PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Campus POÇOS DE CALDAS
Curso de Engenharia Elétrica – Ênfase Telecomunicações e Automação
SISTEMA DE DIAGNÓSTICO DE FALHAS AUTOMOTIVO COM COMUNICAÇÃO BLUETOOTH
Marcus Vinícius de Paiva Lucas Samuel Leopoldino
POÇOS DE CALDAS 2010
Marcus Vinícius de Paiva Lucas Samuel Leopoldino
SISTEMA DE DIAGNÓSTICO DE FALHAS AUTOMOTIVO COM COMUNICAÇÃO BLUETOOTH
Trab Trabal alho ho ap apre rese sent ntad adoo a disc discip iplilina na de Orientação de Projeto de Fim de Curso do progra programa ma de Gradua Graduação ção em Engen Engenhar haria ia Elétrica com ênfase em Telecomunicações e Autom Automaçã açãoo da Pontif Pontifíci íciaa Unive Universid rsidade ade Católica de Minas Gerais – Campus Poços de Caldas. Orientador: Prof. Rodrigo Gonçalves
POÇOS DE CALDAS 2010
Leopoldino, Lucas Samuel; Paiva, Marcus Vinícius L587s
Sistema de Diagnóstico de falhas automotivo com comunicação comunicação
Bluetooth. / Lucas Samuel Leopoldino; Marcus Vinícius de Paiva. Poços de Caldas: PUC-MG, 2010. 65p. ; il. Orientador: Rodrigo Gonçalves Trabalho de Conclusão de Curso – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Campus Poços de Caldas
1. Tecnologia bluetooth. 2. Sistema de comunicação sem fio. 3.
Marcus Vinícius de Paiva Lucas Samuel Leopoldino Sistema de diagnóstico de falhas automotivo com comunicação Bluetooth
Trabalho apresentado a disciplina de Orientação de Projeto de Fim de Curso do programa de Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Telecomunicações e Automação da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – Campus Poços de Caldas.
Prof. M.Sc. Rodrigo Gonçalves - Orientador
Prof. M.Sc. Ramiro Romankevicius Costa
Prof. Dr. Udo Fritzke Junior
Poços de Caldas, 09 de junho de 2010.
DEDICATÓRIA
Marcus Vinícius de Paiva: “ A Deus, por me presentear com uma família que sempre me apóia, amigos que sempre proporcionam bons momentos e pelo meu caráter e dignidade, que sempre me fazem ter coragem para seguir em frente ”
Lucas Samuel Leopoldino: “ Aos meus familiares por acreditarem em mim, pelo amor e carinho, e aos meus amigos pelo incentivo e por estarem ao meu lado nos momentos bons e ruins ”
AGRADECIMENTOS
Ao nosso orientador, Professor Rodrigo Gonçalves, pela dedicação, prontidão e paciência ao nos transmitir os conhecimentos necessários. Ao professor Ramiro, por todo o conhecimento que nos foi passado e o professor Udo, por toda ajuda durante a realização deste trabalho. Aos familiares e amigos por todos os momentos, em especial ao nosso grande amigo Carlos Henrique Marcelino Balan, por dedicar parte de seu tempo em ajuda ao nosso projeto e também ao amigo Breno Pêgo, pela boa vontade em ajudar.
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo propor o desenvolvimento de um hardware capaz de estabelecer uma conexão Bluetooth com um notebook e possibilitar que este, também munido de um dispositivo Bluetooth, opere como uma ferramenta de diagnóstico de falhas de um veículo automotivo, apresentando ao usuário os dados recebidos do módulo central de controle, responsável por recolher e processar todas as informações de sensoriamento do sistema eletromecânico do veículo. Dentro da proposta principal estará o desenvolvimento de um sistema microcontrolado que será conectado ao módulo de desenvolvimento Bluetooth, próprio para microcontroladores, e realizará a comunicação sem fio com o laptop para o envio dos dados colhidos dos sensores e atuadores. Sendo assim, o microcontrolador será responsável por simular a ECU, tratar os dados enviados pelos componentes a ele conectados e enviá-los através do dispositivo Bluetooth ao notebook . Este protótipo possibilitará os futuros trabalhos de complementação deste trabalho. Um esquema de fácil compreensão do sistema descrito será abordado durante o desenvolvimento deste trabalho. Serão descritos também conceitos básicos sobre todas as tecnologias envolvidas no projeto, inclusive o barramento CAN e o protocolo KW2000, ambos ligados aos meios de acesso aos dados do módulo central .
Palavras-Chave: Bluetooth, microcontrolador, barramento CAN, KW2000, módulo central.
ABSTRACT This paper aims to propose the development of hardware capable of establishing a Bluetooth connection to a notebook and allow this, also equipped with a Bluetooth device, to operate as a tool for fault diagnosis of an automotive vehicle, showing the user data received from central control module, responsible for collecting and processing all information from sensing the electromechanical system of the vehicle. The main proposal is the development of a microcontroller system that is connected to Bluetooth development module, suitable for microcontrollers, and perform wireless communication with the laptop to send data collected from sensors and actuators. Thus, the microcontroller will be responsible for simulating the ECU, process the data sent by the components connected to it and send them via Bluetooth device connected to it to the notebook. This prototype will enable future work to complement and complete this work. A scheme for easy understanding of the system described will be addressed during the development of this work. Also be described basics all the technologies involved in the project, including the CAN bus and protocol KW2000, both linked to the means of access to data from the central module.
Key-words: Bluetooth, Microcontroller, CAN bus, KW2000, central module.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Bluetooth SIG .............................................................................................18 Figura 2: Bluetooth Logo............................................................................................18 Figura
3:
Frequency
Hopping/Time
Division
Duplex
(FH/TDD)..................................21 Figura 4: Topologia de redes Bluetooth......................................................................22 Figura 5: Topologia.....................................................................................................25 Figura 6: Estrutura da mensagem...............................................................................26 Figura 7: Cabeçalho sem informação de endereço, sem o Additional Length byte.............................................................................................................29
Figura 8: Cabeçalho sem informação de endereço, com o Additional Length byte.............................................................................................................29
Figura 9: Cabeçalho com informação de endereço, sem o Additional Length byte.............................................................................................................29
Figura 10: Cabeçalho com informação de endereço, com o Additional Length byte............................................................................................................30
Figura 11: Exemplo de arbitragem no barramento.....................................................33 Figura 12: Relação entre comprimento da rede e taxa de transmissão.....................34 Figura 13: Bits dominantes e recessivos no CAN Bus...............................................35 Figura 14: Diagrama de Blocos de um módulo Bluetooth..........................................37 Figura 15: Diagrama de comunicação serial..............................................................39 Figura 16: Esquema do sistema proposto..................................................................41 Figura 17: Esquema do sistema proposto..................................................................42 Figura 18: Diagrama esquemático do circuito de testes da comunicação serial......43 Figura 19: Diagrama esquemático do circuito de testes pelo Hyperterminal.............44 Figura 20: Informações visualizadas pelo Hyperterminal...........................................45
Figura
21:
Módulo
Bluetooth
GP-
GC021....................................................................46 Figura
22:
Pinagem
do
Módulo
GP-
GC021................................................................47 Figura 23: Conexão a um microcontrolador alimentado com 3.3V.............................48 Figura 24: Conexão a um microcontrolador alimentado com 5V................................49 Figura 25: Placa confeccionada para o módulo Bluetooth..........................................51 Figura 26: Fluxograma da transmissão de dados......................................................52 Figura 27: Diagrama completo do circuito proposto...................................................53 Figura 28: Primeira parte do circuito montado...........................................................54 Figura 29: Microcontrolador e módulo Bluetooth........................................................54 Figura 30: Alimentação do Circuito.............................................................................55 Figura 31: Circuito em funcionamento – Led ligado...................................................55 Figura 32: Vista de todos os componentes montados no circuito..............................56 Figura 33: Hyperterminal – Menu...............................................................................57 Figura 34: Hyperterminal – Código de acesso...........................................................57 Figura 35: Hyperterminal – Acesso permitido............................................................58 Figura 36: Hyperterminal – Informações mostradas na tela do computador............58
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classes de potência e alcance do Bluetooth.............................................19 Tabela 2: Forma do cabeçalho da mensagem...........................................................27 Tabela 3: Presença do comprimento de byte.............................................................28 Tabela 4: Lista de Parâmetros controlados pela ECU...............................................40 Tabela 5: Características do Módulo GP-GC021.......................................................46 Tabela 6: Descrição dos pinos do módulo Bluetooth.................................................47
