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EDUARDO PACINCIA GODOY
Desenvolvimento de uma Ferramenta de Anlise de Desempenho de
Redes CAN (Controller Area Network) para Aplicaes em Sistemas
Agrcolas
Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da
Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em
Engenharia. Programa de Ps Graduao: Engenharia Mecnica rea de
Concentrao: Manufatura Orientador: Ricardo Yassushi Inamasu
So Carlos 2007
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Aos meus pais, Antnio e Terezinha, pelo fato de sempre acreditar
e nunca desistir.
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AGRADECIMENTOS
Ao Professor Ricardo Yassushi Inamasu pela amizade,
companheirismo, aprendizagem
e orientao.
Ao Professor Arthur Jos Vieira Porto pela oportunidade
oferecida, pela dedicao e
busca contnua de melhorias para a Escola de Engenharia de So
Carlos.
Ao colega doutorando Rafael Vieira de Sousa que com seu
conhecimento me ajudou
nas atividades relacionadas a esse trabalho.
A todos os novos amigos e funcionrios do Departamento de
Engenharia Mecnica da
EESC/USP, em especial aos do Laboratrio de Simulao e Controle,
pela convivncia e
colaborao.
Aos amigos da minha cidade Rio Claro, minha namorada e a minha
famlia pelo apoio e
incentivo nas horas de desnimo e pela alegria e descontrao nas
horas de felicidade.
Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior pela
concesso da
bolsa de mestrado e pelo apoio financeiro realizao desta
pesquisa.
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RESUMO
GODOY, E. P. Desenvolvimento de uma Ferramenta de Anlise de
Desempenho de
Redes CAN (Controller Area Network) para Aplicaes em Sistemas
Agrcolas. 2007.
93f. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos,
Universidade de So
Paulo, So Carlos, 2007.
Este trabalho tem base na demanda de pesquisas e desenvolvimento
de tecnologias de redes
de comunicao (fieldbus) que visam integrao de sistemas de
automao e controle para
aplicaes em sistemas agrcolas. Sistemas agrcolas relacionados
com as prticas da
Agricultura de Preciso, com sistemas embarcados em mquinas e
implementos agrcolas e
com sistemas de controle de estufas e criadouros. fundamentado
tambm pelos esforos
conjuntos no sentido de promover padronizao e implementao da
norma ISO11783,
baseada no CAN, que d suporte s prticas agrcolas relacionadas
com a aquisio e
transmisso de grande quantidade de dados. Um dos principais
desafios associados ao projeto
e utilizao de redes de comunicao como o CAN, est relacionado
dificuldade de
definio dos parmetros de configurao para um bom desempenho da
rede. O
dimensionamento desses parmetros exerce forte influncia no
desempenho da rede analisada.
Sob o contexto destas necessidades relacionadas, este trabalho
apresenta a pesquisa e o
desenvolvimento de uma ferramenta de anlise de desempenho de
redes fieldbus baseada no
protocolo CAN para integrao de dispositivos em aplicaes em
sistemas agrcolas. As
etapas desse desenvolvimento consistem na sistematizao e validao
de um modelo
matemtico do enlace de dados da rede, na proposta de uma
metodologia de anlise de
parmetros de configuraes relacionados com a rede e na
implementao computacional
dessa metodologia. Espera-se que a metodologia implementada seja
uma ferramenta que
facilite tarefas de anlise e obteno de dados referentes s
aplicaes. O resultado deste
trabalho busca auxiliar no dimensionamento de parmetros de
configurao e na otimizao
de redes CAN, alm de fornecer dados que ajudam no
desenvolvimento de solues baseadas
no protocolo CAN e na norma ISO11783.
Palavras-chave: Controller Area Network - CAN, ISO11783, ISOBUS,
eletrnica embarcada,
modelo matemtico, metodologia de anlise
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ABSTRACT
GODOY, E. P. Development of a Performance Analysis Tool of
CAN-Based Networks
for Application in Agricultural Systems. 2007. 93f. Dissertation
(Master of Science)
School Engineering of So Carlos, University de So Paulo, So
Carlos, 2007.
This work has base in the demand of research and development of
data communication
networks (fieldbus) to support the integration of control and
automation devices for
applications in agricultural systems. Agricultural systems
related with the Precision
Agriculture practices, with the embedded systems in agricultural
machinery and with the
greenhouses control and livestock systems. It is also guided by
the efforts on the
implementation of ISO11783 standard. The ISO11783 (also called
ISOBUS) standard
communication link is a common tendency to integrated different
devices on agricultural
machinery through an embedded control network. The ISOBUS use
the Controller Area
Network (CAN) as a data link protocol to perform the data
communication. The correct
definition of the data link configuration parameters represents
one of the main challenges
related to the design of CAN-based networks. The definition of
these parameters has
influence in the performance of the analyzed network. This work
presents the research and the
development of a performance analysis tool of CAN-based networks
for applications in
agricultural systems. This development consists of the
systematization and validation of a
CAN mathematical model. An analysis methodology is proposed to
use the mathematical
model. A simulation software was built and implements the
methodology. It is expected that
the implemented methodology facilitates the analysis tasks of
the configuration parameters of
the applications. The result obtained may assist in the
performance evaluation and in the
definition of an optimized configuration for the network based
on CAN protocol and
ISO11783 standard.
Keywords: Controller Area Network CAN, ISO11783, ISOBUS,
embedded electronics,
mathematical model, and analysis methodology
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplo de Conexo de Equipamentos via Rede CAN
(SOUSA, 2002) ...............12
Figura 2 Nveis de Tenso Especificados para o CAN (GUIMARES,
2003) ....................23
Figura 3 Mecanismo de Acesso ao Meio do CAN (Adaptado de CIA,
2005) ......................24
Figura 4 Formato do Quadro de Mensagens CAN (Adaptado de SOUSA
2002) .................24
Figura 5 Rede ISO11783 em Mquina e Implemento (Adaptado de
SOUSA, 2002)...........27
Figura 6 Campos do Identificador e Formao das PDU (SOUSA, 2002)
...........................28
Figura 7 Relao entre Perodo de Amostragem e Desempenho do
Sistema de Controle via
Rede CAN (Adaptado de LIAN et al., 2006)
...........................................................................32
Figura 8 Tempos da Transmisso de uma Mensagem CAN entre Ns
(Adaptado de LIAN,
MOYNE & TILBURY,
2002)..................................................................................................37
Figura 9 - Diagrama Temporal da Transmisso de uma Mensagem CAN
(Adaptado de LIAN,
2001)
.........................................................................................................................................37
Figura 10 Diagrama de Transmisso de Dados do Perodo de
Amostragem T1 da
Metodologia de Otimizao (TIPSUWAN & CHOW, 2003)
..................................................44
Figura 11 Fluxograma de Utilizao da Metodologia de Anlise
.........................................47
Figura 12 Tela Inicial do Programa de Simulao de Redes CAN
.......................................52
Figura 13 Tela de Entrada de Dados 1 do Programa de Simulao de
Rede CAN...............53
Figura 14 Mensagens Possveis Relacionadas Parte de Validao de
Dados.....................53
Figura 15 Tela de Entrada de Dados 2 do Programa de Simulao de
Rede CAN...............54
Figura 16 Tela de Sada de Dados do Programa de Simulao de Rede
CAN .....................55
Figura 17 Planilha Eletrnica Info Utilizao do Relatrio de
Resultados Gerados .........56
Figura 18 Planilha Eletrnica Sada de Dados do Relatrio de
Resultados Gerados ........57
Figura 19 Esquemtico do Circuito da Interface CAN Padro, (BRAZ
et. al. 2004) ...........58
Figura 20 - Imagem da Interface CAN Implementada
.............................................................59
Figura 21 Esquema de Desenvolvimento de Programas e Rotinas para
o Experimento.......60
Figura 22 Bancada de Montagem da Rede CAN para o Experimento de
Validao ............61
Figura 23 Protocolo Proposto para Comunicao entre ECU e PC
......................................61
Figura 24 Comportamento de Operao da Rede CAN com Dados do
Programa de
Simulao
.................................................................................................................................66
-
Figura 25 Fluxograma do Processo de Medio e Coleta de Dados da
Rede CAN
Experimental.............................................................................................................................67
Figura 26 Comportamento de Operao da Rede CAN com Dados
Experimentais .............70
Figura 27 Comparao dos Resultados Obtidos para o Parmetro Tempo
de Resposta para
as Simulaes de Operao da Rede CAN
...............................................................................71
Figura 28 Sntese dos Resultados Obtidos para o Parmetro Taxa de
Utilizao do
Barramento para as Simulaes de Operao da Rede CAN: (a) Comparao
dos Resultados,
(b) Sobreposio dos Comportamentos
....................................................................................72
Figura 29 Estrutura do Rob Agrcola Mvel e Equipamentos
Conectados pela Rede CAN
..................................................................................................................................................75
Figura 30 Comparao dos Resultados das Simulaes de Operao da Rede
CAN ...........79
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Viso Geral da Norma
ISO11783...........................................................................26
Tabela 2 Composio e Funes dos Campos do PDU da Norma ISO11783
......................28
Tabela 3 Descrio dos Valores do Campo PDU
Format.....................................................29
Tabela 4 Descrio dos Parmetros de Configurao de Redes CAN
..................................31
Tabela 5 Descrio dos Parmetros de Desempenho de Redes CAN
...................................33
Tabela 6 Valor das Variveis da Equao (2) para os Tipos de
Mensagem CAN ................40
Tabela 7 Dados Definidos para a Utilizao do Modelo
Proposto........................................46
Tabela 8 Definio das Mensagens de acordo com a ISO11783 para a
Rede CAN Analisada
...................................................................................................................................63
Tabela 9 Valores Definidos para Endereamento das Mensagens
........................................64
Tabela 10 Caracterizao do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do
Experimento de
Validao
...................................................................................................................64
Tabela 11 Resultados Obtidos com a Aplicao do Programa de
Simulao para a Rede
CAN do Experimento Simulao 1
........................................................................65
Tabela 12 Parmetros Alterados do Conjunto de Mensagens da Rede
CAN do Experimento
...................................................................................................................................65
Tabela 13 Resultados Coletados da Rede CAN Montada para o
Experimento Simulao 1
...................................................................................................................................69
Tabela 14 Comparao dos Resultados Obtidos para Rede CAN do
Experimento de
Validao Simulao 1
...........................................................................................70
Tabela 15 Caracterizao do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do
Rob Agrcola.....76
Tabela 16 Tempo de Transmisso do Conjunto de Mensagens da Rede
CAN com Esquema
de Prioridades P1
.......................................................................................................77
Tabela 17 Valores de Otimizao e Taxas de Utilizao para a Rede
CAN.........................77
Tabela 18 Resultados das Simulaes para Determinao do Esquema de
Prioridades para o
Conjunto de Mensagens da Rede CAN
.....................................................................78
Tabela 19 Especificaes dos Parmetros Alterados em Relao ao
Conjunto de Mensagens
da Rede CAN para Simulaes de Operao do Rob
Agrcola...............................79
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASAE The American Society of Agricultural Engineers
CAN Controller Area Network
CIA CAN in Automation
CSMA Carrier Sense Multiple Access
DIN Deutsches Institut fr Normung
ECU Electronic Control Unit
EESC Escola de Engenharia de So Carlos
ESALQ Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz
GPS Global Positioning System
I2C Inter-Integrated Circuit
ISO International Organization for Standardization
LBS Landwirtschaftliches BUS System
NDBA Non-Destructive Bitwise Arbitration
NCS Networked Control System
OSI Open Systems Interconnection
PC Personal Computer
PDU Protocol Data Unit
PG Parameter Group
PGN Parameter Group Number
POLI Escola Politcnica da USP
SAE The Society of Automotive Engineers
SPI Serial Peripheral Interface
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver
Transmitter
USB Universal Serial Bus
USP Universidade de So Paulo
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SUMRIO
1.
