5.2.3.2 CAN DE MÉDIA VELOCIDADE (ISO 11898-3)
5.2.3.3 CAN DE BAIXA VELOCIDADE (SAE J2411)
Este tipo de CAN tem a particularidade de possuir apenas uma linha de comunicação. O CAN de fio único, foi originalmente desenvolvida pela GM (General Motors Corporation) como alternativa ao UART Bus (tecnologia unifilar de comunicação) segundo o protocolo SAE J1850.
Este protocolo foi a base para o desenvolvimento do actual protocolo de comunicação unifilar (SAE J2411) que é uma alternativa adicional para aplicações de Redes CAN com baixos requisitos de taxa de transmissão de bits e comprimento das linhas.
Pela figura 5.19 pode-se verificar a arquitectura de ligações num sistema CAN de baixa velocidade.
Os parâmetros básicos deste sistema são:
Comunicação via uma única linha Bus;
Velocidade de transmissão de dados de 33,33kbit/s no funcionamento normal;
Modo de funcionamento em alta velocidade para diagnóstico de avarias (83,33kbit/s);
Até 32 nós/unidades por rede;
Seleccionar a opção de descanso (sleep mode).
O sistema CAN unifilar é usado principalmente em redes electrónicas de conforto nos veículos. Devido à baixa taxa de transmissão de dados, a topologia do Bus não é limitada a uma estrutura linear e a um comprimento baixo das linhas.
O protocolo J2411 inclui a capacidade selectiva do modo de descanso/inactivo de um nó permitindo a comunicação normal entre os restantes nós, enquanto deixam os outros nós num modo “imperturbável”. Isto é feito controlando os níveis lógicos do Bus, ou seja, todos os nós devem “acordar/despertar” quando recebem uma mensagem transmitida a uma tensão de 2/3VBAT. Se a comunicação for feita em modo normal de tensão, não há qualquer perturbação dos nós em modo de descanso/inactivo.
Os transdutores detectam automaticamente um pedido de despertar, de seguida fazem uma sinalização do conjunto de bits recebidos ao controlador CAN. A tensão de despertar e o modo de alta velocidade (diagnóstico) podem não ser activados ao mesmo tempo. Isto implica que o Bus seja despertado apenas quando se encontra no modo de operação e velocidade normais.
No sistema de ligações ilustrado de seguida (na figura 5.20) acontecem alguns fenómenos importantes em que se explica o seu funcionamento de seguida.
Fig. 5.20 – Arquitectura de ligações entre componentes em sistemas CAN de fio único
O controlador CAN do protocolo alimenta o transdutor com um fluxo de dados através da entrada TX. O transdutor converte os dados para um sinal Bus controlado em amplitude e forma de onda de forma a minimizar as interferências electromagnéticas. O sinal de saída para o Bus é feita através do pino/ terminal CAN H, que se encontra ligado à linha Bus (CAN H – fio único).
Se o TX estiver em nível lógico baixo, o pino CAN H fica com 4V de tensão. Por outro lado, de TX estiver em nível lógico alto (bit 1), a saída para a linha CAN H é forçada a ficar em estado passivo devido à carga da resistência local RT.
As ligações físicas de todos os transdutores do Bus têm uma configuração de portas do tipo PORTAS- OR (OU). As portas OU funcionam como uma soma, basta que um dos valores seja 1, para o valor final ser 1 (fig. 5.21).
Fig. 5.21 – Porta lógica OR (OU)
Ou seja, o Bus está no nível dominante, a menos que todos os nós na rede estejam no nível recessivo/ passivo. Basta que um nó da rede esteja em modo dominante para que o Bus fique também em no estado dominante.
De modo a fornecer protecção a uma possível desconexão do fio de massa, a resistência RT está ligada ao pino RTH do transdutor (ver fig. 5.20). Em que o pino RTH está ligado à massa através de um circuito do transdutor (PROTECÇÃO DE PERDA DE MASSA – ver fig. 5.20). Assim, fornecendo ao sistema esta protecção alternativa de ligação à massa, não há fluxo de dados provenientes da massa em direcção ao Bus por via da resistência RT.
De seguida, o receptor detecta o fluxo de dados no Bus e recebe-os através do pino RX, que deve estar ligado ao controlador CAN. Se o Bus estiver recessivo (todos os nós estão em modo passivo), o RX toma um valor lógico alto por acção externa de um transístor. Por outro lado, se o Bus estiver dominante (um nó está activo), o RX toma um valor lógico baixo. Significa que está em circuito aberto e, precisa da acção do transístor para voltar ao estado recessivo. Para garantir que o pino RX tem o mesmo valor de tensão que o sinal digital Bus o RX deve ser ligado à tensão de VCC (sinal de chave).
Este tipo de transdutor possui um filtro de altas- frequências de modo a assegurar a mínima susceptibilidade a interferências electromagnéticas. Este filtro é possível aplicando uma bobina externa (L) e um condensador (C) no pino CAN H (ver fig. 5.22).
Fig. 5.22 – Bobina e condensador (filtro) no transdutor CAN
No sistema CAN de fio único existem alguns mecanismos que fazem a protecção do sistema a falhas, como por exemplo curto-circuitos, picos de tensão, etc.
A ligação/pino BAT está protegida contra picos de tensão até 40V ou picos de arranque, a ligação/pino CAN H está protegida contra descargas electrostáticas até 8KV sem a ajuda de qualquer dispositivo externo ao circuito. O sistema está também protegido contra curto-circuitos à massa ou ao positivo da bateria.
