CONTROLLER AREA NETWORK - FUNDAMENTOS

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1 CONTROLLER AREA NETWORK - FUNDAMENTOS Pedr Venda Institut Superir Técnic, Universidade Técnica de Lisba Prtugal Resum Cnceits fundamentais, arquitectura, descriçã d funcinament e aplicações de uma rede d tip fieldbus denminada CAN, numa perspectiva bttm-up. Palavras chave fieldbus, CAN, Sistemas distribuíds, CANOpen, CiA, Cntrller Area Netwrk; 1. Intrduçã Fi após 3 ans de desenvlviment que, n mês de Fevereir de 1986 em Detrit, Rbert Bsch apresentu um sistema de interligaçã de dispsitivs numa rede de acess múltipl a um mei partilhad, denminad Cntrller Area Netwrk (CAN). A primeira implementaçã d sistema surgiu um an depis pela Intel e desde entã tem-se bservad uma evluçã significativa d hardware e d sftware que suprtam funcinament da rede. 2. Mtivaçã O sistema fi desenhad cm vista na aplicaçã directa na indústria autmóvel, dad que, na altura, nenhum ds utrs sistemas de cmunicaçã d tip fieldbus cumpria pr si só s requisits ds engenheirs da Bsch. As características essenciais da rede CAN, que n seu td trnaram necessári seu desenvlviment, sã [1]: Difusã de mensagens transmitidas; Identificaçã de mensagens e nã de nós; Acess múltipl a bus (partilhad); Acrd mútu, nã destrutiv e sem atrass de acess de escrita n bus (evita clisões); Definiçã de priridades nas mensagens; Múltipla detecçã de errs (cnfinament de faltas); Retransmissã autmática de mensagens crrmpidas; Um fieldbus é uma ligaçã múltipla de duas vias entre dispsitivs de medida e/u de cntrl. É uma rede de área lcal - Lcal Area Netwrk (LAN) geralmente utilizada para prcesss de cntrl, entradas/saídas remtas e para aplicações de autmaçã industrial de alta velcidade [2]. A rede CAN é um cas particular de um fieldbus. Em geral, uma rede CAN serve para qualquer aplicaçã nde diverss dispsitivs cntrlads pr um micr cntrladr precisam de cmunicar, de frma a cmpletar uma tarefa cmum sistemas distribuíds. Nas aplicações distribuídas críticas, s requisits de elevada fiabilidade, temp-real e cnfinament de faltas trnam a utilizaçã de CAN uma alternativa viável de cmunicaçã entre s diverss dispsitivs d sistema, tant em terms de segurança na utilizaçã cm em terms de frneciment fiável de serviçs crítics a humans. Exempls ds cass mais crítics incluem dispsitivs de segurança activa em autmóveis u aplicações de sistemas distribuíds na medicina [3]. Actualmente as redes CAN sã utilizadas ns mais diverss rams da tecnlgia [3,4]: Indústria autmóvel (In-Vehicle Netwrk (IVN) para aplicações de funcinament intern e, pr exempl, para cmunicaçã cm rebques); Transprtes públics e cntrl de tráfeg; Indústria aernáutica; Maquinaria móvel (cntrl remt e cmunicaçã entre subsistemas interns); Autmaçã e cntrl de sistemas industriais; Dispsitivs de gestã de edifícis (cntrl de temperatura, prtas, ventilaçã, elevadres, escadas rlantes, etc.); Equipament e dispsitivs utilizads em medicina; Sistemas nã industriais (máquinas de vendas e de jgs, ftcpiadras e impressras de alta qualidade, subsistemas de máquinas de interacçã bancária, cmunicaçã entre micrscópis, etc) 3. Arquitectura d sistema de cmunicaçã Face a mdel ISO Open Systems Intercnnectin (OSI), a especificaçã da rede CAN descreve apenas a camada física e a camada de ligaçã de dads (figura 1), ambas implementadas em hardware. Para facilitar a prgramaçã, e devid as diferentes cenáris de utilizaçã, fram desenvlvidas diversas camadas de sftware que se psicinam na camada de aplicaçã.