INTRODUO....................................................................................................................11
1.1 Motivao
.......................................................................................................................11
1.2
Objetivos.........................................................................................................................14
1.3 Estrutura e Contedo
......................................................................................................15
2. REVISO BIBLIOGRFICA
.............................................................................................16
2.1 Consideraes Iniciais
....................................................................................................16
2.2 Protocolo CAN
...............................................................................................................16
2.3 Anlise de Desempenho
.................................................................................................19
2.4 Consideraes Finais
......................................................................................................21
3. REVISO TERICA OU CONCEITUAL
.........................................................................22
3.1 Consideraes Iniciais
....................................................................................................22
3.2 Sistematizao do Protocolo CAN
.................................................................................22
3.2.1
Conceituao............................................................................................................23
3.2.2 Padronizao na rea Agrcola
...............................................................................25
3.2.3
ISO11783.................................................................................................................25
3.3 Sistematizao da Anlise de
Desempenho....................................................................29
3.4 Consideraes Finais
......................................................................................................33
4. PROPOSTA DA FERRAMENTA DE ANLISE
..............................................................35
4.1 Consideraes Iniciais
....................................................................................................35
4.2 Definio do Mtodo de Avaliao de Desempenho
.....................................................35 4.3 Estudo
Temporal.............................................................................................................36
4.4 Sistematizao do
Modelo..............................................................................................39
4.4.1 Tempo de Transmisso Operao sob Condies Normais
.................................39 4.4.2 Tempo de Transmisso
Operao sob Condies de Erro ...................................41
4.4.3 Taxa de Utilizao e
Otimizao.............................................................................43
4.5 Metodologia de
Anlise..................................................................................................46
4.6 Consideraes Finais
......................................................................................................48
5. IMPLEMENTAO E AVALIAO DA FERRAMENTA DE ANLISE
....................49 5.1 Consideraes Iniciais
....................................................................................................49
5.2 Desenvolvimento do Programa de
Simulao................................................................49
5.2.1 Especificaes e Caractersticas
..............................................................................49
5.2.2 Apresentao e Descrio do
Funcionamento.........................................................51
5.3 Validao do Programa de
Simulao............................................................................57
5.3.1 Montagem da Rede CAN Experimental
..................................................................57
5.3.2 Dados da Aplicao do
Programa............................................................................64
5.3.3 Dados da Rede CAN Experimental
.........................................................................66
5.3.4 Comparao dos Resultados
....................................................................................70
5.4 Propostas de Anlise e Utilizao do Programa
.............................................................73
5.4.1 Anlise para o Rob Agrcola Mvel
......................................................................74
5.5 Consideraes Finais
......................................................................................................81
6. CONCLUSES
....................................................................................................................82
6.1
Contribuies..................................................................................................................83
6.2 Trabalhos Futuros
...........................................................................................................84
REFERNCIAS
.......................................................................................................................86
-
11
1. INTRODUO
1.1 MOTIVAO
O aumento do uso da eletrnica digital e da troca de informaes
entre dispositivos
provocaram o surgimento de novas tecnologias de conexo de
equipamentos. Arquiteturas
distribudas de automao so caracterizadas por redes de
dispositivos de campo, usualmente
conectadas atravs de um barramento de comunicao, chamado de
barramento de campo
(fieldbus). Essa tecnologia de redes de comunicao fieldbus, com
suas vantagens, foi
rapidamente absorvida para satisfazer as necessidades de
comunicao entre sistemas e
equipamentos aplicados em automao e controle. Em sistemas deste
tipo, a instrumentao
constituda por dispositivos sensores e atuadores, capazes de
executar processamento local e
comunicar-se entre si. Os benefcios tecnolgicos e funcionais
obtidos atravs da utilizao de
barramentos de campo, fazem desta soluo uma das mais adotadas em
automao e controle.
De acordo com Farsi, Ratcliff & Barbosa (1999), entre as
vantagens da utilizao deste tipo
de arquitetura distribuda ou tecnologia fieldbus, podem-se
citar:
Quantidade reduzida de cabeamento da rede;
Menor tempo de instalao e maior robustez do sistema;
Flexibilidade e facilidade para ampliao do sistema;
Disponibilidade e viabilidade econmica.
Com o surgimento desta tecnologia e sua conseqente utilizao,
diversos tipos de
barramentos de campo surgiram, como o CAN Controller Area
Network, Interbus
(INTERBUS, 2006), Profibus (PROFIBUS, 2006), Modbus (MODBUS,
2006), Foundation
(SMAR, 2006). Entre essas possibilidades, uma das mais
difundidas em diferentes reas foi o
-
12
CAN, um protocolo de comunicao serial digital. O protocolo CAN
foi desenvolvido na
dcada de oitenta por Robert Bosch Gmb para promover a
interconexo de dispositivos de
controle em automveis (BOSCH, 2006), mas em poucos anos esta
tecnologia migrou para
outras reas (FARSI, RATCLIFF & BARBOSA, 1999). Atualmente,
encontram-se padres
baseados no CAN para aplicaes em diversas reas como automotiva,
industrial, robtica e
agrcola. A Figura 1 exemplifica a conexo de equipamentos atravs
de uma rede CAN.
Como ressalta Sousa (2002), a potencialidade para aplicaes com
CAN em sistemas de
automao e controle sustentada por caractersticas prprias para
tais sistemas, como:
Possibilidade de configuraes de taxas de comunicao de poucos
Kb/s at 1 Mb/s;
Comunicao de dados utilizando dois fios, o que reduz o custo e
complexidade e
promove proteo s interferncias eletromagnticas;
Utilizao de um mtodo de arbitragem de acesso ao barramento que
evita colises;
Figura 1 - Exemplo de Conexo de Equipamentos via Rede CAN
(SOUSA, 2002)
Na rea agrcola, observa-se um aumento da utilizao da informtica
e da automao
para apoiar novas prticas relacionadas com a Agricultura de
Preciso, como os sistemas
eletrnicos de coleta de dados e os sistemas para aplicao de
insumos a taxa varivel.
Tambm a expanso do uso da automao em sistemas agrcolas, como
mquinas e
implementos, controle de estufas e sistemas de armazenamento,
irrigao e confinamento de
animais tm intensificado a demanda pela pesquisa e
desenvolvimento dessas redes de
-
13
comunicao. O protocolo CAN apresenta importncia crescente e sua
utilizao na rea
agrcola confirmada internacionalmente, em Auernhammer &
Speckmann (2006), e
nacionalmente, em Sousa (2002). Constatam-se tambm, os esforos
de instituies de
pesquisa, associaes de normas e fabricantes de mquinas e
implementos pela sua
padronizao. Tais esforos podem ser verificados pelo
desenvolvimento de padres como
DIN9684, SAEJ1939 e ISO11783, sendo que este ltimo constitui,
atualmente, o principal
alvo de implementao e desenvolvimento.
Configuraes de sistemas de controle que utilizam o barramento
CAN podem ser
consideradas como sistemas de controle distribudo. Aplicaes de
sistemas distribudos
demandam novas metodologias e ferramentas de simulao e anlise de
desempenho
(CERVIN et al., 2003), para atender s necessidades de
dimensionamento e otimizao do
funcionamento do sistema, reduzindo custos relacionados com
projeto e implementao. A
abordagem proposta no trabalho Tindell, Burns & Wellings
(1995) tornou-se referncia em
anlise de redes baseadas no protocolo CAN. Adaptaes e variaes
desta abordagem de
anlise podem ser encontradas, como em Upender & Dean (1996)
e em Punnekkat, Hansson
& Norstrom (2000), demonstrando sua importncia para outras
reas de aplicao. Entretanto,
apesar da utilizao de modelos de anlise de rede CAN estar
presente em vrias reas de
aplicao, no existem relatos de metodologias e ferramentas de
anlises para aplicaes
agrcolas baseadas em tal abordagem.
Assim, orientando-se pelas necessidades citadas, realizou-se
neste trabalho o
desenvolvimento, a validao e a aplicao de uma metodologia de
anlise, baseada na
sistematizao de um modelo matemtico de redes CAN, para aplicaes
na rea agrcola. A
metodologia implementada em um programa computacional de simulao
com a finalidade
de facilitar tarefas de anlises de parmetros de desempenho, como
o tempo de resposta de
mensagens e taxa de utilizao do barramento, e de armazenamento
de resultados das
-
14
simulaes. O programa pode auxiliar no projeto e dimensionamento
de parmetros de
configurao de redes CAN, como velocidade de transmisso do
barramento, tamanho das
mensagens de dados, esquema de prioridade das mensagens e perodo
de amostragem dos
dispositivos.
Observa-se que o programa desenvolvido neste trabalho tambm
ofereceu com sucesso
suporte ao projeto FAPESP 03/06582-0. Este projeto envolveu a
montagem e anlise de uma
rede CAN embarcada (o termo embarcado representa todo e qualquer
sistema eletro-
eletrnico montado em uma aplicao mvel) para integrar diferentes
dispositivos para o
sistema de um rob agrcola mvel (RAM). Tal projeto foi
desenvolvido atravs de parceria
entre o Departamento de Engenharia Mecnica da EESC-USP e a
Embrapa Instrumentao
Agropecuria de So Carlos (PORTO et al., 2003).
