Estudo do impacto de transientes elétricos em protocolos de comunicação em sistemas embarcados

Abstract

O aumento da complexidade e responsabilidade dos dispositivos embarcados nos veículos hoje, tem orientado os esforços no desenvolvimento de sistemas de controle para que estes sejam mais rápidos, precisos, robustos e principamente seguros. Com isso, estes dispositivos estão levando os protocolos de comunicação a um patamar inédito de exigência, tanto no quesito de capacidade como confiabilidade. Protocolos como CAN, CAN-FD e FlexRay entre outros, tem sido utilizados devido às suas características de segurança e a capacidade de atender aos requisitos temporais dos diversos circuitos embarcados. O desenvolvimento e utilização cada vez mais frequente de dispositivos focados em segurança, fazem com que a comunicação entre os diversos componentes destes dispositivos seja exigida ao máximo, levando à necessidade de respostas confiáveis ao extremo. Sistemas como freios ABS, suspensão ativa, frenagem autonoma de emergência, controle de velocidade e distância adaptativo, entre outros, que envolvem várias ECUs distribuídas ao longo do veículo, dispões de frações de segundo para a reação do sistema, entre o sinal de entrada e a atuação correspondente, demandando uma comunicação segura e tolerante à falhas. Os veículos hoje estão passando por grandes mudanças conceituais, trazendo cada vez mais elementos onde o funcionamento demanda mais energia das fontes de alimentação. Diversos sistemas existentes nos veículos geram ruídos como os Transientes Elétricos Rápidos, ou "Electric Fast Transient" (EFT), que estão presentes nas mais simples operações cotidianas do veículo, como ligar e desligar o farol, o ar condicionado, o limpador de para brisas, ou mesmo o acionamento de iluminação diurna (DRL), etc. Neste trabalho foram realizados diversos ensaios, utilizando ECUs com diferentes funções e protocolos, para identificar a susceptibilidade dos referidos sistemas e os protocolos à presença destes ruídos. Visando atender às normas IEC 62228 e a ISO26262, este trabalho demandou o projeto e construção de dois circuitos eletrônicos diferentes, um circuito observando os dados de tempos de subida e de descida (rise and fall time) dos pulsos de EFT, e outro observando a arquitetura do layout da placa de circuito impresso (PCB), as suas entradas, saídas, componentes, etc. Estes ensaios visaram identificar o quanto estes protocolos são suscetíveis à estes tipos de ruídos, utilizando métricas de análise baseadas nos tempos de latência e variação de jitter dos pacotes de comunicação.

The increasing complexity and accountability of embedded devices in vehicles today has driven efforts to develop control systems to make them faster, accuratest, safest, robustest. Thus, these devices are taking communication protocols to an unprecedented level of demand, both in terms of capacity and reliability. Protocols such as CAN, CANFD and FlexRay among others have been used due to their safety characteristics and the ability to meet the time requirements of various embedded circuits. The increasing development and use of safety-focused devices, means that communication between the various components of these devices is required to the utmost, leading to the need for extremely reliable responses. Systems such as ABS brakes, active suspension, autonomous emergency braking, adaptative cruise control, among others, which involve various ECUs distributed throughout the vehicle, have milliseconds for system reaction, between input signal and concrete actuation, requiring safe and failure tolerant communication. Vehicles today are undergoing major conceptual changes, bringing more and more elements whose operation require more energy from power supplies. These systems generate noise such as "Electric Fast Transient" (EFT), which are present in the simplest daily operations of the vehicle, such as turning the headlight on, the air conditioner, the windscreen wiper, or even the daytime running light (DRL), etc. In this work several tests were carried out, using different ECUs with different functions and different protocols to identify the susceptibility of these systems and the protocols to these noises. In order to comply with IEC 62228 and ISO 26262 standards, this work required the design and construction of two different electronic circuits, one circuit observing the rise and fall time data of the EFT pulses, and the other observing the architecture of the printed circuit board (PCB) layout, its inputs and outputs, components, etc. These tests aimed to identify how susceptible these protocols are to these types of noise, using analysis metrics based on latency time and jitter variation of communication packets.