculo.

Explorou-se os principais protocolos de comunicao utilizados em aplicaes au-tomotivas, observando suas caractersticas e aplicabilidades. Explorou-se o protocolo CANe suas principais caractersticas de modo que este foi o protocolo utilizado nos estudos decaso deste trabalho. Em seguida foram exploradas dois softwares de simulao de redesautomotivas sendo eles CANoe e o BusMaster, ressaltando as caractersticas, benefciose desafios da utilizao destas ferramentas no desenvolvimento de uma rede veicular.Abordou-se tambm as mtricas de desempenho que avaliam o comportamento da redesegundo alguns parmetros de funcionamento.

Captulo 3. Metodologia 40

3.2 Definio do problemaEsta etapa consistiu basicamente da definio do problema a ser explorado, ou seja,

foram definidas as redes automotivas que foram utilizadas como estudo de caso. De formaque definiu-se as redes automotivas de trs caminhes com diferentes configuraes derede. O primeiro e o segundo estudo de caso foram realizados com as redes automotivasde dois caminhes Scania, as quais apresentam algumas ECUs em comum. Todavia ocaminho utilizado no caso 2 conta uma rede automotiva mais desenvolvida em termosde quantidade de ECUs e de mensagens quando comparada a rede caso 1. Para o caso3 modelou-se a rede basendo-se na rede automotiva de um caminho real. O softwareutilizado para modelagem e anlise das redes automotivas foi o BusMaster, apesar de seruma ferramenta ainda em desenvolvimento, o principal motivo de sua utilizao foi o fatode ser uma ferramenta gratuita e de cdigo aberta, alm de apresentar diversos recursosde modelagem e anlise de redes que foram fundamentais para a realizao dos estudosde caso. Nesta etapa definiu-se tambm quais mtricas de desempenho foram adotadaspara anlise do comportamento das redes modeladas.

3.3 Coleta de dadosEsta etapa consistiu em obter informaes relativas as redes automotivas explo-

radas nos estudos de caso. A fabricante dos caminhes Scania disponibiliza informaesrelativas as redes automotivas de seus veculos, de modo que foi possvel modelar a redeobservando quais frames so emitidos pelas ECUs presentes nos caminhes, portanto asredes dos caminhes para os casos 1 e 2 foram modeladas a partir das informaes do fa-bricante. No caso 3 a rede automotiva foi modelada com base nas informaes do prprioveculo de modo que atravs de equipamentos de aquisio de dados obteve-se o registrodos frames que transitaram no barramento deste veculo e de posse dessas informaesmodelou-se uma rede automotiva correspondente.

3.4 Modelagem e SimulaoEsta etapa consistiu na modelagem e simulao e anlise das redes automotivas no

software BusMaster. Optou-se por este software devido principalmente ao fato de ser umaferramenta gratuita, de cdigo aberto e capaz de atender os principais requisitos de anlisede desempenho. Modelar uma rede automotiva no software BusMaster um processo queenvolve prioritariamente a criao do database que se refere definio das mensagens esinais que podem ser transmitidos no barramento. Outro passo a elaborao da rotinasde funcionamento das ECUs de forma a definir as unidades de origem, destino, tipo de


mensagem e os tempos de transmisso. O Anexo A apresenta um explicativo dos passosnecessrios para modelagem de uma rede automotiva no software BusMaster.

Para a modelagem da rede automotiva no BusMaster necessrio desenvolver aprogramao pertinente a cada ECU, ou seja, uma rotina que estabelece o funcionamentodas unidades durante a simulao. No software BusMaster a forma de emisso dos framesse d atravs dos handlers, ou seja, manuseadores que permitem ao usurio definir omtodo de transmisso dos frames. Existem cinco tipo de handlers disponveis:

Message Handlers

Timer Handlers

Key Handlers

Error Handlers

DLL Handlers

Esses handlers aps serem carregados na ECUs sero executados, respectivamente,da seguinte forma:

Baseado na recepo de uma mensagem, ou seja, a ECU a qual est configuradacom esta funo emite uma mensagem aps receber uma mensagem proveniente deoutra unidade.

Os frames so enviados em intervalos peridicos.

Os frames so transmitidos atravs de comandos no teclado.