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de
uma ferramenta
metodolgica de anlise de desempenho de redes fieldbus baseada no
protocolo CAN para
integrao de dispositivos em aplicaes em sistemas agrcolas. Esta
ferramenta de anlise,
desenvolvida sob a forma de um programa computacional de
simulao, teve como requisitos
funcionais:
Permitir estudos de simulao e anlise de desempenho da rede CAN
sob
configuraes e caractersticas diferenciadas, atravs da
implementao
computacional da metodologia de anlise proposta;
Permitir o dimensionamento dos parmetros de configurao e uma
otimizao
do funcionamento da rede CAN;
-
15
Auxiliar na implementao de redes CAN em sistemas agrcolas e
permitir o
desenvolvimento de dispositivos e tecnologias relacionadas com a
norma
ISO11783.
1.3 ESTRUTURA E CONTEDO
Esta dissertao est organizada em seis captulos e uma lista de
referncias
bibliogrficas. Esta estrutura apresenta os tpicos envolvidos nas
etapas de desenvolvimento,
validao e aplicao de uma ferramenta de anlise de redes CAN para
aplicaes na rea
agrcola.
Neste Capitulo 1 Introduo, esto apresentadas as justificativas
para a realizao
deste trabalho bem como seus objetivos e contedo e organizao. No
Captulo 2 - Reviso
Bibliogrfica, so apresentados os conceitos e fundamentos que
suportam o desenvolvimento
deste trabalho. No Captulo 3 Reviso Terica ou Conceitual,
apresentado uma viso
geral sobre o protocolo CAN e so discutidos os parmetros e dados
geralmente utilizados na
anlise de desempenho de redes CAN. No Captulo 4 - Proposta da
Ferramenta de
Anlise, so apresentadas detalhadamente todas as etapas do
desenvolvimento da ferramenta
de anlise proposta. No Captulo 5 - Resultados e Discusses, so
apresentadas as
caractersticas do programa computacional implementado, bem como
sua validao e
possibilidades de aplicao, com o exemplo de um caso de estudo.
No Captulo 6
Concluses, so apresentadas concluses e contribuies deste
trabalho e as perspectivas e
melhorias relacionadas ao tema. A Lista de Referncias
apresentada em ordem alfabtica e
contm todos os documentos referenciados no decorrer deste
trabalho.
-
16
2. REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo apresentado o embasamento bibliogrfico deste
trabalho. Diversos
trabalhos que apresentam o histrico do desenvolvimento e o
estado da arte atual em relao
padronizao e aplicao do protocolo CAN so apresentados. Tambm so
abordados
trabalhos relacionados com o desenvolvimento de ferramentas e
metodologias de anlise de
desempenho de redes para aplicaes em sistemas agrcolas.
2.2 PROTOCOLO CAN
Tem-se verificado recentemente, um avano na utilizao de
tecnologias de automao
e computao para aplicaes em sistemas agrcolas e em novas prticas
relacionadas com a
Agricultura de Preciso (SIGRIMIS et al., 2000). Dentre esses
sistemas agrcolas, esto os
compostos por aplicaes em mquinas e implementos, veculos
autnomos, robs mveis e
no gerenciamento de estufas e criadouros. J em relao s prticas
agrcolas, esto as
relacionadas com a aquisio de dados em campo, o estudo da
variabilidade espacial e a
aplicao de insumos a taxa variada. Essas aplicaes tm demandado
um nmero crescente
de pesquisas em sensores embarcados e redes de comunicao (STONE
et al., 1999),
metodologias e dispositivos para medidas em movimento
(on-the-go) (AUERNHAMMER,
2001). Para a utilizao dessas aplicaes, necessrio tambm certo
grau de automatio
(MOLIN, 2004), que depende de algumas tecnologias recentes
apenas adaptadas para o meio
-
17
agrcola como o caso dos sistemas de posicionamento por satlites
e sistemas de informao
geogrfica.
A troca de informaes necessria entre os dispositivos utilizados
nessas aplicaes
pode originar um sistema centralizado bastante complexo. Assim o
desenvolvimento de um
sistema de controle distribudo constitui uma soluo, seno
necessria, muito bem vinda.
Esta grande quantidade de dispositivos inteligentes deve ser
interconectada e compartilhar, da
melhor maneira possvel, os dados disponveis na aplicao. Esta
interconexo e
compartilhamento so realizados atravs dos chamados Protocolos de
Comunicao.
Uma tecnologia que vem sendo amplamente utilizada nessa
interconexo de
dispositivos o CAN, um protocolo de comunicao serial digital
amplamente aplicado na
rea agrcola. Na rea de sistemas agrcolas, a utilizao do
protocolo CAN confirmada em
Auernhammer (2004) e em Suvinen & Saarilahti (2006) e sua
aplicao como tecnologia para
conexo de dispositivos para veculos autnomos e robs mveis vista
como forte tendncia
(NAGASAKA et al., 2004; DARR, STOMBAUGH & SHEARER, 2005).
Serdio et al.
(2001) apresentam a aplicao do CAN em um sistema de
gerenciamento de estufas. Darr et
al. (2005) avaliam a transmisso de dados atravs de uma rede CAN
para longas distncias e
Spreng, Rothmund & Auernhammer (2006) utilizam o CAN como
tecnologia para
interconexo de equipamentos, sendo que ambos os trabalhos
consistem em aplicaes para
sistemas de monitoramento de criadouros. Para o caso da rea
relacionada Agricultura de
Preciso, Darr et al. (2003) apresentam um sistema de aquisio de
dados em campo
(coordenadas GPS e velocidade) baseado no protocolo CAN para um
sistema de pulverizao.
Oksanen et al. (2004) demonstram a utilizao do protocolo CAN no
desenvolvimento de
uma plataforma aberta e configurvel de aquisio de dados e
aplicao de insumos (semente
e fertilizante) a taxa variada para utilizao em mquinas e
implementos.
-
18
Desde a dcada de 80, observa-se a necessidade de uma padronizao
para o protocolo
CAN em aplicaes agrcolas, quando se iniciou a elaborao da norma
DIN9684.
Sistematizaes das principais partes desta norma podem ser vistas
em Jahns & Speckmann
(1999) de forma a auxiliar sua implementao. Na dcada de 90,
iniciou-se nos Estados
Unidos o desenvolvimento de padres baseados no CAN para a rea
agrcola. Potenciais
aplicaes e caractersticas da norma SAEJ1939 so apresentadas por
Stone & Zachos (1993).
Um histrico do desenvolvimento das normas acima citadas e dos
esforos conjuntos das
associaes DIN, SAE, ASAE com a associao de normas internacional
ISO para
desenvolvimento de uma norma internacional denominada ISO11783
apresentado por Stone
et al. (1999). Com a disponibilidade da documentao da norma
ISO11783, pesquisas
baseadas em implementaes deste padro comearam a surgir no final
da dcada de 90, e
seus benefcios podem ser observados em diferentes aplicaes de
campo (LANG et al., 1999;
AUERNHAMMER & ROTHMUND, 2004 e OKSANEN et al., 2005). O
trabalho de
Miettinen et al. (2006) apresenta o desenvolvimento de um
controlador de tarefas compatvel
com a norma ISO11783. Atualmente, a norma ISO11783, tambm
denominada ISOBUS, est
em fase de desenvolvimento e uma reviso desse estado de
implementao pode ser
observada em Benneweis (2005).
No Brasil, trabalhos pioneiros como Saraiva e Cugnasca (1998) e
Cugnasca (2002) j
apontavam necessidade da pesquisa e desenvolvimento do protocolo
CAN. Aplicaes
desse protocolo em Strauss (2001), Sousa (2002), Guimares (2003)
demonstram essa
tendncia de utilizao. J o trabalho Porto, Sousa & Inamasu
(2005) apresenta uma proposta
de desenvolvimento de um rob agrcola mvel conectado por uma rede
CAN. Em relao
norma ISO11783, a busca por sua implementao e difuso no mercado
brasileiro pode ser
verificada pelo esforo conjunto de instituies de pesquisa (POLI
/ EESC / ESALQ USP) e
de empresas de mquinas e implementos (AGCO, John Deere, Case New
Holland, Jumil)
-
19
com a criao de um grupo de estudos denominado Fora Tarefa ISOBUS
Brasil. Reunies
dessa Fora Tarefa j foram realizadas em eventos como congressos
(Congresso Brasileiro de
Agroinformtica 2005, Congresso Brasileiro de Agricultura de
Preciso 2006) e feiras
(Agrishow 2005, 2006) para discusses sobre o assunto. Est
prevista a realizao do primeiro
plug-fest, com exposio de hardwares e equipamentos compatveis
com a ISO11783, para
o primeiro semestre de 2007.
2.3 ANLISE DE DESEMPENHO
Tipicamente, em sistemas de automao e controle, as especificaes
requerem que a
atuao sobre o sistema controlado seja conforme especificado,
tanto do ponto de vista lgico,
como tambm do ponto de vista temporal. Em sistemas distribudos
fundamentados em redes
de campo, como a rede CAN, isto no diferente, de modo que cada
dispositivo conectado
possui um nvel de prioridade para acessar o barramento e um
perodo de tempo (deadline)
em que sua mensagem deve ser transmitida, sem que haja prejuzo
para o sistema de controle.
Aplicaes tm demonstrado que a rede CAN oferece boas propriedades
para
transmisso de mensagens com requisitos temporais (LIAN, MOYNE
& TILBURY, 2001).
Alm disso, mostra-se importante a proposta de estudos para a
rede sob situaes como a
presena de Jitter (explicado na seo 4.3) no conjunto de
mensagens e o funcionamento com
alta carga de mensagens. Assim, em aplicaes de sistemas
distribudos tem sido comum a
busca pelo desenvolvimento de modelos e experimentos para anlise
de desempenho, os quais
permitam o dimensionamento e a otimizao do funcionamento desses
sistemas, como
mostrado em exemplos em Jain (1991).