2 Camadas d Mdel OSI 7 - Aplicaçã 6 - Apresentaçã 5 - Sessã 4 - Transprte 3 - Rede 2 Ligaçã de dads Camadas implementadas em redes CAN 7 - Aplicaçã 2 Ligaçã de dads ds bits. Para ultrapassar este prblema, recrre-se a bit stuffing. Durante a utilizaçã d bus, sã permitids n máxim cinc bits cnsecutivs da mesma plaridade. Cas nó pretenda transmitir mais d que permitid, sã intrduzids stuff-bits de plaridade inversa (pela camada de ligaçã de dads), de frma a garantir que de fact nã existam mais d que cinc bits cm a mesma plaridade 1 n bus (figura 3). N pir cas, stuffing adicina bits nã infrmativs num ráci de um stuff-bit para quatr bits de infrmaçã [5]. 1 Física 1 Física Figura 1 Mdel de camadas OSI e CAN. 4. Camada física A camada física de um sistema de cmunicaçã cbre s aspects da transmissã física ds dads (bits) entre s nós da rede. Desta camada destacam-se três sub-camadas [5]: Physical signaling (PLS), implementada n cntrladr CAN Cdificaçã/descdificaçã de bits; Timing ds bits; Sincrnizaçã entre nós; Physical Medium Attachment (PMA) Características d transceiver; Medium Dependent Interface (MDI) Características d mei de transmissã (cab, fichas, etc); Cdificaçã: Uma stream (figura 2) de bits num bus CAN é cdificada em nn return t zer (NRZ), u seja, na banda de base. Durante temp em que um nó transmite um bit, bus pde estar num estad recessiv u dminante, de acrd cm bit a ser transmitid. De fact, bus tem três níveis lógics: estad dminante, estad recessiv e estad idle, nde nenhum nó está a transmitir [5]. 5V 0V V Nivel recessiv Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Nivel dminante Figura 2 Exempl de stream de bits transmitids, cdificads em NRZ. A nã implicaçã de uma mudança de estad n bus para cada bit transmitid dificulta a sincrnizaçã entre s nós, devid à cdificaçã utilizada. N cas de uma sequência de bits iguais (recessivs u dminantes), s nós pdem ter dificuldades na sincrnizaçã entre si pdem nã recnhecer s limites t Figura 3 Exempl de bit stuffing numa stream de bits [5]. Timing: Cada nó CAN pera em sincrnia cm um sciladr que gera um sinal de frequência préprgramada. A cada cnjunt de n períds dessa frequência dá-se nme de time-quantum (Tq), send temp de transmissã de cada bit (bit-time) definid cm múltipl de Tq. De fact, bit-time subdivide-se em quatr segments distints, cada um deles cm duraçã múltipla de Tq. Existe um segment de sincrnizaçã cm duraçã de 1 Tq, um segment de prpagaçã cm 1 a 8 Tq e dis segments de fase cm 1 a 8 Tq cada (figura 4) [5,6]. Figura 4 Esquema d timing de um bit. O cmpriment ds segments de prpagaçã e de fase é prgramável, nde ds segments de fase pde ser reajustad durante resincrnizações. N ttal bit-time dura entre 8 a 25 Tq. Finalmente, transceiver d nó CAN amstra nível d bus aprximadamente a ¾ d bit-time [5,6]. Sincrnizaçã de nós: Um nó sincrnizad cm bus está dessincrnizad cm emissr devid as temps de prpagaçã. Numa rede CAN, um transmissr que envia um bit recessiv tem que ter a pssibilidade de receber um bit dminante enviad pr um nó sincrnizad cm bus (e.g. ACK bit). Para tal, é necessári estender bittime a lng destes quatr segments para garantir a cerência entre tds s nós da rede [7]. 1 Existem partes da trama, que vem da camada superir (ligaçã de dads), que nã têm de bedecer à regra de stuffing.

3 O segment de sincrnizaçã é utilizad pels váris nós para uma sincrnizaçã inicial se existirem, as variações de estad d bus crrem durante este segment. O segment de prpagaçã prevê a existência de um atras de prpagaçã e de prcessament entre s váris nós da rede, que medeia a chegada d bit a cada um ds nós, e é usad para cmpensar esses atrass. O instante entre s dis segments de fase (segments finais) define instante de amstragem d bus [7]. estads de actividade: idle, bit recessiv e bit dminante. Estes estads sã definids pelas tensões diferenciais intrduzidas/medidas na linha (V CAN_H V CAN_L ) pels nós. Esta natureza diferencial da medida minimiza interferências electrmagnéticas, dad que s dis fis d bus estarã fisicamente pert um d utr e, na presença de interferência, s efeits sentids em ambs serã semelhantes. Cm a tensã é medida diferencialmente, valr dessa interferência desaparece [5]. Este elabrad esquema de timing serve para cada um ds nós esperar pels atrass ds sinais e pela estabilizaçã d bit antes de amstrar bus e determinar que tip de bit está n canal [6]. N cas de um nó detectar uma variaçã d nível d bus fra d segment de sincrnizaçã, as durações ds segments de fase sã reprgramadas na altura, de frma a variar instante de amstragem e garantir uma amstragem mais fiável. Em cas de avanç d bit, a duraçã d primeir segment de fase é encurtada num valr prgramad Resyncrnizatin Jump Width (RJW), e n cas de um atras da transiçã, a duraçã d segund segment de sincrnizaçã é alargada em RJW. A este mecanism chama-se sft-syncrnizatin e só crre uma vez em cada bit [5]. Em qualquer cas, a sma de tds s atrass (prcessament e prpagaçã) d nó mais distante tem que ser menr d que segment de prpagaçã. Este detalhe de sincrnizaçã vem limitar a relaçã ritm de transmissã/cmpriment d bus (figura 5) [5]. Figura 6 Tplgia de uma rede CAN [6]. Dentr de um nó CAN, transceiver (figura 7) é respnsável pela detecçã e sinalizaçã a cntrladr de váris tips de falhas n bus. Existem transceivers tlerantes a falhas que permitem um md de peraçã single-wire a uma relaçã sinal-ruíd reduzida, de frma a tlerar várias faltas d bus, cm curt-circuits entre as linhas CAN_H e CAN_L, entre as tensões de alimentaçã e as linhas u ainda circuits aberts em alguma linha [5]. Figura 7 Nó CAN [5]. Figura 5 Limitaçã da relaçã ritm de transferência/cmpriment d bus [5]. Quant mair fr bus, mais significativs sã s atrass de prpagaçã e mair tem que ser bit-time, reduzind ritm de transmissã máxim. É ainda pssível a utilizaçã de bridges e repetidres para estender cmpriment máxim d bus impst [5]. O standard ISO define bus cm uma linha bifilar simples para minimizar as reflexões, terminada nas extremidades cm resistências (figura 6). A linha tem três Finalmente, e para terminar a descriçã da camada física, existe a pssibilidade de que bus seja ligad a transmissres RF u infra-vermelhs cm mei de estabeleciment de ligações de/u para utras redes CAN [5]. 5. Implementaçã em hardware: A implementaçã de um nó CAN em hardware cbre a camada física, cm já fi referid, e também a camada de ligaçã de dads. O hardware presente em cada nó pde ser dividid em três blcs funcinais (figura 8): transceiver, cntrladr CAN e micr-prcessadr.

