REDES INDUSTRIAISCAN

Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012

CAN

• É um protocolo de comunicação serial;• Desenvolvido inicialmente pela Bosch (1986) para

aplicações automotivas;• Como método de acesso ao barramento usa o protocolo

CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution), também chamado de CSMA/CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Arbitration on Mesage Priority);

• Foi adotado em 1993/94 como padrão mundial ISO11898;

• CiA (CAN in Automation) é uma associação de fabricantes de controladores CAN e de microcontroladores com controladores CAN integrados.

CAN

• Características gerais– Mensagens de dados são pequenas (até 8 bytes);– Taxa de até 1 Mbps;– Priorização de mensagens;– Pode transmitir em broadcast;– Recepção multicast com sincronização;– Detecção de erros;– Sinalização e retransmissão automática de mensagens;– CAN 2.0A especifica identificadores de 11 bits;– CAN 2.0B suporta mensagens estendidas com identificadores

de 29 bits;– É constituído somente de duas camadas: Enlace de dados e

Física. A Camada de Aplicação é especificada pelo projetista.

CAN

• Características gerais:– O controle do acesso ao barramento é feito por um esquema de

arbitragem binária não destrutiva (bitwise arbitration) descentralizada, baseada na adoção dos níveis dominante (0) e recessivo (1);

– Não há endereço explícito nas mensagens. Cada mensagem carrega um identificador que controla sua prioridade no barramento e também identifica seu conteúdo;

– Esquema de tratamento de erros com retransmissão de mensagens;

– Isola falhas e remove nós com problema do barramento;– Filtra mensagens (endereçamento);– Os meios físicos podem ser o par metálico, a fibra óptica e

radiofrequência;– Possui capacidade multimestre;– Distingue entre erros temporários e erros permanentes;– Flexibilidade de configuração.

CAN

• Arquitetura– Define duas camadas:

• Camada de enlace de dados– LLC – Logic Link Control

» Controle de aceitação de mensagens» Notificações de sobrecarga do nó à rede

– MAC – Medium Access Control» Controle do acesso ao meio físico» Detecção e sinalização de erros» Reconhecimento de mensagens recebidas» (Des)encapsulamento de mensagens

• Camada física– Define o nível do sinal de transmissão– Ajuste do tempo de bit (bit timing)– Sincronização entre os nós

CAN

• Camada Física– Versões: 1.0 e 2.0A Padrão (com

identificadores de 11 bits) e 2.0B Estendida (com identificadores de 29 bits);

– A versão 2.0B pode ser:• Passiva: envia e recebe somente quadros padrão

(11 bits);• Ativa: envia e recebe quadros tanto padrão quanto

estendida.

CAN - Frames

SOF

11 bits identificadores

RT R

I

DE

r0DL

C

0 a 8 bytes de dados

CRC

ACK

EOF

I

F

S

SOF

11 bits identificadores

SRR

IDE

18 bits identificadores

RT R

r0 r1DL

C

0 a 8 bytes de dados

CRC

ACK

EOF

I

F

S• SOF – Start of Frame (1 bit) – início da mensagem e sincronismo dos nós

• Identificador (11 ou 29 bits) – define a identificação e a prioridade da mensagem

• RTR – Remote Transmission Request (1 bit) – indica uma requisição de transmissão remota

• IDE – Identifier Extension (1 bit) – indica se haverá ou não extensão do identificador

• r0 – Reservado (1 bit)

• DLC – Data Length Code (4 bits) – contém o número de bytes de dados a serem transmitidos

• Data (64 bits) – contém os dados da mensagem

• CRC – Cyclic Redundancy Check (16 bits) – código de detecção de erros

• ACK – Acknowledge (2 bits) – reconhecimento do recebimento de uma mensagem sem erros

• EOF – End of Frame (7 bits) – indica o fim de um frame

• IFS – Inter Frame Space (7 bits) – contém a quantidade de tempo requerido pelo controlador CAN para mover um frame para a posição dele na memória.

