Redes CAN (Controller Area Network)
Myagyh A. P. Miranda, Vitória R. L. Lacerda
myagyh_map@hotmail.com, vitoria.regina.lacerda@hotmail.comEscola de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica de Goiás
Setor Universitário, Av. Primeira Avenida, Campus I, Área III
Goiânia/GO, Brasil, 74605-010
Resumo – Neste trabalho são apresentadas as principais características das redes CAN (Controller Area Network) que é uma tecnologia de comunicação serial aplicada em larga escala principalmente na indústria automobilística. Dessa forma, é realizado um estudo do protocolo CAN referente às características elétricas e funcionais, detalhando tecnicamente o seu barramento e aspectos de endereçamento, estrutura, aplicação e implementação. Além de ser apresentado um pequeno histórico do desenvolvimento dessa tecnologia.
1 INTRODUÇÃO
Por volta da década de 80, ocorreu um grande aumento do número de componentes eletrônicos de controle e telemetria usados em veículos. Pensando nisso, o modelo Controller Area Network (CAN) foi proposto por Robert Bosch, em 1983, para interconexão de componentes de controle em veículos [1].
A rede automotiva de dados CAN é padronizada mundialmente pela resolução ISSO 11898, gerada pela International Society of Organization. Utilizando como referência a definição em camadas das redes de dados ISO/OSI, toda a especificação da rede CAN diz respeito apenas aos níveis físico e de enlace [1].
Devido às suas excelentes características, a rede CAN vem sendo utilizada também em aplicações industriais, com alto índice de sucesso. Hoje, apesar de também ser utilizado em aplicações industriais, este barramento é aplicado principalmente em sistemas embarcados por possuir características desejadas na área da comunicação de dados, como tolerância a interferência eletromagnética, prioridade de mensagens, recuperação de falhas, entre outras.
A rede CAN é um protocolo de múltiplo acesso com detecção de portadora e de colisão e arbitragem na prioridade da mensagem (CSMA/CD+AMP). Sendo que atualmente existem três principais tipos de redes CAN em uso, que são: CAN baixa-velocidade (padrão ISO 11519) com taxa máxima de 125kbps e 11 bits de identificador, versão 2.0A (padrão ISO 11898:1993) com taxa máxima de 1Mbps e 11 bits de identificador e versão 2.0B (padrão ISO 11898:1995) com taxa máxima de 1Mbps e 29 bits de identificador [2].
Esse protocolo provê um sofisticado mecanismo de detecção e manipulação de erro, além de alta imunidade contra interferência eletromagnética. Mensagens errôneas são automaticamente retransmitidas, erros temporários são recuperados e erros permanentes são seguidos por sistema automático de desligamento de nós defeituosos. Com isso, tem-se uma consistência de dados garantida em todo o sistema [3].
2 HISTÓRICO
A seguir é mostrado os principais eventos associados ao processo de evolução das redes CAN desde o começo do desenvolvimento para utilização em automóveis, passando pelas especificações das versões 2.0A e 2.0B, publicação do padrão ISO 11898 até o desenvolvimento do protocolo de comunicação “time-triggered” [2].
1983 – Começo do desenvolvimento de uma rede de dados para automóveis pela empresa Bosch.
1986 - Introdução oficial do protocolo CAN.24.
1987 - Primeiros chips CAN da Intel e da Philips Semicondutores.
1991 - Especificação das versões 2.0A e 2.0B CAN pela Bosch. O protocolo de alto nível baseado no CAN chamado de CAN Kingdom foi introduzido pela empresa Kvaser.
1992 - Foi fundado o “CAN in Automation (CIA)”: um grupo de usuários e fabricantes internacionais da rede CAN. Foi publicada pela CIA o protocolo CAN Aplicattion Layer (CAL). Primeiros automóveis da Mercedes-Benz usam a rede CAN.
1993 - Publicado o padrão ISO 11898.
1994 - Primeira conferência internacional organizada pela CIA. Protocolo DeviceNet desenvolvido pela Allen-Bradley.
1995 - Alteração do protocolo ISO 11898 (onde foi estendido o formato do frame). Protocolo CANOpen publicado pela CIA.
