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Eduardo Paciência Godoy1 Rafael Vieira de Sousa2 Arthur José Vieira Porto3 Ricardo Yassushi Inamasu4
RESUMO – O trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa computacional de
simulação para auxiliar a definição e o dimensionamento de parâmetros de configuração para o projeto de rede embarcada baseada no protocolo CAN (Controller Area Network) e na norma ISO 11783. As etapas desse desenvolvimento baseiam-se na elaboração de um modelo do enlace de dados da rede a partir da pesquisa e sistematização de equações matemáticas e na proposta de uma metodologia de análise a partir da definição de parâmetros fixos e variá-veis da rede. É construído um ambiente computacional de simulação que implementa o mo-delo e a metodologia de análise. Demonstra-se a funcionalidade do programa através da aná-lise de uma rede CAN aplicada em um robô agrícola móvel. A aplicação do programa com-putacional permite estudar o desempenho da rede CAN sob configurações de equipamentos e parâmetros de configuração diferenciados para aplicações em máquinas agrícolas.
Palavras chaves: rede CAN, análise de desempenho, ISO 11783
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B
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Y
ABSTRACT – This work presents the development of a computational simulation program
to support the selection of the configuration parameters for the project of embedded networks based on CAN (Controller Area Network) and ISO 11783 standard. The stages of this devel-opment are the modeling of the network data link based on the research and systematization of mathematical equations and the proposal of a methodology of analysis for selecting some parameters of the network. A simulation computational environment is built for implement-ing the model and the methodology. The functionality of the program is verified through the
1 Eng° de Controle e Automação, Bolsista de Mestrado CAPES. epgodoy@yahoo.com.br. 2 MSc. Eng.a Mecânica, Bolsista de Doutorado Fapesp.
3 Prof. Titular Departamento de Engenharia Mecânica.
analysis of a CAN-based network designed for a mobile agricultural robot. The application of the software allows the performance analysis of the CAN-based networks under differenti-ated equipment and configuration parameters for applications in agricultural machinery.
Keywords: CAN-based network, network performance analysis, ISO 11783 1 INTRODUÇÃO
Modernas arquiteturas distribuídas de automação são caracterizadas por redes de comunicação entre dispositivos de cam-po, usualmente conectadas através de um barramento de comunicação, chamado de
fieldbus. Em sistemas de controle e
automa-ção deste tipo, a instrumentaautoma-ção é constituí-da por dispositivos sensores e atuadores com diversas funções, capazes de executar pro-cessamento local e comunicar-se entre si. Os benefícios tecnológicos e funcionais obtidos através da utilização de barramentos de campo fazem dessa solução uma das tecno-logias do estado da arte em instrumentação e controle. De acordo com Farsi et al. (1999), entre as vantagens da utilização deste tipo de arquitetura distribuída ou tecnologia
field-bus, podem-se citar:
• Quantidade reduzida de cabeamento da
rede;
• Menor tempo de instalação e maior
ro-bustez do sistema;
• Flexibilidade e facilidade para ampliação
do sistema;
• Disponibilidade e viabilidade econômica.
Nesse contexto, há diversas possibi-lidades, entre elas o CAN – Controller Area
Network – que é um protocolo de
comunica-ção serial digital amplamente utilizado na indústria para integração de dispositivos
(OTHMAN et al., 2006). Aplicações têm demonstrado que a rede CAN oferece boas propriedades para transmissão de mensagens com requisitos temporais (LIAN et al., 2001).
O protocolo CAN apresenta impor-tância crescente em aplicações agrícolas (AUERNHAMMER, 2004). A crescente utilização do protocolo CAN na área agríco-la é confirmada em Suvinen e Saariagríco-lahti (2006) e Auernhammer e Speckman (2006), e também para a realidade brasileira em Sousa (2002) e Guimarães (2003). Constata-se, também, o esforço de instituições de pesquisa, associações de normas e de fabri-cantes de máquinas e implementos pela sua padronização. Atualmente a norma ISO 11783, também denominada ISOBUS, cons-titui o principal alvo de desenvolvimento e implementação como detalhado em Benne-weiss (2005).
