1 - INTRODUÇÃO

O barramento CAN é um protocolo de comunicação síncrono e foi desenvolvido para ser uma interface multimestre, ou seja, onde há múltiplos nós do barramento mestre presentes no barramento. O barramento CANbus foi padronizado e documentado internacionalmente pela ISO, gerando a norma ISO 11898, para aplicações de alta velocidade, e a norma ISO 11519-2, para aplicações de baixa velocidade. O barramento trabalha em até 1Mbit por segundo, diferentemente de redes tradicionais como USB e Ethernet.
O barramento CAN não envia grandes blocos de dados entre o dispositivo mestre (master) e o escravo (slave). Muitas mensagens como: temperatura ou RPM são trocadas na rede inteira, o que permite dados consistentes em todos os nós do sistema.

2- HISTÓRICO

     Em 1983, a empresa Bosch inicia os trabalhos de desenvolvimento de uma rede de dados inicialmente para ônibus e caminhões, surgindo assim o protocolo CAN.
    Em 1986 houve a introdução oficial do protocolo CAN, sendo lançados os primeiros chips CAN da Intel e da Philips Semicondutores em 1987.
    Em 1991 foram lançadas as especificações das versões 2.0A e 2.0B CAN pela Bosch e o protocolo de alto nível baseado no CAN chamado de CAN Kingdom foi introduzido pela empresa Kvaser.
    Em 1992 foi fundado o “CAN in Automation (CIA)”: um grupo de usuários e fabricantes internacionais da rede CAN, em que foi publicado pela CIA o protocolo CAN Aplicattion Layer (CAL), e os primeiros automóveis da Mercedes-Benz começaram a usar a rede CAN.
    Em 1994 foi publicado o padrão ISO 11898, sofrendo uma alteração em 1995, onde foi estendido o formato do frame.
    Em 2000 ocorreu o desenvolvimento do protocolo de comunicação “time-triggered” para a rede CAN (TTCAN).


A figura abaixo explica de forma ilustrativa:


 

Figura 1: Cronograma da rede CAN Bus [1]

3 - OBJETIVO

             O objetivo deste trabalho consiste em abordar as utilidades e tendências do protocolo CAN, que teve sua utilização ampliada devido à sua comprovada confiabilidade e robustez, ampliando seu uso em sistemas que necessitam de controle distribuído em tempo real.

4 - DESCRIÇÃO

          As Redes de Área de Controle (ou CAN, acrônimo de Controller Area Network), as quais são um tipo de NCS (Network Controller System), consistem em redes que abrangem um espaço geográfico de uma Personal Area Network às LAN (Local Area Network) dependendo do propósito a ser utilizado. Pelo fato das CANs basearem-se na aplicação de sistemas real-time (sistemas em que as informações são transmitidas em tempo real) é necessário um controle rígido de erros e garantia de recebimento de mensagens.

5 - DESENVOLVIMENTO

5.1) O Padrão CAN

É um sistema bus serial internacionalmente padronizado oferecendo funcionalidade da camada de enlace de dados do modelo de referência OSI/ISO, caracterizado por ser um protocolo de comunicação serial síncrono, em que sincronismo entre os módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem lançada ao barramento, evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares. O Trabalho é baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro, além de suas mensagens forem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede.

O protocolo de comunicação CAN é do tipo CSMA/CD+AMP [16] em que CSMA significa que cada unidade da rede deve aguardar um período de inatividade no barramento para enviar uma mensagem e CD+AMP significa que uma colisão será resolvida na arbitração de bit, baseado na pré-programação de prioridade da mensagem no campo identificador da mensagem. A mais alta prioridade identifica quem vencerá o acesso ao barramento.
A primeira versão do padrão CAN ISSO 11519 (low-speed CAN) é para aplicações de até 125kbps com o identificador padrão de 11-bit, já a segunda versão, ISO 11898 (1993), manteve os mesmos 11 bits identificadores e permite comunicações de 125kbps até 1Mbps enquanto a atualização mais recente (1995) introduziu o modo estendido de 29 bits.
A ISO 11898 com a versão de 11-bits é freqüentemente citada como Standard CAN Version 2.0A, enquanto a outra atualização é citada como Extend CAN Version 2.0B. O padrão CAN com identificador de 11-bits é apresentado na figura 2 com 211, ou 2048 mensagens diferentes, enquanto o Extended CAN 29-bit identifier na figura 3 com 229 ou 537 milhões de identificadores. Em suma, este protocolo fundamentado no conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration), faz com que todos os módulos verifiquem o estado do barramento, analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la.