Os frames so transmitidos aps a deteco de erros.

Responsvel por carregar o cdigo como um DLL (Dynamic link library).

Desta forma cada ECU carregada com uma programao especfica, em que sodefinidos os frames e os respectivos handlers os quais estas unidades podem transmitir.A Figura 13 mostra um fluxograma da programao presente em cada ECU da rede.


Figura 13 Fluxograma do algortimo das ECUs.

O algoritmo completo da programao de uma ECU encontra-se no Anexo B.

No que tange s mtricas de desempenho o software BusMaster apresenta suportepara a anlise dos parmetros de carregamento do barramento e quantidade de mensagensenviadas, todavia a mtrica que avalia o tempo de transmisso das mensagens ainda inexistente neste software. Dessa forma para anlise do tempo de resposta das mensagensutilizou-se a ferramenta desenvolvida em Godoy (2007), a qual calcula os tempos detransmisso das mensagens a partir das formulaes pertinentes.

3.5 Validao do ModeloNesta etapa no foi utilizada nenhuma tcnica especfica de validao, todavia

buscou-se assegurar que a rede modelada comporte-se o mais prximo possvel da redereal. O processo de validao resultou do refino sucessivo do modelo no intuito de melhor-lo.

43

4 Estudo de caso

Neste captulo so apresentados os estudos de casos desenvolvidos para a modela-gem e simulao da rede automotiva. Para demonstrar a potencialidade desta tcnica, trsdiferentes casos foram explorados. O primeiro caso trata da modelagem e da simulaoda rede de um caminho Scania 164 que apresenta uma rede menos sofisticada em relaoaos demais casos. O segundo caso trata da modelagem e da simulao da rede de veculosScania R580 que um caminho moderno e apresenta uma rede mais desenvolvida secomparada ao primeiro caso. J no terceiro estudo de caso apresentada a modelagem ea anlise da uma rede automotiva que foi desenvolvida baseando-se na rede de um veculoVolvo FH400.

4.1 Caso 1: Scania 164A primeira rede a ser analisada ser de um veculo Scania 164 (Figura 14). O

caminho 164 da Scania foi lanado em 2001 e ficou conhecido como "rei da estrada"porser o modelo mais potente do mercado nacional na poca.

Figura 14 Caminho Scania 164/480

Este caminho possui motor V8 de 480 cavalos com torque de 2300 N.m. controladoeletronicamente e conta com uma srie de dispositivos que no eram to utilizados no anode sua fabricao, tais como: freios ABS, controle de trao, freio auxiliar retarder dentreoutros.

Captulo 4. Estudo de caso 44

Para o controle destes sistemas eletroeletrnicos o veculo dispem de algumasECUs, sendo as princiais: EMS (Eletronic Management System), SMS (Suspension Ma-nagement System) e BMS (Brake Management System).

A ECU responsvel pelo sistema de gerenciamento do motor (EMS) presente emgrande parte dos veculos pesados da Scania que possuem motores controlados eletroni-camente. Esta unidade responsvel principalmente por fazer o gerenciamento eletrnicode motores de combusto interna, obtendo dados de sensores e operando atravs dos atu-adores na busca de fornecer a mistura ar/combustvel o mais prximo possvel do balanoestequiomtrico (PUJATTI et al., 2012).

A ECU de gerenciamento da suspenso (SMS) trabalha em conjunto com a sus-penso a ar e se faz presente com a implementao do sistema denominado ELC eletroniclevel control que responsvel por levantar ou abaixar a traseira do caminho a fim decompensar a insero ou retirada de carga.

A unidade de gerenciamento dos freios, Brake Management Systems, responsvelpelo ABS - Anti-lock Braking Systems e EBS - Electronic Braking System. O sistema ABStem a funo de evitar que uma ou mais rodas travem durante a frenagem, garantindouma desacelerao mais eficiente. J o sistema EBS proporciona menor tempo de respostados freios entre a solicitao do condutor e o acionamento dos atuadores presentes nasrodas quando comparado a sistemas puramente hidrulicos. Outro benefcio do EBS adistribuio de presso de frenagem especfica para cada roda, baseada na carga suportadapor esta no momento da frenagem.

