Colecção Formação Modular Automóvel
Título do Módulo Multiplexagem
Suporte Didáctico Guia do Formando
Coordenação Técnico-Pedagógica CEPRA - Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel
Departamento Técnico Pedagógico
Direcção Editorial CEPRA - Direcção
Autor CEPRA - Desenvolvimento Curricular
Maquetagem CEPRA – Núcleo de Apoio Gráfico
Propriedade CEPRA - Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel
Rua Francisco Salgado Zenha, 3 2685 - 332 PRIOR VELHO
ÍNDICE
DOCUMENTOS DE ENTRADA
OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS DO MÓDULO ... E.1
CORPO DO MÓDULO
0 - INTRODUÇÃO ...0.1 1 - EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA MULTIPLEXAGEM/REDES CAN ...1.1 1.1 – HISTÓRIA DA MULTIPLEXAGEM/REDES CAN ...1.1 1.2 – O APARECIMENTO DA MULTIPLEXAGEM ...1.1 1.3 – VANTAGENS DA MULTIPLEXAGEM...1.4 2 – MULTIPLEXAGEM – SISTEMA DE COMUNICAÇÃO ...2.1 2.1 – APRESENTAÇÃO DO SISTEMA...2.1 2.2 – NORMAS CAN E CAMPOS DE APLICAÇÃO DO SISTEMA ...2.2 2.2.1 - VEÍCULOS DE PASSAGEIROS ...2.2 2.2.2 - CAMIÕES, AUTOCARROS E VEÍCULOS TODO-O-TERRENO ...2.3 2.2.3 - INDÚSTRIA E OUTRAS APLICAÇÕES ...2.4 3 – PRINCÍPIOS BÁSICOS DO SISTEMA ...3.1 3.1 – CLASSES CAN SEGUNDO NORMALIZAÇÃO ISO ...3.2 3.2 – LINHAS BUS ...3.3 4 – PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA...4.1 4.1 - TOPOLOGIA DE REDE ...4.1 4.1.1 - TOPOLOGIA EM ESTRELA ...4.1 4.1.2 - TOPOLOGIA EM ANEL ...4.2 4.1.3 - TOPOLOGIA LINEAR ...4.4 4.1.4 - TOPOLOGIA EM ÁRVORE ...4.5 4.2 – HIERARQUIA ...4.6 4.2.1 - SISTEMA MESTRE – ESCRAVO ...4.6 4.2.2 - SISTEMA MULTI – MESTRE ...4.7 4.3 – OUTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES...4.8
5 – COMPOSIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ...5.1 5.1 – COMPONENTES DO SISTEMA ...5.1 5.2 – FUNCIONAMENTO DOS COMPONENTES ...5.2 5.2.1 - GATEWAY ...5.3 5.2.2 - FICHA DE DIAGNÓSTICO ...5.5 5.2.3 - SISTEMAS RECEPTORES (RX) E TRANSMISSORES (TX) ...5.6 5.2.3.1 - CAN DE ALTA VELOCIDADE (ISO 11898-2) ...5.6 5.2.3.2 - CAN DE MÉDIA VELOCIDADE (ISO 11898-3) ...5.13 5.2.3.3 - CAN DE BAIXA VELOCIDADE (SAE J2411) ...5.17 6 – TRANSMISSÃO DE DADOS ...6.1 6.1 – CICLO DE TRANSMISSÃO DE DADOS ...6.1 6.2 – COMUNICAÇÃO COM A REDE ...6.2 6.3 – PROTOCOLO DE TRANSMISSÃO DE DADOS ...6.3 6.3.1 - CONTEÚDO DO PROTOCOLO DE DADOS ...6.4 6.3.2 - FORMAÇÃO DO PROTOCOLO DE DADOS ...6.10 7 – OUTROS SISTEMAS CAN ...7.1 7.1 – VAN (VEHICLE AREA NETWORK) ...7.1 7.2 – LIN (LOCAL INTERCONNECT NETWORK) ...7.3 7.3 – FIBRA ÓPTICA ...7.9 7.3.1 – MOST (MEDIA ORIENTED SYSTEMS TRANSPORT) ...7.10 7.3.2 – D2B (DIGITAL DATA BUS) ...7.14 BIBLIOGRAFIA ... C.1
DOCUMENTOS DE SAÍDA
PÓS-TESTE ... S.1 CORRIGENDA DO PÓS-TESTE... S.8 ANEXOS ... A.1
DOCUMENTOS
DOCUMENTOS
DE
DE
ENTRADA
ENTRADA
OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS
No final deste módulo, o formando deverá ser capaz de:
OBJECTIVOS GERAIS
Ter a noção da importância da utilização da multiplexagem nos veículos actuais.
Identificar e distinguir os diversos sistemas de multiplexagem existentes e as principais características.
OBJECTIVOS ESPECÍFICOS
Identificar o princípio de funcionamento de um sistema de multiplexagem.
Identificar e distinguir as diferenças entre os diversos sistemas de multiplexagem.
Distinguir os sistemas multiplexagem de acordo com as velocidades de comunicação e os campos de aplicação do sistema.
Identificar os tipos de topologia de rede utilizados nos diferentes sistemas de comunicação.
Distinguir e interpretar o funcionamento dos componentes que fazem parte de um sistema de multiplexagem.
Identificar e interpretar os protocolos de comunicação de acordo com o sistema de comunicação em questão.
CORPO
CORPO
DO
DO
MÓDULO
MÓDULO
0 - INTRODUÇÃO
As exigências crescem continuamente aos níveis da segurança de condução, do conforto na condução, do comportamento das emissões de gases de escape e do consumo do combustível.
Num veículo moderno, o número de componentes e aparelhos de comando passou para além das fronteiras do sistema convencional de linhas individuais. Nestes sistemas para cada tipo de informação há a necessidade de um cabo separado para cada direcção. Estas exigências cada vez mais implicam um intenso intercâmbio de informação entre as unidades de controlo, então a fim de manterem, claramente estruturados todos os sistemas eléctricos e electrónicos, evitando que ocupem demasiado espaço, surge uma solução técnica apropriada para o intercâmbio de informação, a Multiplexagem ou CAN-Bus de dados (pode ter as duas designações).
Um CAN-Bus de dados pode ser comparado a um autocarro. Tal como o autocarro pode transportar muitas pessoas o CAN-Bus pode transportar uma grande quantidade de informação (fig. 0.1).
Fig. 0.1 – Bus de dados
O CAN-Bus de dados para automóveis, começou a ser desenvolvido pela Robert Bosch Gmbh em 1983, e é uma solução dessa natureza. Foi desenvolvida especialmente para o uso nos automóveis e está implantado em quase todas as marcas de automóveis comercializadas actualmente.
CAN significa Controller Area Network (rede da área do controlador), o que significa que as unidades de controlo são inter ligadas e realizam um intercâmbio de dados entre si.
1 - EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA MULTIPLEXAGEM/REDES CAN
1.1 – HISTÓRIA DA MULTIPLEXAGEM/REDES CAN
É na década de 80 que se os primeiros passos no estudo e desenvolvimento da Multiplexagem. As datas mais marcantes na concepção e desenvolvimento deste sistema estão descritas de seguida.
1981 – Protocolo CAN desenvolvido para uso em fábricas.
1983 – A Bosch inicia o desenvolvimento CAN para automóveis.
1985 – Início da cooperação entre a Bosch e a Intel no desenvolvimento de chips.
1988 – Os primeiros chips CAN estão disponíveis na Intel. A Daimler e a Mercedes-Benz iniciam a implementação dos sistemas CAN nos seus veículos.
1991 – Primeira utilização do protocolo CAN na cablagem de potência de um modelo de produção Mercedes-Benz.
1999 – Audi, BMW, DaimlerChrysler, Motorola, Volkswagen e Volvo introduzem as linhas LIN. A qual foi bem aceite por ser fiável e usar apenas um fio.
