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Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012

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REDES INDUSTRIAIS CAN. Wilmar Oliveira de Queiroz PUCGoiás 2012. CAN. É um protocolo de comunicação serial; Desenvolvido inicialmente pela Bosch (1986) para aplicações automotivas;

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wilmar oliveira de queiroz pucgoi s 2012

REDES INDUSTRIAISCAN

Wilmar Oliveira de Queiroz

PUCGoiás 2012

slide2
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.
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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.
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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.
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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
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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.
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CAN - Frames

  • 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
can formatos de frame
CAN – Formatos de frame
  • 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
slide9

CAN – Processo de arbitragem

  • 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
slide10

CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN

R

T

R

S

O

F

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Escuta

Nó 1

Nó 2

Escuta

Nó 3

Nó 3 ganha a arbitragem

Sinal no

barramento

can barramento
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.

slide14

CAN – Interface com microcontrolador

  • 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 conex o ao barramento
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
protocolos de alto n vel em 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
Alguns protocolos HLP abertos
  • Automotivos
    • Volcano
    • J1939
  • Industriais
    • CANopen
    • SDS – Smart Distributed Systems
    • CANKingdom
    • DeviceNet
can para sistemas automotivos
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
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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
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Sensores de

velocidade e

aceleração

Controlador

CAN principal

Motor

Transmissão

Freios

Reservatório

de combustível

refer ncias bibliogr ficas
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
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