Tipicamente, em sistemas de automação e controle, as especificações requerem que a atuação sobre o sistema controlado seja correta tanto do ponto de vista lógico como também do ponto de vista temporal. Em sistemas distribuídos baseados em redes de campo, como a rede CAN, isto não é diferente, de modo que cada dispositi-vo conectado possui um nível de prioridade para acessar o barramento e um período de tempo (deadline) em que sua mensagem deve ser transmitida sem que haja prejuízo
para o sistema de controle. Além disso, mos-tra-se interessante a proposta de estudos para situações como a presença de jitter no con-junto de mensagens (variabilidade do tempo médio de espera de uma mensagem na fila de transmissão) e o funcionamento da rede com alta carga de mensagens. Assim, para a implementação de aplicações em sistemas distribuídos é comum a pesquisa que busca desenvolver modelos e experimentos para análise de desempenho (GODOY, 2007), de modo a permitir o dimensionamento e a otimização do funcionamento do sistema distribuído.
Os trabalhos Tindell e Burns (1994) e Tindell et al. (1995) tornaram-se referên-cias, como o estado da arte em análise de redes baseadas no protocolo CAN. A partir destes trabalhos, diversas adaptações e vari-ações desses métodos e equvari-ações de análise de rede CAN podem ser encontradas, como análises de atraso (delay) de comunicação em Upender e Dean (1996) e análises sob condições de erros em Punnekkat et al. (2000) para aplicações automotivas. Tam-bém, Jeon et al. (2001) apresentam um estu-do de viabilidade de aplicação de uma arqui-tetura distribuída em um AGV (Automated
Guided Vehicles – Veículo Auto-Guiado) e
Santos et al. (2002) descrevem uma análise de escalonabilidade de mensagens de uma rede para um helicóptero autônomo.
Na área agrícola, Hofstee e Goense (1999) apresentam resultados referentes à simulação de operação de uma rede CAN, com parâmetros baseados na norma ISO 11783, para uma configuração de trator e implemento. Entretanto, apesar da utilização de modelos de análise de rede CAN estar presente em várias áreas de aplicação, não
há metodologias e ferramentas de análises para aplicações agrícolas baseadas nas abor-dagens propostas por Tindell e Burns (1994) e Tindell et al. (1995). Assim, orientando-se pelas necessidades citadas, apresentam-se o desenvolvimento e a aplicação de uma me-todologia de análise de rede CAN para má-quinas agrícolas. A metodologia é imple-mentada em um programa computacional de simulação para auxiliar o projeto e o dimen-sionamento de parâmetros de rede CAN, como velocidade de transmissão do barra-mento, tamanho das mensagens de dados, esquema de prioridade das mensagens e período de amostragem dos dispositivos. O programa computacional é utilizado no pro-jeto e análise de uma rede embarcada basea-da no protocolo CAN para integrar disposi-tivos de um robô agrícola móvel para aquisi-ção de dados em Agricultura de Precisão (PORTO et al., 2003)
2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 CAN - CONCEITUAÇÃO
Como descrito em Sousa (2002) e em Guimarães (2003), o CAN é um protoco-lo de comunicação digital serial, onde a comunicação de dados é baseada em mensa-gens formadas por quadros de bits com de-terminada função. Entre esses quadros de bits, existe o campo identificador (identifier) que caracteriza e define a prioridade de cada mensagem. O valor do identificador de uma mensagem em uma rede CAN é exclusivo e quanto mais baixo seu valor, maior será a prioridade da mensagem. Os sinais elétricos digitais do CAN são representados pelo nível recessivo (nível lógico 1) e nível do-minante (nível lógico 0), sendo eles sinais
diferenciais entre os dois fios do barramento (condutores CAN_H e CAN_L).