2002 – São empregues cabos ópticos do tipo D2B, MOST e Byteflight, com altas taxas de transmissão (fibra óptica).
2003 – Audi usa a interface Bluetooth, familiar com as tecnologias GSM no seu novo modelo A8. Foi um grande desenvolvimento pois permite a comunicação sem fios.
2007 – A maioria dos automóveis é equipada com Redes CAN de série.
1.2 – O APARECIMENTO DA MULTIPLEXAGEM
Num veículo moderno, o número de componentes e aparelhos de comando, e as respectivas ligações entre eles passou além das fronteiras do sistema convencional de linhas individuais (gráf. 1.1 e 1.2). A cablagem individual implica que para cada tipo de informação haja necessidade de um cabo separado para cada direcção (no qual a informação é trocada).
Há duas razões para os veículos modernos não poderem atender à cablagem convencional de forma individual:
• O elevado número de fios tornaria a cablagem demasiado grande, extensa e pesada. • As fichas convencionais têm um número limitado de pinos.
Gráf. 1.1 e 1.2 – Evolução das ligações eléctricas nos automóveis
Sem dúvida que os automóveis continuam a ser cada vez mais seguros, fiáveis, mais amigos do ambiente e mais confortáveis. Devem manter uma condução agradável e divertida, com música, telefone móvel e acesso à Internet. Por estes motivos, os veículos modernos são equipados com dezenas de sensores, aparelhos de comando e actuadores. Todos estes componentes têm de trabalhar em conjunto e trocar grandes quantidades de dados. Isso conseguiu-se com a substituição dos sistemas eléctricos convencionais pela Multiplexagem (ver fig. 1.1).
Por exemplo, um automóvel moderno pode conter:
Mais de 11000 componentes eléctricos e electrónicos.
Uma rede a bordo podendo ter 2119 fios individuais com o comprimento total de 3860 metros.
Um total de 61 unidades de controlo interligadas.
31 Unidades de controlo com capacidade de diagnóstico usando a linha K.
Um Bus óptico para tráfego de dados “pesados” em informação e entretenimento (infotainment).
35 unidades de controlo no CAN-Bus trocando cerca de 2500 sinais de dados em 250 pacotes de mensagens CAN.
A Multiplexagem veio simplificar as ligações entre os componentes. Com ligações convencionais também se consegue ter várias unidades de comando ligadas entre si, mas com um número muito maior de cabos e ligações (para cada informação é necessário um cabo).
Com o aparecimento da Multiplexagem, tornou-se possível ter várias unidades de comando ligadas entre si por uma linha comum (Bus), que transmite muitas informações (ver fig. 1.2). Conclusão, sistema mais simples, leve, barato e principalmente mais fiável.
1.3 – VANTAGENS DA MULTIPLEXAGEM
Em relação às linhas de comunicação convencionais, comparando com a Multiplexagem emergem as seguintes vantagens:
• A cablagem para todos os equipamentos é incluída num bus (normalmente um par de cabos entrelaçados).
• O número de linhas de dados necessários é muito reduzido.
• A rede permite a implementação de funções de controlo complexas que não seriam viáveis usando cablagem convencional.
• A informação é transmitida digitalmente como um número.
• Evita-se o uso de conversores digital/analógico pois introduzem alguns erros, todas as trocas são efectuadas de forma digital.
• A detecção de erros está simplificada, pois erros digitais são de imediato retirados e envia-se nova mensagem de substituição.
• Pode ser adicionado com simplicidade mais equipamento ao bus (fig. 1.3).
Fig. 1.3 – Facilmente são adicionados componentes ao sistema
NOTA: De salientar é o facto de este sistema ser bastante fiável, raramente tem avarias, e de se poder adicionar novos componentes muito facilmente, por exemplo, o OPEL ASTRA (2006) sem a função cruise control basta aplicar o manipulo, e programar a unidade de comando. Apenas temos de “avisar” a rede que existe mais uma função disponível, e, passamos a ter esta função disponível no veículo. Como outro exemplo temos o caso de aplicar um reboque ao veículo, basta adicionar a unidade de comando de reboque à rede CAN.
Nas figuras 1.4 e 1.5 compara-se um sistema convencional com um sistema multiplexado no caso do comando dos vidros eléctricos num automóvel:
Fig. 1.4 – Sistema de ligações eléctricas convencional
Fig. 1.5 – Sistema de ligações eléctricas multiplexado
Estabelecendo a comparação entre os dois sistemas acima pode-se verificar que o número de fios no sistema multiplexado é muito inferior ao do sistema convencional (2 fios – multiplexado contra 14 fios – convencional), consequentemente é mais leve, mais simples, ocupando menos espaço.
2 – MULTIPLEXAGEM – SISTEMA DE COMUNICAÇÃO
2.1 – APRESENTAÇÃO DO SISTEMA
A multiplexagem é um sistema que consiste na intercomunicação de várias unidades de comando (ou nós – pode-se utilizar as duas designações) ligadas entre si através de um par de fios bidireccionais (Bus), o qual permite a troca de informações entre elas.
Num veículo podemos encontrar várias redes CAN (Controller Area Network) independentes utilizando diferentes taxas de transmissão. As primeiras especificações do CAN-Bus são nas aplicações na indústria. A primeira classificação formal ao sistema CAN foi elaborada pela SAE (Society of Automotive Engineers - Sociedade de Engenheiros de Automóveis).
As especificações, exigências e propriedades técnicas gerais da CAN-Bus são definidas num protocolo, normalizadas pela ISO (International Organisation for Standardisation - Organização Internacional para a Normalização) e publicadas segundo a norma ISO 11519. A SAE publica também as normas, particularmente no que diz respeito às circunstâncias e exigências especiais de veículos comerciais. Na tabela 2.1 representam-se algumas características importantes:
CLASSES CAN PARA VEÍCULOS LIGEIROS (SAE)
SAE CLASSE A SAE CLASSE B SAE CLASSE C
LIN CAN/B CAN/C
Baixa Velocidade Baixa Velocidade Média Velocidade Alta Velocidade
ISO 9141 SAE J 2411 ISO 11898-3 ISO 11898-2
Um fio Um fio Dois fios Dois fios
20 kbps 33,3 - 83,3 kbit/s até 125 kbit/s 250 kbit/s - 1 Mbit/s
Classificação segundo SAE: J1213/1
Tab. 2.1 – Classes CAN SAE para veículos ligeiros
Para detecção de avarias, o veículo é equipado com uma saída de diagnóstico. Isto permite a pesquisa de avarias utilizando “a chamada linha K” (ISO 9141). No entanto, nos últimos modelos de viaturas, verifica-se que a linha K desapareceu e, em substituição o sistema diagnóstico poderá ser feito através de dois ou mais terminais dedicados na ficha E-OBD (dependendo da quantidade das linhas multiplexadas).
Esta classificação foi simplificada pela ISO que chegou a uma classificação simples e pragmática retendo duas aplicações:
- CAN de baixa velocidade para transmissão de dados com velocidade inferior a 125kbit/s; - CAN de alta velocidade para transmissão de dados com velocidade superior a 125kbit/s.
2.2 – NORMAS CAN E CAMPOS DE APLICAÇÃO DO SISTEMA
Os principais campos de utilização do sistema CAN-Bus são: Veículos de Passageiros, Camiões e Autocarros e Veículos de Todo-o-Terreno, Comboios de passageiros e de carga, Electrónica Marítima, de Aviação e Aeroespacial, Automatização de Fábricas, Controlo de Máquinas Industriais, Elevadores, Automação de Edifícios, Equipamento Médico, Controlo Não-Industrial e Equipamento Não-Industrial.