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACL CAN CSMA/CD CS CTS ECU FH-CDMA FHS FH/TDD Fmt FTP GCF HTTP IEEE I²C ISM ISO KW2000 Len L2CAP Mbps MCU NDA NRZ OBD RS232 RTS SAE SId SIG SCO Src TCP / IP
Tgt UART USART USB Asynchronous Connection-Less Controller Area Network Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Checksum Clear to send Electronic Control Unit Frequency Hopping – Code Division Multiple Access Frequency Hopping Synchronization Frequency Hopping/Time Division Duplex Format File Transfer Protocol Generic Connection Framework Hypertext Transfer Protocol Institute of Electrical and Electronics Engineers Inter-Integrated Circuit Industrial, Scientific, Medical International Standardization Organization Keyword 2000 Length Logical Link Control and Adaptation Protocol Mega bits por segundo Microcontrolador Non-Destructive Arbitration Non Return to Zero On-Board Diagnosis Recommended Standard 232 Request to send Society of Automotive Enginneers Service Identification
Special Interest Group Synchronous Connection-Oriented Source
Transport Control Protocol / Internet Protocol Target Universal Asyncronous Receiver Transmiter Universal Syncronous Asyncronous Receiver Transmiter Universal Serial Bus
SUMÁRIO
Figura 33: Hyperterminal – Menu...............................................................................57....................................... 11 1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................13 1.1 Justificativa......................................................................................................15 1.2 Objetivos...........................................................................................................15 1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................16 1.2.2 Objetivos Específicos..................................................................... ..........16 2.1.1 Freqüência de operação e comunicação................................................20 2.1.3 Versões do Bluetooth............................................................. ................. 25
2.2 O Protocolo KW2000......................................................................................26 2.2.2.1 Cabeçalho............................................................................................28 2.2.2.2 Format byte (Fmt) ................................................................................28 2.2.2.3 Target address byte (Tgt)...................................................................30 2.2.2.4 Source address byte (Src)..................................................................30 2.2.2.5 Additional Length byte (Len)............................................................. 30 2.2.2.6 Formatos de mensagens....................................................................31 2.2.3 Byte de dados................................................................................... .........32
2.2.3.1 Byte de verificação (Checksum)........................................................33 2.2.4 Diagnóstico em KW2000...........................................................................33
2.3 Barramento CAN ...........................................................................................34 2.3.1 Conceituação básica ................................................................................34 2.4.1 Módulo USART.................................................................... ...................... 39
2.5 Módulo Bluetooth........................................................................................... 40 2.6 Comunicação Serial e o Padrão RS232........................................................40 2.6.1 Comunicação de dados ................................................................... .........40
2.6.2 Comunicação Serial ..................................................................................41
3 METODOLOGIA.....................................................................................................42 3.1 Simulações do sistema utilizando um microcontrolador PIC 16F877A........44 3.2 Conexão entre o microcontrolador e o módulo Bluetooth............................48 4 DESENVOLVIMENTO...........................................................................................52 .....................................................................................................................................57 Figura 28: Primeira parte do circuito montado......................................................57 .....................................................................................................................................57 Figura 29: Microcontrolador e módulo Bluetooth.................................................57 .....................................................................................................................................58 Figura 30: Alimentação do Circuito.........................................................................58 .....................................................................................................................................58 Figura 31: Circuito em funcionamento – Led ligado.............................................58 .....................................................................................................................................59 .....................................................................................................................................60 Figura 33: Hyperterminal - Menu.............................................................................60 Figura 34: Hyperterminal – Código de acesso.......................................................60 .....................................................................................................................................61 Figura 35: Hyperterminal – Acesso permitido.......................................................61 .....................................................................................................................................61 Figura 36: Informações mostradas na tela do computador.................................61 5 RESULTADOS.......................................................................................................62 6 TRABALHOS FUTUROS......................................................................................63 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................64
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1 INTRODUÇÃO
Seguindo o avanço tecnológico, o desenvolvimento de novos e diferenciados produtos é fundamental, levando-se em conta as facilidades e o conforto que estes podem proporcionar. Com o surgimento da tecnologia Bluetooth, houve uma revolução no mercado de comunicação sem fio. Por ser uma tecnologia de baixo custo, hoje, uma grande diversidade de equipamentos já contam com sua funcionalidade. Outra revolução, agora no ramo automobilístico, foi o surgimento da Electronic Control Unit (ECU), que há alguns anos foi introduzida nos veículos automotivos
para recolher dos sensores e atuadores, os dados de monitoramento de todo o sistema e transmiti-los aos scanners (ou testers) de diagnóstico externo, aparelho responsável por apresentar ao seu operador todas as falhas identificadas pela ECU. Tais informações de sensoriamento são cruciais para o bom funcionamento dos sistemas mecânico e elétrico dos veículos automotores, pois a partir delas serão possíveis as correções necessárias. O diagnóstico em veículos representa as funções ou ferramentas que permitem a verificação do funcionamento de cada módulo eletrônico. Com o crescimento da eletrônica embarcada, foi necessário o desenvolvimento de tais dispositivos (scanners) que permitiram então, o diagnóstico de falhas dos sistemas. (Guimarães, 2007). O veículo é monitorado pelos sensores, que convertem uma grandeza não elétrica em um sinal equivalente de tensão e corrente. Este sinal é enviado ao módulo eletrônico do veículo, que é responsável por identificá-lo, processá-lo e então, ter todo o controle sobre o sistema eletrônico. No caso dos sensores do veículo é usualmente uma tensão que representa um código no processador do módulo de controle. Se estes valores estiverem fora do padrão especificado pela montadora, a ECU verificará como uma entrada inválida, ou seja, registrará uma falha. Um exemplo de monitoramento e controle ocorre no sensoriamento da rotação do motor. O sensor de rotação envia constantes informações a ECU. Se esta processar os dados recebidos e verificar um estado incomum, como rotação abaixo do padrão, um sinal é enviado ao sistema de injeção que auto-acelera o motor e o
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coloca na rotação correta. Este é um exemplo de autocalibração do sistema eletromecânico do veículo, porém algumas falhas só poderão ser corrigidas manualmente, como é o caso de falhas em atuações de relés, situação em que os mesmos devem ser substituídos ou regulados. As falhas diagnosticadas podem ser classificadas de dois modos: as possíveis de serem identificadas pelo motorista e as identificadas somente por ferramentas especiais. O On-Board Diagnosis (OBD) é uma ferramenta que mede os parâmetros de desempenho e comportamento do veículo e, pode ser definida como a leitura das falhas dos sistemas do veículo realizada por meio de avisos sonoros e visuais, existentes no painel de instrumentos. A segunda ferramenta é chamada de Off-Board Diagnosis e é realizada pelos Testers.