Há também outro tipo de protecção para todo o sistema de ligações, que se prende com a temperatura de funcionamento. Neste caso a protecção é feita com a completa desactivação do sistema se por ventura, a temperatura chegar aos 155ºC. A transmissão é de novo assegurada quando a temperatura baixar 15ºC.
Por fim, os pinos NSTB e EN servem para alternar os modos de controlo. Este tipo de transdutor (Philips AU5790) tem quatro modos de funcionamento: modo latente (descanso), modo despertar, modo de transmissão de alta velocidade, e, modo de transmissão normal.
ESTADOS DE TRANSMISSÃO – RECESSIVO E DOMINANTE
No caso da CAN de baixa velocidade, os níveis de tensão da linha CAN H têm uma particularidade importante, que é o facto de quando se inicia uma transmissão de dados efectua-se o despertar do sistema. Para iniciar uma mensagem o sistema é “acordado” com um pico de tensão de 12V e depois sim, se processa ao envio da mensagem (ver fig. 5.23).
Neste tipo de CAN uma mensagem de “despertar” tem um nível de sinal mais elevado do que em sistemas CAN de alta e média velocidade.
Quando o NSTB está com valor lógico baixo (bit 0) e EN está com valor lógico alto (bit 1), o sistema entra em modo de despertar. Ou seja, envia um sinal com elevado nível de tensão (12V), o que resulta na activação de todos os nós ligados ao sistema que estejam no modo inactivo/latente (sleep mode).
A figura fig. 5.23 mostra os sinais de transmitidos, recebidos e os que seguem para a linha Bus. O nível de tensão para despertar o sistema é 12V (dominante), enquanto o nível de tensão normal é 4V.
Os nós que estão em modo latente (inactivos) devem ignorar níveis de tensão dominantes de 4V, e, apenas responder a sinais de despertar (alta tensão – 12V).
No receptor, o atraso do tempo de recepção no modo latente é muito maior do que no modo normal, dado que, pode dar-se o caso de a primeira mensagem de despertar ficar perdida no sistema, mas, não é necessário que uma mensagem de despertar seja recebida correctamente pelos nós que estão em modo latente. É apenas necessário que todos os nós em modo latente recebam o sinal de alta tensão e coloquem o RX com nível lógico alto (bit 1), então o controlador pode assim, começar o oscilador com a sua base de tempos, colocar o transdutor no modo normal, etc.
Entretanto, esta alta tensão de despertar tem o mesmo tempo de atraso que o sinal de tensão normal (normalmente 4V). Assim os nós que estão em modo normal podem interpretar os sinais de alta tensão correctamente.
NOTA: o modo de alta velocidade (diagnóstico) e o modo de despertar não devem ser activados simultaneamente na rede.
Fig. 5.24 – Mensagem CAN de baixa velocidade
De notar, que o bit inicial (recessivo) de 12 V apenas serve para despertar a rede, tendo os restantes bits recessivos 4 V.
ELEMENTOS FINAIS DO BUS
Para os sistemas CAN de baixa velocidade, por defeito, as resistências finais são necessárias para colocar o Bus no estado recessivo.
Na figura 5.25 pode-se verificar as ligações entre os componentes de um sistema CAN de baixa velocidade, deve-se salientar o facto das resistências fazerem um “by-pass” para proteger o sistema de eventuais curto-circuitos.
Fig. 5.25 – Componentes do sistema CAN de baixa velocidade
Nestes sistemas as resistências finais têm normalmente valores na ordem dos 9000 ohms. As protecções do sistema (já explicadas anteriormente) são efectuadas através de vários componentes, condensadores (de 220μF) e também bobinas (de 47μH).
Capacidade de carga de um nó (RT) 2kΩ < RT < 9,2kΩ
Para uma rede CAN com 32 nós, as resistências devem ter valores de RT = 9,1kΩ. Um valor mais baixo de resistência (RT) irá resultar numa violação para o valor de resistência da linha CAN-Bus (RL) exigido.
Capacidade de carga da linha CAN (RL) 270Ω < RL < 9,2kΩ
RL é o resultado do paralelo entre todas as resistências dos nós, RT, entre o CAN-Bus e a massa. O valor mínimo (270Ω) de carga é limitado pela capacidade de saída de dados da linha CAN H.
Exemplo de uma Rede CAN de baixa velocidade
Uma rede normal pode ser constituída por nós standard e por nós opcionais, em que as capacidades de carga dos nós podem ser diferentes. O utilizador tem de considerar um máximo e um mínimo para o sistema, e para RL. A resistência da linha tende a aumentar com o comprimento. Um valor mais baixo de RL em nós standard pode ser usado para contrabalançar este aumento.
• 5 nós standard RT = 3,9kΩ • 0 a 20 nós opcionais RT = 9,1kΩ • 40 metros de comprimento da linha
Para um sistema mínimo, com apenas 5 nós standard:
RL = 3,9kΩ / 5 = 780Ω
Para um sistema máximo com 5 nós standard e 20 nós opcionais:
RL = 3,9kΩ / 5 (paralelo com) 9,1kΩ / 20 = 287Ω
Todos os parâmetros estão dentro dos requisitos, mas a resistência RL está próximo do limite mínimo. Então, o sistema está de acordo com todos os requisitos.
Este exemplo demonstra que é necessário um valor mais baixo de RT para os nós standard, de modo a garantir a constante de tempo dentro da especificação, especialmente quando o comprimento máximo e mínimo do sistema são comparáveis, no entanto, o número máximo de nós não pode ser alcançado nesta configuração.