2.2.1 - VEÍCULOS DE PASSAGEIROS
• ISO 11898-2: CAN de alta velocidade (125kbit/s – 1Mbit/s), é o sistema CAN mais utilizado. Permite um comprimento da rede máximo de 40m (fig. 2.1);
• ISO 11898-3: CAN de média velocidade (100 - 125kbit/s) (tolerância de erro), a característica principal é ter a capacidade de funcionar correctamente mesmo com erros no sistema (fig. 2.1);
• ISO 11519: VAN (Vehicle Area Network), consolidou-se no mercado francês e é utilizado nos veículos Renault e grupo PSA (velocidade de 250kbit/s ou 62,5kbit/s);
• SAE J2411: CAN de baixa velocidade (33kbit/s - 83,3kbit/s em modo diagnóstico) – fio-único, bastante usado em sistemas de controlo de conforto (fig. 2.1);
• OBD ISO 15765 (diagnóstico CAN).
As redes CAN são utilizadas na gestão electrónica de um veículo e ligam várias unidades de comando (fig. 2.2). A grande maioria dos fabricantes de automóveis europeus instalou também as redes CAN de alta velocidade (500kbit/s), nos seus sistemas de transmissão e motor. Além disso, a maioria dos veículos de passageiros europeus estão também equipados com os sistemas multiplexados que ligam as unidades de controlo dos sistemas de conforto (vidros eléctricos, ar condicionado, etc.). O grupo GM (na Europa: Saab e Opel) usa a baixa velocidade, redes CAN de fio único (LIN) para controlo dos sistemas de conforto.
Fig. 2.2 – Redes CAN num veículo ligeiro
Hoje em dia é possível realizar diagnóstico de avarias no sistema CAN-Bus graças à constante evolução das máquinas de diagnóstico multi-marcas.
As diferentes Redes CAN do veículo são ligadas através de Gateways. Em várias versões do sistema, a gateway localiza-se no painel de instrumentos (serve para ligar a CAN de alta velocidade à LIN por exemplo).
2.2.2 - CAMIÕES, AUTOCARROS E VEÍCULOS TODO-O-TERRENO
• ISO 11992: Comunicação Camião/Atrelado (fig. 2.3);
• SAE J1939: Camião, Autocarro, Agricultura e Veículos Todo-o-Terreno;
A rede CAN é usada no controlo do motor tal como da carroçaria e opera da mesma forma que nos veículos ligeiros. Na América do Norte é usado o protocolo J1939-71 (SAE) também para a comunicação entre camião/atrelado (fig. 2.3). Na Europa, por sua vez, foi regulamentado outro protocolo (ISO 11992) pela Administração Europeia, para a comunicação global camião/atrelado.
2.2.3 - INDÚSTRIA E OUTRAS APLICAÇÕES
• SAE J1939: Camiões de transportes especiais, tractores agrícolas (fig. 2.5); • ISO 11783: Maquinaria de colheita e tratamentos (fig. 2.4) – agricultura.
Fig. 2.4 – Redes CAN em veículos agrícolas
Tal como nos casos vistos anteriormente, as Redes CAN funcionam exactamente da mesma forma, a diferença está no facto dos protocolos ou normas cumpridos serem diferentes.
Fig. 2.5 – Tractor agrícola
Os veículos usados na agricultura, tais como tractores (fig. 2.5), corta-relva, máquinas de colheita de tomate ou uva, ceifeiras, etc. usam cada vez mais a electrónica, que dentro do veículo são ligados através de redes CAN e cumprem o protocolo da SAE J1939. Por sua vez, o CAN-Bus (ISO11783) é usado para controlar os componentes do exterior (por exemplo: maquinaria de colheita) a outras redes do interior do veículo. A maioria dos veículos movidos a gasóleo cumpre o protocolo da SAE J1939-71 para a comunicação motor/transmissão. Em outros veículos de todo-o-terreno (por exemplo: máquinas da construção, camiões muito pesados, máquinas usadas em minas), os motores diesel são controlados também por redes CAN através do protocolo SAE J1939-71.
3 – PRINCÍPIOS BÁSICOS DO SISTEMA
Cada dispositivo electrónico da rede CAN-Bus está equipado com um interface electrónico estandardizado de linguagem digital, que cumpre um determinado protocolo (configuração das mensagens), e permite que todas as unidades entendam as informações enviadas para a rede.
Tal como diferentes protocolos, existem também áreas de transmissão de dados com velocidades diferentes, ou seja, o sistema global CAN pode-se subdividir em duas áreas, que são a área de tracção e a área de conforto.
• Área de tracção é composta por várias unidades de controlo, por exemplo: do motor, caixa de velocidades automática, do ABS/ESP (área que tem a ver com a segurança do automóvel). Tem uma velocidade de transmissão de dados de 500kbit/s (aproximadamente 0,25ms, a unidade pode enviar dados em cada 10ms).
• Área de conforto é constituída pelas unidades de controlo das portas, do ar condicionado, rádio, etc.. Velocidade de transmissão de dados de 100kbit/s (aproximadamente 1ms, a unidade envia dados em cada 20ms).
• Área de infotainment (info de informação e tainment de entertainment – entretenimento) que pode englobar outros sistemas como o ar condicionado, GPS, etc. (normalmente em sistemas CAN de média velocidade).
Características principais de uma Rede CAN-Bus:
• Cablagem muito simplificada, que permite ligar várias unidades de comando (fig. 3.1); • Transmissão rápida de dados entre as unidades de comando;
• Economia de espaço graças a unidades de comando com fichas pequenas;
• Poucas avarias graças a uma comprovação constante das mensagens enviadas através das unidades de controlo;
• Está normalizada à escala mundial. Portanto pode intercambiar dados com unidades de comando de diferentes fabricantes.
3.1 – CLASSES CAN SEGUNDO NORMALIZAÇÃO ISO
CAN Classe A
A esta classe diz respeito às comunicações que não produzem efeito na segurança do condutor entre unidades ditas não inteligentes, ou seja, funções relacionadas com o conforto e carroçaria, unidades com funções simples (como comando de vidros eléctricos, bancos eléctricos, etc.). A informação trocada é pequena (1byte = 8bits) e é enviada para o Bus com velocidades por volta de 20kbit/s. Os custos destas unidades são baixos.
CAN Classe B
Os mesmo nós podem ser vistos nesta classe, no entanto, as mensagens poderão conter mais bits que a do classe A (por exemplo no controlo dos vidros eléctricos). A velocidade de transmissão está compreendida entre 10 e 125kbit/s.
CAN Classe C
Por as informações necessitarem de transferências em tempos reais com tempos de ciclo inferiores a 10ms e os tempos de latência inferiores a 1ms (exemplo: transferência de dados entre a injecção electrónica e a caixa de velocidades automática). A informação é enviada com velocidades até 1Mbit/s.
CAN Classe D
Pacotes de informação que contêm um grande número de bytes e que necessitam de tempos de transferência na ordem do segundo em que as velocidades de transmissão estão na ordem dos 10Mbit/ s (exemplo: rádio, sistemas de navegação – GPS), serve também para diagnóstico nos casos em que se necessita de grandes velocidades de comunicação.
Rede Velocidade de Transmissão CAN Classe A Até 20kbit/s
CAN Classe B Até 125kbit/s
CAN Classe C Até 1Mbit/s
CAN Classe D Até 10Mbit/s
LIN Até 20kbit/s
MOST (fibra óptica) 21,2Mbit/s BLUETOOTH (sem fios) 1Mbit/s
Tab. 3.1 – Velocidades das diversas Redes CAN
Ver também a Fig. 3.2 que representa a taxa de transmissão de dados dos vários sistemas CAN em função do respectivo custo adjacente.
Fig. 3.2 – Velocidade de transmissão de dados em função do respectivo custo
Mais à frente neste manual dedicar-nos-emos aos sistemas D2B Optical – utilizado na DaimlerChrysler,
MOST (Media Oriented Systems Transport) sistema padronizado para a BMW e DaimlerChrysler, Becker Radio, OASIS Silicon Systems e Byteflight utilizados também na BMW.
3.2 – LINHAS BUS
São linhas bidireccionais multifilares que fazem parte integrante do sistema CAN. Para a transmissão dos dados, somente uma linha de dados (fio) é realmente necessária. Se for este o caso, todos os componentes na rede devem ser conectados a uma terra comum no veículo. No entanto, uma única linha bus (um fio) pode ser muito lento.