• SRR – Substitute Remote Request (1 bit) – substitui o RTR

• r1 - Reservado

• Frame de dados: transmite os dados entre os nós da rede CAN (emissor e o receptor). O campo DLC indica o tamanho da mensagem (carga útil);

• Frame remoto: é enviado por um nó da rede que necessita de uma dada mensagem. O campo RTR terá valor 1. Não existe carga útil;

• Frame de erro: notifica um erro no recebimento de um frame e pode ser enviado por qualquer nó da rede;

• Frame de sobrecarga: sinaliza sobrecarga em um nó, impossibilitando-o de receber frames de dados

CAN – Formatos de frame

• A prioridade é especificada pelos identificadores• O identificador de menor valor numérico tem maior prioridade• O protocolo CAN permite acesso simultâneo ao barramento por

diferentes nós. Nesse caso a arbitragem é requerida• Se o barramento estiver ocupado o nó atrasa sua transmissão• O método de acesso é o CSMA/CA with NDA (Carrier Sense

Multiple Access with Collision Avoidance with Non-Destructive Arbitration)

• Os conflitos são resolvidos através da arbitragem bit a bit dos identificadores das mensagens

• Cada nó observa a rede bit a bit utilizando o mecanismo bitwise em que o estado dominante (“0”) se sobrepõe ao estado recessivo (“1”)

• O nó que está transmitindo um bit dominante tem prioridade sobre o nó que está transmitindo um bit recessivo

• Todos os nós perdedores tornam-se imediatamente receptores da mensagem com maior prioridade e somente voltam a tentar transmitir quando a rede estiver livre

CAN – Processo de arbitragem

CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN

Escuta

Escuta

Nó 1

Nó 2

Nó 3

Sinal no barramento

SOF 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

RTR

Nó 3 ganha a arbitragem

CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN

CAN - Barramento

Os dados são representados por bits Dominantes (nível 0, Vdif>=0,9V) e bits Recessivos (nível 1, Vdif =<0,5V), criados em função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L.

CAN - Barramento

• O controlador CAN pode estar conectado diretamente a um microcontrolador comum

• Os microcontroladores CAN possuem um controlador CAN interno

• Um nó, geralmente, é conectado a um barramento através de um transceiver

• O transceiver transforma os bits que entram no barramento em uma tensão diferencial para diminuir a EMI

CAN – Interface com microcontrolador

CAN – Interface com microcontrolador com controlador embutido

CAN – Conexão ao barramento

• Os nós são conectados ao barramento através dos fios CAN_H e CAN_L

• Pose-se usar conectores de 9 pinos

Pino Sinal Descrição

1 - Reservado

2 CAN_L Linha "baixa" do barramento

3 CAN_GND Terra para CAN

4 - Reservado

5 CAM_SHIELD Blindagem opcional

6 GND Terra opcional

7 CAN_H Linha "alta" do barramento

8 - Reservado

9 CAN_V+ Fonte externa opcional para CAN

Protocolos de alto nível em CAN

• CAN oferece somente os serviços de transferência e requisição de dados

• A aplicação HLP (High Layer Protocol) deve especificar:– Os identificadores– Inicialização dos nós– Estabelecimento da comunicação– Transmissão de dados com mais de 8 bytes– Endereçamento dos nós– Controle de fluxo

Alguns protocolos HLP abertos

• Automotivos– Volcano– J1939

• Industriais– CANopen– SDS – Smart Distributed Systems– CANKingdom– DeviceNet

CAN para sistemas automotivos

• Vários sensores, atuadores, sistemas de segurança, sistemas de telemetria, ...

• Os controladores espalhados reduzem o tamanho do cabeamento e gerenciam o tráfego das informações constituindo a Rede intraveicular (In-Vehicle Networking)

• Vantagens de uma rede intraveicular:– Cabeamento menor– Compartilhamento de sensores– Flexibiliza o projeto

• Padrões: CAN, SAE, VAN, ABUS

CAN para sistemas automotivos

• Padrão SAE (Society of Automotive Engineers) define três classes:– Classe A:

• Baixa velocidade (até 10 Kbps)• Aplicações típicas: entretenimento, áudio...• Implementada com uma UART (RS232)

– Classe B:• Média velocidade (até 125 Kbps)• Aplicações típicas: monitoramento de pressão, temperatura..• Protocolo SAE J1850

– Classe C:• Alta velocidade (acima de 125 Kbps)• Aplicações típicas: controle de servomecanismos em tempo

real (suspensão inteligente, controle aerodinâmico..)• Protocolo CAN 2.0

Exemplo de aplicação para sistema automotivo

Motor

Sensores de velocidade eaceleração

ControladorCAN principal

Transmissão Freios

Reservatóriode combustível

Exemplo de aplicação para sistema automotivo

Exemplo de aplicação para sistema automotivo

Referências bibliográficas

• LUGLI, Alexandre B. e SANTOS, Max M. D. SISTEMAS FIELDBUS para Automação Industrial: Devicenet, CANopen, SDS e Ethernet. 1ª ed. Editora Érica, São Paulo, 2009.

• http://www.pcs.usp.br/~laa/Grupos/EEM/CAN_Bus_Parte_3.html

• http://www.fipai.org.br/Minerva%2001%2801%29%2001.pdf