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Introdução ao CAN
Vitor Amadeu Souza – Cerne Tecnologia
www.cerne-tec.com.br [email protected]
1. Introdução
O barramento CAN foi desenvolvido pela BOSCH para ser uma interface multi- mestre. Este barramento está especificado para funcionar até 1M bit por segundo. Diferente de redes tradicionais como USB e Ethernet, o CAN não envia grandes blocos de dados entre o dispositvo mestre (master) e o escravo (slave). Na rede CAN muitas mensagens como temperatura ou RPM são trocadas na rede inteira, o que permite dados consistentes em toda os nós do sistema.
2. O Padrão CAN
O CAN é definido pela International Standardization Organization (ISO) como um barramento serial de comunicação. Desenvolvido originalmente para aplicações automotivas para substituir os inúmeros cabos que eram utilizados neste sistema. A especificação para taxas de 1Mbps garante alta-imunidade para interferências elétricas e uma habilidade de se alto diagnosticar e reparar erros de dados. Estes aspectos tem levado o CAN a se tornar popular em várias áreas como: Navios, medicina, manufatura e aviões. O protocolo de comunicação CAN ISO 11898 descreve como a informação é passada da rede para os dispositivos e como o modelo OSI é definido nos termos desta camada. A comunicação atual dos dispositivos conectados na camada física é definido pela camada física do modelo. A arquitetura ISO 11898 define duas camadas menores das sete do modelo OSI/ISO como o data-link e a physical-layer na figura 1.
Figura 1
3. Standard CAN ou Extend CAN (CAN Padrão ou CAN
Extendido)
O protocolo de comunicação CAN é do tipo CSMA/CD+AMP. CSMA significa que cada unidade da rede deve aguardar um período de inatividade no barramento para enviar uma mensagem. 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 listada na tabela 1, ISO11519 (low-speed CAN) é para aplicações de até 125kbps com o identificador padrão de 11-bits. 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. O 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 2 29 , ou 537 milhões de identificadores.
IDE.
R1 – Bit reservado
4. Uma mensagem CAN
4.1 Arbitração Uma característica fundamental do CAN que está apresentada na figura 4 é o estado lógico no barramento CAN e a entrada e saída do driver. Normalmente, uma lógica alta está associada ao 1 e uma lógica baixa está associada ao zero – porém o CAN não é assim.
Se dois nós tentam ocupar o barramento simultaneamente, o acesso que será implementado é do tipo não destrutivo. Não destrutivo significa que um nó vencerá a arbitração e continuará transmitindo a sua mensagem , enquanto o outro aguardará o barramento ficar livre para transmitir novamente. A alocação de prioridade fica alocada no identificador CAN. Este tipo de prioridade é um grande atrativo para sistemas de tempo-real em ambientes de controle. Quanto menor o valor binário da mensagem, maior é a sua prioridade. Um identificador consistindo apenas de zeros é o que tem maior prioridade de mensagem na rede. De outra forma, se dois nós iniciam uma transmissão simultaneamente, o nó que envia um zero (dominante) enquanto o outro envia um um (recessivo) fica com o controle do barramento e envia sua mensagem. Um bit dominante sempre sobrescreve um bit recessivo no barramento CAN. Note que um nó constantemente monitora sua própria transmissão. Está é a razão da configuração do transceiver da figura 4 onde os terminais de saída CANH e CANL estão internamente conectados a entrada do receptor. O tempo de propagação do sinal é o tempo interno do driver da entrada até a saída e é usado para medir a qualidade do CAN transceiver. A figura 5 mostra o processo de arbitração. Os nós ficam a monitorar suas próprias transmissões e quando o nó recessivo B é sobrescrito pelo bit dominante de C, B detecta que o estado do barramento está diferente do que ele está transmitindo. Desta forma, B pára a transmissão enquanto C continua a transmitir sua mensagem. Em outro ponto, a mensagem de B é enviada pelo
barramento após que C transmite a mensagem. Este funcionamento é parte da camada física do ISO 11898.
A locação das prioridades das mensagens é feita pelo desenvolvedor do sistema, porém grupos industriais mutuamente entendem o significado de certas mensagens. Por exemplo, uma fábrica de motores pode especificar que a mensagem 0010 é para retorno do sinal de corrente do motor na rede CAN e 0011 é a velocidade do tacômetro. Desde que 0010 tenha o menor valor de identificador binário, mensagens relacionadas ao valor da corrente sempre tem uma prioridade maior sobre o barramento do que a leitura do tacômetro.
4.2 Tipos de Mensagens
Há quatro tipos de mensagens diferentes, ou frames (figuras 2 e 3) que podem ser transmitidos sobre o barramento CAN: o data frame, o remote frame, o error frame e o overload frame. Uma mensagem é considerada livre de erros quando o último bit do campo EOF da mensagem é recebido em estado recessivo. Um bit dominante no campo EOF causa uma repetição no da mensagem pelo transmissor.
4.2.1 O Data Frame
O campo de dados é o tipo de mensagem mais comum e é feito do campo de arbitração, campo de dados, campo de CRC e o campo de reconhecimento. O campo de arbitração determina a prioridade da mensagem quando dois ou mais nós tentam acessar o barramento. O campo de arbitração contém um identificador de 11 bits para o CAN 2.0 A e 29 bits para o CAN 2.0B. Os próximos campos de dados contém zeros ou oito bytes de dados e o campo CRC contém 16 bits de checksum usados para detecção de erros e o bit de reconhecimento de frame. Alguns controladores CAN são capazes de receber uma mensagem e enviar um
Sinais diferenciais derivados do CAN produzem grande imunidade a ruídos e tolerância a falhas. Sinais diferenciais balanceados reduzem o ruído e permitem altas taxas de comunicação sobre um cabo do tipo par-trançado. Balanceado significa que a fluxo de corrente em cada linha é igual porém opostos em direção, resultando em um cancelamento de efeito de campo que é a chave para baixas emissões de ruído. As duas linhas de sinal do barramento, CANH e CANL, em modo recessivo, ficam comumente com uma tensão de 2,5V. O estado dominante do barramento coloca CANH em 3,5 V e CANL em 1,5 V criando uma tensão típica diferencial de
2 V, como apresentado na figura 7.
Figura 7
O padrão CAN define uma rede de comunicação que comunique todos os nós no barramento. Os nós podem ser adicionados a qualquer momento, mesmo quando a rede estiver operando (conexão a quente).