O mecanismo de acesso ao meio é fundamentado no conceito CSMA/CD com NDA (Carrier Sense Multiple Access /
Col-lision Detection with Non-Destructive Arbi-tration), o que significa que os módulos (nós
CAN) possuem acesso ao barramento com prioridades determinadas. Ao verificar o status do barramento, os módulos iniciam a transmissão de suas mensagens. De acordo com o valor do identificador, o módulo com a mensagem de prioridade menor cessa sua transmissão e o módulo com a mensagem de maior prioridade continua enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que
reiniciá-la. Isto é realizado pelo processo de arbitra-gem bit a bit não destrutivo, ou lógica "E" por fios, quando dois ou mais módulos inici-am a transmissão simultaneinici-amente. Cada bit transmitido é comparado, sendo que o domi-nante sobrepõe o recessivo.
Dentre as especificações do protoco-lo CAN em relação à camada de enlace de dados, estão os dados relacionados aos for-matos existentes do quadro de dados. São definidos dois formatos de quadros dados de mensagem, onde a única diferença está no tamanho do identificador, sendo CAN A
Standard (ID 11 bits) e CAN B Extended
(ID 29 bits) especificados segundo a Figu-ra 1.
Figura 1. Formato do Quadro de Dados de Mensagens CAN. Fonte: Adaptado de SOUSA,
2002.
Os fundamentos do CAN são especi-ficados por duas normas: a ISO 11898 e a ISO 11519-2. Ambas especificam as carac-terísticas das camadas Física e de Enlace de Dados, respectivamente 1 e 2 do modelo rede de comunicação OSI (Open System
Interconnection) de 7 camadas. As demais
camadas, (3 a 7), são especificadas por ou-tros protocolos, relacionados a aplicações específicas, como a ISO 11783 que é
rela-cionado a aplicações agrícolas.
2.2 MODELO BASEADO EM E-QUAÇÕES MATEMÁTICAS
O aumento da utilização do CAN em soluções de comunicação tempo real realça a importância da realização de análi-ses temporais e de desempenho (LIAN et al., 2001) para aplicações desse protocolo. O
tempo de transmissão (Rm) de uma
mensa-gem (m) em uma rede CAN (TINDELL et
al., 1995), sob condições normais de
opera-ção, é definido pela equação (1).
m m m
m
J
W
C
R
=
+
+
(1)Onde o termo Jm representa o Jitter
da mensagem (variabilidade do tempo médio de espera de uma mensagem na fila de transmissão) e é determinado empiricamen-te, utilizando-se Jm igual 0,1 ms. O termo
Wm representa o atraso na fila no pior caso (o
maior tempo entre a inserção de uma men-sagem na fila de prioridades e o inicio de sua transmissão) e o termo Cm representa o
tempo gasto para se transmitir uma mensa-gem (m) fisicamente sobre o barramento.
O formato do quadro de dados de uma mensagem CAN contém uma largura de stuff (quantidade de bits consecutivos que podem ser transmitidos com o mesmo valor 0 ou 1) de 5 bits e uma quantidade O de bits de overhead (requerido para verificação de erros e controle de transmissão) por men-sagem, sendo que apenas um número T desta quantidade O de bits de overhead está sujeito ao stuffing (campos não sujeitos ao bit stuffing na Figura 1: Delimiters CRC,
ACK e EOF). Assim, para cada um dos ter-mos da equação (1) são definidas as equa-ções (2), (3), (4) e (5), conforme apresenta-das em Tindell e Burns (1994) e aperfeiçoa-das por Punnekkat et al. (2000).
bit m m m
O
S
S
T
C
8
.
τ
4
1
8
−
+
+
+
=
(2) ondeT = Quantidade de bits de overhead sujeita
ao bit stuffing;
O = número máximo de bits de overhead
por mensagem;
Sm = tamanho limitado da mensagem (m)
em bytes (tamanho máximo de 8 by-tes);
bit = tempo necessário para transmitir um
bit sobre o barramento (encontrado de acordo com a velocidade de transmissão de dados: 125k, 250k, 500k, 1M bps ou outra qualquer). Na Tabela 1 são identificados os va-lores das variáveis referentes à equação (2) para os tipos de mensagem CAN que podem ser analisados.