As linhas Bus podem ser de diferentes secções, 0,35mm2 (linhas de alta e média velocidade) ou
0,50mm2 (utilizado no LIN).
Por esta razão, os fios únicos são usados nas Redes CAN secundárias para aplicações mais simples, num nível mais baixo da hierarquia (por exemplo: fecho central e vidros eléctricos). Uma rede bus LIN-Bus (Local Interconnect Network) é frequentemente usada como LIN-Bus de fio único. Alguns fabricantes (por exemplo: a Opel e a Mercedes), recorrem ao sistema LIN e a tendência natural é alargar a utilização deste sistema de comunicação, já que são mais baratos, mais simples, mais leves, etc.
Os dois fios têm os nomes CAN H (CAN High/Alto) e CAN L (CAN Low/Baixo) (fig. 3.3).
Fig. 3.3 – Linhas Bus
Infelizmente o esquema de cores de fios não está normalizado (ver tabela 3.2), e varia de fabricante para fabricante.
Fabricante Sistema Cores
CAN H CAN L
Fiat CAN Classe C (250kbit/s) Rosa/branco Rosa/Preto CAN Classe B (125kbit/s) Branco/rosa Preto/Rosa
PSA
CAN Classe C (250kbit/s) 9000 9001
VAN 1 (CAN Classe B – 62,5kbit/s)
9005 9004
VAN 2 (CAN Classe B – 62,5kbit/s)
VAN Conforto (CAN Classe B – 62,5kbit/s)
GM
CAN Classe B (95,24kbit/s)
Verde Branco
CAN Classe C (500kbit/s)
LIN (33kbit/s) Verde
-VAG
CAN Classe C (500kbit/s) Laranja/Preto Laranja/Castanho CAN Classe B – 1ª Geração
(62,5kbit/s)
Laranja/Verde Laranja/Castanho CAN Classe B – 2ª Geração
(100kbit/s)
LIN (20kbit/s) Violeta/Azul
-Renault CAN Classe C (500kbit/s) Castanho Rosa
Ford CAN Classe C (500kbit/s) Cinzento/Vermelho Azul/Vermelho CAN Classe C (125kbit/s) Cinzento Azul
Porquê usar os dois fios entrelaçados?
Existem bastantes efeitos que criam ondas electromag-néticas, como por exemplo os telemóveis, no motor a ig-nição, alternador etc. Para reduzir a radiação nas linhas de Bus (EMC - Compatibilidade Magnética), os transdu-tores têm uma função de controlo de bandas. Limita as subidas e quedas das taxas dos sinais Bus e proporcio-na o uso de dois cabos entrelaçados. Do ponto de vista do EMC, as bandas de degrau ascendentes devem ser evitadas nas redes dos veículos, porque provocam ra-diação electromagnética e podem interferir com outras gamas de ondas, como a recepção de rádio ou com as ondas de telemóveis (fig. 3.4).
Os cabos entrelaçados têm uma boa performance simétrica, porque as tensões de interferências externas actuam nas duas linhas de Bus com o mesmo sinal e são compensadas pelo comparador do receptor do transdutor quando o diferencial é formado. A figura 3.5 mostra a fraca sensibilidade contra a interferência indutiva. Devido à torção (2 cm por volta), os cabos alteram a sua posição em relação à fonte de interferência. Quando o número de linhas de campo magnético são uniformes, as fracções das tensões de interferência que se sobrepõe ao sinal de dados é ineficaz. Isto é possível somente na situação em que as linhas de dados são colocadas próximo de um material carregado com potencial negativo ou por um cabo ligado ao pólo negativo e livre de interferências com alta-frequência. Estas interferências criam “problemas” à comunicação das linhas Bus, a solução encontrada foi entrelaçar os fios de modo a anular o erro criado no sistema.
Ou seja, como os fios estão entrelaçados, o efeito electromagnético que altera o sinal, como altera nos dois fios do Bus, a diferença de potencial entre os dois se inalterada e assim o sinal mantém-se fiável. O objectivo é manter a diferença de potencial igual entre as linhas.
Fig. 3.5 – Interferências na rede CAN
Este fenómeno é facilmente comprovado com a análise das figuras (fig. 3.5, 3.6 e 3.7)
Fig. 3.6 – Sinais das linhas a serem alterados
Fig. 3.7 – Diferença de potencial entre as linhas
Como já foi referido anteriormente, o importante é a diferença de potencial entre as linhas ser igual em todas as situações, mesmo com a presença de interferências electromagnéticas.
No caso de ser uma linha LIN (capítulo 7.2) que apenas tem um fio, compensa-se o eventual efeito de interferências na rede com a tolerância de sinal nas unidades de controlo. As unidades de controlo conseguem entender o sinal mesmo que esteja alterado, no entanto, se a interferência for forte o sinal pode sofrer grandes alterações sendo impossível para as unidades de controlo entenderem a informação.
Reparações nas linhas BUS:
No caso de avaria das linhas no caso cortes parciais ou totais o procedimento aconselhado é substituir a cablagem danificada por inteiro. No entanto há quem opte pela reparação das linhas, o aconselhado é o seguinte (ver figura 3.8):
• Utilizar somente cabos amarelos ao realizar reparações nas linhas. Marcar os pontos onde se realizam reparações com fita adesiva amarela.
• Em caso de reparação, ambos as linhas do bus devem ter o mesmo comprimento. Ao entrelaçar os cabos 1 e 2 há que guardar uma distância A=20 mm.
• Ao entrelaçar os cabos, não devem ficar troços de mais de 50 mm (B) de comprimento sem entrelaçar, como por exemplo no caso das uniões soldadas. (seta).
Fig. 3.8 – Reparações nas linhas CAN-Bus
NOTA: Os pontos de atenção mais importantes na realização destes trabalhos são:
• Utilizar a mesma secção de fio (se necessário na reparação).
4 – PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
4.1 - TOPOLOGIA DE REDE
Descreve a estrutura da conexão física entre as unidades de uma rede de comunicação. A estrutura da conexão aplicada determina decisivamente as despesas requeridas para a implementação da rede física, os limites da aplicação, e os parâmetros físicos da rede. Existem três tipos de estruturas de rede diferentes, que são Topologia em Estrela, em Anel, Linear e em Árvore.
4.1.1 - TOPOLOGIA EM ESTRELA
No tipo de Topologia em Estrela (fig. 4.1), uma estação central é ligada a todos os usuários através de ligações duplas. Esta estação central pode ser responsável pelo controlo da rede, o “Mestre”, podendo simplesmente estabelecer a ligação entre o emissor e o receptor. É utilizado apenas em veículos de gama alta, que tenham sistemas de comunicação por fibra óptica.
Fig. 4.1 – Topologia em Estrela
As vantagens desta topologia são:
• Cada nó tem sua própria conexão ao nó central;
• Integração simples de nós adicionais;
• Fácil de executar com transmissão através de meios ópticos (fibra óptica).
As desvantagens desta topologia são:
• Comprimento total elevado de todas as conexões se os nós forem ordenados como uma linha geográfica;
• O nó central requer N interfaces para a conexão de N nós;
• A comunicação entre os nós apenas possíveis através do nó central;
Na figura 4.2 pode-se ver um exemplo da Topologia em Estrela.
Fig. 4.2 – Exemplo de Topologia em Estrela
4.1.2 - TOPOLOGIA EM ANEL
Se um anel físico for construído com diversas ligações de dois pontos, é denominado uma estrutura em Anel (fig. 4.3). Ora, uma mensagem que esteja a ser transferida é passada de uma unidade para a unidade seguinte. Se o sinal puder ser amplificado cada vez que passa por uma unidade, é possível atingir distâncias bastante grandes. A mensagem percorre o anel até chegar ao emissor, onde é apagada.