4 Figura 8 Blcs funcinais de um nó CAN [8]. Em particular, a camada física é implementada n transceiver e n exterir d nó (tmada, ficha, cab, etc) e a camada de ligaçã de dads está n cntrladr. O papel d micr-cntrladr n prtcl de cmunicações é a implementaçã das camadas superires pretendidas pel utilizadr através da prgramaçã d sftware adequad. Este blc (micr-cntrladr) pde ser dedicad a interface de cmunicaçã d nó u partilhad pr utrs periférics, enquant que tds s utrs blcs se dedicam exclusivamente às suas funções n prtcl de cmunicaçã. Um nó CAN pde ter s três blcs funcinais implementads separadamente u integrads em diversas frmas. Cada sluçã de integraçã tem vantagens e desvantagens face às utras, mas a que parece ser mais ppular é aquela em que cntrladr CAN está integrad n micr-cntrladr, cm transceiver independente [8]. 6. Camada de ligaçã de dads A camada de ligaçã de dads - Data Link Layer (DLL) - impõe frmat das mensagens que viajam n bus e frnece mecanisms de detecçã e prevençã de falhas. Existe uma subdivisã desta camada de frma a distinguir níveis de serviç frnecids [9]: Lgical Link Cntrl (LLC) Filtr de aceitaçã de mensagens; Ntificaçã de verlad; Gestã de recuperaçã de mensagens u de situações de err; Medium Access Cntrl (MAC) Encapsulament/desencapsulament ds dads nas mensagens; Cdificaçã das mensagens (stuffing/destuffing); Gestã de acess a mei; Detecçã e sinalizaçã de errs; Cnfirmaçã da integridade das mensagens (acknwledge); Serializaçã/Desserializaçã da infrmaçã; Versões: Actualmente existem duas versões de mensagens especificadas: mensagens standard e extended. Pr este mtiv, hardware pde eventualmente ser implementad tend em cnta as duas versões. Para iss fram diferenciadas três especificações d prtcl da ligaçã de dads: prtcl 2.0A, 2.0B passiv e 2.0B activ. Destes, apenas prtcl 2.0B activ cnsegue receber e transmitir de frma transparente as mensagens das duas versões. O prtcl 2.0B passiv cnsegue receber as mensagens das duas versões mas apenas transmite mensagens standard, enquant que prtcl 2.0A descarta tdas as mensagens extended recebidas prque as recnhece cm errs [9]. Filtr de aceitaçã de mensagens: Na subcamada LLC da DLL existe um mecanism que filtra as mensagens que recebe, u seja, existe uma u várias máscaras de bits de cmpriment variável que sã sbrepstas (AND) cm s n primeirs bits d identificadr da mensagem, de frma a decidir se a mensagem é entregue à camada acima u descartada. Este mecanism é prgramável pelas camadas superires u, em ultima análise, pel utilizadr [9]. Funcinalidades adicinais: Na implementaçã d cntrladr, existe a pssibilidade de incluir funções nã previstas na espeficicaçã, tais cm: cntadres (adicinais) de errs, timestamps nas mensagens, limites de avis prgramáveis, geraçã de pedids de interrupçã, estad de cnsum reduzid e cntadres de mensagens sem errs [9]. Serializaçã/encapsulament, desserializaçã/desencapsulament: A receber infrmaçã da camada superir, a subcamada MAC da DLL tem que serializar e encapsular a infrmaçã, u seja, é precis transfrmar cada byte recebid numa sequência de bits, para pssibilitar a transmissã em série n bus. Essa sequência de bits é entã segmentada e cada segment é inserid numa mensagem criada para receber [9]. Stuffing/destuffing: Sempre que transmissr detectar a presença de 5 bits cnsecutivs da mesma plaridade numa stream de bits (após a serializaçã), intrduz um bit de plaridade inversa que vai ser autmaticamente remvid pels receptres (figura 3) [9]. Esta regra de stuffing pde ser utilizada para uma verificaçã de integridade. Na cnstruçã de uma mensagem, nó transmissr preenche cabeçalh e a terminaçã, executa prcess de stuffing em determinadas znas da mensagem e calcula CRC (referid mais tarde). Nesta altura, a mensagem está prnta para ser enviada. Ns nós receptres prcess é invers. Após a recepçã da mensagem sem errs detectads n bus, ela é destuffed, s camps de crrecçã de errs sã verificads, passa pel filtr de aceitaçã e, cas seja essa a decisã, s bits pdem ser nvamente agrupads em bytes e enviads à camada acima.