Tabela 1 - Valor das Variáveis da Equação (2) para os Tipos de Mensagem CAN. Valor da Variável para cada Tipo de Mensagem Variável nas
Equações CAN 2.0 A Standard CAN 2.0 B Extended
T 34 54
∈ ∀ + + + = ) ( . m hp j j j bit j m m m C T J W B W τ (3) onde
hp (m) = conjunto de mensagens no
siste-ma com prioridade siste-maior que a mensagem (m);
Bm = tempo de bloqueio no pior caso da
mensagem (m);
Tj = período de uma mensagem (j); Jj = Jitter de uma mensagem (j).
)
(
max
) (m k lp k mC
B
∈ ∀=
(4) ondelp (m) = conjunto de mensagens com
prio-ridade menor que a mensagem (m). (se a mensagem (m) for a de menor prioridade, então Bm é
zero). Os valores de Cj, Ck são
obtidos da equação (2).
Para que a equação (3) possa ser uti-lizada, é necessária uma relação de recorrên-cia, com valor inicial 0 0
m W = , que resulta na equação (5). ∈ ∀ + = + + + ) ( 1 . m hp j j j bit j n m m n m T C J W B W
τ
(5)Para o caso de operação da rede CAN sob condições de erro, o tempo de transmissão (Rm) de uma mensagem (m), apresentado em Tindell e Burns (1994) e aperfeiçoadas por Punnekkat et al. (2000) é definido pela equação (6).
m m m m
J
Q
C
R
=
+
+
(6) Onde os termos Jm e Cm têm o mesmo significado como apresentado ante-riormente, e Qm corresponde agora o tem-po gasto tem-por uma mensagem na fila de espe-ra, sob condições de erro, dado diretamente pela seguinte formulação de recorrência mostrada pela equação (7).) ( . ) ( 1 m m m m hp j j j bit j n m m n m T C E Q C J Q B Q = + + + + + ∈ ∀ +
τ
(7)Em(t) é uma função de recuperação
de erro, que define o valor de bits de
ove-rhead de recuperação de erros que podem
ocorrer num intervalo de tempo (t), é defini-da pela equação (8). } {
(
)
max
.
31
.(
1
)
(
bit K hp(m) m k) error error mC
T
t
n
t
E
∪ ∈ ∀+
−
+
=
τ
(8) ondenerror = número de erros em seqüência que
podem ocorrer em um intervalo arbitrário;
Os valores de nerror = 1 e = 100 ms
são definidos de acordo com os valores típi-cos de taxa de erro do CAN (TINDELL; BURNS, 1994) para utilização da equação (8).
Em cada erro o overhead de recupe-ração de erros pode ser aumentado em 31 bits, seguido pela retransmissão da mensa-gem. Apenas mensagens de prioridade maior que a mensagem (m) e ela mesma podem ser retransmitidas e atrasar a mensagem (m). A maior destas mensagens é determina-da pela equação (10). }
{
( )max
( )
k K hp m mC
∀ ∈ ∪ (10)Para completar o modelo de análise para rede CAN, foram analisadas equações para cálculo e otimização de taxa de
utiliza-ção barramento, encontradas em Tipsuwam e Chow (2003), o qual apresenta metodolo-gias de controle relacionadas com sistemas distribuídos. O conjunto de equações apre-sentado constitui um modelo matemático que pode ser utilizado para análises de redes CAN sob configurações e parâmetros deter-minados para aplicações agrícolas.
2.3 METODOLOGIA DE ANÁLISE
Para a utilização do modelo mate-mático apresentado são evidenciados na Tabela 2 os tipos de parâmetros que podem ser relacionados com aplicações agrícolas de forma a direcionar a utilização desse modelo ao estudo do comportamento da rede CAN e da influência de parâmetros em diversas situações.
Tabela 2 - Dados para a Utilização do Modelo Proposto.
