Sistemas Embarcados, IoT e Redes Automotivas

Arquiteturas dos Sistemas Embarcados

1. Arquitetura Centralizada – Neste tipo, possui uma ECU central que recebe informações dos sensores e as processa, fornecendo saídas.

2. Arquitetura Distribuída – Neste tipo, possui diversas ECUs em pontos distribuídos; cada uma é designada para a realização de uma determinada função, atuando sobre determinados sensores e realizando comunicação com outras ECUs.

3. ECU – Unidade de Controle Eletrônica

Possui 3 partes:

• a) Interfaces de entrada: Sensores e sistemas de comunicação; obtêm dados sobre o veículo e convertem-nos para valores elétricos.
• b) Software de controle: Baseado nas informações de entrada, o software deve determinar a ação que será realizada por determinado componente conforme especificação.
• c) Interfaces de saída: Controlar os atuadores para a realização de determinadas tarefas especificadas no software de controle.

Internet das Coisas (IoT)

• Características de design: O design de um aparelho de Internet das Coisas pode ser de inúmeros tipos, sendo que ele pode ser desde um carro até mesmo uma geladeira, ou até mesmo móveis de casa; logo, pode ser quase tudo que existe.
• Definição: É o modo como os objetos físicos estão conectados e se comunicando entre si e com o usuário, através de sensores inteligentes e softwares que transmitem dados para uma rede.
• Objetivo: Conexão global de objetos inteligentes por meio da estrutura de rede da internet.
• Aplicação: Qualquer objeto pode ser aplicado à Internet das Coisas, desde uma geladeira até um carro, por exemplo.
• Surgimento: Teve início na década de 1980, onde a internet era capaz de conectar pessoas por meio de uma rede global de computadores.
• Importância: Transformação do funcionamento de objetos e interação entre outros objetos e pessoas; também pode ser considerado por facilitar e criar novas ferramentas e atalhos de funções do dia a dia das pessoas.
• Pirâmide: A pirâmide significa como as pessoas adquirem e o que realizam com dados e informações. Considerando que dados e informações são algo primordial para o conhecimento e sabedoria de pessoas, podemos concluir que dados e informações são menos importantes do que conhecimento e sabedoria para uma pessoa, definindo o benefício de cada categoria:

• Sabedoria
• Conhecimento
• Informações
• Dados

• Riscos: Em um ambiente totalmente conectado à Internet, há riscos de invasões para roubo de dados devido a falhas de segurança no ambiente, como, por exemplo: incorretas permissões de acesso à rede do ambiente, falha de criptografia, software de proteção insuficiente ou ausente.

Model Based Design (MBD)

Processo de desenvolvimento de software baseado em um modelo para sistemas embarcados. A partir de subsistemas conectados contendo blocos de funções, é realizada a especificação, projeção, simulação, verificação, testes e implementação de sistemas embarcados. O processo possui estágios para o desenvolvimento do software (MIL > SIL > PIL > HIL):

1. MIL (Model-in-the-loop): Especificação e projeto do controlador funcional. Primeira fase onde se desenvolvem os modelos da planta física e a estratégia de controle seguindo os requisitos do projeto. Nesta etapa, os softwares Matlab e Simulink são utilizados.
2. SIL (Software-in-the-loop): Teste do gerador e da função em código C ou C++. Geração do código para o controlador com base na estratégia do MIL, verificação de erros de codificação e simulação do funcionamento do software em um ambiente virtual.
3. PIL (Processor-in-the-loop): Geração do código executável para testes no microcontrolador usado na ECU. O dispositivo real nesta etapa roda o software embarcado; testes com finalidade de verificar falhas causadas pelo compilador ou pela arquitetura do processador.
4. HIL (Hardware-in-the-loop): Teste do controlador embarcado na ECU que já possui os componentes de entrada/saída. O objetivo desta etapa é encontrar falhas nas funções de baixo nível da ECU.

Princípios de Funcionamento de Sistemas Embarcados em Veículos

Sistema inteligente que tem como objetivo realizar algo específico no veículo, interagindo com dispositivos capazes de realizar algum tipo de ação num veículo.

Sistemas Eletrônicos em Projetos Automobilísticos

Estes sistemas visam fornecer um sistema inteligente que possa interagir com dispositivos capazes de realizar alguma ação num veículo, com sensores que informam quando estas ações possam ser executadas ou não.