Atualmente as ferramentas de diagnóstico são dispositivos que recolhem os dados da ECU por meio de um cabo de comunicação serial, e as ECU's utilizam, geralmente, dois princípios para a comunicação com os equipamentos externos, o barramento Controller Area Network (CAN) e o protocolo de comunicação Keyword 2000 (KW2000). Visando integrar as tecnologias de comunicação Bluetooth e o dispositivo de controle ECU foi proposto o desenvolvimento de um dispositivo que, utilizando a tecnologia Bluetooh, pudesse realizar a comunicação entre ECU e a ferramenta de diagnóstico, que neste caso também possua a tecnologia Bluetooth dispensando assim, os incômodos cabos. Vale salientar que qualquer dispositivo capaz de se comunicar com a ECU e apresentar ao seu usuário as informações contidas nela, é considerado uma ferramenta de diagnóstico, scanner ou tester . O grande diferencial neste caso é que, uma vez presente em vários dispositivos portáteis já existentes, como celulares, notebook’s e palm’s, por exemplo, qualquer um desses pode se tornar uma ferramenta de diagnóstico, bastando apenas ter instalado no aparelho, um software específico para o tratamento dos dados, com um ambiente gráfico para a visualização dos mesmos. Para a proposta do projeto foi escolhido um notebook por possuir um alto poder de processamento o que possibilitará a realização de múltiplos diagnósticos simultaneamente devido à capacidade de o Bluetooth permitir a criação de uma pequena rede de até sete dispositivos. Tal assunto será abordado mais adiante na
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revisão de literatura sobre a tecnologia Bluetooth. O presente trabalho será desenvolvido a partir da revisão de literatura a respeito do tema e da elaboração de uma proposta para o dispositivo em questão. Será realizada uma abordagem sobre o protocolo KW2000, seu princípio de funcionamento, regras de comunicação e outras particularidades; o barramento CAN e sua topologia, meios de acesso e transmissão; o Bluetooth e suas características, velocidade de transmissão e operação em rede.
1.1 Justificativa
A principal motivação para o desenvolvimento deste trabalho é apoiar as pesquisas em comunicação sem fio, particularmente neste caso, o Bluetooth, pois é uma tecnologia de baixo custo que está em grande evidência no mercado tecnológico e já se faz presente em diversos dispositivos, proporcionando uma grande diminuição do uso de cabos que muitas vezes se torna incômodo ao usuário de qualquer aparelho ou sistema. Sendo assim, a comunicação sem fio em questão, cada vez mais robusta e segura, se tornou um meio muito viável para a comunicação de dados em geral. Outro ponto interessante do uso da tecnologia Bluetooth é a sua capacidade de operar em pequenas redes de até oito dispositivos, o que possibilita diversas aplicabilidades sobre esta característica. Além disso, vale lembrar que os testers, que são as atuais ferramentas de diagnóstico, são dispositivos muito caros e cabe dentro da proposta de desenvolvimento, criar um dispositivo que seja mais barato sem perder em qualidade e segurança.
1.2 Objetivos
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1.2.1 Objetivo Geral
Analisar as informações contidas na ECU de automóveis com padrão de comunicação KW2000 através de um protótipo de uma ferramenta de diagnóstico com transmissão sem fio.
1.2.2 Objetivos Específicos
•
Desenvolver uma revisão de literatura a respeito da transmissão com tecnologia Bluetooth e o dispositivo de controle de automóveis ECU.
•
Compreender o funcionamento da ECU.
•
Compreender as regras requisição e acesso aos dados, de acordo com o protocolo KW2000 e o barramento CAN.
•
Compreender o modo de operação do Bluetooth.
•
Desenvolver a proposta de um hardware para a interface sem fio entre a ECU e o dispositivo móvel;
•
Comprovar a eficácia da comunicação Bluetooth entre um microcontrolador e o notebook ;
•
Executar os testes de visualização das informações por meio do hyperterminal do sistema operacional do notebook .
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2 REVISÂO DE LITERATURA
2.1 A tecnologia Bluetooth
O Bluetooth é um sistema de transmissão de dados sem fio, que possibilita uma comunicação simples e rápida entre computadores, smartphones, celulares e outros dispositivos e periféricos, utilizando ondas de rádio. Além disso, mostrou ser uma tecnologia segura e de baixo custo. Assim, é possível fazer com que dois ou mais dispositivos, que estejam dentro de suas áreas de alcance, troquem informações. A história desta tecnologia teve início em 1994, quando a Ericsson , grande empresa do ramo de telecomunicações, resolveu iniciar um estudo sobre a viabilidade de se desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e outros dispositivos e acessórios, utilizando sinais de rádio, ao invés de cabos. O estudo se baseou em um projeto sobre o uso de sistemas de comunicação em redes de telefones celulares. Tal pesquisa resultou em um sistema de rádio de curto alcance nomeado MCLink .
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Em 1997, o projeto despertou o interesse de outras empresas que passaram Bluetooth Special Special Interest Interest Group a fornecer apoio. Em 1998 foi criado o consórcio Bluetooth
(Bluetooth SIG), formado pelas empresas Ericsson, Intel, IBM, Toshiba e Nokia. O grupo era composto por duas referências em telecomunicações (Ericsson e Nokia), e duas referências na fabricação de computadores (IBM e Toshiba), além da líder no desenvolvimento de chips e processadores (Intel). A sede global do Bluetooth SIG está em Kirkland, Washington, EUA e tem escritórios locais em Hong Kong, Pequim, China, Seul, Coréia, Minato-ku, Tokyo, Taiwan e Malmo, na Suécia. O grupo envolveu mais de treze mil membros e só na primeira década de existência produziu mais de dois bilhões de produtos. A Figura 1 apresenta a primeira formação do grupo liderado pela Ericsson. A integração entre estas empresas permitiu o desenvolvimento de padrões quee ga qu gara rant ntira iram m o us usoo e a inte intero rope pera rabi bilid lidad adee da tecn tecnol olog ogia ia no noss ma mais is va vari riad ados os dispositivos. (Bluetooth SIG, 1998)
Figura 1: Empresas do Bluetooth SIG Fonte: Bluetooth SIG - 2002
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Atualmente se uniram ao grupo principal a Microsoft e uma fabricante de computadores pessoais, a japonesa Lenovo. A denominação Bluetooth é um umaa hom homena enagem gem ao rei din dinam amarq arquês uês Harald Harald Harald Blueto Bluetooth oth. De Blåt Blåtan and, d, ma mais is co conh nhec ecid idoo co como mo Harald Devi vido do à cap apaacidad idadee de
intero int eroper perabi abilida lidade de e uni unific ficaçã açãoo de vários vários dis dispos positiv itivos, os, propos proposta ta da tec tecnol nologi ogiaa Bluetooth, esta foi uma homenagem conveniente, uma vez que um dos grandes
feitos do rei Harald foi a unificação da Dinamarca.
Figura 2: Bluetooth Logo Fonte: Bluetooth SIG – 2002
A tecnologia tornou-se padrão global de comunicação sem fio, permitindo a transmissão de dados entre dispositivos compatíveis com a tecnologia. Para isso, umaa co um comb mbin inaç ação ão de hardware e software é util utiliz izad adaa para ara pe perm rmititir ir que a comunicação ocorra entre os vários tipos de aparelhos. A transmissão de dados é feitaa atravé feit atravéss de radiof radiofreq reqüên üência cia,, permit permitind indoo qu quee um dis dispos positiv itivoo det detect ectee o out outro ro independente de suas posições, desde que estejam dentro do limite de proximidade. Para que se atenda aos diversos tipos de dispositivos, os níveis de alcance máximo do Bluetooth foram divididos em três classes. A tabela 1 mostra a relação entre a potência e o alcance de cada uma:
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Tabela 1 Classes de potência e alcance do Bluetooth
CLASSE
POTÊNCIA MÁXIMA
ALCANCE
1
100 mW
100 metros
2
2,5 mW
10 metros
3
1 mW
1 metro
Fonte: Bluetooth SIG, 2009
Um ponto importante, é que dispositivos de classes diferentes podem se comunicar sem problema, bastando respeitar o limite daquele que possui menor alcance. A velocidade de transmissão de dados é relativamente baixa, levando-se em consideração outras tecnologias de transmissão transmissão sem fio. Até a versão 1.2, a taxa alcançava 1 Mbps de velocidade máxima e na versão 2.0, até 3 Mbps. Estas taxas são suficientes para uma conexão satisfatória entre a maioria dos dispositivos. No entanto, a versão 3.0 poderá ser capaz de atingir taxas de até 24 Mbps.
