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REDES INDUSTRIAISCAN
Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012
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CAN
• É um protocolo de comunicação serial;• Desenvolvido inicialmente pela Bosch (1986) para
aplicações automotivas;• Como método de acesso ao barramento usa o protocolo
CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution), também chamado de CSMA/CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Arbitration on Mesage Priority);
• Foi adotado em 1993/94 como padrão mundial ISO11898;
• CiA (CAN in Automation) é uma associação de fabricantes de controladores CAN e de microcontroladores com controladores CAN integrados.
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CAN
• Características gerais– Mensagens de dados são pequenas (até 8 bytes);– Taxa de até 1 Mbps;– Priorização de mensagens;– Pode transmitir em broadcast;– Recepção multicast com sincronização;– Detecção de erros;– Sinalização e retransmissão automática de mensagens;– CAN 2.0A especifica identificadores de 11 bits;– CAN 2.0B suporta mensagens estendidas com identificadores
de 29 bits;– É constituído somente de duas camadas: Enlace de dados e
Física. A Camada de Aplicação é especificada pelo projetista.
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CAN
• Características gerais:– O controle do acesso ao barramento é feito por um esquema de
arbitragem binária não destrutiva (bitwise arbitration) descentralizada, baseada na adoção dos níveis dominante (0) e recessivo (1);
– Não há endereço explícito nas mensagens. Cada mensagem carrega um identificador que controla sua prioridade no barramento e também identifica seu conteúdo;
– Esquema de tratamento de erros com retransmissão de mensagens;
– Isola falhas e remove nós com problema do barramento;– Filtra mensagens (endereçamento);– Os meios físicos podem ser o par metálico, a fibra óptica e
radiofrequência;– Possui capacidade multimestre;– Distingue entre erros temporários e erros permanentes;– Flexibilidade de configuração.
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CAN
• Arquitetura– Define duas camadas:
• Camada de enlace de dados– LLC – Logic Link Control
» Controle de aceitação de mensagens» Notificações de sobrecarga do nó à rede
– MAC – Medium Access Control» Controle do acesso ao meio físico» Detecção e sinalização de erros» Reconhecimento de mensagens recebidas» (Des)encapsulamento de mensagens
• Camada física– Define o nível do sinal de transmissão– Ajuste do tempo de bit (bit timing)– Sincronização entre os nós
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CAN
• Camada Física– Versões: 1.0 e 2.0A Padrão (com
identificadores de 11 bits) e 2.0B Estendida (com identificadores de 29 bits);
– A versão 2.0B pode ser:• Passiva: envia e recebe somente quadros padrão
(11 bits);• Ativa: envia e recebe quadros tanto padrão quanto
estendida.
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CAN - Frames
SOF
11 bits identificadores
RT R
I
DE
r0DL
C
0 a 8 bytes de dados
CRC
ACK
EOF
I
F
S
SOF
11 bits identificadores
SRR
IDE
18 bits identificadores
RT R
r0 r1DL
C
0 a 8 bytes de dados
CRC
ACK
EOF
I
F
S• SOF – Start of Frame (1 bit) – início da mensagem e sincronismo dos nós
• Identificador (11 ou 29 bits) – define a identificação e a prioridade da mensagem
• RTR – Remote Transmission Request (1 bit) – indica uma requisição de transmissão remota
• IDE – Identifier Extension (1 bit) – indica se haverá ou não extensão do identificador
• r0 – Reservado (1 bit)
• DLC – Data Length Code (4 bits) – contém o número de bytes de dados a serem transmitidos
• Data (64 bits) – contém os dados da mensagem
• CRC – Cyclic Redundancy Check (16 bits) – código de detecção de erros
• ACK – Acknowledge (2 bits) – reconhecimento do recebimento de uma mensagem sem erros
• EOF – End of Frame (7 bits) – indica o fim de um frame
• IFS – Inter Frame Space (7 bits) – contém a quantidade de tempo requerido pelo controlador CAN para mover um frame para a posição dele na memória.