4.1.1 Modelagem da redeBaseado em Actia (2013) que apresenta os mecanismos eletroeletrnicos presen-

tes em diversos veculos de grande porte, possvel inferir quais ECUs compem a redeautomotiva do Scania 164, visto que, estes mecanismos so controlados por ECUs espec-ficas. Uma vez que definiu-se quais unidades fazem parte da rede automotiva do caminhoadotou-se, para a modelagem da rede, todos os frames possveis de serem emitidos poressas unidades.

Para este caso os parmetros de configurao que definem as caractersticas de en-trada da rede so mostrados na Tabela 4. Foi adotado o formato estendido para os frames,as mensagens enviadas so do tipo peridicas e os tempos de transmisso para cada frameso os definidos com base no documento J1939-71. O mtodo de arbitragem para garantiro acesso das mensagens ao barramento o CSMA-CD e a taxa de transmisso adotada foide 250 Kbps, configuraes estas geralmente utilizadas em aplicaes do protocolo CAN.


Tabela 4 Parmetros de configurao da rede CAN para o caso 1

Nome DescrioFormato do quadro de mensagem Formato estendido (CAN2.0B)Nmero de mensagens 18 MensagensTipo de mensagem Perodica (tempo de transmisso deter-

minado)Velocidade de transmisso 250 KbpsPerodo ou tempo de amostragem Definido pela norma J1939Esquema de prioridade CSMA-CDTamanho do campo de dados das mensagens 64 bits

Baseado nos mecanismos eletroeletrnicos presentes no veculo foram definidasquatro ECUs para a rede automotiva deste veculo conforme mostra a Figura 15. A pro-gramao dessas ECUs foi desenvolvida na ferramenta do BusMaster denominada NodeSimulation a qual responsvel por criar as funes que controlam a rotina de funciona-mento das ECUs. O Anexo A apresenta a programao da ECU COO modelada para ocaso 1.

Figura 15 Arquitetura da rede do caminho Scania 164Adaptado de Bartish (2011)

Os handlers, funes responsveis por definir o modo com que os frames so envi-ados ao barramento, utilizados na simulao foram:

on timer - Baseado no documento J1939/71 foram definidos os tempos de trans-misso para cada frame utilizando handlers do tipo on timer em que os framesperidicos so disparados em um intervalo de tempo definido para cada mensagem.

on key - Para representar uma solicitao externa foram adotadas as teclas "g"e


"h"responsveis respectivamente por incrementar e decrementar a magnitude de al-guns parmetros tais como a ngulo da vlvula borboleta da rotao do motor.

on DLL - Este handler foi utilizado a fim de iniciar e finalizar as DLLs (DynamicLink Library) que so os arquivos possuidores de recursos e cdigos da ECU. Dessaforma ao executar os handelrs on DLL todos os handlers e funcionalidades das ECUsesto disponveis para a simulao.

4.1.2 SimulaoFoi adotado tempo total de 1 minuto para a simulao. A figura 16 mostra o

quadro de simulao do software BusMaster, em que podem ser observadas informaesrelativas aos campos dos frames bem como os tempos de transmisso das mensagens.

Destacando o frame de PGN FEF2 denominado FuelEconomy que apresenta sinaisreferentes ao consumo de combustvel no veculo, possvel atravs da figura obter asinformaes sobre a mensagens e os sinais presentes no campo de dados. A mensagem do tipo de dados, uma mensagem enviada pela ECU de gerenciamento do motor(EMS), informao esta mostrada no campo de endereo (source). A norma define paraesta mensagem o perodo de 100 milissegundos. O campo de dados deste frame possuicomprimento de 8 bytes.

O documento J1939-71 define para este frame que os bytes 3 e 4 do campo dedados se referem ao consumo de combustvel instantneo do veculo, desta forma para oinstante mostrado na Figura 16 este sinal possui valor de 313216 valor que correspondea 12529 na escala decimal. A norma estabelece a resoluo de 1/512

/para este sinal,

desta maneira o veculo apresenta consumo instantneo de 24 km/l.