2.1.1 Freqüência de operação e comunicação
Uma vez que o Bluetooth adota um padrão global, se fez necessária a adoção
21
de uma freqüência de rádio aberta, que seja padrão internacional. A faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical ), operando à freqüência de 2,45 GHz, é a que mais se aproxima dessa necessidade e é utilizada em vários países, com variações que vão de 2,4 GHz a 2,5 GHz. Uma vez que a faixa ISM pode ser utilizada por qualquer sistema de comunicação, é necessário garantir que o sinal do Bluetooth não sofra e nem gere interferências. Para garantir tal necessidade, o sistema de comunicação Frequency Hopping – Code Division Multiple Access (FH-CDMA), utilizado pelo Bluetooth,
permite fazer com que a freqüência seja dividida em vários canais. O dispositivo que estabelece a conexão muda de um canal para outro de maneira muito rápida. Daí denominação frequency hopping (salto de frequência). Isso faz com que a largura de banda da freqüência seja muito pequena, diminuindo relativamente as chances de uma interferência. Para a transmissão de dados utiliza FHSS (frequency hopping spread spectrum). (ALECRIM, 2008)
O Bluetooth, dentro da faixa ISM, pode utilizar até 79 freqüências, ou 23, dependendo do país, cada uma 1 MHz distante da outra. Um dispositivo se comunicando por Bluetooth opera em modo full-duplex , ou seja, pode tanto receber quanto transmitir dados. Para que isso ocorra, a transmissão é alternada entre slots para transmitir e slots para receber, um esquema denominado Frequency Hopping/Time Division Duplex (FH/TDD). Esses slots são canais divididos em períodos de 625 µs (microsegundos). Cada salto de freqüência deve ser ocupado por um slot , logo, em 1 segundo, tem-se 1600 saltos. Em alguns casos, como a conexão com impressoras, a operação será Half-duplex. A figura 3 mostra um esquema de FH/TDD. (ALECRIM, 2008) Quanto ao enlace entre o emissor e receptor, o Bluetooth faz uso de dois padrões. O primeiro é o Synchronous Connection-Oriented (SCO), responsável por estabelecer um link sincronizado entre o dispositivo mestre e o dispositivo escravo, onde é feito uma reserva de slots para cada um. Assim, o SCO acaba sendo utilizado principalmente em aplicações de envio contínuo de dados, como voz. Por funcionar dessa forma, o SCO não permite a retransmissão de pacotes de dados perdidos. Quando ocorre perda na transmissão de áudio, o dispositivo receptor reproduzirá o som com ruído. A taxa de transmissão de dados no modo SCO é de
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432 Kbps, sendo de 64 Kbps para voz.
Figura 3: Esquema do Frequency Hopping/Time Division Duplex (FH/TDD) Fonte: Ericsson Technology - 2003
O padrão Asynchronous Connection-Less (ACL) por sua vez, estabelece uma conexão entre um dispositivo mestre e os dispositivos escravos existentes em sua rede. Essa conexão é assíncrona, já que utiliza os slots previamente livres. Ao contrário do SCO, o ACL permite o reenvio de pacotes de dados perdidos, garantindo a integridade das informações trocadas entre os dispositivos. Assim, acaba sendo útil para aplicações que envolvam transferência de arquivos. A velocidade de transmissão de dados no modo ACL é de até 721 Kbps. (ALECRIM, 2008)
23
2.1.2 Redes Bluetooth
Quando dois ou mais dispositivos se comunicam através de uma conexão Bluetooth, eles formam uma rede denominada piconet . Nessa comunicação, o
dispositivo que iniciou a conexão assume o papel de mestre, enquanto os demais dispositivos se tornam escravos. O mestre é responsável por regular a transmissão de dados entre a rede e o sincronismo entre os dispositivos. Cada piconet pode suportar até oito dispositivos (um mestre e sete escravos), portanto, é possível aumentar esse número através da sobreposição de piconets, ou seja, fazer com que uma piconet se comunique com outra dentro de um limite de alcance. Esse esquema é denominado scatternet . Neste modo, um dispositivo escravo pode fazer parte de mais de uma piconet ao mesmo tempo, no entanto, um mestre só pode ocupar essa posição em uma única piconet . Vale lembrar que um dispositivo mestre em uma Piconet será um escravo a partir do momento em que ele se conecta em outra Piconet . A figura 4 apresenta os esquemas de uma rede Piconet Simples, uma Piconet Multi-Escravos e uma Scatternet. (ALECRIM, 2008)
24
Figura 4: Topologia Bluetooth Fonte: PRIESS e outros - 2003
É necessário fazer uso de um esquema de identificação para que cada dispositivo saiba quais outros fazem parte de sua piconet . Para isso, um dispositivo que deseja estabelecer uma conexão em uma piconet já existente pode emitir um sinal denominado Inquiry ( consulta ). Os dispositivos que recebem tal sinal respondem enviando um pacote Frequency Hopping Synchronization (FHS), informando a sua identificação e os dados de sincronismo da piconet . Com base nessas informações, o dispositivo pode então emitir um sinal chamado Page para estabelecer uma conexão com outro dispositivo. (ALECRIM, 2008) Para oferecer economia de energia, um terceiro sinal, denominado Scan é utilizado para fazer com que os dispositivos que estiverem ociosos entrem em standby . Isto garantirá que o dispositivo poupe energia. Assim que outros aparelhos
tentam estabelecer alguma conexão, o dispositivo retorna do estado de espera.
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2.1.3 Versões do Bluetooth
Até o momento, as versões disponíveis para o Bluetooth são: (ALECRIM, 2008)
•
Bluetooth
1.0: Por ser a primeira versão, os fabricantes encontravam
problemas que dificultavam a implementação e a interoperabilidade entre dispositivos com Bluetooth;
•
Bluetooth
1.1: representa o estabelecimento do Bluetooth como um padrão
802.15 do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 802.15). Nela, muitos problemas encontrados na versão 1.0 foram corrigidos.
1.2: conexões mais rápidas, melhor proteção contra interferências, suporte aperfeiçoado a scatternets e processamento de voz mais avançado;
•
Bluetooth
•
Bluetooth
2.0: diminuição do consumo de energia, aumento na velocidade de
transmissão de dados para 3 Mbps (2.1 Mbps efetivos), correção às falhas existentes na versão 1.2 e melhor comunicação entre os dispositivos;
•
Bluetooth
2.1: permite uma seleção melhorada dos dispositivos antes de
estabelecer uma conexão, melhorias nos procedimentos de segurança e melhor gerenciamento do consumo de energia;
26
•
Bluetooth
3.0: altas taxas de velocidade de transferência de dados podendo
atingir a marca de 24 Mbps de transferência devido incorporação de transmissões 802.11, além do controle mais inteligente do gasto de energia exigido para as conexões. •
Bluetooth
4.0: melhor sistema de economia de energia e mais segurança,
com 128 bits de codificação. Previsão para entrada no mercado em 2010. Uma característica do Bluetooth é que versões mais recentes são compatíveis com versões mais antigas, porém ocorre uma limitação na velocidade de transmissão. Neste caso, prevalece o dispositivo que possui a menor velocidade de transmissão.
2.2 O Protocolo KW2000
No final dos anos 80 e começo dos anos 90, teve-se um grande salto da eletrônica no ramo automobilístico. Com isso, cada montadora recorreu a protocolos de comunicação próprios para obter dados de diagnóstico eletrônico em veículos automotores. Em meados dos anos 90, as empresas do ramo automotivo se juntaram para criar um protocolo padrão, que foi batizado como “Protocolo KW2000”. Hoje o Protocolo KW2000 é muito utilizado no desenvolvimento de módulos eletrônicos e ferramentas de diagnóstico para automóveis. Sistemas de diagnóstico KW2000, são implementados na camada física da estrutura de comunicação baseados no padrão 9141 do International Standardization Organization (ISO 9141). Nesta estrutura são implementados os serviços de diagnósticos de falha. Este protocolo é aplicado em veículos alimentados com 12V e 24V.
27
2.2.1 Topologia física
O protocolo “KW2000” utiliza o barramento CAN para a transmissão de dados, que requer as informações entre um dispositivo usuário e uma rede, tendo como estrutura duas linhas seriais: Linha k, que é utilizada para comunicação e inicialização e, linha L, que é opcional e utilizada somente para inicialização. A Figura 5 ilustra tal estrutura. (PÓVOA, 2007) Outra estrutura é a conexão nó-a-nó, onde há somente um módulo eletrônico conectado à ferramenta de diagnóstico e também utiliza a transmissão da informação na forma de barramento.