-
20
Os trabalhos Tindell & Burns (1994) e Tindell, Burns &
Wellings (1995) tornaram-se
referncia em equaes de anlise de redes baseadas no protocolo
CAN. A partir destes
trabalhos, diversas abordagens desses mtodos de anlise de rede
CAN podem ser
encontradas, como anlises de atraso (delay) de comunicao em
Upender & Dean (1996) e
anlises de desempenho de um sistema de controle sob condies de
erros em Punnekkat,
Hansson & Norstrom (2000) para aplicaes automotivas. Tambm,
Jeon et al. (2001)
apresentam um estudo de viabilidade de aplicao de uma
arquitetura distribuda em um AGV
(Automated Guided Vehicles Veculo Auto-Guiado) e Santos, Stemmer
& Vasquez (2002)
descrevem uma anlise de escalonabilidade de mensagens de uma
rede CAN para um
helicptero autnomo. Trabalhos recentes como Brill et al. (2006)
e Davis et al. (2006)
reforam a importncia dessas equaes de anlise e apresentam novas
discusses e
adaptaes.
Diversos trabalhos abordam anlises de desempenho entre redes de
controle para
aplicaes industriais. Lian, Moyne e Tilbury (2001) apresentam
uma anlise de desempenho
entre redes Ethernet, CAN e Controlnet, na qual os resultados
demonstram que o protocolo
CAN mostra melhor desempenho em sistemas com mensagens de
tamanho reduzido. J
Benito et al. (1999), analisam o desempenho de redes CAN,
Profibus e Modbus para situaes
de mensagens peridicas e no peridicas. Lian et al. (2006)
apresentam uma abordagem de
estudo da relao entre o tempo de amostragem das mensagens e o
desempenho de sistemas
de controle via redes, o qual pode ser aplicado para redes
CAN.
Na rea agrcola, Hofstee & Goense (1997, 1999) apresentam
resultados referentes
simulao de operao de uma rede CAN, com parmetros baseados na
norma DIN9684 e
ISO11783, respectivamente, para uma configurao de trator e
implemento. Silva (2003)
apresenta o desenvolvimento de um simulador da dinmica da troca
de mensagens em redes
-
21
baseadas na norma ISO11783. Uma abordagem de modelagem e anlise
de redes CAN
atravs da ferramenta Redes de Petri Coloridas pode ser vista em
Lopes et al. (2005).
Entretanto, apesar da utilizao de modelos de anlise de rede CAN
estar presente em
vrias reas de aplicao e ter sua importncia comprovada, de acordo
com os trabalhos
apresentados, no h metodologias e ferramentas de anlises para
aplicaes agrcolas
baseadas nas abordagens propostas por Tindell & Burns (1994)
e Tindell, Burns & Wellings
(1995). Norteado pelas necessidades citadas, o desenvolvimento e
a aplicao de uma
ferramenta de anlise de desempenho de redes CAN adquirem grande
importncia e potencial
para aplicaes em sistemas agrcolas.
2.4 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foi apresentada a reviso bibliogrfica relacionada
ao protocolo CAN e o
desenvolvimento de anlise de desempenho desse tipo de rede.
Pode-se perceber que a
aplicao do protocolo CAN em sistemas agrcolas fato consolidado e
que ultimamente vm
ocorrendo esforos no sentido da implementao da norma ISO11783. O
desenvolvimento de
uma ferramenta de anlise de desempenho desse tipo de rede
apresenta grande potencial e
importncia e um assunto que, de acordo com a reviso, ainda no
est difundido em
aplicaes do CAN para sistemas agrcolas.
-
22
3. REVISO TERICA OU CONCEITUAL
3.1 CONSIDERAES INICIAIS
Para realizar uma tarefa de anlise de desempenho, divide-se o
conhecimento do
sistema de controle distribudo em dois fatores. Primeiramente o
conhecimento do sistema de
controle a ser analisado, no caso o protocolo CAN. Em seguida o
conhecimento dos
parmetros e dados, relacionados ao protocolo escolhido, que
exercem influncia no
desempenho do sistema de controle.
Neste captulo realizada uma reviso conceitual sobre o protocolo
CAN e sobre a
importncia da anlise de desempenho de sistemas de controle via
rede CAN. Nessa reviso
foram sistematizados, em relao ao protocolo CAN, os conceitos
mais importantes para o
entendimento das etapas posteriores do trabalho. Dentre esses
conceitos, cita-se o mecanismo
de arbitragem do protocolo, a implementao da norma ISO11783 e os
mtodos e parmetros
que podem e vm sendo utilizados em anlise de desempenho de redes
CAN.
3.2 SISTEMATIZAO DO PROTOCOLO CAN
Define-se para este trabalho que um barramento de comunicao
(CAN) composto
pelo meio fsico de transmisso de dados (cabeamento) e seus
conectores, definidos de acordo
com o protocolo escolhido (CAN). J uma rede CAN composta pelo
conjunto dos
dispositivos eletrnicos conectados (sensores e atuadores), pelo
barramento de comunicao e
pelas interfaces de comunicao (hardware que implementa a
comunicao entre os
dispositivos eletrnicos atravs do barramento).
-
23
3.2.1 Conceituao
Como descrito em Sousa (2002) e em Guimares (2003), o CAN um
protocolo de
comunicao digital serial, onde a comunicao de dados baseada em
mensagens formadas
por quadros de bits com determinada funo. Entre esses quadros de
bits, existe o campo
identificador (ID - identifier) que caracteriza e define a
prioridade de cada mensagem. O valor
do identificador de uma mensagem em uma rede CAN exclusivo e
quanto mais baixo seu
valor, maior ser a prioridade da mensagem. Os sinais eltricos
digitais do CAN so
representados pelo nvel recessivo (nvel lgico 1) e nvel
dominante (nvel lgico 0), sendo
eles sinais diferenciais entre os dois fios do barramento
(condutores CAN_H e CAN_L),
como pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 Nveis de Tenso Especificados para o CAN (GUIMARES,
2003)
O mecanismo de acesso ao meio fundamentado no conceito CSMA/NDBA
- Carrier
Sense Multiple Access with Non-Destructive Bitwise Arbitration
(Acesso Mltiplo com
Deteco de Portadora com Arbitragem No Destrutiva por Operao
Lgica Bit-a-Bit) que
significa que os mdulos (ns CAN) possuem acesso ao barramento
com prioridades
determinadas. De acordo com a Figura 3, ao verificar o estado do
barramento, os mdulos
iniciam a transmisso de suas mensagens. De acordo com o valor do
identificador, o mdulo
com a mensagem de prioridade menor cessa sua transmisso e o
mdulo com a mensagem de
-
24
maior prioridade continua enviando sua mensagem deste ponto, sem
ter que reinici-la. Isto
realizado pelo processo de arbitragem bit a bit no destrutivo,
ou lgica "E" por fios, quando
dois ou mais mdulos iniciam a transmisso simultaneamente. Cada
bit transmitido
comparado, sendo que o dominante sobrepe o recessivo.
Figura 3 Mecanismo de Acesso ao Meio do CAN (Adaptado de CIA,
2005)
Dentre as especificaes do protocolo CAN em relao camada de
enlace de dados,
esto os dados relacionados aos formatos existentes do quadro de
dados. So definidos dois
formatos de quadros dados de mensagem, onde a nica diferena est
no tamanho do
identificador, sendo CAN A Standard (ID 11 bits) e CAN B
Extended (ID 29 bits)
especificados segundo a Figura 4.
Figura 4 Formato dos Quadros de Mensagens CAN (Adaptado de
SOUSA, 2002)
-
25
3.2.2 Padronizao na rea Agrcola
Como podem ser vistos em Guimares (2003), os fundamentos do CAN
so
especificados por duas normas: a ISO11898 e a ISO11519-2. Ambas
especificam as
caractersticas das camadas Fsica e de Enlace de Dados,
respectivamente 1 e 2 do modelo
rede de comunicao OSI (Open System Interconnection) de 7
camadas. As demais camadas,
(3 a 7), so especificadas por outros protocolos, relacionados s
aplicaes especficas entre
as diversas reas de utilizao do CAN.
Para o caso da rea agrcola (SOUSA, 2002), entre os padres mais
representativos e
fundamentados no CAN, pode-se citar:
DIN9864: Especificado pela associao de normas da Alemanha.
Baseado na
verso 2.0A do CAN, e adotou e influenciou algumas especificaes
de padres
da ISO;
SAEJ1939: Desenvolvido para aplicao em veculos de terra de
grande porte
como caminhes, nibus, tratores, incluindo mquinas e implementos
agrcolas.
Baseado na verso CAN 2.0B do CAN;
ISO11783 (ISOBUS): As atividades de normalizao pela ISO para
este padro
para aplicaes em mquinas e implementos agrcolas esto sendo
concludas.
Possui diversas especificaes iguais ao padro SAE J1939 e ao DIN
9684.
3.2.3 ISO11783
O ISO11783 - Tractors and machinery for agriculture and forestry
Serial control and
communications data network - um padro de comunicao baseado no
CAN 2.0B
desenvolvido para a interconexo de sistemas eletrnicos em
mquinas e implementos
agrcolas. O comit da ISO responsvel por essa norma o
TC23/SC19/WG1 e est com os
-
26
trabalhos em fase de concluso. Muitas especificaes deste padro
foram baseadas na norma
DIN 9684 e na norma SAE J1939, como a velocidade de transmisso
do barramento de 250
Kbits/s. A Tabela 1 apresenta uma viso geral sobre as partes que
compe essa norma e sua
situao de desenvolvimento, de acordo com Vector CANtech (2006).
So apresentadas as
seguintes abreviaturas para melhor entendimento da Tabela 1:
IS International Standard = Parte publicada do Padro
Internacional;
FDIS Final Draft International Standard = Verso final do
rascunho da parte;
DIS Draft International Standard = Rascunho da parte em fase de
anlise;
WD Working Draft = Rascunho da parte em fase de
desenvolvimento.