5 Difusã: O cnceit de difusã da rede CAN significa que tds s nós vêem as mensagens transmitidas pr qualquer um deles (figura 9). Após a recepçã de cada mensagem, cabe as nós a decisã de descarte u entrega da mensagem [9]. transceiver garante que um bit dminante permanece n bus em detriment de um bit recessiv [9] (figura 10). Figura 10 Ausência de clisões pr utilizaçã de CSMA/DCR [6]. Figura 9 Difusã de mensagens [9]. Remte frame handling: A mairia das implementações cm armazenament de bjects transmitids (FullCAN) integra um mecanism de retransmissã de mensagens - Remte Transmissin Request (RTR) - pr pedid de utrs nós. Dependend da arquitectura d cntrladr, esta retransmissã pde ser feita pr autrizaçã d CPU, sem cnheciment d CPU u cm cnheciment/autrizaçã pcinal d CPU [9]. O métd utilizad para a retransmissã é semelhante a um prcess de pergunta/respsta: nó interessad envia uma trama d tip remte frame request (pergunta) nde especifica a mensagem em que está interessad. Esta trama será eventualmente recebida pr algum nó que ainda tenha a mensagem. Este nó respnde entã cm a mensagem pretendida. A mensagem reenviada pde também ser recebida pr utrs nós interessads. Os remte frame requests sã claramente distinguíveis das mensagens de dads pr uma flag explicitamente assinalada e pel fact de nã cnterem dads [9]. Acess múltipl: Um ds requisits de uma rede CAN é a pssibilidade de acess múltipl a bus, u seja, váris nós pdem ler d bus a mesm temp mas, para evitar clisões (dis u mais nós a enviar a mesm temp uma mensagem diferente, que resultaria numa mensagem inválida), é precis um mecanism de priridades. O mecanism utilizad é Carrier Sense Multiple Access/Deterministic Cllisin Reslutin (CSMA/DCR) [9]. Cada mensagem leva cnsig um identificadr, uma identidade que é atríbuida pel nó. Quand bus está em estad idle, váris nós pdem iniciar as suas transmissões a mesm temp. Cada nó lê d bus a cada bit que envia e cmpara s valres. Cas bit que nó tenha tentad escrever seja recessiv, será lid d bus um bit recessiv se e só se tds s nós que estã a transmitir na altura estiverem a enviar um bit recessiv. Pr definiçã, Durante a transmissã d identificadr da mensagem, algritm CSMA/DCR decide de frma unívca, nã destrutiva e sem atrass u retransmissões quem transmite u nã a mensagem. N funcinament d algritm CSMA/DCR em que n nós tentam escrever n bus, e assumind que tds tentam enviar mensagens diferentes, n-1 nós vã desistir de transmitir a mensagem para que restante nó pssa transmitir a dele. Depis da transmissã da mensagem d nó que ganhu bus, s utrs nós tentam nvamente transmitir as suas mensagens. Cm a utilizaçã d algritm CSMA/DCR, é pssível estabelecer rdens de priridade nas mensagens, prque estas têm identificadres prgramáveis [6,9]. A figura 10 mstra um exempl de funcinament d algritm CSMA/DCR. O cas descrit mstra três nós (1,k,n) a tentar enviar uma mensagem a dada altura. N bit 7, nó 1 percebe que enviu um bit recessiv mas leu d bus um bit dminante e desiste de enviar a sua mensagem fica em md de escuta apenas. N bit 3, nó n também entende que enviu um bit recessiv mas leu um bit dminante. Também este nó desiste de transmitir a mensagem. Desta frma, nó k prevalece e transmite a sua mensagem. Serviçs de cmunicaçã frnecids pel prtcl CAN: O prtcl CAN especifica dis serviçs de cmunicaçã: serviç write-bject e serviç readbject. O serviç write-bject é serviç que escreve uma mensagem de um nó (emissr) para bus e, cnsequentemente, para tds s nós a ele ligads (serviç básic d prtcl). Este serviç nã implica que algum nó esteja interessad na mensagem [9]. O serviç read-bject é cmplementar d anterir e é iniciad pel fact de um receptr interessad numa trama transmitir uma mensagem de RTR cm a identificaçã dessa trama. Se algum nó tiver s dads pretendids, envia de vlta a trama crrespndente [9].