Figura 5: Topologia Fonte: Póvoa, 2007
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2.2.2 Estrutura da mensagem
A mensagem é constituída por três partes, como mostra a Figura 6: - cabeçalho; - bytes de dados; - verificação (Checksum).
Figura 6: Estrutura da mensagem Fonte: ISO 14230 – 2, 1999
2.2.2.1 Cabeçalho
O cabeçalho é constituído por 4 bytes, são eles: Format byte (Fmt), Target byte (Tgt), Source byte (Src) e o Additional Lenght byte (Len), onde cada byte
representa um tipo de informação, que serão descritos na sequência. O cabeçalho é mostrado na Figura 6.
2.2.2.2 Format byte (Fmt)
O Format Byte inclui informações sobre o formato de mensagens, onde tem 6
29
bits L5 a L0 de comprimento de informações que informa a quantidade de bytes de dados que serão enviados na mensagem e define o comprimento do campo de dados de uma mensagem, ou seja, desde o início do campo de dados o Service Identification byte (SId) incluído, para o byte (Checksum ) não incluído. Também é
possível um comprimento de mensagem de 1 a 63 bytes. .
Os bits A1 e A0 indicam o endereçamento da mensagem e definem a forma do cabeçalho da mensagem conforme mostra a tabela 2:
Tabela 2 Forma do cabeçalho da mensagem
A1
A0
Modo de Operação
0
0
Sem informação de endereço
0
1
Modo de exceção (CARB)
1
0
Com informação de endereço, endereçamento físico
1
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Com informação de endereço, endereçamento funcional Fonte: ISO 14230 – 2, 1999
O modo de exceção CARB não será estudado neste trabalho. Informações sobre este modo podem ser encontradas nas normas ISO 9141- 2 e SAE J1979.
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2.2.2.3 Target address byte (Tgt)
Este é o byte de endereço de destino da mensagem e é sempre utilizado junto com o byte de endereço de origem (Source address byte). Pode ser um endereço físico ou funcional, quando utilizado na mensagem de solicitação, enviada da ferramenta de diagnóstico para os módulos eletrônicos. As mensagens de resposta enviadas dos módulos eletrônicos para a ferramenta de diagnóstico deve ser somente o endereço físico. O Target address byte é opcional, usado somente em estrutura com conexões de múltiplos nós.
2.2.2.4 Source address byte (Src)
Este é o byte de endereço do dispositivo de transmissão da mensagem e é sempre utilizado junto com o byte de endereço de destino (Target address byte ). Este byte é opcional, usado somente em estrutura com conexões de múltiplos nós. Deve ser somente o endereço físico, especificado na norma SAE J2178-1. .
2.2.2.5 Additional Length byte (Len)
Este byte define o tamanho de uma mensagem desde o início do byte de dados com Service Identification byte (SId) incluído, para o byte (Checksum) não incluído. Este byte é transmitido se o comprimento do byte do “Format byte” (L0 a L5) for igual a zero, como mostra a tabela 3. Pode ser utilizado para mensagens com byte de dados menor que 64 bytes, para isto o comprimento pode ser incluído no Format byte ou no Additional Length byte conforme a tabela 3. Também é opcional e
permite um comprimento de dados de até 255 bytes.
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Tabela 3 Presença do comprimento de byte
Fonte: ISO 14230 – 2, 1999
Sendo: - XX - 2 bits com informação do modo de endereço - LL LLLL – 6 bits com informação de comprimento do byte de dados
2.2.2.6 Formatos de mensagens
Com as definições acima, existem quatro formas de mensagens possíveis, como mostram as figuras 7, 8, 9 e 10.
Figura 7: Cabeçalho sem informação de endereço, sem o Additional Length byte Fonte: FIAT STANDARD DIAGNOSTIC PROTOCOL, 2000
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Figura 8: Cabeçalho sem informação de endereço, com o Additional Length byte Fonte: FIAT STANDARD DIAGNOSTIC PROTOCOL, 2000
Figura 9: Cabeçalho com informação de endereço, sem o Additional Length byte Fonte: FIAT STANDARD DIAGNOSTIC PROTOCOL, 2000
Figura 10: Cabeçalho com informação de endereço, com o Additional Length byte Fonte: FIAT STANDARD DIAGNOSTIC PROTOCOL, 2000
Fmt – Format byte Tgt - Target address byte (opcional) Src - Source address byte (opcional) Len - Additional Length byte (opcional)
Sld - Service Identification byte Dados – Dados da mensagem CS – Checksum byte
2.2.3 Byte de dados
Tal campo de dados pode conter até 63 ou até 255 bytes, dependendo de como é definido a informação de comprimento, e o primeiro byte é o Service Identification (Sld), que pode ser acompanhado por parâmetros e dados,
dependendo do serviço selecionado. Estes bytes são especificados na norma ISO
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14230-3 para serviços de diagnósticos.
2.2.3.1 Byte de verificação (Checksum)
Este byte inserido no final da mensagem é definido como a soma de todos os bytes da mensagem, excluindo ele próprio. É usado para verificar a integridade de
dados transmitidos e é recalculado na recepção. Se o valor obtido for o mesmo do calculado durante a transmissão, as informações não sofreram alterações e portanto não estão corrompidas e não precisam ser reenviadas. Esta técnica não garante a correção de erros, apenas a verificação de alguma incompatibilidade entre a informação enviada e a recebida.
2.2.4 Diagnóstico em KW2000
Todas as mensagens que trafegam em um barramento com padrão ISO 9141 são definidas por palavras-chave que retornam ao equipamento de diagnóstico durante a inicialização das comunicações. Daí a expressão Keywords, usada para definir o protocolo. (GUIMARÃES, 2007) Os requisitos para a implementação da troca de informações entre módulos eletrônicos e Testers são especificadas pela ISO 9141. Vejamos algumas das especificações da ISO 9141:
•
Os módulos eletrônicos devem ter uma (K) ou duas (K e L) linhas de comunicação para inspeção, teste e diagnóstico.
•
A linha K é definida como a que envia informação na forma digital serial, do módulo eletrônico para o testador de diagnóstico e, pode ser usada também bidirecionalmente, onde transmite dados ou comandos do testador para o módulo eletrônico.
•
A linha L é definida como unidirecional do testador de diagnóstico para o módulo eletrônico. Pode ser usada também para inicialização da
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comunicação serial ou transmitir dados e comandos. •
Se as linhas K ou L de dois ou mais módulos eletrônicos são conectadas juntas, o sistema é chamado de barramento.
2.3 Barramento CAN
O barramento de dados CAN foi um dos primeiros na indústria de automóveis e, o mais usado. Foi desenvolvido pela empresa alemã BOSCH em 1986 para conectar dispositivos de controle em automóveis e sua primeira aplicação foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria de automóveis, navios e tratores, entre outros. O barramento CAN oferece uma comunicação muito mais rápida e, com isso uma melhor troca de informações. Isto é importante quando os módulos eletrônicos precisam ser acessados durante o processo de fabricação do veículo, onde as comunicações muito longas e demoradas podem prejudicar o processo.