Tabela 1 Viso Geral da Norma ISO11783
Parte Ttulo Escopo Situao
1 General Standard Viso geral sobre o padro e da aplicao de cada
parte FDIS em 08/2006
IS previsto para 02/2007
2 Physical Layer Cabos, conectores, sinais eltricos e
caractersticas
mecnicas e eltricas gerais do barramento IS
3 Data Link Layer Implementao do CAN e especificao da estrutura
das
mensagens DIS Harmonizao com
J1939/21
4 Network Layer Interconexo de sub-redes IS
5 Network Management Processo de inicializao e endereamento de
ECUs IS
6 Virtual Terminal Especificaes do terminal de controle e operao
IS Modificaes em
desenvolvimento 12/2006
7 Implement Messages Definio de mensagens bsicas dos implementos
e da
mquina IS Modificaes em
desenvolvimento 12/2006
8 Power Train Messages Definio de mensagens automotivas IS com
referncia a
J1939/71 9 Tractor ECU Especificaes da ECU do Trator IS
10 Task Controller Especificao de interfaces e programas
computacionais
de controle e administrao com o barramento FDIS em 12/2006
IS previsto para 02/2007
11 Data Dictionary Definies e identificao de mensagens para
elementos
da rede FDIS em 08/2006
12 Diagnostics Diagnstico de falhas e processo de identificao de
ECUs DIS em 10/2006
13 File Server Definies do servidor de dados e mensagens de
acesso cliente - servidor FDIS em 11/2006
14 Automated Functions Definies para realizao de tarefas
automatizadas pela mquina (como manobras de final de linha de
plantio)
Em desenvolvimento como WD
Em aplicaes relacionadas com o CAN e com a ISO11783, o sistema
eletrnico que
promove a interconexo de um dispositivo ao barramento denominado
Electronic Control
-
27
Unit (ECU) ou Unidade Eletrnica de Controle. Uma nica ECU pode
ser responsvel pela
conexo de um ou mais dispositivos a um barramento. Tambm um
dispositivo pode ser
conectado a um barramento por uma ou mais ECUs. O conjunto
formado por ECU e
dispositivo constitui um n CAN. A Figura 5 exemplifica a aplicao
do padro ISO em uma
rede embarcada em um trator e implemento.
Figura 5 Rede ISO11783 em Mquina e Implemento (Adaptado de
SOUSA, 2002)
Em uma rede baseada na norma ISO11783 toda troca de informaes
entre as ECUs ou
ns CAN do sistema realizada por mensagens com formato de quadro
de dados definido.
Como citado, a verso 2.0B do protocolo CAN com identificador de
29 bits utilizada e so
especificados campos especficos, de acordo com a Figura 6, que
definem a estrutura PDU
(Protocol Data Unit Unidade de Protocolo de Dados), utilizado
para endereamento das
mensagens na rede CAN.
-
28
Figura 6 Campos do Identificador e Formao das PDU (SOUSA,
2002)
Os campos que compe a estrutura PDU de uma mensagem, de acordo
com a norma
ISO11783, possuem diferentes funes, descritas na Tabela 2.
Tabela 2 Composio e Funes dos Campos do PDU da norma
ISO11783
Sigla Descrio N Bits Funo
P Priority - Prioridade 3 Determinar a prioridade de acesso da
mensagem. O menor valor binrio deste campo significar maior
prioridade e vice-versa.
R Reserved - Reserva 1 Bit reserva da ISO11783. Deve ser sempre
considerado igual a zero para no distorcer a verificao de
prioridade.
DP Data Page - Pgina de Dados 1 Possibilita o trabalho com duas
pginas de Grupos de
Parmetros (PGN)
PF PDU Format - Formato do PDU 8 Campo utilizado na especificao
do tipo da mensagem e na
determinao dos PGNs.
PS PDU Specific - Especificidade do PDU 8 Representa o endereo
de destino da mensagem. Depende
diretamente do valor do campo PF (Destination Address ou Group
Extension).
SA Source Address Endereo Fonte 8 o valor que identifica cada
ECU.
DF Data Field - Campo de Dados 64 Campo de informaes (Oito
campos de oito bits)
O valor do campo PDU Format (oito bits) define qual tipo de
mensagem que est sendo
transmitida por um n e especifica o campo PDU Specific. Trs
tipos de mensagens foram
criados, como mostra a Tabela 3. O valor 255 para o campo PDU
Format define uma
mensagem como sendo global, assim todos os ns que compe a rede
podem receber esta
mensagem. Vale lembrar que o valor do campo que compe o PDU da
mensagem dado pelo
-
29
valor decimal equivalente ao binrio do respectivo campo. (Ex.
PDU Format - 8 bits
Valores de 0 a 255).
Tabela 3 Descrio dos Valores do Campo PDU Format
Formato do PDU Valor do Campo PDU Tipo da Mensagem PDU 1 0 a 239
Especfico ECU ou Global PDU 2 240 a 254 Global Grupo de ECUs Global
255 Global
O formato PDU 1 especifica que o campo PDU Specific contm o
endereo de destino
(Destination Address) da mensagem. Isso permite que a mensagem
seja enviada para um n
da rede em particular. Caso o valor deste campo Destination
Address seja 255, a mensagem se
torna global. O formato PDU 2 especifica que o campo PDU
Specific contm o endereo de
extenso de grupo (Group Extension) da mensagem. Esse campo Group
Extension utilizado
em ns que possuem a mesma funo na rede e permite que a mensagem
seja enviada para
varias ns (ECUs) simultaneamente.
importante citar que um estudo mais completo de todas as partes
da norma ISO11783
imprescindvel para o desenvolvimento de uma aplicao baseada
neste padro. Os assuntos
aqui descritos representam uma sntese dos assuntos principais
que sero necessrios para o
entendimento da parte relacionada montagem e coleta de dados da
rede CAN para este
trabalho.
3.3 SISTEMATIZAO DA ANLISE DE DESEMPENHO
Saber como um sistema se comporta muito importante para conhecer
a capacidade do
mesmo. Caso o sistema no esteja implementado, um teste de
viabilidade revelaria se ao ser
-
30
implementado ele realizaria o que se prope. No caso de um
sistema j implementado, a
realizao de testes demanda alto custo e grande quantidade de
tempo. Por isso muitas vezes
prefervel que os experimentos sejam conduzidos em um modelo do
sistema (SILVA, 2003).
Na avaliao de desempenho de sistemas de controle devem-se
estabelecer quais sero
os parmetros ou dados a serem medidos. Esses parmetros devem
conter todas as
informaes relevantes na anlise do sistema. Outro fator
importante o mtodo atravs do
qual a avaliao ser feita. Podem-se utilizar tcnicas de avaliao
de desempenho para prever
o seu comportamento, tais como simulao e mtodos analticos (JAIN,
1991).
Cada mtodo possui suas vantagens e desvantagens. Os mtodos
analticos possuem a
vantagem de dar uma soluo mais geral para o problema, mais
econmica e mais eficiente,
porm muitas vezes a sua aplicao limitada pela complexidade do
sistema que est sendo
modelado. Nesses casos escolhe-se a simulao, por ser um mtodo
mais simples de ser
implementado e que permite a realizao de experimentos sob vrias
condies com o mesmo
modelo, fornecendo resultados gerais para o sistema em estudo.
Do ponto de vista prtico,
simulao o processo de projetar e criar um modelo computadorizado
de um sistema, para
conduzir experimentos numricos, objetivando um melhor
entendimento do sistema em um
dado conjunto de condies.
Para a anlise de desempenho de redes de comunicao, isto no
diferente, de modo
que cada projetista define em relao ao tipo e protocolo de
comunicao em que sua rede
baseada, os parmetros mais interessantes a serem analisados.
Ressalta-se que essa escolha de
parmetros depende das necessidades de conhecimento da aplicao
por parte do projetista e
principalmente do mtodo de avaliao escolhido.
De acordo com a literatura, o aumento da utilizao do CAN em
solues de
comunicao tempo real reala a importncia da realizao de anlises
temporais e de
desempenho (PINHO & VASQUES, 2001). Para esses tipos de
anlise de redes baseadas no
-
31
protocolo CAN, Godoy, Sousa & Inamasu (2005) descrevem os
parmetros que podem ser
analisados e os dividem em dois grupos:
Parmetros de Configurao: composto pelos dados de configurao
do
protocolo necessrios para a operao da rede, definidos como Dados
de
Entrada;
Parmetros de Desempenho: composto pelos dados relacionados
ao
desempenho do sistema e a operao da rede, definidos como Dados
de Sada.
A Tabela 4 apresenta o conjunto dos parmetros de configurao de
redes CAN
utilizados em anlise de desempenho. importante lembrar que o
parmetro tamanho do
campo de dados de uma mensagem CAN possui uma quantidade mxima
de 64 bits.
Tabela 4 Descrio dos Parmetros de Configurao de Redes CAN
Nome Descrio Formato do quadro de mensagem Definido entre CAN
2.0A (ID 11 bits) e CAN 2.0B (ID 29 bits)
Nmero de mensagens Dado pelo nmero total de mensagens de dados
que trafegam pela rede Tipo de mensagem Peridica (transmitida a
cada intervalo de tempo) ou no peridica
Velocidade de transmisso Valor da velocidade de transmisso de
dados pelo barramento Perodo ou Tempo de amostragem Intervalo de
tempo entre transmisses consecutivas de uma mensagem
Esquema de prioridade Esquema de prioridades de acesso ao
barramento das mensagens que trafegam pela rede Tamanho do campo de
dados das
mensagens Quantidade de bits de dados (data field) de uma
mensagem
De acordo com Lian et al. (2006), um dos parmetros de configurao
de NCS
(Networked control system - sistema de controle via redes de
comunicao) que mais exerce
influncia sobre o desempenho do sistema de controle o perodo de
amostragem das
mensagens que trafegam pela rede. Neste trabalho apresentado um
diagrama que auxilia na
visualizao deste problema e na tarefa de selecionar tais perodos
de amostragem. Na Figura
7 apresentado este diagrama para a aplicao de um sistema de
controle via rede CAN.
-
32
Figura 7 Relao entre Perodo de Amostragem e Desempenho do
Sistema de Controle via Rede CAN (Adaptado de LIAN et al.,
2006)
Para o grfico da Figura 7, a diviso entre inaceitvel e aceitvel
pode ser definida de
acordo com especificaes do sistema de controle como margem de
fase, resposta temporal e
funo de transferncia (LIAN et al., 2006). Para o caso da rede de
controle CAN, o ponto 1
determinado pela investigao de caractersticas e estatsticas de
atrasos de comunicao
relacionados com o trfego de mensagens na rede. Perodos de
amostragem mais lentos
podem representar menos problemas em relao ao desempenho do
sistema de controle,
porm a rede apresentar alto nvel de ociosidade (capacidade de
processamento e troca de
informaes que no usada). Para perodos de amostragem mais rpidos,
no entanto, a carga
de dados trafegando pela rede se torna maior e sua ociosidade
diminui, porm a possibilidade
de ocorrer mais disputas pelo acesso ao barramento e de um
aumento nos atrasos de
comunicao pode ser esperado por se tratar de uma rede como o
CAN. O ponto 2 demonstra
essa situao onde a rede comea a se tornar saturada
(sobrecarregada de mensagens), novas
mensagens so enviadas para o barramento sobrepondo as anteriores
que ainda no tinham
sido transmitidas e erros de transmisso tornam-se
constantes.