Velocidade de Comunicação (125K, 250Kbits/s ou outra) Versão CAN (CAN 2.0 A / CAN 2.0 B)
Período de Amostragem das Mensagens dos Equipamentos
Dados de Entrada
Tamanho (Bytes) das Mensagens dos Equipamentos Tempo de Transmissão das Mensagens
Taxa Utilização do Barramento
Otimização / Simulação de Comportamento
Dados de Saída
Definição do Esquema de Prioridades A partir da definição dos parâmetros
de entrada, as equações que definem o mo-delo são utilizadas para obter os dados de saída apresentados na Tabela 2. Através da análise desses dados de saída pose de-terminar se os parâmetros de entrada
condu-zem a um bom funcionamento da rede, ou senão, orientar uma nova escolha de entrada de dados. Essa escolha pode ser realizada de acordo com as especificações de uma norma da aplicação desejada (por exemplo, a ISO 11783). Essa estrutura iterativa origina uma
metodologia de análise de rede CAN, com
um fluxograma de utilização mostrada na Figura 2.
Figura 2. Fluxograma de Utilização da Metodologia de Análise.
A metodologia de análise pode ser aplicada para estudo de viabilidade de im-plementação e do comportamento de redes CAN configuradas sob os parâmetros fixa-dos por normas de protocolo. Para o caso de uma rede CAN sob a norma ISO 11783, os dados que seriam levados em consideração seriam o de velocidade de transmissão de 250Kbps, versão CAN 2.0 B para tipo de mensagem, além de outras características definidas pelas Partes 4 a 10 da norma ci-tada.
Para o caso da aplicação da rede embarcada do robô agrícola móvel, citado na introdução, outros parâmetros poderiam ser testados e analisados. Uma proposta que surge com grande potencial, e que será reali-zada na próxima seção, é a simulação de comportamento da rede CAN para um
de-terminado conjunto de mensagens referente aos equipamentos que serão conectados na estrutura do robô agrícola móvel, conforme mostrado na Figura 3, contribuindo para o dimensionamento de parâmetros e conheci-mento da utilização da rede CAN projetada.
A implementação computacional do modelo de equações matemáticas para o protocolo CAN e da metodologia de análise apresentados anteriormente representa uma tarefa necessária de modo a facilitar os tra-balhos de análise e obtenção de dados de desempenho da rede CAN. Para essa imple-mentação foi utilizado ambiente de progra-mação LabVIEW 7.0 da National Instru-ments (NI, 2005) que possibilita o desenvol-vimento de uma interface gráfica interativa e facilita tarefas de manipulação de grande quantidade de dados.
Figura 3. Estrutura do Robô Agrícola Móvel e Equipamentos Conectados pela Rede CAN. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 PROGRAMA DE SIMULAÇÃO
O programa computacional desen-volvido é composto basicamente por três telas de dados, sendo duas telas relacionadas à entrada de dados a ser realizada pelo usuá-rio e uma tela referente à saída de dados que mostra os resultados da simulação. Essa divisão em telas de dados visa facilitar a visualização e a compreensão dos campos
do programa por parte do usuário. Outras características importantes do programa desenvolvido são funções como validação dos dados de entrada (o que não deixa o usuário continuar a execução do programa se existirem dados de entrada incorretos) e geração de relatórios dos dados de saída (geração das tabelas de saída de dados em planilha eletrônica). As telas do programa desenvolvido são mostradas na Figura 4 e Figura 5.
(a)
(b) Figura 4. Telas de Entrada de Dados do Programa de Simulação de Rede CAN.