2000 - Desenvolvimento do protocolo de comunicação “time-triggered” para a rede CAN (TTCAN).
3 CARACTERÍSTICAS DO BARRAMENTO
Tendo como referência o modelo ISO-OSI, o protocolo CAN utiliza duas camadas para o barramento, a Camada Física e a Camada de Enlace [3].
3.1 Camada Física
Realiza a codificação, a decodificação, a temporização e a sincronização do sinal, além de ser responsável pelo confinamento de falhas (juntamente com a camada de enlace) e tratamento de falhas provenientes do barramento.
O barramento CAN é formado por um par de fios trançados com impedância característica de 120 ohms. O Sinal é transmitido neste barramento de forma diferencial, ou seja, a diferença de tensão entre os terminais do barramento é que carrega a informação, os fios deste barramento são denominados CAN_H (High) e CAN_L (Low) [4].
Para a conexão dos nós ao barramento CAN geralmente é utilizado conectores tipo DB 9.
Figura 1 – Gráfico da Taxa de Transmissão de bits em relação à distância dos nós. Fonte: Guimarães, 2009.
Por convenção, o bit 1 é considerado o bit recessivo e o bit 0 o bit dominante. Para gerar um bit dominante é necessário que a tensão em CAN_H seja cerca de 3,5V e a tensão em CAN_L seja de 1,5V (padrão ISO 11898) [4].
A rede CAN apresenta a capacidade de monitoramento de bits para verificação de utilização do barramento e devido a este fato a capacidade de transmissão de bits diminui com a distância dos nós presentes na rede como pode ser observado na Figura 1 [3].
3.2 Camada de Enlace
Responsável pela filtragem de mensagens, notificação de sobrecarga, controle de recuperação, encapsulamento e desencapsulamento de dados, codificação dos quadros, controle de acesso ao meio, detecção e sinalização de erros e confinamento de falhas.
Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN:
CAN 2.0A: mensagens com identificador de 11 bits. É possível ter até 2048 mensagens em uma rede constituída com esse formato, o que pode caracterizar uma limitação em determinadas aplicações.
CAN 2.0B: mensagens com identificador de 29 bits. É possível ter, aproximadamente, 537 milhões de mensagens em uma rede com esse formato. A limitação em virtude da quantidade de mensagens não mais existe.
O acesso ao barramento é manipulado através do protocolo de comunicação serial Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD). Isto significa que a
Figura 2 – Exemplo de arbitragem. Fonte: Ferreira, 2009.
colisão de mensagens é evitada através de arbitragem bit a bit, sem perda de tempo.
3.2.1 Arbitragem
A arbitragem utiliza o processo de dominância de bits para garantir que a prioridade entre as mensagens venha a ser mantida. A dominância previne que a mensagem com maior prioridade seja sobreposta ou destruída por outra mensagem de menor prioridade. A rede CAN utiliza o princípio de detecção de portadora para verificar se a mensagem transmitida corresponde de fato à mensagem que o transmissor enviou. E este princípio é utilizado também para verificar se o canal está liberado para o início de transmissão [4].
A Figura 2 apresenta um exemplo de quatro nós e o canal CAN, onde, os nós A, B e C começam a transmitir a mensagem no mesmo instante, o nó D detecta o início de transmissão e entra no modo de recepção. O identificador das mensagens possui os mesmos últimos dígitos (bits 6,7,8,9 e 10). Até este ponto nenhum dos nós detectou a superposição do canal. Quando o bit 5 (recessivo) é enviado o nó B detecta um erro e entra no modo de recepção. O que será feito com a mensagem
B é definido pela aplicação. O nó A só percebe a sobreposição ao enviar o bit 3, neste momento ele entra em modo de escuta de canal e o nó C envia o restante da mensagem sem perceber que ouve a sobreposição. Percebe-se então que a prioridade sobre a rede não é do nó e sim da mensagem, e mensagens com o primeiro bit dominante enviado terá prioridade.