-
33
Existem inmeros parmetros relacionados ao desempenho de um
sistema de
comunicao via rede. Muitos deles relacionados crescente demanda
e utilizao deste tipo
de tecnologia como soluo para sistemas com caractersticas de
tempo real (LIAN et al.,
2006). Os parmetros de desempenho que geralmente so abordados em
anlises de
aplicaes de redes CAN esto sendo mostrados na Tabela 5.
Tabela 5 Descrio dos Parmetros de Desempenho de Redes CAN
Nome Descrio
Tempo de Transmisso Tempo entre uma mensagem comear a ser
transmitida por um n de origem e ser recebida pelo n de destino
Tempo de Resposta Total Tempo total de leitura ou transmisso de
mensagens de todos os dispositivos da rede
Taxa de Utilizao Porcentagem utilizada pela comunicao de dados
em relao capacidade total de uma rede Nmero de Mensagens
Enviadas
e Recebidas Relao entre o nmero de mensagens enviadas e
recebidas pela rede
Cumprimento de Deadline Verifica-se o cumprimento do requisito
temporal de cada mensagem
Nmero de Mensagens no Buffer Monitoramento de nmero de mensagens
nos buffers de recepo e transmisso de cada n da rede
O requisito temporal de uma mensagem demanda que seu tempo de
transmisso tem
que ser menor que o seu perodo de amostragem.
3.4 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foi apresentada uma reviso geral sobre o protocolo
CAN e a norma
ISO11783 e buscou-se justificar a importncia da realizao de
anlise de desempenho de
sistemas de controle. Foram sistematizados os principais
conceitos de cada assunto de modo a
sintetizar os conhecimentos necessrios para o acompanhamento do
restante do trabalho.
ressaltado o aumento da pesquisa em anlise de desempenho de
redes de comunicao, dando
nfase ao fato de que a definio dos parmetros analisados para
cada sistema depende
-
34
principalmente do mtodo de anlise escolhido. Para o caso do
protocolo CAN, so resumidos
e apresentados os principais parmetros e dados relacionados com
anlise de desempenho que
vm sendo pesquisados e utilizados em trabalhos cientficos.
-
35
4. PROPOSTA DA FERRAMENTA DE ANLISE
4.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo so abordadas todas as etapas relacionadas com a
proposta da ferramenta
de anlise de redes CAN. Apresentam-se as justificativas para a
escolha da utilizao do
mtodo de avaliao de desempenho por simulao. A sistematizao do
modelo matemtico
de anlise de redes CAN examinada com detalhes atravs de um
estudo temporal da
transmisso de mensagens na rede. Para concepo das posteriores
simulaes, uma
metodologia para utilizao desse modelo matemtico
apresentada.
4.2 DEFINIO DO MTODO DE AVALIAO DE DESEMPENHO
Como apresentado na seo 3.3 do captulo anterior, a escolha do
mtodo de avaliao
utilizado para analisar o desempenho de um sistema uma das
principais decises a serem
tomadas e define a proposta deste trabalho. O que mais motivou o
aluno na escolha do mtodo
de avaliao por simulao foi o fato, descrito na reviso
bibliogrfica, de que no foram
encontrados relatos de desenvolvimentos fundamentados nas equaes
da abordagem de
Tindell, Burns & Wellings (1995) para aplicaes agrcolas.
Assim, com a sistematizao
dessas equaes em um modelo matemtico, obter-se-ia um modelo do
sistema de controle
via rede CAN que poderia ser utilizado para a realizao das
simulaes.
Outros fatores que justificam esta escolha podem ser citados
(SILVA, 2003), como:
-
36
A simulao um mtodo mais simples de ser implementado e que
permite a
realizao de experimentos sob vrias condies com o mesmo
modelo,
fornecendo resultados gerais para o sistema em estudo;
A simulao vem sendo utilizada para reduo do tempo de projeto
e
desenvolvimento e reduo de custos relacionados a testes de
campo;
A simulao facilita a avaliao de resultados, pois permite a
repetio de
simulaes para o mesmo modelo variando-se apenas os parmetros
desejados e
obtendo-se assim informaes mais especficas.
4.3 ESTUDO TEMPORAL
As equaes da abordagem de Tindell, Burns & Wellings (1995)
do suporte ao
desenvolvimento do modelo de anlise de redes CAN proposto e
utilizado para a realizao
das simulaes. De forma a facilitar o entendimento destas equaes,
apresentada uma
detalhada anlise temporal da transmisso de mensagens em uma rede
CAN (GODOY et al.,
2006a). Os tempos de transmisso de uma mensagem em uma rede de
controle CAN podem
ser estudados e calculados atravs de uma anlise do trfego de
mensagens na rede. A Figura
8 mostra um exemplo dos tempos encontrados em uma transmisso de
uma mensagem CAN
pela rede, desde sua inicializao ou o comeo da transmisso por um
n de origem at o
trmino da recepo da mensagem por parte do n de destino.
-
37
Figura 8 Tempos da Transmisso de uma Mensagem CAN entre Ns
(Adaptado de LIAN, MOYNE &
TILBURY, 2002)
O tempo total de transmisso de uma mensagem, Tdelay, pode ser
dividido em trs
partes: atrasos de comunicao no n de origem, Tsrc, no barramento
CAN, Tbus, e no n de
destino das mensagens, Tdest, como pode ser visto no diagrama
detalhado da Figura 9.
Figura 9 - Diagrama Temporal da Transmisso de uma Mensagem CAN
(Adaptado de LIAN, MOYNE &
TILBURY, 2001)
O atraso do n de origem, Tsrc, caracterizado pelo tempo de
pr-processamento, Tpre,
que a soma do tempo de computao, Tscomp, com o tempo de
codificao, Tscode,
realizado no incio de cada mensagem. O tempo de espera total,
Twait, caracterizado pela
-
38
soma do tempo de espera na fila, Tqueue, com o tempo de
bloqueio, Tblock. O tempo de
espera na fila, Tqueue, o tempo que uma mensagem espera no
buffer do n de origem
enquanto uma outra mensagem da fila est sendo transmitida. Esse
valor depende do tempo de
bloqueio das outras mensagens na fila, do perodo de amostragem
das mensagens e da carga
de dados a ser processada. O tempo de atraso do barramento CAN,
Tbus, caracterizado pela
soma do tempo total de transmisso da mensagem, Tframe, com o
atraso de propagao da
rede, Tprop. Esse valor depende do tamanho da mensagem, da
velocidade de transmisso e do
tamanho do barramento CAN. O atraso no n de destino, Tdest,
caracterizado pelo tempo de
ps-processamento, Tpost, que a soma do tempo de decodificao,
Tdcode, com o tempo de
computao, Tdcomp, realizado no final da transmisso de cada
mensagem.
A equao (1) apresenta resumidamente o tempo total de atraso numa
rede CAN. Os
tempos Tpre e Tpost so relacionados com os tempos de
processamento e transformao dos
dados entre o barramento e o dispositivo que utiliza esses
dados. Estes tempos esto
totalmente relacionados e dependem das caractersticas do
software e do hardware utilizados
nos ns CAN. Segundo Lian, Moyne & Tilbury (2002), estes
valores Tpre e Tpost so
tipicamente constantes e pequenos. Por causa desse fato e para
no exclu-los dos clculos,
uma hiptese de relao desses valores com o Jitter (variabilidade
do intervalo de tempo entre
mensagens consecutivas serem inseridas e retiradas da fila de
mensagens da rede - SANTOS,
VASQUEZ & STEMMER, 2004) da rede foi adotada. Wittenmark,
Nilsson & Torngren
(1995) definem que o Jitter de uma rede est fortemente
relacionado ao hardware utilizado
para implementao do protocolo de comunicao, confirmando tal
hiptese.
{ {m
bus
m
wait
m
postpre
postbuswaitpre
destsrcdelay
CT
QT
J
TT
TTTT
TTT
+++=
+++=
=
43421 (1)
-
39
4.4 SISTEMATIZAO DO MODELO
A escolha do mtodo de avaliao por simulao demanda a sistematizao
de um
modelo de anlise do sistema. A definio das equaes que compe este
modelo permitir
determinar quais tipos de parmetros (configurao e desempenho)
podero ser analisados
para o sistema, de acordo com o apresentado na seo 3.3.
4.4.1 Tempo de Transmisso Operao sob Condies Normais
As equaes que definem os termos mostrados na equao (1) so
definidas para redes
de controle baseadas no protocolo CAN e uma relao entre as
equaes (1) e (2)
apresentada. De acordo com as equaes sistematizadas em Godoy,
Sousa & Inamasu (2005),
o tempo total de transmisso (Rm), no pior caso, de uma mensagem
(m) em uma rede CAN
(TINDELL, BURNS & WELLINGS, 1995), sob condies normais de
operao, definido
pela equao (2).
mmmm CWJR ++= (2)
Na equao (2), o termo Jm representa o Jitter da mensagem e
determinado
empiricamente, utilizando-se Jm igual 0,1 milisegundo (ms). O
termo Wm representa o atraso
na fila no pior caso (o maior tempo entre a insero de uma
mensagem na fila de prioridades e
o incio de sua transmisso) e o termo Cm representa o tempo gasto
para se transmitir uma
mensagem (m) fisicamente sobre o barramento.
O formato do quadro de dados de uma mensagem CAN contm uma
largura de stuff
(quantidade de bits consecutivos que podem ser transmitidos com
o mesmo valor 0 ou 1) de 5
bits e uma quantidade O de bits de overhead (requerido para
verificao de erros e controle de
-
40
transmisso) por mensagem. No entanto apenas um nmero T desta
quantidade O de bits de
overhead est sujeito ao stuffing (campos no sujeitos ao bit
stuffing na Figura 4, seo 3.2.1:
Delimiters CRC, ACK e EOF). Assim, para cada um dos termos da
equao (2) so definidas
as equaes (3), (4), (5) e (6), conforme apresentadas em Tindell
& Burns (1994) e
aperfeioadas por Punnekkat, Hansson & Norstrom (2000).
bitmm
m SOSTC .84
18
++
+= (3)
T = quantidade de bits de overhead sujeita ao bit stuffing;
O = nmero mximo de bits de overhead por mensagem;
Sm = tamanho limitado da mensagem (m) em bytes (tamanho mximo de
8 bytes);
bit = tempo necessrio para transmitir um bit sobre o barramento
(encontrado de
acordo com a velocidade de transmisso de dados: 125K, 250K,
500K, 1M bit/s ou outra
qualquer escolhida).