• SRR – Substitute Remote Request (1 bit) – substitui o RTR
• r1 - Reservado
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• Frame de dados: transmite os dados entre os nós da rede CAN (emissor e o receptor). O campo DLC indica o tamanho da mensagem (carga útil);
• Frame remoto: é enviado por um nó da rede que necessita de uma dada mensagem. O campo RTR terá valor 1. Não existe carga útil;
• Frame de erro: notifica um erro no recebimento de um frame e pode ser enviado por qualquer nó da rede;
• Frame de sobrecarga: sinaliza sobrecarga em um nó, impossibilitando-o de receber frames de dados
CAN – Formatos de frame
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• A prioridade é especificada pelos identificadores• O identificador de menor valor numérico tem maior prioridade• O protocolo CAN permite acesso simultâneo ao barramento por
diferentes nós. Nesse caso a arbitragem é requerida• Se o barramento estiver ocupado o nó atrasa sua transmissão• O método de acesso é o CSMA/CA with NDA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance with Non-Destructive Arbitration)
• Os conflitos são resolvidos através da arbitragem bit a bit dos identificadores das mensagens
• Cada nó observa a rede bit a bit utilizando o mecanismo bitwise em que o estado dominante (“0”) se sobrepõe ao estado recessivo (“1”)
• O nó que está transmitindo um bit dominante tem prioridade sobre o nó que está transmitindo um bit recessivo
• Todos os nós perdedores tornam-se imediatamente receptores da mensagem com maior prioridade e somente voltam a tentar transmitir quando a rede estiver livre
CAN – Processo de arbitragem
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CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN
Escuta
Escuta
Nó 1
Nó 2
Nó 3
Sinal no barramento
SOF 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
RTR
Nó 3 ganha a arbitragem
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CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN
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CAN - Barramento
Os dados são representados por bits Dominantes (nível 0, Vdif>=0,9V) e bits Recessivos (nível 1, Vdif =<0,5V), criados em função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L.
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CAN - Barramento
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• O controlador CAN pode estar conectado diretamente a um microcontrolador comum
• Os microcontroladores CAN possuem um controlador CAN interno
• Um nó, geralmente, é conectado a um barramento através de um transceiver
• O transceiver transforma os bits que entram no barramento em uma tensão diferencial para diminuir a EMI
CAN – Interface com microcontrolador
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CAN – Interface com microcontrolador com controlador embutido
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CAN – Conexão ao barramento
• Os nós são conectados ao barramento através dos fios CAN_H e CAN_L
• Pose-se usar conectores de 9 pinos
Pino Sinal Descrição
1 - Reservado
2 CAN_L Linha "baixa" do barramento
3 CAN_GND Terra para CAN
4 - Reservado
5 CAM_SHIELD Blindagem opcional
6 GND Terra opcional
7 CAN_H Linha "alta" do barramento
8 - Reservado
9 CAN_V+ Fonte externa opcional para CAN
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Protocolos de alto nível em CAN
• CAN oferece somente os serviços de transferência e requisição de dados
• A aplicação HLP (High Layer Protocol) deve especificar:– Os identificadores– Inicialização dos nós– Estabelecimento da comunicação– Transmissão de dados com mais de 8 bytes– Endereçamento dos nós– Controle de fluxo
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Alguns protocolos HLP abertos
• Automotivos– Volcano– J1939
• Industriais– CANopen– SDS – Smart Distributed Systems– CANKingdom– DeviceNet
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CAN para sistemas automotivos
• Vários sensores, atuadores, sistemas de segurança, sistemas de telemetria, ...
• Os controladores espalhados reduzem o tamanho do cabeamento e gerenciam o tráfego das informações constituindo a Rede intraveicular (In-Vehicle Networking)
• Vantagens de uma rede intraveicular:– Cabeamento menor– Compartilhamento de sensores– Flexibiliza o projeto
• Padrões: CAN, SAE, VAN, ABUS
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CAN para sistemas automotivos
• Padrão SAE (Society of Automotive Engineers) define três classes:– Classe A:
• Baixa velocidade (até 10 Kbps)• Aplicações típicas: entretenimento, áudio...• Implementada com uma UART (RS232)
– Classe B:• Média velocidade (até 125 Kbps)• Aplicações típicas: monitoramento de pressão, temperatura..• Protocolo SAE J1850
– Classe C:• Alta velocidade (acima de 125 Kbps)• Aplicações típicas: controle de servomecanismos em tempo
real (suspensão inteligente, controle aerodinâmico..)• Protocolo CAN 2.0
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Exemplo de aplicação para sistema automotivo
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Motor
Sensores de velocidade eaceleração
ControladorCAN principal
Transmissão Freios
Reservatóriode combustível
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Exemplo de aplicação para sistema automotivo
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Exemplo de aplicação para sistema automotivo
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Referências bibliográficas
• LUGLI, Alexandre B. e SANTOS, Max M. D. SISTEMAS FIELDBUS para Automação Industrial: Devicenet, CANopen, SDS e Ethernet. 1ª ed. Editora Érica, São Paulo, 2009.
• http://www.pcs.usp.br/~laa/Grupos/EEM/CAN_Bus_Parte_3.html
• http://www.fipai.org.br/Minerva%2001%2801%29%2001.pdf