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REDES INDUSTRIAIS CAN Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012.

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1 REDES INDUSTRIAIS CAN Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012

2 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.

3 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.

4 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.

5 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

6 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.

7 CAN - Frames SOFSOF 11 bits identificadores RTRRTR IDEIDE r0 DLCDLC 0 a 8 bytes de dados CRCCRC ACKACK EOFEOF IFSIFS SOFSOF 11 bits identificadores SRRSRR IDEIDE 18 bits identificadores RTRRTR r0r1 DLCDLC 0 a 8 bytes de dados CRCCRC ACKACK EOFEOF IFSIFS 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

8 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

9 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

10 CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN Escuta Nó 1 Nó 2 Nó 3 Sinal no barramento SOFSOF RTRRTR Nó 3 ganha a arbitragem

11 CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN

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

13 CAN - Barramento

14 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

15 CAN – Interface com microcontrolador com controlador embutido

16 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 PinoSinalDescrição 1-Reservado 2CAN_LLinha "baixa" do barramento 3CAN_GNDTerra para CAN 4-Reservado 5CAM_SHIELDBlindagem opcional 6GNDTerra opcional 7CAN_HLinha "alta" do barramento 8-Reservado 9CAN_V+Fonte externa opcional para CAN

17 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

18 Alguns protocolos HLP abertos Automotivos –Volcano –J1939 Industriais –CANopen –SDS – Smart Distributed Systems –CANKingdom –DeviceNet

19 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

20 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

21 Exemplo de aplicação para sistema automotivo

22 Motor Sensores de velocidade e aceleração Controlador CAN principal TransmissãoFreios Reservatório de combustível

23 Exemplo de aplicação para sistema automotivo

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25 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, us_Parte_3.htmlhttp://www.pcs.usp.br/~laa/Grupos/EEM/CAN_B us_Parte_3.html 01%29%2001.pdfhttp://www.fipai.org.br/Minerva%2001%28 01%29%2001.pdf


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