(a) Entrada de Dados 1; (b) Entrada de Dados 2. Nas telas de entrada de dados da Fi-gura 4 são definidos os parâmetros de entra-da, conforme explicado na Tabela 2 da me-todologia de análise, que serão utilizados pelo modelo de equações para gerar os da-dos de saída relacionada-dos à rede CAN. Na tela Entrada de Dados 1, Figura 4(a), são definidas as configurações principais da rede
CAN como: versão do protocolo CAN (CAN 2A, CAN 2B), número de mensagens e velocidade de transmissão do barramento. No caso do campo velocidade de transmis-são, pode ser selecionado mais de um valor para análise, sendo ele fixo ou definido pelo usuário. Na tela Entrada de Dados 2, Figura 4(b), de acordo com o número de mensagens
selecionado anteriormente, são definidos os campos que descrevem o conjunto de men-sagens da rede. Para cada mensagem são requeridos os seguintes dados: descrição da
função, quantidade de bits de dados (Data
field – campo de dados), prioridade e o
perí-odo de amostragem (T) em ms.
Figura 5. Tela de Saída de Dados do Programa de Simulação de Rede CAN.
Na tela de Saída de Dados, Figura 5, são mostrados os resultados obtidos para a simulação da rede CAN. Resultados como o tempo de transmissão das mensagens para condições normais e condições de erro de transmissão são mostrados. Também são mostrados os dados sobre taxas de utiliza-ção, sendo que a taxa utilização de mensa-gens é calculada utilizando o número de bits (bytes) de dados em uma mensagem CAN e a taxa de utilização do barramento é calcula-do utilizancalcula-do o número total de bits (bytes) em uma mensagem CAN incluindo bits de overhead. Os dados sobre valor para otimi-zação da taxa de utiliotimi-zação do barramento correspondem ao valor pelo qual se podem dividir todos os períodos de amostragem das
mensagens para otimizar e atingir a taxa de utilização máxima (100%) do barramento com o cumprimento dos requisitos temporais das mensagens.
3.2 ANÁLISE PARA O ROBÔ A-GRÍCOLA MÓVEL
De forma a exemplificar a utilização da metodologia de análise e do programa computacional de simulação para redes CAN são consideradas três simulações com parâmetros de entrada diferentes para o robô agrícola móvel citado. Para isso, é proposto o conjunto de mensagens e parâmetros pre-liminares descritos na Tabela 3 referentes aos dispositivos ilustrados na Figura 3.
Tabela 3 - Caracterização do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do Robô Agrícola.
Nº Descrição das Mensagens Dados Período T (ms)
1 Controle do Motor de Propulsão 1 16 50 2 Controle do Motor de Propulsão 2 16 50 3 Controle do Motor de Propulsão 3 16 50 4 Controle do Motor de Propulsão 4 16 50 5 Controle do Motor de Guiagem 1 16 50 6 Controle do Motor de Guiagem 2 16 50 7 Controle do Motor de Guiagem 3 16 50 8 Controle do Motor de Guiagem 4 16 50 9 Velocidade / Encoder do Motor de Propulsão 1 16 100 10 Velocidade / Encoder do Motor de Propulsão 2 16 100 11 Velocidade / Encoder do Motor de Propulsão 3 16 100 12 Velocidade / Encoder do Motor de Propulsão 4 16 100 13 Deslocamento Angular do Motor de Guiagem 1 16 100 14 Deslocamento Angular do Motor de Guiagem 2 16 100 15 Deslocamento Angular do Motor de Guiagem 3 16 100 16 Deslocamento Angular do Motor de Guiagem 4 16 100 17 Conjunto de Sensores Ultra-som Lado Direito 64 300 18 Conjunto de Sensores Ultra-som Lado Esquerdo 64 300 19 Posicionamento GPS 32 500 20 Localização Bússola Digital 32 250 21 Dados Processados da Câmera de Navegação 32 1000 22 Controle do PC Industrial Embarcado 64 1000
Para a realização dessas simulações, foram considerados os seguintes parâmetros de entrada: velocidades de transmissão do barramento de 125 e 250 kbps, versão CAN 2B (ID 29 bits) e configuração de priorida-des das mensagens de acordo com a coluna (Nº) da Tabela 3. Essa configuração de
prio-ridades (ordem) das mensagens foi determi-nada, selecionando-se maior prioridade para mensagens de controle e com amostragem mais rápida. Para o caso específico do robô agrícola móvel, os primeiros resultados ob-tidos com os dados de entrada da Tabela 3 são mostrados nas Tabelas 4 e 5.