Figura 16 Frames presentes no barramento

A utilizao dos handlers on key de grande importncia para a simulao da redeautomotiva. Isto por que atravs destes handlers possvel emular o comportamento doveculo referente a variao de um parmetro fsico, por exemplo, o sinal advindo do sensor


de rotao. A Figura 17 mostra a variao dos valores de acelerao e pedal do acelerador,sinais que podem ser alterados atravs da utilizao das teclas G e H no teclado.

Figura 17 Variao dos valores atravs do handler on key

4.1.3 Anlise de resultadosEsta simulao foi realizada para anlise de trs parmetros importantes da rede

automotiva que so a taxa de utilizao do barramento, tempo de transmisso da men-sagem e por fim a quantidade total de mensagens enviadas ao barramento.


(a) Taxa de utilizao do barramento

(b) Tempo de transmisso das mensagens

(c) Quantidade de mensagens enviadas

Figura 18 Desempenho da rede do caso 1

A Figura 18a mostra a taxa de utilizao do barramento, parmetro definido naEquao 9, que mostra o quo disponvel o barramento se encontra durante o funciona-mento da rede.

Pode se observar que a taxa de ocupao do barramento se manteve baixa ao longoda simulao, levando em considerao o total de 100% da rede, tendo como mnimo emximo 9.17% e 9.38% respectivamente. Esses valores mostram que durante aproxima-damente 9.22% do tempo o barramento utilizado efetivamente para transmisso demensagens ficando ocioso por mais de 90% do tempo (HOFSTEE; GOENSE, 1999).


Observa-se ento que o barramento apresenta grande disponibilidade de bandaou capacidade disponvel na rede. De fato, isto possibilita, por exemplo, insero de no-vas ECUs e aumento do trfego de dados em caso de implementao ou modificao defuncionalidades ao caminho.

A figura 18b mostra um grfico com o tempo de transmisso de cada mensagemno barramento em condies normais e sob condies de erro, curvas verde e vermelharespectivamente, sendo que para condies de erros so levadas em considerao o tempode transmisso e retransmisso da mensagem. mostrado tambm o perodo definido pelanorma J1939 em que as mensagens devem estar disponveis no barramento. Por exemplo,o frame EEC1 tem perodo definido de 50 ms e nesse caso apresenta tempo de transmissode 0.74 ms e 1.12 ms para condies normais e sob condies de erros respectivamente. Istomostra que esta mensagem atende o requisito temporal, pois o tempo de transmisso menor que o perodo determinado, caso esse tempo fosse superior a mensagem no estariadisponvel no barramento no momento adequado.

Dessa forma, percebe-se que os tempos de transmisso mantiveram-se abaixo dosperodos estabelecidos para os frames tanto em condies normais quanto em condies deerro em todas as mensagem. De fato, isto permite concluir, que a rede modelada apresentaum tempo de resposta satisfatrio para cumprir o requisito temporal de cada mensagem.

A Figura 18c mostra um grfico com a evoluo do nmero de mensagens enviadasao barramento durante o tempo de execuo da simulao, a taxa de mensagens enviadas de aproximadamente 304 mensagens/seg.

4.2 Caso 2: Scania R580No caso 2 utilizou-se para simulao a rede automotiva do caminho Scania R580

(Figura 19). Este veculo possui diversos adicionais de entretenimento, conforto e segu-rana. Alm de contar com a ECU de gerenciamento da transmisso (GSM) no barramentoprincipal, inexistente no caso anterior.


Figura 19 Caminho R580 Fonte: Scania

A unidade GMS gearbox management system responsvel pelo controle da trans-misso denominadaOpticruse, este sistema possui uma caixa de transmisso mecnica,todavia a troca de marcha feita por atuadores eltricos ou eletro-hidrulicos controla-dos pela GMS. Alm de controlar a transmisso esta ECU opera tambm no sistema defreio Retarder que tem a funo de auxiliar os freios principais em situaes de declive.(BARTISH, 2011).

4.2.1 Modelagem da redeA Tabela 5 mostra os parmetros de configurao para a rede modelada no caso

2, divergindo da primeira simulao apenas na quantidade de mensagens.


Nome DescrioFormato do quadro de mensagem Formato estendido (CAN2.0B)Nmero de mensagens 34 MensagensTipo de mensagem Peridica (tempo de transmisso deter-


Com a incluso de novas funcionalidades, o caminho adotado para o caso 2 apre-senta uma rede automotiva mais desenvolvida, em termos de ECUs e quantidade demensagens, quando comparada ao caso 1. Dessa forma a topologia da rede mostrada naFigura 20.