As vantagens de uma topologia em anel são:
• Implementação de redes extensas torna-se possível porque cada nó fornece uma regeneração de sinal.
• Excelente para a utilização de meios ópticos de transmissão dado à aplicação do sistema ponto-a-ponto entre nós.
• Identificação simples do nó em questão, tal é a posição geográfica dos nós no anel.
As desvantagens de uma topologia em anel são:
• O sistema global falha quando um dos nós falha. Consequentemente tem de se tomar medidas adicionais geralmente, por exemplo possibilidade construir uma ponte sobre o nó ou a provisão falhada de um anel redundante.
• Uma operação tem que ser interrompida para se proceder à integração de um novo nó ou à recolocação de um nó.
Nas figuras 4.4 e 4.5 podem-se ver alguns exemplos da Topologia em Anel.
Fig. 4.5 – Exemplo de Topologia em Anel (DaimlerChrysler)
4.1.3 - TOPOLOGIA LINEAR
A característica típica de uma topologia linear (fig. 4.6) é a ligação eléctrica passiva de todos os nós a um meio comum.
Fig. 4.6 – Topologia Linear
As vantagens mais importantes da topologia linear são:
• Custo das linhas Bus é mais baixo para aplicações com os nós dispostos geograficamente como uma linha.
• Ligação simples de um nó.
• Pode-se adicionar mais nós simplesmente sem interrupção da operação.
As principais desvantagens da topologia linear podem ser resumidas como se segue:
• Comprimento das linhas Bus e número de nós limitados se a regeneração de sinal por nós repetidores não for efectuada.
• A implementação de uma estrutura do Bus com interface óptico é complicada pelo facto que as fibras ópticas apropriadas ainda são difíceis de implementar. Pode ser utilizada usando um acoplador “passivo” óptico do Bus (amplificador de sinal), embora com custos mais elevados.
Na figura 4.7 pode-se ver um exemplo de aplicação da Topologia Linear.
Fig. 4.7 – Exemplo de Topologia Linear (Volkswagen Polo 2002)
Não obstante às desvantagens acima descritas, tipologia linear é de todas, a mais usada hoje em dias nos veículos, sendo também a mais fiável.
4.1.4 - TOPOLOGIA EM ÁRVORE
Este tipo de topologia caracteriza-se principalmente pelo facto das ligações serem em pontos aleatórios. É basicamente uma associação entre as topologias do tipo estrela e linear (fig. 4.8).
A Topologia em Árvore está implantada na maioria dos sistemas CAN que possuam derivações de linhas. Ou seja, no caso da porta de um automóvel, a linha CAN passa pelo interior da unidade de comando dos vidros para chegar às
4.2 – HIERARQUIA
Existem duas variantes neste âmbito, MESTRE-ESCRAVO (Master-Slave) e MULTI-MESTRE (Multi-Master).
4.2.1 - Sistema MESTRE – ESCRAVO
Um nó mestre é o coordenador da comunicação na linha Bus. Somente o mestre pode iniciar mensagens/ tramas. O mestre está seguidamente a interrogar os escravos: Neste sistema os escravos dão na maior parte das vezes uma resposta dentro da própria mensagem. Com o princípio “mestre-escravo”, um nó na rede, o “mestre”, assume o controlo do acesso às linhas Bus nos termos de uma troca de dados orientada através dos outros nós (“escravos”).
Exemplo da arquitectura de comunicação entre as unidades (fig. 4.9):
Fig. 4.9 – Comunicação entre “mestres e escravos”
As vantagens deste princípio são a sua simplicidade, assim como determinado tempo de latência máximo que o Bus está disponível para um nó. Uma desvantagem geral deste formato é que um nó escravo se quiser aceder ao Bus tem de esperar por a emissão de uma mensagem do Mestre, para assegurar o tempo de latência garantido. Isto significa cargas desnecessárias no sistema Bus, e para isso necessitam de sistemas com requisitos bastante elevados. Por outro lado, o princípio de processo cíclico na estrutura Mestre-Escravo é mais apropriado do que um processo não cíclico. Outra desvantagem adicional, o sistema de comunicações falha por completo quando o mestre falha.
Exemplos de aplicações deste sistema: VAN (Vehicle Area Network) na Peugeot, e LIN (Local Interconnect Network) na Opel.
4.2.2 - SISTEMA MULTI – MESTRE
Neste sistema as unidades são todas mestres. Isto é, todos os nós têm os mesmos direitos e tendo apenas que respeitar o protocolo na área de prioridade da mensagem.
Exemplo da arquitectura de comunicação num sistema MULTI-MESTRE (fig. 4.10):
Fig. 4.10 – Arquitectura da comunicação entre “mestres”
Tal configuração permite o acesso simultâneo à linha Bus de diferentes nós. Se mais de um nó tentar aceder simultaneamente à linha Bus, é realizado o processo de arbitragem para cada uma das mensagens colocadas na linha Bus. O método de aceder à rede CAN é chamado Carrier Sense Multiple Access (acesso múltiplo de portador de sinal), com Collision Detection (detecção de colisão) e Arbitration (arbitragem) na prioridade de mensagem (CSMA/CD + AMP). A prioridade de mensagem é descodificada no identificador da CAN. Quando o Bus está inactivo, vários nós podem começar a transmissão de uma mensagem. Cada nó lê bit a bit da mensagem e compara o valor do bit transmitido com o valor bit recebido. Por definição, os bits com um valor dominante (bit 0) sobrepõem-se aos bits recessivos (bit 1).
No que diz respeito ao acesso das unidades à rede, o exemplo da figura 4.11) demonstra bastante bem o controlo da prioridade de envio de mensagens à linha Bus, por diferentes nós.
O nó B como tem prioridade alta transmite a cada 50ms, por outro lado, o nó C tem prioridade baixa apenas transmite a cada 100ms. Por isso o nó B tem prioridade para transmitir mensagens sobre o nó C e o A. Estas só comunicam com o CAN-Bus após o nó B, como se pode ver pela figura anterior.
4.3 – OUTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES
Mensagens prioritárias: o identificador de uma mensagem determina a sua prioridade no que diz respeito ao acesso à linha Bus, é possível à unidade ter o acesso à linha Bus de acordo com a sua importância. Assim, particularmente as mensagens importantes podem obter o acesso ao Bus num curto espaço de tempo não obstante à carga momentânea do Bus.
Comprimento das linhas CAN:
Por exemplo, pela análise do gráfico 4.1 pode-se concluir que a uma velocidade de 1Mbit/s, pode ser usado uma linha CAN com 40 metros de comprimento (máximo).
Gráf. 4.1 – Comprimento das linhas CAN em função da taxa de transmissão
Outros comprimentos máximos das linhas (valores aproximados):
• 100 m at 500kbit/s • 200 m at 250kbit/s • 500 m at 125kbit/s • 6 km at 10kbit/s
Quando maior a velocidade de transmissão, menores têm de ser as linhas. Os valores máximos de comprimento das linhas CAN têm de ser cumpridos de modo a garantir que os dados não se percam na transmissão de uma mensagem. Muitas das falhas que podem ocorrer num sistema CAN pode são devidos a problemas nas linhas, deterioração, cortes, interferências electromagnéticas, etc.
Comprimento da rede versus taxa de transmissão de dados:
Taxa de transmissão
Comprimento das linhas
Tempo nominal de transmissão do bit 1Mbit/s 40m 1μs 800kbit/s 50m 1,25μs 500kbit/s 100m 2μs 250kbit/s 250m 4μs 125kbit/s 500m 6μs 62,5kbit/s 1000m 20μs 20kbit/s 2500m 50μs 10kbit/s 5000m 100μs
Tab. 4.1 – Comprimento da rede versus taxa de transmissão de dados
Tal como já foi referido, quanto maior a velocidade menores têm de ser as linhas. Por conseguinte, com o aumento da velocidade de transmissão também aumenta o tempo de envio/transmissão de um bit. Os comprimentos reais das linhas, os transdutores compatíveis e os tipos de cabos a utilizar nas linhas Bus estão predefinidos na norma ISO 11898.