Rede CAN

Protocolo de comunicação serial síncrono; possui uma tecnologia com detecção de colisão com “arbitragem não destrutiva”. A colisão é evitada através de arbitragem bit a bit, sem perda de tempo. Os módulos verificam o estado do barramento; se estiver disponível, enviam mensagens e, caso não esteja disponível, aguardam, e a mensagem será enviada novamente após um período aleatório de tempo.

• CAN High Speed: Alta velocidade de transmissão de acordo com a ISO 11898.
• CAN Low Speed: Baixa velocidade de transmissão de acordo com a ISO 11519-2.

Detecção de Falhas na Rede CAN

1. Caso o nó detecte um erro no barramento denominado como “erro-ativo”, então a transmissão da mensagem é interrompida, gerando um flag de erro de seis bits dominantes sucessivos.
2. Caso o nó detecte um erro no barramento denominado como “erro-passivo”, então o nó transmite um campo flag de erro seguido pelo campo delimitador de erro; este flag de erro possui 6 bits recessivos sucessivos.

Formato de Mensagens na Rede CAN

• CAN 2.0A: Mensagens com identificador de 11 bits. Neste formato, é possível obter até 2048 mensagens numa rede CAN.
• CAN 2.0B: Mensagens com identificador de 29 bits. Neste formato, é possível obter aproximadamente 537 milhões de mensagens na rede CAN.

Nível de Mensagens na Rede CAN

• Verificação de redundância cíclica (CRC): O módulo transmissor calcula um valor em função dos bits da mensagem e o transmite juntamente com a mensagem. Os módulos receptores recalculam e verificam se é igual ao transmitido com a mensagem.
• Verificação de quadro: Um módulo transmissor descobre um bit dominante em um dos quatro segmentos, gerando um quadro de erro e repetindo a mensagem.
• Verificação de reconhecimento (ACK): Verifica o campo de reconhecimento de uma mensagem para verificar se o bit de abertura de reconhecimento é recessivo ou dominante. O correto é que seja recessivo; caso seja dominante, um erro de reconhecimento ocorre e a mensagem tem de ser reenviada.

Revolução Industrial

Transformação de equipamentos e interação humana conforme a evolução da tecnologia. Conforme a tecnologia avança, cada vez menos pessoas precisam fazer tarefas que hoje em dia objetos eletrônicos possam realizar.

• Ano de 1800 a 1900: Iniciou-se a força mecânica, basicamente instalações industriais para determinadas produções com o auxílio de mecânica com água e vapor.
• Início dos anos 1900: Iniciou-se a produção em massa, divisão do trabalho com auxílio da energia elétrica.
• Final dos anos 1900 e início dos anos 2000: Iniciou-se a automação digital, sistemas eletrônicos que automatizam a produção de determinados produtos em massa.
• Dias atuais: Iniciou-se a Internet das Coisas; todos os tipos de dispositivos estão conectados à rede, realizando comunicação com outros dispositivos e com humanos, com o intuito de automatizar e minimizar tarefas que são realizadas por humanos.

Sistemas Embarcados Críticos

Sistemas embarcados podem parecer simples, porém, quando aplicados à realização de funções de segurança, deve-se obedecer a determinados preceitos que garantam o seu funcionamento seguro. São utilizados os níveis de integridade de segurança (SIL) para indicação do grau de dependabilidade apropriado. Os requisitos devem ser trabalhados com boas práticas e uso de normas como a IEC 61508, esta que abrange praticamente todos os aspectos envolvidos no desenvolvimento de sistemas críticos.

O Desenvolvimento de Software

O desenvolvimento de software é um ponto-chave, aplicando-se técnicas de software bem estabelecidas, restritas e com apoio de ferramentas adequadas. Técnicas inovadoras e de muito alto nível devem ser evitadas. A aplicação de disciplinas curriculares que abordem assuntos de sistemas críticos é a solução para esta área de desenvolvimento de sistemas embarcados críticos. Realizar a preparação do profissional com boas práticas, conhecimento e aplicação das normas e mentalidade adequada resultará num ambiente empresarial ideal para o desenvolvimento de tais sistemas embarcados críticos.