Figura 20 Arquitetura da rede para o R580

Esta rede composta por dez ECUs as quais so dividas em dois barramentosCAN definidos como vermelho e amarelo e classificados segundo o grau de importnciapara veculo, de modo que o barramento vermelho conta com ECUs que impactam dire-tamente no funcionamento e segurana do veculo, enquanto que as unidades presentes nobarramento amarelo possuem funes no to crticas para estas finalidades. As unidadesque se encontram no mesmo barramento podem se conectar diretamente umas s outras,enquanto que a troca de informaes entre unidades de barramentos diferentes realizadaatravs da COO - Coordinator System (BARTISH, 2011).

4.2.2 Anlise de resultadosPara o caso 2 adotou-se tempo de simulao de um minuto nos Grficos 21a e 21c

de forma que os valores de carregamento e quantidade de mensagens foram tomados acada um segundo. Analisou-se trs importantes mtricas de desempenho que so a taxade utilizao do barramento, tempo de transmisso das mensagens e a quantidade totalde mensagens enviadas ao barramento.






Para este caso nota-se o aumento da taxa de utilizao do barramento em relao simulao anterior, em que o o carregamento mdio cerca de 14.5% como mostra a Figura21a. Isto se d devido ao fato da rede possuir seis ECUs a mais conectadas ao barramentoe consequentemente maior nmero de frames quando comparado ao caso 1. Ainda quepossua quantidade de mensagens superior ao caso 1, a rede do caso 2 tambm apresentacarregamento relativamente baixo o que demonstra capacidade de expanso da rede casoseja necessria a insero de novas ECUs e/ou mensagens, visto que, o carregamento darede ainda est distante da saturao (100% de utilizao).

Como pode ser observado no Grfico 21b grande parte das mensagens cumpriram o


requisito temporal de transmisso, ou seja, os frames estaro disponveis para as ECUs noperodo estipulado tanto para condies normais quanto para condies de erro. Todaviapode-se perceber que as mensagens TCO e ETC1, que contm informaes do tacgrafoe da transmisso eletrnica respectivamente, apresentam perodo prximo ao tempo detransmisso, de forma que essas mensagens podem no ser entregues no tempo adequado oque poderia comprometer o funcionamento de alguns subsistemas. Dessa maneira algumasalternativas que podem ser levadas em considerao para garantir a entrega da mensagemdentro do tempo determinado seriam aumentar aumentar o perodo das mensagens ouelevar a prioridade das mensagens frente outros frames.

O Grfico 21c mostra q quantidade de mensagens enviadas ao barramento, a redeapresenta uma mdia 514 Msg/s sendo a unidade GMS responsvel pela maior quantidadede mensagens enviadas por segundo, isto se d devido a presena do frame ETC1 referenteao controle eletrnico da transmisso que possui um perodo de 10 ms sendo a menor taxadentre todas as mensagens.

4.3 Caso 3: Volvo FH400O caso 3 apresenta o modelo da rede do veculo Volvo FH 400 (Figura 22) . Este

veculo conta com um motor 6 cilindros de 12.8 litros controlado eletronicamente quefornece uma potncia de 400 cavalos e 2000 Nm de torque.

Figura 22 Volvo FH400

Este veculo conta com uma srie de sistemas e dispositivos eletroeletrnicos paraas mais diversas funcionalidades tais como: ABS, EBS, sistema de gerenciamento domotor, controle eletrnico da suspenso, computador de bordo, dentre outros. Dependendoda verso podem haver outras funcionalidades que acabam por impactar diretamente narede automotiva do veculo.


4.3.1 Modelagem da redePara este caso a modelagem da rede foi realizada com base nas informaes ob-

tidas de um veculo real. Para tanto, foram realizados ensaios utilizando um sistema deaquisio de dados conectado ao software BusMaster. Aps o ensaio um arquivo Log1 con-tendo as mensagens que transitaram no barramento durante o teste foi obtido. Observa-seque tambm durante o ensaio o veculo no foi submetido a condies de dirigibilidadeextremas, dessa forma no houve situaes atpicas no momento da coleta, apenas umaconduo padro.