O CAN utiliza a sinalização de linha NRZ (Non Return to Zero) [17], onde cada bit (0 ou 1) é transmitido por um valor de tensão específico e constante. A velocidade de transmissão dos dados é inversamente proporcional ao comprimento do barramento e a maior taxa de transmissão especificada é de 1Mbps considerando-se um barramento de 40 metros. Considerando os fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios.

As redes com 2 ou 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.
Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser trançados e não blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. É muito comum classificar o barramento CAN Bus como Par Trançado Diferencial. Isso se deve ao fato da forte atenuação sobre os efeitos causados por interferências eletromagnéticas, uma vez que qualquer ação sobre um dos fios será sentida também pelo outro, causando flutuação em ambos os sinais para o mesmo sentido e com a mesma intensidade. Como o que vale para os módulos que recebem as mensagens é a diferença de potencial entre os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecerá inalterada), a comunicação não é prejudicada.




No barramento CAN Bus, os dados não são representados por bits em nível “0” ou nível “1”. São representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L. Como mencionado anteriormente, todos os módulos podem ser mestres e enviar suas mensagens, para tanto, o protocolo é suficientemente robusto para evitar a colisão entre mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit não destrutiva.

Podemos exemplificar esta situação, analisando o comportamento de dois módulos enviando, ao mesmo tempo, mensagens diferentes, após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica se outro módulo na rede o sobrescreveu (vale acrescentar que um bit Dominante sobrescreve eletricamente um Recessivo).
Um módulo interromperá imediatamente sua transmissão, caso perceba que existe outro módulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante). Este módulo, com maior prioridade, continuará normalmente sua transmissão.

Após estas abordagens conceituais podemos concluir que as CANs  trabalham com uma topologia da rede física em estrela e lógica em barramento, enviando suas mensagens em broadcast, baseada em 4 pilares:

1º Implementação de Hardware:
O meio de transmissão para as redes CAN influencia diretamente no funcionamento e no envio correto das mensagens, uma vez que estas precisam ser confiáveis e em alta velocidade. A topologia física da rede também precisa ser analisada com cuidado. O comprimento de cada ramo do "Chicote Elétrico" deve seguir a norma CAN, do contrário, a propagação das mensagens pode ser prejudicada.

2º Simples Transmissão:
As CANs devem funcionar mesmo caso haja falha no link, assim, uma CAN transmitindo por 2 pares de cabo é capaz de operar normalmente somente com 1 par.

3º Controle de Erro:
O controle de erro do protocolo CAN é o mais interessante e principal característica desse tipo de rede. Como as CANs são utilizadas em sistemas sensíveis a falha o controle de erro é feito pelos próprios dispositivos.
4º Ótimo confinamento de falhas:
A danificação de um dispositivo pode resultar no envio de mensagens de erro na rede, assim, prejudicando a largura de banda. Este mecanismo de controle de erros garante que as mensagens sinalizadoras de eventos críticos possam ser enviadas com sucesso garantindo a integridade do sistema. Apesar das mensagens serem enviadas em broadcast, as colisões não são destrutivas como nas redes Ethernet, sendo em todas as mensagens transmitidas com um bit recessivo e outro dominante ao qual tem prioridade na transmissão.
Quando duas mensagens são enviadas no meio, a mensagem com maior prioridade continua a ser transmitida enquanto a com o bit recessivo, de menor prioridade, é abortada a transmissão pelo dispositivo originador do sinal. As mensagens bloqueadas são retransmitidas pelo controlador central.

6 - APLICAÇÕES


Atualmente as redes CAN são utilizadas nos mais diversos ramos da tecnologia.
Antes eram aplicadas nos veículos automotores; especialmente nos veículos de passeio, caminhões (leves e pesados) e ônibus, hoje estão sendo gradativamente incorporada em:

