Apresentação Redes CAN

REDES CAN

GABRIEL STANGE

MIGUEL GONÇALVES

WILLIAN LIMA

REDES CAN

CAN (Controller Area Network)

- É um protocolo de comunicação serial;

- Desenvolvido inicialmente pela BOSCH (1986) para

aplicações automotivas.

REDES CAN

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- Primeira aplicação em controladores de automóveis foi feita pela

Mercedes-Benz em 1992.

- O protocolo CAN não é somente utilizado em aplicações

embarcadas; na automação predial podem-se encontrar variedades

de aplicações:

• Controles de elevadores e escadas rolantes;

• Ar-condicionado;

• Iluminação;

• Ventilação;

• Portas e controles de Acesso;

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- Nas aplicações em Sistemas de Controle Industrial o CAN é

aplicado para o controle da planta, controle de maquinário e robôs,

usado em sistemas de controle e supervisão e em equipamentos

CNC.

- Outras aplicações são:

• Aplicações Médicas (Ressonância Magnética, Tomografia,

Raio-X, etc.)

• Máquinas de Vendas;

• Fotocopiadoras e impressoras de alta qualidade;

• Sistemas de Semáforos Urbanos;

• Subsistemas de caixas eletrônicos, etc.

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- Foi adotado em 1993/94 como padrão mundial ISO11898 para

aplicações de alta velocidade.

- Para aplicações de baixa velocidade foi adotado como padrão a

ISO 11519.

- 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 Message Priority).

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Características Gerais:

- Mensagens de dados são pequenas (até 8 bytes);

- Taxa de até 1Mbps;

- Priorização de mensagens;

- Pode transmitir em broadcast;

- Possui recepção multicast com sincronização;

- Detecção de erros;

- Sinalização e retransmissão automática de mensagens

corrompidas;

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- Possui capacidade multi-mestre (todos têm o direito de

enviar uma mensagem pelo barramento quando este estiver

ocioso);

- Distingue entre erros temporários e erros permanentes;

- Flexibilidade de configuração;

- Redução de cabos a utilizar;

- Baixo preço;

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- É constituído somente de duas camadas: Enlace de Dados e

Física. (A camada de Aplicação é especificada pelo projetista.)

- O controle de 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).

- Filtra mensagens (endereçamento);

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- 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;

- Os meios físicos podem ser o par metálico, a fibra óptica e

radiofrequência.

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Tipos de rede CAN:

Nomenclatura Padrão Taxa Máxima Identificador

CAN(baixa velocidade) ISO 11519 125 Kbps 11 bits

CAN 2.0A ISO 11898:1993 1 Mbps 11 bits

CAN 2.0B ISO 11898:1995 1 Mbps 29 bits

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Arquitetura1. 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 de Acesso ao Meio Físico- Detecção e sinalização de erros- Reconhecimento de mensagens recebidas- (Des)encapsulamento de mensagens

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Arquitetura

2. Camada Física

• Define o nível do sinal de transmissão

• Ajuste do tempo de bit (bit timing)

• Sincronização entre os nós

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Camada Física:

- Apresenta codificação pelo método NRZ (Non Return to

Zero).

- Isto implica que durante a transmissão de um bit o nível

de tensão se mantém constante.

- Tipo de codificação que não inverte a polaridade e não é

possível fazer a ressincronização quando se transmite

uma grande quantidade de bits iguais

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Camada Física:

- Para se evitar erros, utiliza-se a técnica do Bit-Stuffing

(amortecimento).

- O Bit-Stuffing consiste em inserir um bit complementar

após detectar cinco bits consecutivos de mesmo valor.

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Camada Física:

- Versões:

• 1.0 e 2.0A Padrão (com identificadores de 11 bits);

• 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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Camada Física:

- A fiação da rede CAN tem uma estrutura de linha única,

com a finalidade de reduzir os efeitos de interferência na

rede (casamento de impedâncias).