3.2.2 Confinamento de falhas
O CAN apresenta o confinamento de falhas que consiste no isolamento de nós defeituosos ou no total desligamento do barramento dependendo da gravidade do erro detectado na rede. Fisicamente consiste em dois contadores presentes nos nós e no barramento, um contador é responsável por detectar erros de transmissão e outro para detectar erros de recepção [4].
3.2.3 Filtragem
Por ser uma rede que não utiliza endereçamento no envio e recebimento de mensagens, a identificação de nós é feita através de um processo simples de filtragem de mensagens. Todas as mensagens são transmitidas em broadcast, ou seja, a mensagem transmitida é recebida por todos os nós da rede. Ao
Figura 3 – Exemplo de filtragem. Fonte: Ferreira, 2009.
receber uma mensagem o equipamento faz a filtragem analisando o campo de identificação e verifica se deve ou não completar o pedido enviado. O exemplo a seguir mostra como a mensagem enviada pelo nó A é filtrada por todos os outros nós presentes na rede. Somente o nó D possui o filtro capaz de receber as mensagens de A
.
4
CANOpen
CANOpen é o nome dado ao padrão de protocolo desenvolvido pelo grupo de fabricantes denominado CAN in Automation (CIA). Este protocolo foi desenvolvido para suprir a falta de padronização do protocolo CAN nas camadas maiores (baseando-se no modelo OSI). O CANOpen foi inicialmente criado para aplicações com máquinas motoras, mas atualmente domina grande parte dos sistemas de automação, inclusive o ramo residencial [3].
O protocolo CANOpen pode ser resumido em três partes: a aplicação, o dicionário de objetos e o protocolo propriamente dito. A aplicação faz apenas a tradução dos dados recebidos e enviados para que o usuário interaja. O dicionário de objetos contem diversos parâmetros comuns a todos os equipamentos. Esses parâmetros contêm informações sobre o estado do equipamento, estado da rede e ainda possui valores específicos para os fabricantes. E por fim o protocolo que é o responsável pela padronização dos dados enviados na rede, lembrando que os dados a serem enviados são encapsulados no protocolo
CANOpen e em seguida no protocolo CAN e são transmitidos na rede.
O controle de erros do protocolo CANOpen é atravez de um método chamado Heartbeat (Batida do coração) que é um pacote de mensagem enviado ciclicamente para todos os equipamentos do barramento contendo o identificador do equipamento e seu estado. O heartbeat também é usado como timer de sincronismo de rede [3].
5 CONCLUSÃO
Como visto, o CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono que possui características interessantes, como o fato de ser multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre num determinado momento e escravo num outro, e trabalhar com mensagens multicast, onde todas as mensagens são recebidas por todos os módulos da rede.
Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no conceito CSMA/CD com NDA, isto significa que todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo não está enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la.
Pode-se concluir que a aceitação do protocolo CAN por parte da indústria de automação se deve a vários fatores, como: baixo custo; prioridade das mensagens; elevado grau de capacidades de tempo real e controlo distribuído; fácil utilização; disponibilidade de componentes, controladores, com o protocolo CANOpen.
REFERÊNCIAS
[1] BARBOSA, Luiz Roberto Guimarães. Redes
CAN. 2003. 14 f. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade
Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2003.
[2] ALMUDI NETO, Dario. Requisitos Técnicos para
Aplicação do Protocolo CAN. Curso de Engenharia da
Computação, Unimep – Universidade Metodista de Piracicaba, Piracicaba – SP.
[3] NASCIMENTO, Lucas de Camargo. Protocolo de
Comunicação CAN e suas Aplicações na Industria Automobilistica.2006. 42 f. TCC (Graduação) - Curso de
Engenharia Elétrica, A Universidade São Francisco de Itatiba, Itatiba, 2006.
[4] FERREIRA, Eduardo Henrique Corrêa. Automação
Residencial Utilizando Protocolo CAN. 2009. 65 f. TCC
(Graduação) - Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2009.
[5] GUIMARÃES, Alexandre de Almeida; SARAIVA, Antônio Mauro. O Protocolo CAN: Entendendo e Implementando uma Rede de Comunicação Serial de Dados baseada no Barramento “Controller Area Network”. São Paulo, p.1-9, abr. 2009.