·                    Indústrias de automóveis (In-Vehicle Network (IVN) para aplicações de funcionamento interno e, por exemplo, para comunicação com reboques e até mesmo dispositivos de monitoração das ações de operador).
·                    Off Road.
·                    Transportes públicos e controlo de tráfego.
·                    Injeção eletrônica (sistemas de controle de motor e transmissão).
·                    Indústrias militares.
·                    Sistemas agrícolas.
·                    Equipamento e dispositivos utilizados em medicina.
·                    Sistemas não industriais ( máquinas de vendas e de jogos, foto-copiadoras e
impressoras de alta qualidade, subsistemas de máquinas de interação bancária, comunicação entre microscópios, etc).
·                    Maquinario móveis (controle remoto, comunicação entre subsistema, etc).
·                    Automação e controle de sistemas industriais (controle de planta, robôs, sistema de supervisão).
·                    Dispositivos de gestão de edifícios ( controle de temperatura, portas,ventilação, elevadores, escadas rolantes, etc. ).
·                    Telescópios.
·                    Simuladores de vôo e satélites artificiais.

 

                                            Fig. Conversor de procotocolo.[4]

Hoje a comunicação CanBus esta presentes em todos os setores devido sua confiabilidade e baixo custo de manutenção. 
 










 

 

7 - TENDÊNCIAS


Com o passar dos anos, as exigências para a troca de informações entre os diversos módulos eletrônicos nos veículos cresceram de tal forma que o cabeamento requerido para tais conexões chegou a atingir vários quilômetros de comprimento. Sendo assim, seria impossível ter uma comunicação entre módulos com altas performances e baixo custo. Além disso, a comunicação embarcada cresceu bastante, todas as interligações de um veículo com suas inteligências são feitas com CAN BUS. 

Hoje, através da diagnose, o profissional de manutenção pode ter uma noção rápida de onde está o problema. Ou seja, a tecnologia ficou mais complexa nos veículos, mas por outro lado tem esse benefício, da diagnose. E qual seria a tendência disto? Segurança e confiabilidade.

Cita-se como exemplo de uma aplicação industrial a empresa Eurosicma, que fabrica diversos modelos de embaladoras do tipo flow-pack com produção que pode atingir até 1000 embalagens por minuto, dependendo das características do produto e da alimentação do mesmo. As máquinas da Eurosicma são comandadas pelo sistema "CAN BUS" que controla toda a automatização da máquina e da linha, em caso de linhas automáticas. Este sistema nada mais é do que um PC industrial com um visor "touch screen" para a interface homem máquina. Ele utiliza apenas um cabo para integrar toda a linha (o que faz reduzir em muito o custo inicial do projeto) e no caso de uma instalação de um novo dispositivo basta modificar o programa diretamente no painel da máquina. Ou seja, a praticidade foi multiplicada e os tempos de manutenção e instalação foram otimizados.

Então, é notável que as empresas vão ter de se preparar, se equipar para acompanhar essas tecnologias e poder fazer a detecção dos problemas de forma muito rápida. É uma tendência. Mais tecnologia requer maior conhecimento, porém essas tecnologias que entram chegam através de uma interface de diagnose que facilita um pouco a vida do reparador em diagnosticar o problema e, com isso, fazer o reparo.

Temos como exemplo as motocicletas que estão cada vez mais complexas e aplicadas em todos os sentidos e isso mostra um grande avanço da tecnologia para melhor. Hoje encontramos motocicletas com câmbio robotizado com dupla embreagem (Honda VFR 1200), mapas múltiplos para administração do motor, controle de tração que modula a forma como o acelerador atua no motor, medidor de inclinação interligado ao controle de tração (BMW S 1000 RR, Kawasaki ZX10), ABS controlando as duas rodas de forma rápida e inteligente (Honda XRE 300), entre outras novidades que em décadas atrás não se imaginava e que se acreditava que a tecnologia não cresceria tão depressa. Da mesma maneira aconteceu com os automóveis nos anos 80, causando uma revolução.

A Ducati foi a primeira fábrica de motocicletas a utilizar o protocolo CAN bus em 2002 com apenas dois fios. A BMW adotou uma versão de um único fio que além de economizar componentes proporcionou um controle melhor do funcionamento do veículo como um todo. Hoje podemos eliminar fusíveis do sistema, pois o próprio sistema nos entrega um diagnostico pronto, rápido e infalível, e o principal, interrompendo o funcionamento de um componente defeituoso, às vezes até permitindo um funcionamento em modo de emergência para não passar um “sufoco” no meio da estrada ou qualquer local que seja.
                                           
Na mão do usuário, no dia a dia, a moto se torna como se fosse uma extensão do seu corpo. Ou seja, a moto responde prontamente quando o piso permite: mais devagar se está com piso molhado ou, sobre areia no asfalto, os freios vêm com muito cuidado para parar a motocicleta.  Isto torna a condução quase à prova de erros.