Comprimento curto da trama/mensagem: O comprimento máximo dos dados da mensagem CAN é limitado a oito bytes (64 bits). Este comprimento dos dados é suficiente para as exigências da transmissão de dados nos veículos. A transmissão de mensagens mais longas através da CAN é requerida somente em casos excepcionais (por exemplo durante a configuração e programação de um nó/unidade de controlo).
Tempo muito curto da recuperação de erros: A CAN permite a detecção de mensagens corrompidas devido a diversos mecanismos da detecção de erros complementares. Os erros detectados conduzem a uma retransmissão automática de uma mensagem incorrectamente transmitida ou recebida. Assim a sua correcção ocorre também dentro de um tempo muito curto.
Detecção e desactivação de nós com defeitos/avarias: O protocolo CAN monitoriza a função comunicação específica dos nós de modo a que um nó avariado não possa continuamente perturbar a transmissão de dados. Quando as taxas de erro médias predefinidas são excedidas num nó, são tomadas medidas que limitam o acesso do nó afectado à rede, e desactivam o nó da rede.
5 – COMPOSIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
5.1 – COMPONENTES DO SISTEMA
O sistema CAN-Bus é composto por vários componentes, que são:
• Unidades de Comando que possuem: • Microprocessador
• Controlador CAN (possui um transmissor e um receptor); • Transdutor CAN (possui um transmissor e um receptor); • Linhas do Bus de dados;
• Terminal do Bus de dados.
Na figura 5.1 demonstra-se a arquitectura de ligações dos vários componentes de uma unidade de controlo electrónico inseridos em redes CAN (fig. 5.1).
Fig. 5.1 – Componentes do sistema CAN
Com excepção para as linhas do Bus de dados e em alguns casos os terminais do Bus (resistências finais), todos os componentes estão alojados nas unidades de controlo electrónico (UCE). No funcionamento normal das unidades de controlo nada foi modificado com a implementação do sistema CAN.
Existem ainda dois componentes bastante importantes no sistema CAN, a Gateway e a Ficha de Diagnóstico em que o seu funcionamento será explicado no capítulo 5.2.1 e 5.2.2, respectivamente.
5.2 – FUNCIONAMENTO DOS COMPONENTES
Unidades de Comando:
• Microprocessador: Este dispositivo tem a função de processar a mensagem, e enviá-la para o Controlador CAN.
• Controlador CAN: Recebe do microprocessador da unidade de comando os dados que se são para enviar (através do receptor – RX). O controlador CAN processa-os e transmite-os ao transdutor CAN (através do transmissor – TX). Também recebe dados do transdutor CAN, processa-os e transmite-os ao microprocessador. Ou seja, controla o caminho a seguir pelas mensagens provenientes dos outros componentes.
• Transdutor CAN: É um emissor e receptor que transforma os dados do controlador CAN em sinais eléctricos digitais e envia-os para as linhas do Bus de dados. Recebe os dados e transforma-os para o controlador CAN. Tal como o Controlador CAN, também ptransforma-ossui um receptor e um transmissor (RX e TX).
NOTA: no capítulo 5.2.2 explica-se o funcionamento pormenorizado dos controladores e transdutores CAN de acordo com o protocolo de transmissão de dados utilizado.
Linhas do Bus de dados:
São fios bidireccionais multifilares que servem para transmitir os dados. Através dos componentes acima descritos torna-se então possível existir comunicação entre as várias unidades. No caso da figura 5.2 podemos verificar isso mesmo, tomando como exemplo a passagem de caixa num veículo com caixa de velocidades automática, para a unidade de controlo realizar essa operação necessita de várias informações, entre elas estão por exemplo a informação das rotações do motor, a posição da borboleta, etc.
Terminal do Bus de dados:
É uma resistência (fig. 5.3). Impede que os dados enviados regressem dos extremos das linhas do bus e “falsifiquem” os dados seguintes, ou seja, impede os “ecos”. (exemplo: no Grupo VAG tem valores na ordem dos 60 a 72Ω). Na maioria dos casos encontram-se inseridas nas unidades de comando, porém podem também estar no seu exterior. Assegura que os níveis de tensão correctos em ambas as linhas.
Consoante as diferentes velocidades das redes CAN os valores de resistência são diferentes, ou seja, num sistema CAN de alta velocidade os terminais do Bus têm valores de resistência diferentes de um sistema CAN de baixa velocidade.
Fig. 5.3 – Terminal do Bus de Dados (Resistência)
5.2.1 - GATEWAY
O que é a Gateway e para que serve? A Gateway (tradutor de dados) é um componente do sistema CAN em que a sua função é enviar as mensagens para a respectiva rede e gere os diferentes protocolos CAN tal como os níveis de tensão da rede CAN. Ou seja, encaminha uma mensagem para a respectiva rede CAN (alta, média ou baixa velocidade) de modo a que todas as unidades ligadas à mesma possam aceder às informações cedidas.
Exemplo (fig. 5.4): o sensor de velocidade do veículo fornece informação à unidade de ABS, por sua vez, esta unidade envia a informação para a rede CAN tracção (CAN de alta velocidade). Como a informação de velocidade do veículo também é requerida por outras unidades – por exemplo: ECU do painel de instrumentos – a Gateway encaminha essa a informação para a rede CAN de média velocidade, para o utilizador do veículo poder consultar a velocidade a que circula.
Fig. 5.4 - Função do Gateway
Em conclusão: transforma as mensagens de modo poderem ser lidas por redes CAN de diferentes velocidades. É a interface de ligação entre todas as redes do veículo (LIN, MOST, Bluetooth) como se pode ver pela figura 5.5.
Fig. 5.5 – Gateway CAN
A Gateway pode estar inserida numa unidade de controlo (exemplos: na Opel encontra-se inserida na unidade de controlo da coluna de direcção – CIM; no grupo Volkswagen encontra-se inserida no painel de instrumentos, mas nos modelos mais recentes a Gateway é um componente separado das unidades de comando), ou pode ser ela própria uma unidade, em que a função é a mesma. Por fim, para equipamentos de diagnóstico específicos de marca que permitam fazer diagnósticos mais detalhados, consegue-se aceder à Gateway de modo a verificar o estado completo do sistema CAN-Bus. O que por vezes tem alguns problemas, dado que ao ligarmos o equipamento de diagnóstico à Gateway verificam-se avarias de todo o sistema, se o objectivo for verificar uma determinada unidade, não é uma boa solução aceder à rede através da Gateway.
5.2.2 - FICHA DE DIAGNÓSTICO
Tal como no caso das cores das linhas CAN não estarem na prática padronizadas, o mesmo acontece quanto às posições dos pinos de ligação na ficha de diagnóstico E-OBD.
Nas figuras seguintes podem-se verificar as principais diferenças verificadas de fabricante para fabricante.
Na figura 5.6 pode-se verificar a ficha de diagnóstico normalizada (utilizada pela maioria dos fabricantes), no entanto e consoante o fabricante algumas posições dos pinos são alteradas.
Fig. 5.6 – Ficha de Diagnóstico
Na tabela 5.1 apresentam-se as excepções no que diz respeito às posições dos pinos na ficha de diagnóstico E-OBD.
Fabricante Nº do Pino Descrição
Alguns europeus, asiáticos 15 Linha L
Fiat (Grand Punto) 1 CAN H
9 CAN L
Opel (Média velocidade) 3 CAN H
11 CAN L
Opel (Alta Velocidade) 6 CAN H
14 CAN L
5.2.3 - SISTEMAS RECEPTORES (RX) E TRANSMISSORES (TX)
No interior de unidade de comando, entre outros componentes, temos o transdutor e o controlador CAN. Estes componentes precisam de comunicar entre si, e, para isso utilizam sistemas de recepção e transmissão da informação.
