Redes automotivas

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Classes

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Classes de Redes

automotivas

 Classe A  Classe B  Classe C  Entretenimento  Sem Fio

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Classe A

 São redes de comunicação com baixa

largura de banda utilizadas em funções de conforto e diagnóstico, como vidro elétrico, retrovisor controle de bancos, lampadas, etc.  Exemplos:  Uart  I2C  BEAN  LIN

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Classe B

 São redes utilizadas para aplicações

importantes para a operação do automóvel e não demandam elevados requisitos de

comunicação de dados. Geralmente são utilizadas para interconectar ECUs que gerenciam unidades como motor,

transmissão, embreagem, etc.  Exemplos

 VAN  J1850  CAN

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Classe C

 São redes utilizadas em aplicações de

segurança critica com requisitos de tempo real e tolerância a falhas, que estejam

diretamente ligadas à dinâmica do

automóvel e a segurança ativa. Como steer – by – wire e brake – by – wire.

 Exemplos:  Flexray

 TT – CAN

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Entretenimento

 São classes utilizadas em aplicações de entretenimento automotivo como

tecnologias de multimídia, telemetria, navegação, vídeo, e-books e outras.  Exemplos

 MOST  D2B

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Sem Fio

 As funções de logística e roteirização estão sendo amplamente utilizadas e motivam a utilização de tecnologias de comunicação sem fio. Além destas há as tecnologias do tipo VANET (Vehicle Ad-Hoc Networks) que demandam comunicação veiculo a veiculo e veiculo a infra estrutura

 Exemplos  Zigbee

 UWB

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Controller Area Network

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Introdução

 Motivação

 Camada Física

 Camada de Enlace de dados  Camada de Aplicação

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Motivação

 Inicialmente apresentada por Robert Bosch em 1996

 Aplicação direta na indústria de Automóvel (nenhum fieldbus cumpria os requisitos dos engenheiros da Bosch)

 Desenvolvimento mantido pelo Consorcio CIA desde 1992;

 Consórcio de fabricantes e utilizadores

 Utilização condicionada ao pagamento de

uma licença, dependendo do objetivo;

Fieldbus: ligação múltipla de duas vias entre

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Motivação

 Requisitos

- Difusão de mensagens transmitidas

- Identificação de Mensagens e não de nós - Acesso múltiplo ao bus (compartilhado)

- Acordo mútuo, não destrutivo e sem atrasos de acesso de escrita no bus (evitar colisões)

- Definição de prioridades nas mensagens - Múltipla detecção de erros

- Retransmissão automática de mensagens corrompidas

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Motivação

 Industria automóvel - gestão dos motores

- portas, dispositivos elétricos – modularização

- comunicação com roboques  Maquinaria móvel

- controle remoto e comunicação entre subsistemas internos

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Motivação

 Dispositivos de gestão de edifícios - Temperatura

- Portas

- Ventilação

- Elevadores e escadas rolantes  Comboios

 Automação e controle de sistema industriais

 Equipamentos e dispositivos biomédicos  Industria aeronáutica

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Motivação

 Sistemas não industriais

- Maquina de vendas e de jogos - fotocopiadoras

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Motivação



Serve para qualquer aplicação

onde diversos dispositivos

precisam se comunicar para

concretizar determinada tarefa

( sistemas distribuídos)

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Modelo OSI

 Especificação das camadas física e de ligação

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CSMA/CD with NDA

 A rede CAN possui o protocolo de acesso ao meio CSMA/CD with NDA (Carrier Sense

Multiple Access/Colision Detection with Non-Destructive Arbitration), sem

destruição de mensagens e com atribuição de prioridades

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CSMA/CD with NDA

 Quando duas ou mais mensagens tentam transmitir ao mesmo tempo, o mecanismo de atribuição de prioridades define que a mensagem de maior prioridade tenha total acesso ao barramento para ser transmitida.

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CAN

 Existem três tipos de tecnologia de rede

CAN, classificados de acordo com a taxa de transferência de dados sob o barramento e o tamanho do campo de identificação.