Tabela 4 - Tempo de Transmissão para o Conjunto de Mensagens da Rede CAN. Caracterização do Conjunto de Mensagens Tempo de Transmissão Rm (ms) – Condições Normais Tempo de Transmissão Rm (ms) – Condições de Erro Nº Quant. de bits Prioridades Deadline Período/
(ms)
Veloc.
125 kbps 250 kbps Veloc. 125 kbps Veloc. 250 kbps Veloc.
1 16 1 50 2,18 1,14 3,23 1,66 2 16 2 50 2,98 1,54 4,03 2,06 3 16 3 50 3,78 1,94 4,83 2,46 4 16 4 50 4,58 2,34 5,63 2,86 5 16 5 50 5,38 2,74 6,43 3,26 6 16 6 50 6,18 3,14 7,23 3,66 7 16 7 50 6,98 3,54 8,03 4,06 8 16 8 50 7,78 3,94 8,83 4,46 9 16 9 100 8,58 4,34 9,63 4,86 10 16 10 100 9,38 4,74 10,43 5,26 11 16 11 100 10,18 5,14 11,23 5,66 12 16 12 100 10,98 5,54 12,03 6,06 13 16 13 100 11,78 5,94 12,83 6,46 14 16 14 100 12,58 6,34 13,63 6,86 15 16 15 100 13,38 6,74 14,43 7,26 16 16 16 100 14,18 7,14 15,23 7,66 17 64 17 300 15,46 7,78 16,99 8,54 18 64 18 300 16,74 8,42 18,27 9,18 19 32 19 500 17,7 8,9 19,23 9,66 20 32 20 250 18,66 9,38 20,19 10,14 21 32 21 1000 19,62 9,86 21,15 10,62 22 64 22 1000 19,62 9,86 21,15 10,62 Total - 238,68 120,44 264,62 133,41
Tabela 5 - Valores de Otimização e Taxas de Utilização para a Rede CAN.
Velocidade de Transmissão do Barramento 125 kbps 250 kbps
Taxa de Utilização de Mensagens 3,64% 1,82% Taxa de Utilização do Barramento 20,85% 10,43% Valor para Otimização da Taxa de Utilização do Barramento 4,7 9,4
Na Tabela 4 são mostrados dados re-ferentes aos tempos de transmissão das men-sagens, enquanto na Tabela 5 são mostrados dados referentes às taxas de utilização e valores para otimização da taxa de utiliza-ção. Como pode ser visto na Tabela 4, os resultados mostram que o sistema de contro-le para a rede CAN do robô apresenta um tempo de resposta satisfatório para cumprir o requisito temporal de cada mensagem, ou seja, o tempo de transmissão de cada uma das mensagens, sob condições normais e de erro, é menor que o seu período de amostra-gem, não acarretando em sobreposição e perdas de mensagens transmitidas. Esse fato demonstra a utilização do programa para selecionar uma configuração de mensagens aceitável para o funcionamento do robô.
Diante disso, conclui-se que existe viabili-dade para a aplicação da rede CAN analisa-da ao controle do robô agrícola móvel. Isso é confirmado pelos baixos valores referentes às taxas de utilização do barramento CAN mostrado na Tabela 5. Esses dados demons-tram que o sistema apresenta capacidade para futuras conexões de equipamentos, aumento da carga de dados (enviados por mensagem) e aumento do tráfego (número) de mensagens na rede CAN.
Para uma segunda simulação foram alterados os valores dos períodos de amos-tragem (T), de 50 ms para 100 ms, para os dispositivos 1 a 8 da Tabela 3. Com a defi-nição desses parâmetros foram obtidos os resultados mostrados na Tabela 6.
Tabela 6 - Resultados obtidos para a Rede CAN na segunda simulação.