6 Data frame: Até agra referenciadas genericamente cm mensagens, as tramas de dads (data frames) sã as unidades de cmunicaçã entre as camadas de ligaçã de dads ds váris nós [9] (figura 11). Figura 11 Trama de dads [9]. Sempre que um nó pretende enviar dads para bus, fá-l através d encapsulament da infrmaçã em uma u mais tramas, em que cada uma pde transprtar 1 a 8 bytes de infrmaçã. O data frame cmeça cm um bit Start f Frame (SF) para hard synchrnizatin em tds s nós. Depis d SF está camp de identificaçã (arbitratin field) que identifica a priridade e cnteúd da mensagem. O camp de cntrl (cntrl field) especifica cmpriment em bytes da mensagem. O camp de dads (data field) cntém a infrmaçã prpriamente dita e camp de CRC (cyclic redundancy check) guarda infrmaçã redundante para detecçã de errs em determinadas znas da trama. O camp de cnfirmaçã (Acknwledge field - ACK) é utilizad para transmissr entender se pel mens um nó recebeu a mensagem sem errs de bus. A mensagem é terminada pel End f Frame (EF). Actualmente, existem dis tips de tramas: standard data frames e extended data frames. Os dis tips diferem n significad de algumas flags e n cmpriment d camp de identificaçã. Entre duas mensagens sequenciais existe um cnjunt de três bits recessivs a que se chama Intermissin Frame Space [9]. O bit SF fi em temps utilizad para uma sincrnizaçã frçada, mas as especificações mais recentes trnam essa sincrnizaçã desnecessária. O camp de identificaçã (figura 12) é utilizad pel algritm CSMA/DCR para determinar nó a transmitir a mensagem. O bit final d camp de identificaçã Remte Transmissin Request (RTR) é utilizad n estad recessiv para marcar as mensagens cm RTRs. O bit seguinte Identifier Extensin (IDE) serve para distinguir mensagens standard de extended. A mensagem standard tem bit IDE dminante para que, em cas de transmissã simultânea, a mensagem standard prevaleça [9]. Trama standard Arbitratin Field 12 bit Trama extended Arbitratin Field 32 bit Base identifier 11 bit Base Identifier 11 bit Figura 12 Diferença entre tramas de dads standard e extended. Até à crrência d bit IDE, nó nã sabe ainda se a trama é extended u standard. Se bit IDE fr RTR 1 bit SRR 1 bit IDE 1 bit Identifier extensin 18 bit RTR 1 bit dminante, nó entende- cm bit rv1 d camp de cntrl de uma mensagem standard. Se bit fr recessiv, entã a trama é extended e bit é bit IDE d arbitratin field após Substitute Remte Request (SRR), que é transmitid recessiv. Para terminar camp de identificaçã das mensagens extended, existe ainda um camp de identificaçã extra de 18 bits e 1 bit RTR (verdadeir), ttalizand 32 bits de cmpriment para este camp (11+SRR+IDE+18+RTR). O camp de cntrl (figura 13) é semelhante ns dis tips de mensagem. Os dis primeirs bits sã dminantes e s últims quatr especificam cmpriment d camp de dads (em bytes) Data Length Cde (DLC). Dad que camp de dads tem de 1 a 8 bytes, s restantes valres d DLC (9- F) pdem ser usads livremente (cm cntrladr fr prgramad) [9]. Cntrl Field 6 bit Figura 13 Camp de cntrl. O camp de dads Data Field leva a infrmaçã na mensagem num cmpriment entre 0 e 8 bytes (64 bits). O camp de CRC é cmpst pr uma sequência CRC de 15 bits e um bit limitadr recessiv (CRC delimiter). A sequência CRC usada prvém de um códig de hamming de distância mínima de 6, que significa que pssibilita a detecçã de 15 errs n máxim u a crrecçã de 1 a 5 errs espalhads aleatriamente dentr ds bits prtegids pel CRC [9]. O camp de ACK (figura 14) é utilizad para que emissr saiba se pel mens um nó na rede recebeu a mensagem livre de errs até a mment. Este é cmpst pr dis bits: ACK Slt e ACK delimiter. O transmissr envia ambs s bits recessivs e cada receptr que tenha recebid a mensagem crrectamente até a camp de ACK, envia um ACK slt dminante. Se transmissr percebe que enviu um ACK delimiter recessiv mas detectu um bit dminante n bus, sabe que pel mens um nó enviu um ACK delimiter dminante esse nó recebeu a mensagem crrectamente até aí. Finalmente, camp EF é cmpst pr sete bits recessivs e fi intrduzid para garantir que, se algum nó enviar uma errr flag, essa flag fica cntida dentr da mensagem [9]. CRC Field 16 bit rv1 DLC Figura 14 Camp de CRC. Tratament de errs: Cabe as dispsitivs físics e às camadas de hardware a intrduçã de mecanisms de tlerância a falhas na cmunicaçã. Num dad nó (nó k), tratament de errs prcessa-se da seguinte frma [9]: 1. nó k detecta err lcal; 2. é enviada uma errr flag para glbalizar err 6 bits da mesma plaridade para frçar um err de stuffing ns utrs nós; rv0 1 bit 1 bit 4 bit CRC Sequence 15 bit CRC Delimiter 1 bit