O sistema sabe se as condições são favoráveis para uma condução esportiva e mantém o piloto sempre em situação de controle, ou seja, ela se torna mais inteligente que o piloto.

Os novos requerimentos de segurança que estão sendo introduzidos com os novos veículos desta década exigem que o sistema de controle tenha a capacidade de reagir muito rápido e com confiança a situações de emergência.

No caso do controle de estabilidade ativa, por exemplo, o sistema tem de detectar a derrapagem ou o desvio, para reduzir o torque do motor e pressionar o freio o necessário para compensar o comportamento irregular do veículo.

Atualmente, percebe-se um crescimento exponencial dos módulos eletrônicos disponibilizados nos veículos automotivos. Estes módulos passam, cada vez mais, a compartilhar informações entre si; muitas vezes em tempo-real como a interligação entre os blocos de sensores, sensores inteligentes, válvulas pneumáticas, receptores, variadores de velocidade, interfaces de diálogo-operador e etc, sem comprometer a velocidade de comunicação e confiabilidade.




Cada vez mais as exigências são ampliadas e pré-estabelecidas, como:

·         Estar preparada para trabalhar em ambientes móveis, sendo resistente especialmente a elevada vibração dos equipamentos.
·         Ser resistente a situações extremamente nocivas, como as condições climáticas adversas (exposição aos raios solares e a chuva) e a exposição a produtos químicos provenientes do próprio trabalho.
·         Ter cabeamento reduzido para facilitar a sua instalação e reduzir os problemas com manutenção.
·         Não requerer tempo elevado ou manobras complicadas para a conexão de um equipamento à rede.
·         Ser imune às interferências eletromagnéticas.
·         Ser capaz de transmitir altas taxas de informação, uma vez que os sistemas operam com informações em tempo real.
·         Boa flexibilidade das linhas de comunicação para facilitar a instalação do chicote no veículo.
·         Capacidade de interligar diversos nós, garantindo futuras expansões do sistema.
·         Trabalhar dentro do conceito multi-mestre, eliminando a existência de um módulo principal e responsável pelo gerenciamento da rede.
·         Robustez suficiente para garantir seu funcionamento em ambientes nocivos e móveis.
·         Capacidade para detectar e tratar eventuais falhas geradas por problemas em hardware e software ou, interferências externas como as eletromagnéticas.


A tecnologia que melhor se enquadra a todas essas exigências de mercado se chama CAN-BUS.
A possibilidade de conectar a rede de dados CAN BUS de um veículo em um GPS abre uma série de janelas adicionais graças a um grande fluxo de informação.
Estes dados são recolhidos por sistemas de GPS e podem ser enviados e processados para poder contar com informações em tempo real sobre dados críticos como níveis de combustível, velocidade instantânea, RPM e outros muitos valores próprios do veículo.
A combinação desta informação no GPS permite conhecer e comparar valores em toda uma frota de veículos e controlar as manutenções preventivas dos sistemas de controle dos veículos.

Acredita-se que num futuro não muito distante será possível prevenir acidentes de forma 100% satisfatória e aperfeiçoar o controle da utilização dos veículos, e cada vez mais as tecnologias de rastreamento vão se integrar às tecnologias de monitoramento dos veículos. Equipamentos com acesso ao CANBUS dos veículos serão cada vez mais utilizados e poderão trazer informações importantes para os usuários.

Atualmente, vemos que a maioria dos cabos é composta de cobre, porém, os ensaios que praticados pela rede de telecomunicação (NET) é a transferência de dados via fibra ótica. E não há duvidas de que todos os cabos migrarão para essa nova particularidade. O que podemos dizer é que a atual Rede CAN Bus também assumirá este nosso sistema no futuro.

8 - CONCLUSÕES

Toda esta tecnologia embarcada tende, entre outras coisas, a melhorar os índices de produção e reduzir as perdas no processo produtivo, proteção e confiabilidade do sistema. A grande quantidade de informações geradas pelos módulos eletrônicos precisa ser distribuída pela rede, de forma rápida e confiável. Para tanto, o protocolo de comunicação CAN (Controller Area Network) mostra ser a melhor opção.