Os receptores (RX) e transmissores (TX) inseridos nos controladores e transdutores CAN não funcionam todos da mesma forma. Devido ao facto de estarem inseridos em diferentes protocolos CAN.
5.2.3.1 - CAN DE ALTA VELOCIDADE (ISO 11898-2)
O controlador comunica com o transdutor cumprindo o protocolo ISO 11898, através da linha de saída TX e da linha de entrada RX. O transdutor está ligado à linha Bus através dos dois terminais CAN H e CAN L que lhe dão a capacidade de receber e transmitir dados.
Exemplo de ligações num sistema CAN de alta velocidade (fig. 5.7):
Fig. 5.7 – Arquitectura de ligações entre os vários componentes CAN
NOTA: Os valores de resistência (60Ω), tensão (0 e 5V) e capacidade (100nF) dizem respeito a um Volkswagen Polo de 2002.
Os sinais de TX e RX são directamente relacionados, enquanto que a diferença de potencial entre o CAN H e o CAN L é uma relação indirecta. Cada nó transmissor da CAN lê o que está a enviar de novo, no entanto, há que considerar que há um ligeiro atraso entre os bits transmitidos e os bits recebidos.
Exemplo de um Transdutor CAN de alta velocidade (Philips) (fig. 5.8):
Fig. 5.8 – Arquitectura de um transdutor CAN de alta velocidade
Analisando a figura 5.8 explica-se o funcionamento deste componente. O pino “S” é usado para controlo do componente (é o interruptor On/Off, ou seja, quando existe sinal de chave, o componente é alimentado, quando não existe o componente não é alimentado e por conseguinte desligado). O pino 5 (VREF) é onde está a tensão de referência, fornece uma tensão nominal de saída de VCC/2 e é usado como um nível de referência para controladores CAN de entradas RX analógicas. No caso de transdutores com entradas digitais isto não é necessário, pois, o transdutor é alimentado com uma tensão nominal de +5V.
Os sistemas deste tipo caracterizam-se por estarem ligados através de portas AND (E), que funcionam segundo uma simples multiplicação, ou seja, nos dois níveis possíveis, 0 e 1, basta que um deles seja 0 para o resultado ser 0 (fig 5.9).
No entanto no caso do Bus, este está no modo recessivo se nenhum nó transmitir um bit dominante, mas, basta um nó transmitir um bit dominante para o Bus ficar em modo dominante e ignorar os nós em modo recessivo.
(NOTA - Tensão de Referência: Com a verificação da tensão de referência das unidades de comando, consegue-se descobrir bastantes avarias. É um excelente método de verificar o funcionamento dos sensores, porque como a unidade grava o sinal recebido por um dado sensor, pode-se comparar este valor com uma base de dados do fabricante e assim concluir se o sensor está ou não a funcionar correctamente)
ESTADOS DE TRANSMISSÃO – RECESSIVO E DOMINANTE
O controlador do protocolo transmite uma corrente de dados para as entradas TX do transdutor. De seguida, uma reacção interna coloca então o TX com um valor lógico alto (nível 1), isto é, as linhas de saída para o Bus está em modo passivo na condição de circuito aberto. Diz-se que neste caso o Bus está em modo recessivo (fig. 5.10), e, as entradas para o CAN H e CAN L são “colocadas a um nível de tensão igual a VCC/2 através redes da entrada do receptor com uma impedância interna típica de 25kΩ.
Por outro lado, se um nível lógico baixo (nível 0) for aplicado a TX, isto activa a etapa de produção de uma mensagem, gerando assim o chamado nível de sinal dominante nas linhas Bus (fig. 5.10).
A linha CAN H produz sinais a partir de fonte de alimentação (VCC), enquanto que a linha CAN L uma produção de sinal a partir da massa (GND).
O Bus está no estado recessivo se nenhum nó ligado à rede transmitir um bit dominante. Se um ou múltiplos nós do Bus transmitirem um bit dominante, as linhas Bus ficam no estado dominante que assim ignora o estado recessivo (característica das portas AND). Como nota importante temos o facto de bit 0 (dominante) ter precedência sobre o bit 1 (recessivo).
Tensão [V] Tensão [V]
CAN H 2,5 3,5
CAN L 2,5 1,5
VDIFF: CAN H – CAN L (nominal) 0 2
VDIFF: CAN H – CAN L (tolerância) > -1 / < 0,5 > 0,9 / < 5
bit recessivo dominante
Tab. 5.2 – Estados dominante e recessivo
Tal como se pode ver pela figura 5.10 e pela tabela 5.2, o Bus está no estado recessivo se a diferença de tensão entre CAN H e CAN L estiver entre -1V e 0,5V. Por outro lado, está no estado dominante a diferença de tensão estiver entre 0,9V e 5V.
Como nota importante, tem-se também o facto dos nós do Bus deverão detectar o estado recessivo se a tensão de CAN H não for superior à tensão de CAN L em 0.5V. Da mesma forma, se a tensão de CAN H for pelo menos 0,9V superior à tensão do CAN L o Bus deve detectar o estado dominante.
A tensão nominal no estado dominante é 3.5V da linha CAN H e 1.5V da linha CAN L, e, no estado recessivo é 2,5V em ambas as linhas.
Na figura 5.11 apresenta-se um exemplo de uma mensagem CAN (alta velocidade) vista no osciloscópio, com os respectivos estados de transmissão identificados.
O receptor/comparador converte o sinal diferencial do Bus num sinal de nível lógico, que é produzido no RX. De seguida, os de dados recebidos são fornecidos ao controlador de protocolo do Bus que procede à sua descodificação. O receptor/comparador está sempre activo, isto é, controla a rede enquanto um nó desta está a transmitir uma mensagem. Este fenómeno, deve sempre acontecer de modo a suportar o bit não destrutivo pelo esquema de arbitragem de bits da CAN.
ELEMENTOS FINAIS DO BUS
Considerando uma topologia linear na maioria dos sistemas CAN, no final do Bus estão resistências nominais de 120Ω.
No caso do Grupo VAG (VW, Audi, etc.) existe um nó que tem uma resistência mais baixa que as outras (unidade de comando = 60Ω), o que faz com que a resistência total do sistema esteja entre 60 e 66Ω, como se pode ver pela figura 5.12.
Fig. 5.12 – Resistências das unidades no grupo VAG
As resistências finais presentes nas linhas asseguram que os sinais de dados não sejam reflectidos, em sentido contrário ao enviado. Note-se que por exemplo no caso de um sistema LIN (um fio) não é necessário a aplicação de resistências no final das linhas. Por outro lado, no sistema CAN de alta velocidade a aplicação de pelo menos uma resistência é indispensável.
FALHA DO SISTEMA E EFEITOS PROVÁVEIS
No caso de ocorrerem curto-circuitos num transdutor CAN, as Classes CAN de diferentes velocidades também “respondem” de forma diferente, com falhas individuais (ver tab. 5.3).
Classe CAN Efeitos A o Danifica o transdutor
o O Bus pode ser afectado B o Não danifica o transdutor
o Não há comunicação no Bus
C
o Não danifica o transdutor o Há comunicação no Bus o O nó danificado não comunica
D
o Não danifica o transdutor o Há comunicação no Bus
o Funcionamento reduzido do Transdutor
Tab. 5.3 –Efeitos de curto-circuitos nas Classes CAN
No caso de ocorrer um curto-circuito nos pinos dos transdutores ou das unidades de comando, a inesperados níveis de tensão (Positivo da bateria – VBAT; Positivo de chave – VCC; Massa – GND.) ou simplesmente circuito aberto. As falhas possíveis do sistema, tal como os respectivos efeitos podem ver-se nas seguintes figuras e tabelas:
Tomando como exemplo, um transdutor CAN de alta velocidade (Philips) (fig 5.13), tem-se a análise de falhas do sistemas quando a ocorrência de curto-circuitos nas tabelas 5.4 e 5.5:
Pino
Curto com VBAT (12V...40V) Curto com VCC (5V) Classe Observações Classe Observações
1 (TX) A Valor limite excedido C TX passa para estado recessivo; eventualmente o nó desliga-se
2 (GND) C Nó fica sem alimentação C Transdutor fica sem alimentação
3 (VCC) A Valor limite excedido -
-4 (RX) A Valor limite excedido C
RX fica em estado recessivo e o controlador CAN fica em modo de espera; o nó produz mensagens de erro até a comunicação com o Bus ser desligada; a comunicação fica continuamente distorcida devido ao nó estar curto-circuitado.