2.3.1 Conceituação básica
Sendo o CAN um protocolo de comunicação serial síncrono, o sincronismo entre os módulos conectados à rede é realizado em relação ao início de cada mensagem lançada ao barramento. Tal sincronismo ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares. (GUIMARÃES, 2007). O barramento trabalha baseado no conceito multimestre, onde os módulos serão mestres em certo momento e escravos em outro e, para o envio de mensagens utiliza o modo multicast , onde envia a mensagem para todos os módulos da rede. Para o acesso dos dispositivos ao barramento é necessário utilizar técnicas de acesso ao barramento. Uma técnica utilizada é o Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CD com NDA),
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ou seja, os módulos verificam o estado do barramento, para saber se outro dispositivo conectado não está enviando mensagens. Caso o barramento esteja ocioso o dispositivo então envia a mensagem. Caso ocorra a tentativa de dois dispositivos (A e B) enviarem mensagem simultaneamente, somente o dispositivo que apresenta maior prioridade irá enviar e após o término da sua transmissão o dispositivo com menor prioridade poderá transmitir. No barramento CAN existe um quadro de mensagens que é composto de um identificador de mensagens, onde é realizada a arbitragem que determina a prioridade da mensagem. Arbitragem vem de um conceito de dominância, isto garante que somente a mensagem mais importante tenha prioridade no barramento. Os módulos escutam o barramento e, não detectando nenhuma transmissão, iniciam sua própria transmissão. Cada mensagem tem seu próprio quadro de mensagem, como o quadro de mensagem inicialmente de ambos é igual, não é detectado a colisão com isso continuam a transmissão. Logo após, os módulos iniciam o processo de escrita do identificador da mensagem. Durante o processo de escrita do identificador, supondo que o próximo bit que o dispositivo A escreve seja um dominante e o bit a ser escrito pelo dispositivo B é recessivo, quando é realizada a escrita de ambos, o bit de A sobrescreve o bit de B. Lembrando que o que interessa ao módulo é o bit dominante. O dispositivo B, quando identifica o bit lido e o escrito, fica em modo de escuta, indicando que sua mensagem tem menor prioridade e, quando A terminar de transmitir, B tentará enviar a sua mensagem. Tal processo de arbitragem e escrita do identificador é mostrado na Figura 11.
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Figura 11: Exemplo de arbitragem no barramento. Fonte: Barbosa, 2003
O barramento apresenta a técnica chamada Non Return to Zero (NRZ) em que cada bit, seja ele 0 ou 1, é transmitido por um valor de tensão específico e constante. (GUIMARÃES, 2007) A aplicação com CAN nos sistemas de controle e automação foi devido a possibilidade de trabalhar com uma taxa de transmissão de até 1Mbps que depende da distância a ser transmitida. A relação entre o comprimento da rede e a taxa de transmissão dos dados é mostrada na Figura 12.
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Figura 12: Relação entre comprimento da rede e taxa de transmissão. Fonte: Eletrônica Embarcada Automotiva, 2007
O barramento CAN trabalha com fios elétricos como meio de transmissão dos dados. Existem três tipos de barramento CAN, sendo com um, dois e quatro fios. Os barramentos de dois e quatro fios trabalham com sinais de dados definidos como CAN High (CAN_H) e CAN Low (CAN_L) e são do tipo par trançado diferencial. Isto atenua os efeitos das interferências eletromagnéticas. No caso da rede com quatro fios, além dos sinais de dados possui um fio com VCC (alimentação) e outro GND (referência). No caso do barramento com um único fio, este é utilizado apenas para trafegar os dados, denominado de linha CAN. (GUIMARÃES, 2007) No CAN, os dados são representados por bits dominantes e recessivos, devido aos fios CAN_H e CAN_L. O fio dominante é representado pelo nível lógico baixo (0), já o recessivo pelo nível lógico alto (1). A interface de nível físico da rede CAN tem a missão, de a cada tempo de transmissão de um bit, gerar um bit dominante se o nível lógico recebido for baixo e de fazer nada se o nível lógico recebido for alto. A interface quando quer gerar um bit dominante, ela faz com que o nível elétrico do fio CAN_H se eleve a 3,5 volts e o fio CAN_L para 1,5 volts. E com isso,
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fica determinado uma diferença de potencial de 2 volts. Isto caracteriza o bit dominante. Os níveis de tensão e os bits dominantes e recessivos na rede CAN são mostrados na Figura 13. Pode haver uma colisão entre as mensagens, pelo fato que os módulos podem ser mestres e enviar suas mensagens. Para evitar isto, o barramento CAN utiliza-se de uma arbitragem bit a bit não destrutiva. Após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica-se o outro módulo na rede está em operação. Então, um módulo interrompe sua transmissão, se o mesmo perceber que o outro está transmitindo uma mensagem com preferência, ou seja, quando seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante na rede.
Figura 13: Bits dominantes e recessivos no CAN Bus. Fonte: Eletrônica Embarcada Automotiva, 2007.
2.4 Microcontrolador PIC 16F877A
O Microcontrolador PIC 16F877A da Microship é um dos mais utilizado por desenvolvedores por possuir características interessantes como: •
8 kbytes de memória de programa;
•
368 bytes de memória de dados volátil;
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•
256 bytes de memória de dados não volátil;
•
15 interrupções;
•
33 pinos I/O (Port’s A, B, C, D e E);
•
3 timers (2 de 8 bits, 1 de 16 bits);
•
Universal Syncronous
Asyncronous Receiver Transmiter (USART)
para
comunicação serial Recommended Standard 232 (RS232); •
Comunicação serial pelo Inter-Integrated Circuit (I²C);
•
8 canais de conversão A/D com 10 bits cada. Existem muitos outros microcontroladores da família PIC, porém somente o
PIC 16F877A será abordado por ser parte do projeto. A pinagem completa do PIC 16F877A, com suas denominações pode ser vista no Anexo A. Praticamente todos os pinos deste microcontrolador possuem mais de uma função. Isso se deve a um processo de multiplexação destes pinos possibilitando uma quantidade maior de aplicações. A utilização de uma função ou outra é definida via software, através da programação do PIC de acordo com a necessidade.
2.4.1 Módulo USART
A USART é um módulo de recepção e transmissão de dados serial de forma full-duplex, transmitindo e recebendo dados simultaneamente. A USART possui um
canal para transmissão e um para recepção chamados TX e RX, respectivamente. Esta característica de se ter canais diferentes para transmissão e recepção é o que possibilita a comunicação full-duplex. No PIC 16F877A, os canais TX e RX são os pinos RC6 e RC7, respectivamente. Vale lembrar que a USART deste microcontrolador não possui suporte para controle de fluxo de dados. Esta função deve ser implementada por software.
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2.5 Módulo Bluetooth
Os módulos Bluetooth são os dispositivos de transmissão de dados sem fio presentes em vários aparelhos eletrônicos ou equipamentos eletroeletrônicos e que possibilitam a comunicação entre dispositivos, seja para uma troca de dados ou até como controles remotos. Porém estes módulos já são vendidos separadamente e são facilmente encontrados no mercado para o desenvolvimento de aplicações profissionais ou até mesmo amadoras e estará presente no projeto desta proposta. Existem também os adaptadores Bluetooth Universal Serial Bus (USB) que são direcionados a aparelhos que possuem entradas USB e que não possuem dispositivos Bluetooth integrados. A Figura 14 ilustra o diagrama de blocos de um módulo Bluetooth .
Figura 14: Diagrama de Blocos de um módulo Bluetooth Fonte:SURE Electronics, 2008
2.6 Comunicação Serial e o Padrão RS232
2.6.1 Comunicação de dados
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A comunicação de dados procura estudar os meios de transmissão de dados em geral, para dispositivos externos ao circuito original da mensagem. Dispositivos externos são geralmente circuitos com fonte de alimentação. Quanto à taxa de transmissão máxima de uma mensagem, esta é diretamente proporcional a potência do sinal, e inversamente proporcional ao ruído. A função de qualquer sistema de comunicação é fornecer a maior taxa de transmissão possível, com a menor potência e com o menor ruído possível. (CANZIAN, 2009)
2.6.2 Comunicação Serial
A maioria das mensagens digitais são longas e por questões de praticidade a transferência de dados não é realizada enviando todos os bits simultaneamente. A transmissão bit-serial converte a mensagem em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa uma parte da mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para compor a mensagem original. Em geral, um canal irá passar apenas um bit por vez. A transmissão bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o método de comunicação escolhido por diversos periféricos de computadores. A transmissão byte-serial, também chamada de transmissão paralela, converte 8 bits por vez através de 8 canais paralelos. Embora a taxa de transferência seja 8 vezes mais rápida que na transmissão bit-serial, são necessários 8 canais, e o custo poderá ser maior do que 8 vezes para transmitir a mensagem. Quando as distâncias são curtas, é comum usar canais paralelos como justificativa para as altas taxas de transmissão. A interface Centronics de impressoras mais antigas é um caso típico de transmissão byte-serial. (CANZIAN, 2009) 2.6.3 Taxa de Transferência (Baud Rate)
A taxa de transferência refere-se a velocidade com que os dados são enviados através de um canal e é medido em transições elétricas por segundo. Na norma EIA232, ocorre uma transição de sinal por bit, e a taxa de transferência e a
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taxa de bit são idênticas. Nesse caso, uma taxa de 9600 bauds corresponde a uma transferência de 9600 dados por segundo, ou um período de aproximadamente, 104 ms (1/9600 s). (STRANGIO, 2006) Outro conceito é a eficiência do canal de comunicação que é definido como o número de bits de informação utilizável enviados pelo canal por segundo. Ele não inclui bits de sincronismo, formatação, e detecção de erro que podem ser adicionados à informação antes da mensagem ser transmitida, e sempre será no máximo igual a um. A Figura 15 ilustra uma comunicação serial.