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Comprimento do barramento X taxa

de transmissão

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Frame CAN

 O frame de uma rede CAN pode ter dois tamanhos distintos, sendo identificados a partir do campo de identificação. O CAN 2.0A possui um comprimento de

identificação com 11 bits e o CAN 2.0B com 29 bits.

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Frame CAN

 Em cada frame com 11 bits é possível ter até 2048 mensagens, o que pode ser

considerado um número pequeno para certas aplicações. Para identificadores de 29 bits é possível ter aproximadamente 537 milhões de mensagens, diminuindo a limitação proporcionada pelo identificador de 11 bits.

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Frame CAN

 Em contrapartida os 18 bits adicionais no identificador aumentam o tempo de

transmissão (overhead), mas não tão

crítico que comprometa o desempenho da aplicação.

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Frame CAN

 SOF (1 bit) Start of frame: marca o ínicio do frame de dados. Todos os nós

(receptores e transmissores) utilizam esse bit para sincronização do clock.

 Identificador (11 bits CAN 1.0 e 2.0A e

29 bits CAN 2.0B): são transferidas na

ordem de ID10 para ID0. Um menor valor nesse campo significa a maior prioridade da mensagem.

 RTR (1bit) Remote Transmission

Request: indica se o frame é de dados ou

remoto, utilizado no identificador de 11 bits.

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Frame CAN

 SRR (1 bit) Substitute Remote

Request: usado no identificador de 29 bits,

na posição do RTR.

 IDE (1 bit) Identifier Extension: um bit dominante é transmitido para indicar a não existencia de mais bits identificadores na mensagem.

 R0 (1 bit): bit reservado, transmitido como um bit dominante.

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Frame CAN

 DLC (4 bits) Data Length Code: contém o código de comprimento de dados para os campos de dados seguintes. Indica o

número de bits no campo de dados.

 Dados (64 bits): contém os dados da mensagem

 CRC (16 bits) Cyclic Redundancy

Check: o receptor usa a sequência CRC

para verificar se a sequência de bits de dados foi corrompida durante a

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Frame CAN

 ACK (2 bits) Acknowlegde: é um campo para confirmação de mensagem correta

recebida, enviado pelo nó receptor da

mensagem. Ele subscreve o bit recessivo da mensagem original com um bit

dominante.

 EOF (7 bits) End of Frame: indica o fim do frame CAN. É composto por uma

sequência de 7 bits recessivos.

 IFS (7 bits) Inter Frame Space: contém a quantidade de tempo necessário para

que o controlador CAN mova um frame

corretamente para a sua própria posição na área de armazenamento de mensagens.

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CAN

 O processo de arbitragem garante não somente que a mensagem de maior prioridade seja transmitida antes de

qualquer outra como também não seja destruída durante o processo. Ela não é definida pela mensagem e sim pelos nós.

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CAN

 A prioridade de mensagens é uma

característica que faz da CAN um atrativo para o uso em ambientes de sistema de tempo real.

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Tipos de Frame

 Dados  Remoto  Erro

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Quadro de dados

 É o mais comum, usado para transmitir dados na rede.

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Quadro Remoto

 A finalidade do quadro remoto é solicitar o envio de dados de outra mensagem.

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Quadro de erro

 O quadro de erro é transmitido quando uma ECU detecta um erro na mensagem. Ao perceber que a mensagem recebida

contém um erro, a ECU transmissora aborta o quadro atual e prepara-se para reenviar a mensagem.

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Quadro de erro

 Como pode ser observado na figura anterior ele consiste em dois campos

diferentes: o flag de erro e o delimitador de erro.

 O flag de erro é um campo composto por seis bits de mesma polaridade. Ele pode ser classificado em dois tipos:

- Erro ativo: composto por uma sequência de seis bits dominantes.

- Erro passivo: composto por uma sequência de seis bits recessivos.

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Quadro de erro

 O delimitador de erro é composto por uma sequência de seis bits recessivos. Sendo enviado pelo nó que gerou o erro, tem como função reativar o barramento CAN.

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Quadros de sobrecarga

 São gerados quando a ECU encontra uma situação que a impossibilita de processar uma mensagem recebida. Possui uma

estrutura semelhante ao flag de erro ativo, mas é iniciado no ultimo bit do EOF ou no campo de IFS.