Figura 23 Volvo FH400

Atravs do software BusMaster possvel fazer a leitura deste arquivo de formaordenada e emular o comportamento da rede. Utilizando a opo de tempo denominadarelative time 2 possvel determinar o perodo de transmisso de cada mensagem. Sendoassim o modelo foi construdo com as mensagens presentes no Log do veculo e o tempode transmisso foi definido de acordo com o relative time mostrado no software. A Tabela6 ilustra os parmetros de entradas adotados para o estudo de caso 3.


Nome DescrioFormato do quadro de mensagem Formato estendido (CAN2.0B)Nmero de mensagens 28 MensagensTipo de mensagem Peridica (tempo de transmisso deter-


1Registro dos frames que transitaram no barramento2Tempo relativo entre a transmisso de duas mensagens com o mesmo identificador


4.3.2 Anlise dos resultadosTrs parmetros de desempenho foram considerados para anlise do desempenho

das duas redes; a primeira referente ao Log do veculo real e a segunda referente redemodelada no BusMaster. Os grficos a seguir comparam os dois casos, atravs dos parme-tros de desempenho, a fim de verificar se a rede modelada representa de forma satisfatriaa rede do veculo real.





A Figura 24a mostra a taxa de utilizao do barramento para dois casos: o primeirorepresentado pela curva em vermelho se refere taxa de utilizao da rede modelada e o


segundo representado pela curva em verde refere-se taxa de utilizao da rede do veculoreal. Para as duas curvas possvel observar que os carregamentos se mantm baixo aolongo de toda a simulao, indicando que as redes no esto sobrecarregadas e podem serexpandidas, se necessrio, com a insero de novas ECUs ou mensagens. O carregamentoda rede modelada oscila entre 16% e 17% enquanto que a rede do veculo real apresentaum carregamento menor variando de 15 % a 16.3 % aproximadamente.

Percebe-se no grfico mostrado na Figura 24a que apesar da rede modelada conteros mesmos frames da rede do veculo real, h diferenas entre as curvas, o que pode serexplicado pelo fato das mensagens da rede modelada no possurem exatamente os mes-mos perodos de transmisso das mensagens definidas na rede do veculo real. Diferenasestas que podem ser reduzidas com maior aproximao dos tempos de transmisso dasmensagens do modelo com as mensagens da rede real.

Em relao ao tempo de transmisso das mensagens no barramento a Figura 24bmostra que todos os frames da rede cumpriram o requisito temporal, de forma que tantopara situaes de transmisso normal quanto para situaes de erro os tempos de trans-misso esto abaixo do perodo definido.

A Figura 24c apresenta a quantidade de mensagens enviadas para os dois casos deforma que a curva em vermelho representa a modelagem realizada no BusMaster e a curvan representa o comportamento da rede do veculo real. A diferena entre as curvas podeser explicada pelo mesmo fato citado na anlise da taxa de utilizao do barramento. Euma melhor aproximao seria tambm a busca por definir os perodos de transmissocada vez mais prximo aos perodos das mensagens no veculo real.

57

5 Concluso

Considerando o objetivo principal deste trabalho:

"Utilizar a modelagem e simulao para avaliar o desempenho de redes automotivas emambiente virtual"

A utilizao desta tcnica mostrou-se como sendo eficaz para o desenvolvimento emelhoria da arquitetura eletroeletrnica automotiva, uma vez que auxilia na reduo decustos e no tempo de desenvolvimento dedicado. Com modelagem e simulao possvelidentificar erros e falhas em potenciais na rede projetada, promover mais facilmente aintegrao de ECUs reais e, sobretudo promover a anlise de desempenho para entendero comportamento da rede.

O protocolo CAN tem se mostrado uma alternativa eficaz quando adotado comopadro de comunicao entre dispositivos de controle. Esta eficcia tem se comprovadocom aumento significativo de sua implementao ao longo dos anos, sendo consideradoo protocolo mais utilizado em aplicaes automotivas. Verificou-se neste trabalho que,com o aumento do nmero de dispositivos e componentes eletroeletrnicos, definir osparmetros de configurao que resultam em um bom desempenho da rede um dosdesafios dos projetistas.