Figura 15: Diagrama de comunicação serial Fonte: Edmur Canzian, 2009
Os valores mais utilizados de baud rate são 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 baud.
3 METODOLOGIA
Os estudos acerca do dispositivo proposto foram conduzidos a partir do veículo Brava, ano 2000, que é o objeto de pesquisas cedido pela montadora Fiat ao curso de Engenharia Elétrica da PUC Minas – campus Poços de Caldas. A ECU presente no veículo é da marca MAGNETI MARELLI , modelo IAW
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1AB. Nela será instalado o dispositivo proposto. Todas as informações controladas
pela ECU, assim como os parâmetros de cada uma podem são apresentados na tabela 4. Já as fórmulas de conversão dos dados se encontram no Anexo B. (FIAT, 1996) Tabela 4 Lista de Parâmetros controlados pela ECU
Fonte: Fiat Normazione, 2000
Inicialmente é necessário identificar os padrões utilizados pela ECU para transmissão dos dados colhidos do motor. Tais informações são cruciais para um futuro desenvolvimento do projeto. A Figura 16 ilustra o esquema do projeto proposto.
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Figura 16: Esquema Geral do Projeto Proposto
A unidade de controle ECU, que tem conectados a ela todos os sensores e atuadores do sistema eletromecânico do veículo. A unidade se comunica com tais sensores, armazena as informações, processa, e atua de acordo com os parâmetros pré-definidos na sua programação. Caso a unidade identifique falhas em determinados sensores há a necessidade de uma intervenção externa para solucionar o problema, ou seja, é necessário um profissional qualificado com os dispositivos de diagnóstico para corrigir os possíveis defeitos. Sendo assim, a ECU é dentro do trabalho, o principal bloco a ser estudado para que sejam alcançados os objetivos, pois todas as informações necessárias dizem respeito a ela, desde o barramento CAN, o protocolo KW2000 e os dados e serem tratados.
3.1 Simulações do sistema utilizando um microcontrolador PIC 16F877A
Para apresentação da proposta, foi desenvolvido um protótipo onde uma ECU foi simulada através de um PIC 16F877A e os sensores e atuadores foram simulados através de chaves e potenciômetros. A Figura 17 ilustra o esquema do projeto proposto.
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Figura 17: Esquema Geral do Protótipo Proposto
A princípio, a comunicação serial foi realizada via cabos, de um PIC para outro, para realização dos testes de comunicação. Com este teste inicial foi possível confirmar que a comunicação serial entre o PIC transmissor, que simula a ECU e o PIC receptor estava funcionando corretamente. O diagrama esquemático é ilustrado na Figura 18. Nesta simulação inicial o microcontrolador transmissor foi programado para controlar os led’s conectados no microcontrolador receptor de acordo com a mudança de estados das chaves e potenciômetros. Isto foi possível devido a comunicação serial entre os dois. Na programação do PIC TX foi necessária a declaração de um vetor de 8 bytes, onde cada byte recebeu a informação de cada chave e potenciômetro. Em seguida os bytes foram enviados serialmente para o PIC RX, que também necessitou da declaração de um vetor de 8 bytes, que recebeu os 8 bytes enviados pelo PIC TX. Ambos foram programados para operar de forma sincronizada. Desta maneira, foi possível que a rotina funcionasse a contento. O Microcontrolador TX consegui controlar o microcontrolador RX. Após observado o funcionamento da comunicação serial, os testes passaram a ser realizados usando apenas o microcontrolador transmissor e o hyperterminal do sistema operacional, para o envio de comandos ao PIC e o recebimento das informações nele contidas. A Figura 19 apresenta a nova configuração.
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Figura 18: Diagrama esquemático do circuito de testes da comunicação serial
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Figura 19: Diagrama esquemático do circuito de testes pelo Hyperterminal
Foi necessária a inserção de comandos na programação do microcontrolador para que esse pudesse ser controlado via hyperterminal. Tais comandos possibilitam que as informações que o microcontrolador recebe dos potenciômetros, que simulam sensores presentes no motor do veículo, e das chaves, simulando atuadores ou relés, sejam enviadas para a tela do hyperterminal podendo assim, serem visualizadas pelo usuário. A Figura 20 mostra como as informações são apresentadas na tela do hyperterminal.
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Figura 20: Informações visualizadas pelo Hyperterminal
3.2 Conexão entre o microcontrolador e o módulo Bluetooth
Após estes testes iniciais, o PIC receptor é retirado e dá espaço ao notebook . Já o PIC transmissor, simulando a ECU, tem conectado em seus canais TXRX, o módulo de desenvolvimento Bluetooth Serial Converter UART Interface, da marca Sure Electronics. Esse módulo possui uma velocidade de transmissão de 9600bps,
ou seja, possui um baud rate de 9600bps. É um dispositivo de classe 2 podendo alcançar então, até 10m de visada com outros dispositivos, suficiente para esta aplicação.
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Figura 21: Módulo Bluetooth GP-GC021 Fonte: Sure Electronics - 2008
Algumas das principais características deste dispositivo são: Tabela 5 Características do Módulo GP-GC021
Frequência de Operação Especificações do Bluetooth Classe de Potência Tensão de Operação Interface do Host Interface de Áudio Consumo em operação Temperatura de Operação Consumo em Standby Memória Flash Dimensões Peso
2.4GHz -2.48GHz na banda ISM V2.0+EDR Classe 2 3.3V USB 1.1/2.0 or UART PCM e interface analógica 10mA - 40°C à +105°C 40uA 8Mbit 26.9mm x 13mm x 2.2mm 10 g / 0.4 oz
Fonte: Sure Electronics, 2008
A utilização desse módulo Bluetooth foi importante, pois facilitou relativamente a desenvolvimento do projeto com o microcontrolador. Isso devido à interface UART utilizada por ele. Com isso, o módulo necessita apenas da utilização dos pinos GND e VCC, e os pinos TX e RX, que serão conectados aos pinos RX e TX do microcontrolador. A tabela 5 mostra os pinos necessários para o funcionamento do módulo, além de outros pinos opcionais, e a Figura 22 apresenta a pinagem do
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dispositivo. Tabela 6 Descrição dos pinos do módulo Bluetooth
Nº do Pino 1 2 11 12 13 14 21 22
Nome UART - TX UART - RX Reset 3.3V GND GND GND GND
Tipo Saída - CMOS Entrada - CMOS Entrada - CMOS Alimentação GND GND GND GND
Função Saída de dados Entrada de dados Reset em nível baixo +3.3V Terra Terra Terra Terra
Fonte: Sure Electronics, 2008
Figura 22: Pinagem do Módulo GP-GC021 Fonte: Sure Electronics, 2008
Existem duas configurações comuns para o uso do módulo Bluetooth GPGC021. Tais configurações levam em consideração a tensão de alimentação do módulo. Sendo assim, na conexão com um microcontrolador que também é alimentado com +3.3V não será necessário o uso de nenhum tipo de regulador de tensão. Já no caso mais comum, onde a conexão é utilizada com microcontroladores alimentados com +5V será necessária a utilização de qualquer componente capaz de adequar o nível de tensão para +3.3V. As Figuras 23 e 24 mostram exemplos
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destas conexões.