7 3. depis da errr flag é enviada uma verlapping errr flag, seguida de um errr delimiter; 4. a mensagem é descartada em tds s nós; 5. s cntadres de err sã incrementads em tds s nós; 6. a transmissã é repetida autmaticamente; Os errs sã prtant assinalads e glbalizads assim que sã detectads. Através deste prcess de tratament de errs, cas nenhum nó esteja em estad passiv u em bus ff, a cerência ds dads é garantida, à parte de um efeit pernicis n bit final da mensagem [6]. Na crrência de um err, é enviada uma trama de err activa (active errr frame) (figura 15). A errr flag é uma sequência de 6 bits dminantes (para um nó n estad activ) e é seguida de sbrepsições de errr flags ds utrs nós, pis é pssível que nem tds detectem err exactamente n mesm bit. Finalmente, existe delimitadr d err errr delimiter que é cmpst pr 8 bits recessivs e permite as nós recmeçar a transmissã após a crrência de um err. Depis da active errr frame, é esperad um interframe space de 3 bits cm se a trama de err fsse uma mensagem [9]. Figura 15 Trama de err activa [9]. Os errs que pdem surgir e que causar a geraçã de uma trama de err sã: errs de stuffing: quand um receptr detecta uma sequência de mais d que 5 bits da mesma plaridade nas znas da mensagem prtegidas pela regra de stuffing [9] (figura 16); Figura 16 Área da trama a ser stuffed [9]. errs de bit: quand um nó escreve uma sequência de bits n bus, ele lê estad d bus a mesm temp. Quand nó lê d bus um estad diferente d estad d bit que ele tenta transmitir, detecta um err de bit. Se este err de bit crrer nas znas da mensagem em que nã pdem haver clisões, err é assinalad e glbalizad n bus [9] (figura 17); Figura 17 Área da trama em que crre mnitrizaçã de bits [9]. err de CRC: transmissr calcula camp de CRC sbre as znas da trama prtegidas e envia essa infrmaçã na mensagem. Os receptres vltam a calcular CRC e cmparam resultad cm camp que receberam. Ns nós em resultad nã crrespnda a CRC recebid na mensagem, esta é descartada (nã há crrecçã de errs) e uma trama de err activa é gerada a seguir a ACK delimiter (figura 18) [9]; Figura 18 Área da trama prtegida pel camp de CRC [9]. err de ACK: quand transmissr envia a mensagem e mnitriza bus, envia um bit recessiv n ACK delimiter e espera receber um bit dminante d bus (n mesm bit-time), pis qualquer receptr que tenha recebid a mensagem crrectamente envia um bit dminante. Cas transmissr nã detecte este bit recessiv, nenhum receptr recebeu a mensagem sem errs e é gerada uma trama de err activa a seguir a ACK delimiter [9]; err de frma (frm errr): Se transmissr encntra um bit dminante n CRC delimiter, um bit recessiv n ACK delimiter u um bit dminante a lng de td EF, crreu um err que vila frmat da trama em bits cuj estad nã varia entre mensagens. Também neste cas é gerada uma trama de err activa [9]; Apesar destes métds de detecçã de errs, é pssível que existam errs nã detectads n bus. Estima-se que a prbabilidade da crrência de errs nã detectads em tramas standard seja dada pela seguinte fórmula empírica: ρ < errr _ rate. Pr exempl, cm um err a cada 0.7s e um ritm de transmissã de 500kbps, btémse um err nã detectad pr cada mil ans. Esta prbabilidade aumenta para tramas extended [9]. Para distinguir entre falhas temprárias (interferências u utrs errs tempráris) e falhas permanentes (nó defeitus u ligaçã defeitusa a nó, etc), sã utilizads s cntadres de err (Transmit Errr Cunter (TEC) e Receive Errr Cunter (REC)) para alterar estad d nó [9] (figura 19):

8 Tds s nós iniciam a actividade n estad activ; Os cntadres sã incrementads e decrementads respectivamente na detecçã de errs e nas transmissões u recepções crrectas; Quand um ds cntadres passa pr um threshld (prgramad u nã), muda para estad passiv; N estad passiv, s cntadres cntinuam a ser incrementads u decrementads e, se frem nvamente inferires a threshld, nó vlta a estar n estad activ. Neste cas existe uma elevada taxa de errs, mas aparentemente nó em questã cnsegue enviar e receber crrectamente as mensagens. Neste estad passiv, s nós apenas cnseguem enviar tramas de err passivas (passive errr frames), em que s bits da errr flag e sbrepsições sã recessivs, e prtant nã cnseguem interrmper utras transmissões. Além diss, s nós em estad passiv têm que esperar um temp adicinal de 8 bits entre transmissões sucessivas. Quand um nó entra em estad passiv, a cerência ds dads deixa de ser garantida; N cas de falha da ligaçã a bus u de falha d cntrladr CAN, u até n cas de acumulaçã extrema de errs, s cntadres aumentam acima de um utr threshld e aí entram num estad de bus ff em que apenas cnseguem receber infrmaçã. Para sair deste estad, é precis impr um reset e receber uma sequência de bits recessivs; Figura 19 Diagrama de estads de um nó CAN, face à crrência de errs tempráris u permanentes [9]. Overlad flag: A trama de verlad é em tud igual à trama de err activa, mas nã incrementa s cntadres de err e é enviada quand um nó nã está prnt para iniciar a recepçã da próxima mensagem, u se durante intermissin space um ds primeirs dis bits é dminante. A utra cndiçã de verlad é quand um receptr recebe um bit dminante na sétima psiçã d EF; este bit nã é cnsiderad um err mas receptr pde ter perdid a sincrnizaçã e inicia a transmissã de uma trama de verlad. Neste cas, um transmissr que se prepare para enviar uma mensagem tem que atrasar iníci da sua transmissã [9]. Errs lcais n EF: Na crrência de errs durante a transmissã/recepçã d EF (neste camp da mensagem apenas pdem crrer errs de bit), s nós prcedem da seguinte frma: O transmissr cnsidera a mensagem válida se