Godoy, Sousa & Inamasu (2005) definem na Tabela 6 os valores
das variveis
referentes equao (3) para os formatos de quadro de mensagem CAN
que podem ser
analisados.
Tabela 6 Valor das Variveis da Equao (2) para os Tipos de
Mensagem CAN
Valor da Varivel para cada Tipo de Mensagem Varivel nas
Equaes
CAN 2.0 A Standard CAN 2.0 B Extended T 34 54 O 47 67
O tempo que uma mensagem CAN (m) fica na fila de espera depende
do tempo de
bloqueio por mensagens de menor prioridade que estejam ocupando
o barramento no
-
41
momento (Bm) e do tempo de transmisso das mensagens de maior
prioridade. Este tempo
dado pela seguinte equao (4).
+++=
)(.
mhpjj
j
bitjmmm CT
JWBW
(4)
hp (m) = conjunto de mensagens no sistema com prioridade maior
que a mensagem (m);
Bm = tempo de bloqueio no pior caso da mensagem (m);
Tj = perodo de uma mensagem (j);
Jj = Jitter de uma mensagem (j).
)(max)( kmlpkm
CB
= (5)
lp (m) = conjunto de mensagens com prioridade menor que a
mensagem (m). (se a
mensagem (m) for a de menor prioridade, ento Bm zero).
Os valores Cj e Ck so obtidos para cada mensagem pela equao (3).
Para a utilizao
da equao (4), necessria uma relao de recorrncia, com valor
inicial 0 0mW = e interaes
ocorrendo at a convergncia dos valores (isto 1n nm mW W+ = ),
que resulta na equao (6).
+
+++=
)(
1 .mhpj
jj
bitjn
mm
nm CT
JWBW
(6)
4.4.2 Tempo de Transmisso Operao sob Condies de Erro
Equaes tm sido desenvolvidas e incrementadas ao conjunto de
equaes anterior, de
forma a se analisar a operao da rede CAN sob condies de erro
(erros na transmisso da
-
42
mensagem e tempos de retransmisso). Nesses novos modelos so
includas mltiplas fontes
de erro e includos tempos de inacessibilidade do barramento CAN
devido a erros do prprio
canal e dos transceivers dos dispositivos conectados (PUNNEKATT,
HANSSON &
NORSTOM, 2000; PINHO, VASQUES & TOVAR, 2000). Assim, para o
caso de operao
da rede CAN sob condies de erro, o tempo de transmisso (Rm) de
uma mensagem (m),
passa a ser definido pela equao (7) (GODOY et al. 2006b).
mmmm CQJR ++= (7)
Onde os termos Jm e Cm tm o mesmo significado como apresentado
anteriormente, e
Qm corresponde agora ao tempo gasto por uma mensagem na fila de
espera, sob condies de
erro, dado diretamente pela seguinte formulao de recorrncia
mostrada pela equao (8),
com valor inicial 00 =mQ e interaes ocorrendo ate a convergncia
dos valores ( nmnm QQ =+1 ).
)(.)(
1mmm
mhpjj
j
bitjnm
mnm CQECT
JQBQ ++
+++=
+ (8)
O termo Em(t) uma funo de recuperao de erro, que define o valor
de bits de
overhead de erros que podem ocorrer num determinado intervalo de
tempo (t), definido pela
equao (9). Os valores de nerror = 1 e Terror = 100 milisegundos
(ms) so definidos de acordo
com os valores tpicos de taxa de erro do CAN (TINDELL &
BURNS, 1994a).
}{)(max.31.(1)( ))( kmmhpKbit
errorerrorm CT
tntE
+
+= (9)
nerror = nmero de erros em seqncia que podem ocorrer em um
intervalo arbitrrio;
Terror = perodo de ocorrncia do erro.
-
43
Em cada erro, o overhead de recuperao de erros pode ser
aumentado em at 31 bits,
seguido pela retransmisso da mensagem. Apenas mensagens de
prioridade maior que a
mensagem (m) e ela mesma podem ser retransmitidas e atrasar a
mensagem (m). A maior
destas mensagens determinada pela equao (10).
}{( )max ( )kK hp m m C (10)
4.4.3 Taxa de Utilizao e Otimizao
Outro parmetro muito utilizado para avaliao de desempenho de
redes de controle
CAN a taxa de utilizao do barramento (valor dado em
porcentagem). Para este parmetro
baixos valores significam que existe banda ou capacidade
disponvel na rede e valores altos
significam que a rede est perto da saturao e o desempenho do
sistema comea a piorar. A
equao (11) define o clculo desse parmetro.
1100N
i
CiUTi=
= (11)
Ci = tempo de transmisso da mensagem (i) no barramento e dado
por (3);
Ti = perodo de amostragem da mensagem (i) (parmetro de
configurao da rede);
N = nmero total de mensagens na rede CAN.
Para completar o modelo de anlise para rede CAN, foram
analisadas equaes para
clculo e otimizao de sistemas de controle via rede CAN (GODOY et
al., 2006a).
Metodologias ou equaes para otimizao de sistemas de controle
distribudo tm como
objetivo melhorar o controle e o desempenho do sistema para o
maior valor possvel,
mantendo sua estabilidade. Essas metodologias tm sido
desenvolvidas e propostas baseadas
-
44
na demanda de vrios tipos de protocolos e tecnologias de rede
juntamente com diferentes
solues existentes para o estudo dos atrasos de comunicao nessas
redes (LI & FANG,
2005; YANG, 2006). Os conceitos e definies de uma destas
metodologias, chamada
Sampling Time Scheduling (TIPSUWAN & CHOW, 2003), so
pesquisados e aplicados ao
estudo de redes baseadas no protocolo CAN no trabalho de Godoy
et al., (2006a). Hong
(1995) desenvolveu a metodologia Sampling Time Scheduling (STS)
com a finalidade de
selecionar corretamente um perodo de amostragem para os
dispositivos conectados por um
NCS de modo que os atrasos de comunicao relacionados transmisso
das mensagens
desses dispositivos no afetem o desempenho e a estabilidade do
sistema de controle.
A metodologia STS pode ser utilizada denominando o nmero de NCSs
conectados por
uma rede em um sistema de controle como M. Os perodos de
amostragem de todos os M
NCSs da rede podem ser calculados a partir do perodo de
amostragem do NCS mais sensvel
influncia dos atrasos de comunicao da rede, baseado nos valores
encontrados a partir da
anlise de tempo de reposta de rede para o prior caso. O
dispositivo mais sensvel da rede,
denominado NCS1 tem o menor valor de tempo de resposta
encontrado, o qual representado
por 1. O conceito da metodologia fundamentado no diagrama de
transmisso de dados
ilustrado na Figura 10, onde L e representam o tempo de
transmisso de uma mensagem de
dados e seu overhead, respectivamente, T1 representa o perodo de
amostragem do NCS1 e r
representa o nmero de mensagens de dados que podem ser
transmitidas pela rede no pior
caso de operao.
Figura 10 Diagrama de Transmisso de Dados do Perodo de
Amostragem T1 da Metodologia de Otimizao (TIPSUWAN & CHOW,
2003)
-
45
O perodo de amostragem T1 pode ser obtido da atravs da equao
(12).
11 3
LT += (12)
Para se calcular os perodos de amostragem dos outros NCSs
conectados na mesma rede
de controle, tais dispositivos devem ser indexados pelos tempos
de resposta de suas
mensagens em ordem ascendente como NCS2, NCS3... NCSM. Os
perodos de amostragem dos
dispositivos NCS2, NCS3... NCSM so determinados a partir de T1
utilizando-se diferentes
regras para as condies de operao da rede. De maneira geral,
todos os outros perodos de
amostragem podem ser selecionados como aproximadamente valores
mltiplos de T1 como
expressado pela equao (13).
11
1
( ), 2,3...2
ii i i
T LT k T k i MT
= = =
(13)
( )a b= indica que { }2 , 0,1,... ,iv ia v= onde a o valor mais
prximo que no
exceda b.
Com a correta definio dos valores dos perodos de amostragem de
todos os
dispositivos conectados pela rede de controle, a otimizao da
utilizao da rede (o maior
valor possvel para a taxa de utilizao da rede) pode ser alcanada
por essa metodologia, fato
que visto como uma vantagem de aplicao desta metodologia em
relao s outras
disponveis na literatura (TIPSUWAN & CHOW, 2003; LI &
FANG, 2005; YANG, 2006). A
condio para esta otimizao dada pela equao (14).
1 1
1
2 ,M
i i
T T Mr rT L
=
= (14)
-
46
O conjunto de equaes apresentado, constitui um modelo matemtico
que pode ser
utilizado para anlises de redes CAN sob configuraes e parmetros
determinados para
aplicaes em sistemas agrcolas.
4.5 METODOLOGIA DE ANLISE
A partir da definio do modelo de anlise, composto pelo conjunto
de equaes
apresentado, determina-se quais os parmetros (configurao e
desempenho) que poderiam
ser analisados para um sistema com uma rede de controle CAN.
Godoy, Sousa & Inamasu
(2005) evidenciam, na Tabela 7, esses tipos de parmetros que
podem ser relacionados com
aplicaes agrcolas de forma a direcionar a utilizao desse modelo
ao estudo do
desempenho da rede CAN e da influncia de parmetros em diversas
situaes.
Tabela 7 Dados Definidos para a Utilizao do Modelo Proposto
Velocidade de Transmisso Barramento Formato do Quadro de Dados
CAN (CAN 2.0 A / CAN 2.0 B)
Perodo de Amostragem das Mensagens dos Equipamentos Tamanho
(Bytes) do Campo de Dados das Mensagens
Dados de Entrada ou Parmetros de
Configurao
Esquema de Prioridade de Acesso das Mensagens Tempo de
Transmisso das Mensagens
Tempo de Resposta do Sistema Taxa de Utilizao do Barramento /
Mensagens
Dimensionamento e Otimizao da Rede Cumprimento de Deadline das
Mensagens
Dados de Sada ou Parmetros de
Desempenho
Definio do Esquema de Prioridades
Como dito, o estudo e a anlise de outros parmetros, citados nas
Tabelas 4 e 5 da seo
3.3, demandariam o desenvolvimento de modelos diferentes do
sistema. Um exemplo disso
encontra-se no trabalho de Lopes et al. (2005). Neste trabalho
demonstrada, atravs de um
modelo implementado em Redes de Petri, uma anlise que relaciona
o nmero de mensagens
-
47
enviadas e recebidas e o nmero de mensagens nos buffers de
transmisso e recepo
(nmeros por dispositivo da rede), com o desempenho de uma rede
CAN em aplicaes
agrcolas. Outros exemplos que apresentam anlises de desempenho
de redes CAN realizados
com outras ferramentas de anlise podem ser vistos em Hofstee
& Goense (1999), Silva
(2003) e Santos, Vasquez e Stemmer (2004).