- Em suas extremidades são usados dois resistores de 120

ohms.

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- De acordo com a ISO, cada nó CAN deve apresentar

um transceiver, controlador CAN e microcontrolador.

- Existe uma grande flexibilidade relacionada à integração

dos 3 componentes. Quanto à integração, podem ser

encontradas 3 arquiteturas distintas:

• Primeira Forma: Quando o controlador CAN é

separado do microcontrolador e também do

transceiver.

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• Segunda Forma: encontra-se em um só chip um

microcontrolador e o controlador CAN integrado.

• Terceira Forma: é a denominada Single-Chip, em que o

microcontrolador, o controlador CAN e o transceiver

estão integrados em um único chip

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CAN - Frames:

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• 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;

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

identificador;

• r0 – Reservado (1 bit);

• DLC – Data Lenght Code (4 bits): contém o número de bytes de dados

a serem transmitidos;

• Data (64 bits): contém os dados da mensagem;

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• 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;

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• 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;

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CAN – Formatos de Frame

- Frame de dados: transmite os dados entre os nós da

rede CAN (emissor e receptor). O campo DLC indica o

tamanho da mensagem (carga útil);

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- 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);

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- Frame de erro: notifica um erro no recebimento de um

frame e pode ser enviado por qualquer nó da rede;

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- Frame de sobrecarga: sinaliza sobrecarga em um nó,

impossibilitando-o de receber frames de dados.

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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. Neste caso a arbitragem

é requerida.

- Se o barramento estiver ocupado o nó atrasa sua

transmissão.

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- O método de acesso é o CSMA/CA with NDA (Carrier

Sense Multiple Acess with Collision Avoidance with Non-

Destructive Arbitration).

- Os conflitos de acesso ao barramento são solucionados

por comparação orientada ao bit (bitwise).

- Cada nó observa a rede bit a bit dos identificadores das

mensagens em que o estado dominante (“0”) se sobrepõe

ao estado recessivo (“1”).

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- 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.

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CAN – Processo de arbitragem no barramento CAN

REDES CANProcesso de arbitragem no barramento CAN

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CAN – Barramento

Os dados são representados por bits dominantes (nível 0, Vdif

0,9V) e bits recessivos (nível 1, Vdif 0,5 V), criados em função da

condição presente nos fios CAN_H e CAN_L.

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CAN – Barramento

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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.

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REDES CANCAN – Conexão ao barramento

- Os nós são conectados

ao barramento através

dos fios CAN_H e

CAN_L.

- Pode-se usar

conectores de 9 pinos.

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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

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Alguns protocolos HLP abertos

- Automotivos:

• Volcano

• J1939

- Industriais:

• CANopen

• SDS – Smart Distributed Systems

• CANKingdom

• DeviceNet

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CAN para sistemas automotivos

- Vários sensores, atuadores, sistemas de segurança,

sistemas de telemetria, etc.

- Os controladores espalhados reduzem o tamanho do

cabeamento e gerenciam o tráfego das informações

constituindo a Rede Intraveicular (In-Vehicle

Networking).

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- Vantagens de uma rede intraveicular:

• Cabeamento menor;

• Compartilhamento de sensores;

• Flexibiliza o projeto.

- Padrões: CAN, SAE, VAN, ABUS.

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- Padrão SAE (Society of Automotive Engineers) define

três classes:

1ª) Classe A:

• Baixa velocidade (até 10 Kbps)

• Aplicações típicas: entretenimento, áudio, etc.

• Implementada com uma UART (RS232)

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2ª) Classe B:

• Média velocidade (até 125 Kbps)

• Aplicações típicas: monitoramento de pressão, temperatura, etc.

• Protocolo SAE J1850

3ª) Classe C:

• Alta velocidade (acima de 125 Kbps)

• Aplicações típicas: controle de servomecanismos em tempo real

(suspensão inteligente, controle aerodinâmico, etc.)

• Protocolo CAN 2.0

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