nã huver errs de bit até a fim d EF. O receptr cnsidera a mensagem válida se nã encntrar errs de bit até a penúltim bit d EF (inclusive). Um receptr que tenha detectad um err n sétim bit d EF nã transmite a trama de err nem incrementa s cntadres de err (nã cnsidera err), mas envia uma trama de verlad que cmeça n interframe space [9]. Duplicaçã de mensagens: N cas da crrência de um err lcal n últim bit d EF n transmissr u n penúltim bit d EF num receptr, existe a pssibilidade da duplicaçã da mensagem. Em particular, existe um cas pernicis em que num nó receptr k existe de fact um err lcal n penúltm bit d EF. N últim bit d EF, este nó inicia a transmissã de uma trama de err activa que é vista pel transmissr t cm tal. Entretant, um utr receptr n nã sfreu a interferência que deu rigem a err n penúltim bit d EF e vê este bit recessiv (cm devia ser), embra receba n últim bit d EF iníci da trama de err activa, iniciada pel nó k. Cm este err é ignrad (pel receptr n), nó acaba pr ficar cm a mensagem intacta e inicia a transmissã de uma trama de verlad. N cenári final, nó t transmite duas vezes a mensagem, nó n recebe a mensagem duas vezes e nó k recebe-a uma vez. Para evitar prblemas relacinads cm a duplicaçã de mensagens, a especificaçã da CiA acnselha a nã utilizaçã de mensagens d tip tggle ( muda de estad ), a nã utilizaçã de mensagens de cmand relativas ( varia 10 graus, avança 10 metrs, etc) e, para prevenir inversões de rdem, acnselha também a utilizaçã de númers de sequência nas mensagens [9]. Estes cnselhs terã que ser psts em prática nas camadas superires d prtcl e pdem vir a garantir, pr exempl, difusã FIFO (FIFO bradcasting). 7. Camada de aplicaçã A família de prtcls CANOpen especifica standards para mecanisms de cmunicaçã e funcinalidades ds dispsitivs. A especificaçã cbre na sua mair parte a camada de aplicaçã, definind aí um perfil de cmunicações e framewrks para a prgramaçã ds dispsitivs, mas define também recmendações para as camadas física (cabs e fichas) e ligaçã de dads [10]. Desenvlvida pela CiA, a camada CANOpen fi implementada riginalmente para utilizaçã em sistemas de cntrl industrial. Neste mment, CANOpen tem

9 um leque variad de camps de aplicaçã, cm equipament médic, autmaçã de edifícis, electrónica na aernáutica, etc [10]. O sistema de cmunicaçã definid pela sigla CANOpen pde ser descrit de frma semelhante a mdel OSI, em que existe uma camada de aplicaçã e um perfil de cmunicações standard, apiada nas camadas física e de ligaçã de dads de uma rede CAN [10]. A nível da camada de aplicaçã, prtcl CANOpen trca entre si bjects de cmunicaçã e aplicaçã (figura 20) [10]. Service Data Objects (SDO): acess de leitura e escrita em dicináris remts; Objects de funçã específica: mensagens de sincrnizaçã, de temprizaçã e de emergência; Netwrk Management Objects (NMT): frnecem serviçs para a inicializaçã da rede, cntrl de errs e cntrl de status ds nós; A cmunicaçã pr PDOs é d tip difusã (figura 22) em que, pr decisã própria u pr pedid de utr nó, transmissr difunde um PDO para bus. O PDO cnsiste numa só trama de dads da DLL (pde transprtar até 8 bytes de infrmaçã) e nã dispnibiliza cnfirmaçã de entrega [10]. Figura 22 Esquema de transmissã de um PDO [10]. Figura 20 Tplgia ds dads trcads na camada de aplicaçã [10]. Um dispsitiv CANOpen está dividid em três blcs fundamentais (figura 21): [10] Prtcl e interface de cmunicaçã; Dicinári de bjects; Interface e prgrama de aplicaçã; O interface de cmunicaçã frnece s serviçs de transmissã e recepçã de bjects entre nós d bus. O dicinári de bjects descreve tds s tips de dads, bjects de cmunicaçã e bjects de aplicaçã utilizads numa implementaçã. O prgrama de aplicaçã dispnibiliza a funcinalidade de cntrl intern e interface cm hardware ds dispsitivs [10]. Figura 21 Blcs funcinais da camada CANOpen [10]. Interface de cmunicaçã: Os váris tips de bjects de cmunicaçã utilizads estã classificads pr funcinalidade [10]: Prcess Data Objects (PDO): transferência de dads em temp real; O SDO é utilizad para acess remt de entradas d dicinári de bjects. A tplgia da cmunicaçã é d tip cliente-servidr, em que cliente pede acess (de leitura e/u escrita) a dicinári remt cm um SDO e servidr respnde cm utr SDO (figura 23). Um SDO pde transferir dads de qualquer tamanh através de sequências de segments [10]. Figura 23 Esquema de transmissã de um SDO [10]. O bject de sincrnizaçã (SYNC) é difundid pr um nó sincrnizadr cm fim de cnseguir realizar tarefas peridicamente u em instantes definids. Para garantir a sincrnizaçã, SYNC é difundid numa trama de ligaçã de dads cm uma priridade muit alta. Uma aplicaçã que envlve a utilizaçã de SYNCs é, pr exempl, a transmissã periódica de PDOs de um nó que reclhe dads de um sensr (plling) [10]. O timestamp é um bject transmitid em difusã e também é utilizad para bter sincrnizaçã entre nós. Em redes grandes cm ritms de transmissã reduzids, algumas aplicações críticas requerem sincrnizações muit precisas, necessitand entã de timestamps. A priridade deste bject é também elevada, para minimizar atras de transmissã [10].