REFERÊNCIAS

[1] SABER ELETRONICA. Disponível em: <http://www.sabereletronica.com.br> Acesso em 22/03/2013.
[2] COSTA EQUIPAMENTOS. Disponível em: <http://www.costaequipamentos.com.br> Acesso em 22/03/2013.
[3] GUIMARÃES, de Almeida Alexandre. As aplicações agrícolas e o protocolo CAN: Uma aplicação a um monitor de semeadora. Disponível em: <http://www.sbiagro.org.br/pdf/iii_congresso/Artigo07.pdf> Acesso em 22/03/2013.
[4] MOTO ONLINE. Como pode ser uma motocicleta mais inteligente que o piloto. Disponível em: <http://www.motonline.com.br/como-pode-uma-motocicleta-ser-mais-inteligente-que-o-piloto/>. Acesso em: 20/03/2013.
[5] ELEKTOR BRASIL. Controller Area Network Projects. Disponível em: <http://www.elektorbrasil.com.br/products/books/electronics/en-controller-area-network-projects.1910639.lynkx> Acesso em 22/03/13.
[6] VENDA, Pedro. Controller Area Network. Disponível em: <http://www.pjvenda.net/papers/can/can-overview-paper.pdf>. Acesso em 22/03/13.
[7] CARLOS WANDERLEY. Embaladora Barra de chocolate. Disponível em: <http://www.carloswanderley.com.br/novidades/noticia.php?idnews=19>. Acesso em 20/03/13.
[8] SCHNEIDER ELETRIC. Redes de cominicação industrial. Disponível em: <http://www.schneiderelectric.pt/documents/product-services/training/doctecnico_redes.pdf> Acesso em 22/03/2013.
[9] PORTAL LOGWEB. Tendencias e novas aplicações. Disponível em: <http://www.logweb.com.br/novo/conteudo/noticia/19168/tendencias-e-novas-aplicacoes> Acesso em 22/03/13.
[10] D-JETRONIC. Rede Can. Disponível em: <http://d-jetronic.blogspot.com.br/p/rede-can-sistema-multiplexado.html>. Acesso em 26/03/13.
[11] Rede Can – Bus de Dados. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/44609119/Rede-CAN-Bus-de-Dados> Acesso em 27/03/13.
[12] CEFET RN. Visão Geral do protocolo CanBus. Disponível em: <http://lars.mec.ua.pt/public/LAR%20Projects/Humanoid/2011_WilliamLage/Datasheets/CAN/RI_A5.pdf>. Acesso em 26/03/2013.
[13] MORAIS PIRES, Antônio Julio. Comunicação de tempo-real em barramentos CAN baseados no Controlador SJA1000. Disponível em: < http://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/12697/2/Texto%20integral.pdf> Acesso em 27/03/13.
[14] CAVALCA, Matheus. Manitowoc Service Manual. ANO 2008. Barueri, São Paulo.
[15] Manual da Sensor Technik UK Disponível em:< Sensor-TechnikUk .co.uk> Acesso em 19/3/13.
[16] CSMA/CD. Disponível em:< http://pt.wikipedia.org/wiki/CSMA/CD> Acesso em 22/03/13.
[17] KIOSKEA. Transmissão de dados. Disponível em: <http://pt.kioskea.net/contents/transmission/transnum.php3> Acesso em 22/03/13;
[18] CAN OPEN. The standard in control. Disponível em: < http://www.cia-productguides.org/canopen/products/copg_stw_esx_controller> Acesso em 20/03/13

RESUMO

     

Este trabalho consiste em tratar de tópicos especiais e suas tendências de mercado em aplicações automotivas. Devido a sua confiabilidade anteriormente citada, a rede CAN vem sendo utilizada em inúmeros sistemas que envolvem vidas humanas, além da automação de fábricas instrumentação náutica, processamento de papel, sistemas de produção têxtil, sistema de controle de linha de produção e é cada vez mais utilizada para automóveis, onde equipamentos micro-processados e micro-controlados como: centralinas, ECU (Unidade Eletrônica de Controle - Electronic Control Unit - e, fisicamente, nada mais é que um módulo eletrônico responsável por realizar um determinado controle. No caso da Arquitetura Centralizada, uma única ECU é responsável por todo o tipo de controle existente no sistema), Interfaces Homem Máquina, centrais de comando, mídias com comando de bordo e uma infinidade de outros que precisam se “comunicar e conversar” entre si no veículo.