Velocidade de Transmissão do Barramento 125 kbps 250 kbps
Taxa de Utilização de Mensagens 2,62% 1,31% Taxa de Utilização do Barramento 14,45% 7,23%
Na tabela 6, os resultados da segun-da simulação demonstram que o parâmetro período de amostragem influi sobre os valo-res das taxas de utilização calculadas. Isso pode ser visto, por exemplo, para a veloci-dade de 250 kbps, onde o aumento do perío-do de amostragem acarretou uma diminuição da taxa de utilização do barramento de
10,43% para 7,23%.
Para uma terceira simulação, foram alterados os valores das quantidades de bits de dados da mensagem, de 16 para 64 bits, para os dispositivos 1 a 16 da Tabela 3. Com a definição desses parâmetros, obtiveram-se os resultados mostrados na Tabela 7.
Tabela 7 - Resultados obtidos para a Rede CAN na terceira simulação.
Velocidade de Transmissão do Barramento 125 kbps 250 kbps
Taxa de Utilização de Mensagens 12,86% 6,43% Taxa de Utilização do Barramento 32,37% 16,19% Tempo de Transmissão do Conjunto de Mensagens / Condições Normais 176,12 ms 192,93 ms
Os resultados da terceira simulação, mostrados na Tabela 7, permitem identificar que o parâmetro quantidade de bits de dados da mensagem, além de influenciar os valores das taxas de utilização calculadas, também influi sobre os valores dos tempos de trans-missão das mensagens na rede. Como mos-trado pelos dados referentes à velocidade de 250 kbps, o aumento da quantidade de bits de dados acarretou um aumento das taxas de utilização, de 10,43% para 16,19% para a taxa de utilização do barramento e de 1,82% para 6,43% para a taxa de utilização das mensagens. Em relação ao tempo de trans-missão das mensagens na rede, o aumento da quantidade de bits provocou um aumento do tempo de resposta da rede. Como pode ser visto para a velocidade de 125 kbps, o tempo de transmissão total do conjunto de mensagens aumentou de 120,44 ms para 176,12 ms para condições normais e de 238,68 ms para 350,04 ms para operação da rede sob condições de erro. Os baixos valo-res obtidos para a taxa de utilização do bar-ramento (até 30%) podem ser explicados pelo fato de o sistema proposto apresentar baixo tráfego (número) de mensagens e tais mensagens não terem períodos de amostra-gem críticos (tempo real: 5 a 10 ms), como encontrado, por exemplo, em aplicações automotivas. Sistemas com essas caracterís-ticas podem apresentar taxas de utilização muitas vezes próximas de 100%, reafirman-do a importância da utilização deste tipo de ferramenta.
Ressalta-se que outros dados ou pa-râmetros de entrada, diferentes dos alterados nas simulações mostradas anteriormente, poderiam ser considerados para uma nova simulação. Entre eles estão os parâmetros:
velocidades de transmissão, configurações de prioridades para o conjunto de mensa-gens, versão do protocolo CAN. A simula-ção da rede CAN com a alterasimula-ção destes parâmetros de configuração origina dados que auxiliam no projeto e dimensionamento desses parâmetros para o funcionamento otimizado da rede CAN analisada.
4 CONCLUSÕES
A aplicação do programa de simula-ção desenvolvido, segundo a metodologia de análise apresentada, origina dados que per-mitem ao projetista estudar o desempenho e a influência dos parâmetros de configuração de uma rede CAN sob configurações de equipamentos e parâmetros diferenciados. Através da utilização desse programa de simulação espera-se contribuir com o pro-cesso de desenvolvimento e dimensiona-mento dessas redes, bem como auxiliar na implementação da norma ISO 11783 como padrão de comunicação para redes embarca-das em máquinas agrícolas.
A utilização do ambiente de simula-ção apresentado para o caso do robô agrícola móvel demonstra sua flexibilidade e poten-cial de aplicação, simplificando as tarefas de análises relacionadas à rede CAN e gerando informações que auxiliam o projetista no seu projeto e desenvolvimento.
AGRADECIMENTOS
A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio ao desenvolvimento deste trabalho.
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