Figura 23: Conexão a um microcontrolador alimentado com 3.3V Fonte: Sure Electronics, 2008
Como já foi mencionado, no caso de microcontroladores alimentados com tensões de 3.3V, as conexões com o módulo podem ser feitas de forma direta entre os pinos TX e RX de cada dispositivo.
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Figura 24: Conexão a um microcontrolador alimentado com 5V Fonte: Sure Electronics, 2008
Nesse caso, o fabricante propôs a utilização de transistores para regular a tensão de 5V para 3.3V. Outros componentes também podem ser utilizados como optoacopladores, drivers, ci’s reguladores, etc. Devido às características do microcontrolador PIC16F877A, que admite tensão de alimentação entre 2,0V e 5,5V, a primeira configuração apresentada poderia ser utilizada na montagem do circuito, porém durante os testes de comunicação, com tensão de 3,3V aplicados no microcontrolador, este não operou adequadamente, não respondendo aos comandos a ele enviados. Foi necessária a aplicação da tensão padrão de funcionamento do microcontrolador ou seja, 5V. Sendo assim, a configuração usada na montagem do circuito foi a correspondente a Figura 24. Com esta configuração o hardware operou corretamente, estabelecendo a perfeita comunicação entre o microcontrolador e o notebook .
4 DESENVOLVIMENTO
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Neste momento, completados e conferidos todos os testes realizados em simulação, o projeto foi testado com os componentes reais que fizeram parte do projeto. Neste caso, o circuito proposto foi montado e os testes de comunicação sem fio foram realizados utilizando o hyperterminal do notebook . Para isso, foi necessária a configuração do hyperterminal para que este criasse uma porta de comunicação com o dispositivo Bluetooth instalado no notebook.
Tais configurações e procedimentos serão descritos durante o
desenvolvimento. Grande parte dos componentes utilizados na montagem do projeto foram citados anteriormente, porém uma listagem completa dos componentes utilizados na montagem final do projeto é a seguinte: •
Microcontrolador PIC16F877A;
•
Módulo Bluetooth SURE ELECTRONICS classe 2 e interface UART;
•
4 Potênciometros – 1KΩ;
•
4 Chaves on/off simples;
•
1 Led;
•
5 Resistores de 220Ω;
•
1 Resistor de 680Ω;
•
2 Resistores de 1KΩ;
•
2 Resistores de 10KΩ;
•
1 Capacitor de 1uF;
•
2 Transistores BC548;
•
Placa de fenolite;
•
Cristal de 4MHz;
•
Fios diversos. Inicialmente, para o início da montagem do protótipo, foi necessária a
confecção de uma placa simples de circuito impresso, utilizando a placa de fenolite, como mostra a Figura 25, na qual foi soldado o módulo Bluetooth.
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Figura 25: Placa confeccionada para o módulo Bluetooth
O próximo passo foi a montagem completa do circuito, com todos os componentes citados anteriormente. Em seguida iniciaram-se os testes de comunicação. Para habilitar o hyperterminal a receber os dados do microcontrolador através do módulo Bluetooth foram necessárias algumas configurações. Uma vez que o módulo Bluetooth Sure GP-GC021 foi identificado pelo notebook e teve a sua conexão permitida, duas portas COM (portas de comunicação serial) virtuais são habilitadas, uma vez que não existem cabos conectados ao notebook . Uma das portas COM é de saída, o que permite que o notebook inicie a conexão com o dispositivo externo. Já a outra porta é de entrada, onde permite que o dispositivo externo inicie a conexão. Outra configuração é do baud rate de cada porta COM habilitada para a conexão com o módulo GP_GC021. Ambas devem ser alteradas para operar com um taxa de 9600 baud , que é a taxa de transmissão padrão do módulo Bluetooth. Caso estas taxas de transmissão não estejam sincronizadas, o sistema terá um funcionamento instável. Os dados recebidos pelo notebook não serão interpretados corretamente e o hyperterminal não apresentará ao usuário as informações corretas e sim, caracteres desconexos. Vale lembrar que toda a autenticação e estabelecimento do enlace Bluetooth entre o notebook e o módulo GP-GC021 é realizada automaticamente e não necessita de nenhum tipo de comando específico por parte do usuário. Apenas, após o enlace de comunicação estabelecido, será realizada a autenticação com o
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microcontrolador para que este possa enviar os dados. Até então este envia apenas o menu dos comandos para transmissão dos dados. Enfim, o módulo Bluetooth Sure GP-GC021 atua apenas como um meio físico entre o PIC16F877A e o notebook . O fluxograma da transmissão de dados entre o microcontrolador e o computador é apresentado na Figura 26.
Figura 26: Fluxograma da transmissão de dados
Finalmente, a Figura 27 apresenta o digrama completo do circuito montado.
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Figura 27: Diagrama completo do circuito proposto
As imagens a seguir mostram os testes realizados e o circuito montado.
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Figura 28: Primeira parte do circuito montado
Figura 29: Microcontrolador e módulo Bluetooth
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Figura 30: Alimentação do Circuito
Figura 31: Circuito em funcionamento – Led ligado
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Figura 32: Vista de todos os componentes montados no circuito
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Figura 33: Hyperterminal - Menu
Figura 34: Hyperterminal – Código de acesso
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Figura 35: Hyperterminal – Acesso permitido
Figura 36: Informações mostradas na tela do computador
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5 RESULTADOS
A partir das simulações do protótipo via software e da realização dos testes reais com o hardware desenvolvido, foi possível comprovar a eficiência da comunicação sem fio entre o notebook e o módulo Bluetooth utilizado no trabalho. Pode-se afirmar com certeza que as características do módulo Bluetooth GP-GC021 facilitaram consideravelmente o desenvolvimento do projeto, pois não foi necessário nenhum comando específico para o funcionamento deste. O dispositivo se mostrou confiável e a comunicação extremamente estável, garantindo o recebimento perfeito de todas as informações enviadas ao computador. Mesmo com as limitações do hyperterminal, que é um aplicativo relativamente simples, com restrições de reconhecimento de caracteres e visualização relativamente simplória, foi possível analisar os dados recebidos. Algumas dificuldades foram encontradas durante o desenvolvimento, porém nenhuma que trouxesse transtornos relevantes. Alguns problemas na montagem do circuito e na configuração da porta COM (porta serial habilitada pelo notebook para comunicação com o módulo Bluetooth Sure GP-GC021) surgiram, mas foram logo sanados. Comprovada a funcionalidade do projeto, certamente será possível realizar a complementação do trabalho, onde a comunicação Bluetooth será entre a própria ECU do veículo e o notebook.
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6 TRABALHOS FUTUROS
Diversas aplicações para este trabalho podem ser analisadas, além da própria complementação deste. Sobre a aplicação do Bluetooth é possível o desenvolvimento de diagnóstico em rede, onde um notebook poderá atuar como ferramenta de diagnóstico de até sete automóveis simultaneamente. Esta característica pode ser interessante para testes realizados em linhas de produção ou até mesmo para as redes autorizadas que realizam serviços de diagnóstico de falhas e correções. Outra atividade a ser desenvolvida é criação de uma aplicação com interface gráfica, mais atrativa ao usuário. Tal aplicação pode ser desenvolvida em qualquer linguagem gráfica como Java, Delphi, Linguagem C, entre outras. Uma excelente opção, devido ao grande suporte a tecnologia Bluetooth, é a plataforma Java, que ultimamente vem ganhando muito espaço devido as suas funcionalidade e segurança. Quanto ao suporte oferecido a esta linguagem, existe o J2ME, próprio para dispositivos com pouco poder de memória e processamento e J2SE, próprio para computadores pessoais. Além disso, existem diversas ferramentas e ambientes de desenvolvimento gratuitas no próprio site da empresa desenvolvedora da linguagem. Ainda existem possibilidades além do contexto deste trabalho, como sistemas de automação em geral.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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STANDARD DIAGNOSTIC PROTOCOL ON
Acesso em: 15 nov. 2009.
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ANEXO A - Microcontrolador PIC16F877A
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ANEXO B – Lista de Parâmetros e fórmulas de conversão da ECU.
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ANEXO B – Continuação