10 As mensagens de emergência sã difundidas uma só vez, cm alta priridade, pels nós ns quais crrem situações de err fatais, de frma a avisar s restantes nós [10]. A utilizaçã ds NMTs prende-se cm a gestã da rede e adpta uma tplgia d tip cliente-servidr, cm servidr fix. A gestã da rede envlve serviçs de cntrl de errs, serviçs de cnfiguraçã de nós remts e serviçs de inicializaçã [10]. Dicinári de bjects: O blc mais imprtante de um dispsitiv CANOpen é dicinári de bjects, cmpst pr um grup rdenad de definições de bjects acessíveis pela rede. Cada nó da rede tem seu dicinári que utiliza para interagir cm s utrs nós, através ds bjects de cmunicaçã já descrits. Cada dicinári tem grups de bjects standard, grups de bjects definids para ambiente de utilizaçã pretendid (geralmente definids pels fabricantes em standards públics), e ainda grups de bjects a definir pel utilizadr [10]. N dicinári, estã s bjects de cmunicaçã, s tips de dads que s nós pdem trcar entre si, s bjects de err, etc. Sempre que um nó pretende executar uma tarefa, qualquer que ela seja, tem de retirar a infrmaçã a tratar d dicinári, chamar bject de cmunicaçã adequad d dicinári e, pcinalmente, verificar sucess da sua tarefa através de um utr acess a seu dicinári u a um dicinári remt. Interface de aplicaçã: Este é blc da camada CANOpen mais próxima d hardware. Neste nível, s fabricantes definem perfis de bjects aplicáveis as diverss cenáris de utilizaçã. Os perfis sã cmpsts pr cnjunts de bjects de aplicaçã suprtads, bjects de err (códigs e mensagens) e tips de dads. Cada perfil é aplicad n dicinári de bjects e define de frma grsseira a funçã da rede n ambiente em que esta se insere. Pr exempl, existem perfis de servs e cntrl de mviment, interface pessa-máquina, dispsitivs de medida, cdificadres, etc. [10]. Através da utilizaçã da família de prtcls CANOpen e da esclha adequada d perfil de bjects, a cmunicaçã entre s nós de rede trna-se muit simplificada e permite a interacçã de dispsitivs desenvlvids separadamente. 8. Cnclusões O funcinament aparentemente cmplex das duas primeiras camadas d nó CAN justifica-se pels rigrss requisits utilizads na sua especificaçã. O camp de aplicaçã das redes CAN é praticamente ilimitad. Desde aplicações triviais cm cntrl da abertura de vidrs eléctrics num autmóvel até aplicações críticas utilizadas, pr exempl, em medicina, a rede CAN mstra-se versátil e tlerante a errs de frma a garantir seu funcinament fiável. A rede CAN é fieldbus preferid pela indústria (figura 24), trnand natural desenvlviment de dispsitivs, nã prque é mda mas sim para garantir a cmpatibilidade face as que já existem. P-Net WrldFIP PROFIBUS Interbus-S LONWORKS BITBUS CAN Number f Units Figura 24 Utilizaçã d fieldbus CAN face a cncrrentes. Através da utilizaçã da camada de aplicaçã CANOpen, trna-se fácil, numa rede CAN, a interacçã entre s dispsitivs d mesm ambiente de funcinament. Além diss, a camada CANOpen permite também facilitar a integraçã de nvs dispsitivs na rede, pssivelmente desenvlvids pr entidades alheias à rede, através da utilizaçã d perfil de aplicaçã adequad. 9. Agradeciments A Prfessr Jsé Rufin pel material gentilmente cedid. 10. Referências [1] CiA, CANSpace december 5th, 2002 Nrdwijk (Netherland). [2] [3] CiA, CAN Applicatin Fields [4] [5] CiA, CAN Physical Layer [6] J. Rufin, Cntrller Area Netwrk an verview, 1997 [7] F. Hartwich, A. Bassemir, The cnfiguratin f the CAN bit timing, 6 th Internatinal CAN Cnference, Turin (Italy) [8] CiA, CAN Implementatin [9] CiA, CAN Data Link Layer [10] CiA, CAN CANOpen

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