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Verificação de erros

 A robustez da rede CAN pode ser atribuída, em parte, pelos abundantes procedimentos de verificação de erro nela existentes. Ela incorpora cinco processos de verificação de erros, sendo dois em nível de bit e três de mensagem.

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Consistência de bit

 Cada ECU que transmite observa também o nível do barramento e detecta assim

diferenças entre o bit transmitido e o bit recebido. Se o bit monitorado por ela for

diferente do transmitido, então ocorreu um erro.

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Bit Stuffing

 Após uma sequência de cinco bits de mesmo nivel lógico é inserido um de polaridade diferente. Se, ao receber a

mensagem, a ECU verificar a existencia de seis bits de mesma polaridade entre o SOF e o CRC, ela detecta um erro e a

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CRC

 Na transmissão de um quadro, o seu CRC é calculado e inserido no campo CRC.

Quando a ECU recebe esse frame, o calculo é refeito e comparado com o resultado do campo CRC na mensagem recebida. Se

estes não forem iguais, um quadro de erro é transmitido imediatamente.

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Verificação de quadro

 Algumas posições na mensagem possuem valores de bits predefinidos como

recessivos. Quando a ECU recebe a

mensagem e verifica que essas posições têm valores dominantes, ela envia um quadro de erro.

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Bosch (1991)

 Uma ECU pode estar em um destes em um destes três estados, em se tratando de

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Erro ativo

 A ECU pode normalmente examinar a

comunicação no barramento CAN e enviar um flag de erro ativo quando um erro for detectado. Conhecido também como o estado normal de uma ECU quando é iniciada.

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Erro passivo

 É o estado em que a ECU apresenta erros frequentes. Quando os contadores TEC ou REC ultrapassam 127 erros, a ECU passa do estado ativo para passivo. Nesta situação, flags de erro passivo são enviados. Isso

garante uma eficiencia ao barramento CAN, impedindo que as ECUs com erros

frequentes possam sobrecarregar o barramento de comunicação.

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Barramento OFF

 A ECU fica limitada em somente receber mensagens. Se a contagem de erros da

ECU ultrapassar 255 (no TEC) erros, então ela será desligada do barramento e só será reiniciada por reset.

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A camada Física

 A camada fisica CAN é responsavel pela conexão entre duas ECUs na rede e

transmissão real de impulsos elétricos. Essa camada deifine a representação do bit, a codificação do bit, a temporização e sincronização do bit, taxa de bit e

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Camada física

 Ela traduz os dados fornecidos pela

camada de enlace de dados do transmissor em sinal elétrico. Ao final da recepção, a

camada física traduz os sinais, retornando-os para um formato de dadretornando-os e passando para a camada de enlace.

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Camada física

 Existem diversos tipos de camadas físicas. Considerando os fios elétricos como o meio de transmissão de dados, existem três

formas de constituir um barramento CAN, a saber, um, dois, quatro fios. As redes com dois fios trabalham com o sinal CAN High (CAN_H) e CAN Low(CAN_L).

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Codificação de Bits

 A codificação NRZ (que significa No Return

to Zero, ou seja, não Regresso a Zero) é o

primeiro sistema de codificação, pois é

mais simples. Consiste muito simplesmente em transformar o 0 em - X e o 1 em +X,

desta maneira tem-se uma codificação bipolar na qual o sinal nunca é nulo. Por

conseguinte, o receptor pode determinar a presença ou não de um sinal.

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CAN

 O sucesso da tecnologia de rede CAN alcançado pelo domínio automotivo

sinalizou uma motivação de técnicos e engenheiros de outros segmentos para a aplicação dessa tecnologia no processo de controle e gerenciamento de suas unidades controladas.

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CAN

 Um bom exemplo é o segmento industrial, que atualmente dispõe no mercado de três tecnologias de redes industriais (DeviceNet, SDS e CANOpen), baseadas em rede CAN. Isso demonstra o sucesso e o elevado grau de confiabilidade e flexibilidade.