A partir da definio dos parmetros de entrada, as equaes que
definem o modelo so
utilizadas para obter os dados de sada apresentados na Tabela 7.
Atravs da anlise desses
dados de sada pode-se determinar se os parmetros de entrada
conduzem a um bom
funcionamento ou desempenho da rede, ou seno, orientar uma nova
escolha de entrada de
dados. Essa escolha pode ser realizada de acordo com as
especificaes de uma norma do
protocolo (por exemplo: ISO11783). Essa estrutura iterativa
origina uma metodologia de
anlise de redes CAN (Godoy, Sousa & Inamasu, 2005), com um
fluxograma de utilizao
mostrado na Figura 11. Cada ciclo de aplicao deste fluxograma
pode ser definido com uma
simulao do sistema analisado. Assim, quanto maior a necessidade
de resultados e
informaes a respeito do sistema, maior o nmero de aplicaes da
metodologia de anlise,
isto , maior o nmero de simulaes do sistema a serem
realizadas.
Figura 11 Fluxograma de Utilizao da Metodologia de Anlise
-
48
Como citado, a metodologia de anlise pode ser aplicada para
estudo de viabilidade de
implementao e do desempenho de redes CAN configuradas sob os
parmetros fixados por
normas do protocolo CAN. Para o caso de uma rede CAN sob a norma
ISO11783, os dados
que seriam levados em considerao seriam o de velocidade de
transmisso de 250Kbits/s,
verso CAN 2.0 B para tipo de mensagem, definidas pelas Partes 2
e 3 da norma citada.
Devido complexidade do modelo sistematizado e possibilidade de
realizao de
vrias simulaes para anlise de parmetros diferentes, uma
implementao computacional
do modelo e da metodologia de anlise apresentados anteriormente
torna-se importante e
necessria. Essa implementao apresentada no prximo captulo.
4.6 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foram apresentadas as etapas referentes proposta
da ferramenta de
anlise de desempenho de redes CAN. A sistematizao das equaes
matemticas que
compe o modelo definiu quais parmetros (configurao e desempenho)
podero ser
analisados para um sistema de controle com rede CAN. O
fluxograma proposto para a
utilizao da metodologia de anlise suporta a escolha do uso da
simulao e evidencia a
necessidade de uma implementao computacional desta
metodologia.
-
49
5. IMPLEMENTAO E AVALIAO DA FERRAMENTA DE ANLISE
5.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo so apresentadas as caractersticas e as
especificaes do programa
computacional de simulao de redes CAN desenvolvido nesse
trabalho. Esse programa
implementa o modelo matemtico e a metodologia de anlise
propostas. Uma validao do
programa realizada atravs da comparao entre dados obtidos com a
aplicao do programa
e coletados de uma rede CAN experimental. So avaliadas e
descritas novas possibilidades de
uso e aplicao para o programa. Uma dessas possibilidades foi a
aplicao do programa para
auxiliar no projeto e dimensionamento de uma rede CAN de um rob
agrcola mvel, citado
na introduo, o qual este trabalho deu suporte.
5.2 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE SIMULAO
5.2.1 Especificaes e Caractersticas
A implementao computacional do modelo de equaes matemticas para
o protocolo
CAN e da metodologia de anlise apresentados anteriormente
representa uma tarefa
necessria de modo a facilitar os trabalhos de anlise e obteno de
dados de desempenho e
operao da rede CAN com a realizao de diversas simulaes. Para
essa implementao foi
utilizado o ambiente de programao LabVIEW 7.0 da National
Instruments (NI, 2005).
A escolha deste software foi baseada nas seguintes
justificativas:
Disponibilidade do Software (Licena) no laboratrio;
-
50
Experincia no software por parte do pessoal do laboratrio, o que
auxilia o
aluno no caso de necessidade de suporte;
Possibilidade de desenvolvimento de uma interface visual grfica
e interativa; o
que facilita a compreenso e a utilizao do programa;
Facilidade oferecida para tarefas de manipulao de grande
quantidade de
dados, o que seria necessrio no desenvolvimento;
Disponibilidade de kits de desenvolvimento (Toolkits - Report
Generation)
relacionados com gerao de relatrios de dados de sada,
Possibilidade de integrao com rede CAN real (via serial RS232,
USB).
Com a ajuda da ferramenta Application Builder, disponvel no
LabVIEW 7.0, foi gerado
um arquivo executvel (*.exe) composto por um instalador do
programa de simulao
desenvolvido, de forma que o mesmo pudesse ser instalado e
utilizado (rodado) em
qualquer computador que fosse necessrio. Isto facilita a
distribuio e a utilizao do
programa desenvolvido, j que a disponibilidade do software em
que foi implementado
(LabVIEW) no se torna mais necessria.
O programa computacional desenvolvido composto basicamente por
quatro telas de
dados, sendo uma delas com consideraes e explicaes iniciais
sobre o programa, duas telas
relacionadas entrada de dados a ser realizada pelo usurio e uma
tela referente sada de
dados que mostra os resultados da simulao. Nas telas de entrada
de dados so definidos os
dados de entrada (parmetros de configurao), conforme explicado
na Tabela 7 da
metodologia de anlise, que sero utilizados pelo modelo de equaes
para gerar os dados de
sada (parmetros de desempenho) relacionados simulao da rede CAN.
Tais dados de
sada so obtidos nas tabelas da tela de sada de dados. Essa
diviso em telas de dados visa
facilitar a visualizao e a compreenso dos campos do programa por
parte do usurio (Godoy
-
51
et al., 2006b). As telas do programa desenvolvido so mostradas
nas Figuras 12, 13, 15 e 16.
Outras caractersticas importantes do programa desenvolvido e
muito interessante para
aplicaes que utilizam grande quantidade de dados de entrada e
sada, so funes como:
Validao dos dados de entrada: funo encontrada em cada tela de
entrada de
dados e que no deixa o usurio continuar a execuo do programa se
existir
dados de entrada incorretos;
Relatrios dos dados de sada: funo para gerao das tabelas de sada
de
dados em planilha eletrnica que auxilia no armazenamento da
grande
quantidade de dados de sada obtidos nas diversas simulaes
realizadas com o
programa.
5.2.2 Apresentao e Descrio do Funcionamento
Define-se para este captulo, que o conjunto formado pelo
elemento (ou parte da
imagem) circundado por um retngulo juntamente com o nmero X
definido para ele ser
citado no texto como Legenda X da figura. Por exemplo, para se
referir a um elemento com
retngulo com o nmero 1, mostrado em uma figura, ser citado no
texto como o elemento -
Legenda 1.
Para apresentar o programa desenvolvido, uma detalhada descrio
do seu
funcionamento mostrada a seguir. Para essa demonstrao,
escolheram-se os seguintes
dados para a rede CAN: Formato do quadro de mensagens do
protocolo = CAN 2.0B,
Nmero de mensagens = 4 e Velocidade de transmisso de dados =
250Kbits/s.
A utilizao do programa realizada de acordo com os passos:
1) Caso o programa no esteja instalado no computador, execute o
arquivo
setup.exe e prossiga com a instalao (Para fazer um download do
programa,
acessar:
http://www.simulacao.eesc.usp.br/~egodoy/mestrado.html);
http://www.simulacao.eesc.usp.br/~egodoy/mestrado.html);
-
52
2) Com o programa instalado, inicia-se sua utilizao executando o
arquivo
Simulao CAN.exe. A tela inicial mostrada na Figura 12 exibe a
tela de
consideraes e explicaes sobre o programa;
Figura 12 Tela Inicial do Programa de Simulao de Redes CAN
3) Aps a leitura dos itens, necessrio clicar no boto INICIAR
para que a tela
de entrada de dados 1 do programa seja habilitada. O boto LIMPAR
DADOS
limpa todos os campos do programa e o boto INFORMAES
apresenta
informaes de contato sobre os responsveis pelo programa;
4) Com a tela de Entrada de Dados 1 habilitada, clica-se na aba
correspondente. A
Figura 13 mostra tela de Entrada de Dados 1 do programa;
5) Na tela Entrada de Dados 1, Figuras 13, so definidas as
configuraes
principais da rede CAN como: Formato do quadro de mensagens do
protocolo
CAN (CAN 2A, CAN 2B) Legenda 1, Nmero de mensagens dos
dispositivos
da rede Legenda 2 e Velocidade de transmisso de dados Legenda 3.
No
-
53
caso do campo velocidade de transmisso, pode ser selecionado
mais de um
valor para anlise, sendo ele fixo ou definido pelo usurio. Os
valores desse
campo so definidos de acordo com a rede CAN que se deseja
analisar.
1
2
3
4
1
2
3
4
Figura 13 Tela de Entrada de Dados 1 do Programa de Simulao de
Rede CAN
6) Aps a entrada de dados, necessrio clicar no boto VALIDAR
DADOS
Legenda 4 da Figura 13, para que seja feita uma verificao dos
dados de
entrada e seja habilitado o boto CONTINUAR. Caso exista algum
campo de
entrada de dados sem preenchimento ou com valor errado, uma
mensagem de
erro aparece, Figura 14(a). Caso os dados estejam corretos, uma
mensagem de
OK aparece, Figura 14(b) e o boto CONTINUAR habilitado para o
usurio
prosseguir;
(a) (b)
Figura 14 Mensagens Possveis Relacionadas Parte de Validao de
Dados
-
54
7) Com a tela de Entrada de Dados 2 habilitada, clica-se na aba
correspondente. A
Figura 15 mostra a tela de Entrada de Dados 2 do programa;
2
1
2
1
Figura 15 Tela de Entrada de Dados 2 do Programa de Simulao de
Rede CAN
8) Na tela Entrada de Dados 2, Figura 1