5 (SPLIT) D
Bus fica ao nível de tensão da bateria (VBAT); problema de regulação de tempo de bit D
Bus fica ao nível de tensão da bateria (VBAT); problema de regulação de tempo de bit
6 (CAN L) B Não há comunicação com o Bus B Não há comunicação com o Bus 7 (CAN H) D Problema de regulação com o
tempo dos bits D Problema de regulação com o tempo dos bits 8 (STB) A Valor limite excedido C Transdutor permanentemente em modo de espera
(transmissor desactivado)
Tab. 5.4 – Curto-circuitos versus análise de falhas
Pino
Curto com a massa (GND) Circuito aberto Classe Observações Classe Observações
1 (TX) C TX fica em estado dominante;
transmissor desactivado; eventu-almente o nó desliga-se.
C TX fica em estado dominante; transmissor desactivado; eventualmente o nó desliga-se.
2 (GND) - - C Transdutor fica sem alimentação e
comporta-se de forma passiva para com as linhas Bus 3 (VCC) C Transdutor fica sem alimentação e
comporta-se de forma passiva para com as linhas Bus
C Transdutor fica sem alimentação; não há fornecimento de sinal de chave por parte do micro controlador para o transdutor.
4 (RX)
C RX fica em estado dominante C O nó pode produzisr mensagens de erro até a comunicação com o Bus ser desligada;
5 (SPLIT)
D Bus desligado do nível de tensão massa; Problema de regulação com o tempo dos bits.
D Não há estabilização da tensão contínua
6 (CAN L) D Problema de regulação com o tempo
dos bits C
Apenas recebe do Bus, se não possuir resistência final, comporta-se como se estiver interrompido. Não há comunicação.
7 (CAN H) B Não há comunicação com o Bus C Apenas recebe do Bus, se não possuir resistência final, comporta-se como se estiver interrompido. Não há comunicação.
8 (STB) D Transdutor fica permanentemente em
Modo Normal C
Transdutor permanentemente em modo de espera (transmissor desactivado)
5.2.3.2 - CAN DE MÉDIA VELOCIDADE (ISO 11898-3)
Os Transdutores de média velocidade (do tipo fault tolerant – tolerância de falha) foram desenvolvidos para aplicações de velocidade de transmissão de dados até 125kbit/s nos veículos de passageiros. O dispositivo tem a capacidade de transmissão através de diferentes níveis de tensão (CAN H e CAN L), mas, em caso de falha muda automaticamente para a comunicação por apenas uma linha transmissora e/ou receptora.
Em casos de falha todos os nós continuam a transmitir com uma taxa de sinal reduzida. Uma vez restabelecida a comunicação, o transdutor (tolerância de falha) restabelece automaticamente a comunicação normal pelas duas linhas CAN.
O princípio de funcionamento, tal como a arquitectura de ligações de um transdutor deste tipo é idêntico ao sistema CAN de alta velocidade. No entanto e a grande vantagem deste tipo de transdutor é possuir um detector de falhas/erros (fig. 5.14) que permite que o sistema funcione mesmo com avarias. É garantida a comunicação entre as unidades, mesmo com uma das linhas CAN interrompida, ou com falhas no sistema.
Fig. 5.14 – Arquitectura eléctrica de um Transdutor CAN de média velocidade
Claro que se houver interrupções/problemas em ambas as linhas CAN o sistema é totalmente desactivado.
ESTADOS DE TRANSMISSÃO – RECESSIVO E DOMINANTE
No caso da CAN de média velocidade, os níveis de tensão para as linhas CAN H e CAN L tem valores diferentes da CAN de alta velocidade. Neste tipo CAN os sinais das linhas dizem-se “cruzados” porque quando um desce, o outro sobe (ver fig. 5.15 e tab. 5.6).
Fig. 5.15 – Níveis de tensão das linhas CAN
Tensão [V] Tensão [V]
CAN H 0 3,6
CAN L 5 1,4
VDIFF: CAN H – CAN L (nominal) -5 2,2
VDIFF: CAN H – CAN L (tolerância) > -5 / < 2,9 > 0,7 / < 2,2
bit recessivo dominante
Tab. 5.6 – Estados dominante e recessivo
Tal como se pode ver pela figura 5.15 e pela tabela 5.6, o Bus está no estado recessivo se a diferença de tensão entre CAN H e CAN L estiver entre -5V e 2,9V. Por outro lado, está no estado dominante a diferença de tensão estiver entre 0,7V e 2,2V.
A tensão nominal no estado dominante (bit 0) é 3,6V da linha CAN H e 1,4V da linha CAN L, e, a tensão nominal no estado recessivo (bit 1) é 0V na linha CAN H e 5V na linha CAN L.
Exemplo de uma mensagem CAN (média velocidade) vista no osciloscópio (fig. 5.16):
Fig. 5.16 – Mensagem CAN num sistema de média velocidade
ELEMENTOS FINAIS DO BUS
Os transdutores para média velocidade (fault-tolerant – tolerância de falha) são desenhados/projectados para terem um comportamento óptimo com uma resistência total do sistema de 100Ω. Isto significa que ambas as linhas CAN possuem no final uma resistência de 100Ω. Devido ao facto da resistência total do sistema estar distribuída por toda a rede, cada um dos transdutores apenas utilizam uma parte dos 100Ω. Então, dependendo do tamanho global do sistema, as resistências locais a aplicar no nó têm de ser calculadas.
Não é obrigatório que todos os nós (ou transdutores) tenham de ter o mesmo valor de resistência. O valor da resistência total do sistema deve ser 100Ω.
Por exemplo, se a carga total do sistema necessite de uma resistência total de 100Ω não é recomendado termos os 100Ω, mas sim mais que isso. Por outro lado, não existe um limite para valor máximo de resistência total. Apenas é recomendado não exceder os 6kΩ (6000Ω) de resistência por transdutor devido a garantir a boa imunidade electromagnética (leia-se capacidade de resistir a interferências electromagnéticas).
Na figura 5.17 pode-se verificar o fenómeno explicado anteriormente. Ou seja, se se tiver um sistema com 5 unidades (tem-se também 5 transdutores), então é recomendado ter-se para cada entrada no transdutor uma resistência de 500Ω. No caso de se ter um sistema com 10 unidades, é recomendado ter associado uma resistência de 1000Ω a cada unidade.
Fig. 5.17 – Resistências dos transdutores
FALHA DO SISTEMA E EFEITOS PROVÁVEIS
Uma falha completa do sistema pode ocorrer no caso de ocorrerem curto-circuitos no sistema, a inesperados níveis de tensão (Positivo da bateria – VBAT; Massa – GND) ou simplesmente circuito aberto, como se pode ver pela figura 5.18 e tabela 5.7.
Item Observação 1 Linha CAN H interrompida 2 Linha CAN L interrompida 3 CAN H curto-circuitado à bateria 4 CAN L curto-circuitado à massa 5 CAN H curto-circuitado à massa 6 CAN L curto-circuitado à bateria
7 CAN H e CAN L mutuamente curto-circuitadas
Tab. 5.7 – Curto-circuitos em sistemas CAN de média velocidade
No caso dos transdutores com detector de falhas (utilizados em média velocidade – 125kbit/s), estes detectam o tipo de curto-circuito que está a ser praticado e actua em conformidade (de acordo com o protocolo ISO 11898-3) com a falha/avaria e passa automaticamente para a comunicação por apenas uma linha, a CAN H.
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.