Ademais, a hiptese de que a simulao de redes automotivas fundamental paraavaliar o comportamento de redes automotivas quando estas so expandidas atravs deECUs e/ou mensagens foi demostrada, como nos estudos de caso 1 e 2 em que so abor-dadas duas redes automotivas do mesmo fabricante, porm com configuraes diferentes.Os efeitos das diferentes configuraes da rede, prioritariamente no nmero de mensagensenviadas, puderam ser percebidos atravs das anlises de desempenho, de modo que ocarregamento do barramento sofreu variao em mdia de 9% para 15% entre o primeiroe o segundo caso respectivamente.

A mtrica de desempenho que avalia o tempo de transmisso das mensagens nobarramento tambm mostrou-se fundamental para avaliao da rede, pois pode-se per-ceber quais mensagens podem ser inseridas na rede de modo que no seja transmitidanum tempo acima do perodo para ela determinada, o que ocorreu no estudo de caso 2.E que no possua um tempo de transmisso baixo que possa elevar o carregamento dobarramento a ponto de comprometer o funcionamento do sistema.

Alm de reproduzir o comportamento real da rede, outra caracterstica importanteda modelagem simulao de redes automotivas a capacidade representar um modelo

Captulo 5. Concluso 58

virtual baseado na rede de um veculo real. No terceiro estudo de caso modelou-se uma redeautomotiva baseada na rede um veculo real, observou-se que o comportamento da redemodelada, quanto ao carregamento do barramento e taxa de transmisso das mensagens,se aproximou do comportamento da rede do veculo real. De posse desse modelo possvelsimular a rede para diversas configuraes seja atravs da insero de ECUs, quantidadede mensagens, alterao das taxas de transmisso dentre outras possibilidades com umareduo significativa de custos e tempo aos projetistas. Alm de prever comportamentosdo sistema, antecipando acontecimentos que no seriam apropriados de ocorrerem aps aimplementao da rede.

Desta forma a principal contribuio dada com este trabalho foi elucidar a tcnicade modelagem e simulao como um mtodo eficiente no desenvolvimento e melhoria deredes automotivas, devido a sua capacidade de representar a topologia e funcionamentodestes sistemas. Outra importante contribuio foi avaliar as mtricas de desempenho quepermitem avaliar o comportamento da rede e predizer erros potenciais que acarretariamem maiores despesas aos desenvolvedores. As limitaes do estudo encontram-se princi-palmente na dificuldade de modelar com exatido as redes dos veculos, visto que, para ocaso 1 e 2 as ECUs existente nas redes foram determinadas baseando-se nos sistemas ele-troeletrnicos presentes nos caminhes e desta forma foram utilizadas todas as mensagenspossveis de serem enviadas pelas ECUs que controlam esses sistemas, o que pode nocorresponder a arquitetura real da rede dos veculos descritos. Para o caso 3 a inexatidonas definies dos perodos impediu que o modelo se aproximasse ainda mais da rede real,quanto as mtricas de desempenho.

Desta maneira, estudos que podem ser considerados para trabalhos futuros seria aobteno de informaes mais precisas quanto as redes dos veculos de forma a obter ummodelo ainda mais fidedigno ao modelo real e ento aplicar alguma tcnica de validao,para validar o modelo desenvolvido. Outra contribuio a ser levada em considerao a insero de novas mtricas de desempenho no software BusMaster tais como tempode espera das mensagens no buffer e tempo de resposta da mensagem. O BusMastercarece ainda de materiais que proporcionem melhorias e disseminao do programa, vistoque, por ser um software recente e de plataforma aberta esta ferramenta ainda carece detutoriais, manuais, exemplos e aprimoramento.

Diante disso a Tabela 7 mostra as etapas que foram planejadas para serem execu-tadas neste trabalho elucidando quais foram efetivamente realizadas.

Captulo 5. Concluso 59

Tabela 7 Execuo das etapas planejadas no trabalho.

Etapas Planejadas Tarefas ExecutadasReviso Bibliogrfica ExecutadaDefinio do Problema ExecutadaColeta de Dados ExecutadaModelagem e Simulao ExecutadaValidao do Modelo Executada Parcialmente

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