DESENVOLVIMENTO DE UMA REDE MODBUS PARA O CONTROLE DE UM

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1 DESENVOLVIMENTO DE UMA REDE MODBUS PARA O CONTROLE DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO Tiago A. Arruda, Érica R. Campedelli, Guilherme A. S. Pereira Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Veículos Autônomos, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6626, , Belo Horizonte, MG, Brasil. s: tiagoaa@cpdee.ufmg.br, erica@cpdee.ufmg.br, gpereira@ufmg.br Abstract This paper presents the development of a real time network based on Modbus over RS-485 for aplications in autonomous vehicles. The main objective of this network is to replace the current USB based communication system in an autonomous car that has been developed by the Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Veículos Autônomos (PDVA) at UFMG. The experiments presented in the paper show the feasibility of this network and its potential to fulfill the communication requirements needed for sensing and control in a autonomous vehicle. Keywords Instrumentation Network; Modbus; Sensor Network; Deterministic Network; Embedded Systems; Real-Time. Resumo Este artigo mostra o desenvolvimento de uma rede de tempo real baseada em Modbus sobre a camada física RS-485 para aplicação em veículos autônomos. O objetivo da rede é substituir o modelo de comunicação via conexão USB, atualmente utilizado no carro autônomo desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Veículos Autônomos (PDVA) da UFMG. O artigo apresenta experimentos que mostram a viabilidade desta rede e seu potencial para cumprir os requisitos de comunicação necessários para o controle e sensoriamento de um veículo autônomo. Palavras-chave Rede de Instrumentação; Modbus; Rede de Sensores; Tempo Real; Rede Determinística; Sistemas Embutidos. 1 Introdução Em controle realimentado existem três blocos principais definidos como sensor, controlador e atuador. Além de um bom funcionamento individual de cada um destes blocos é necessária uma comunicação confiável de forma a permitir a interação entre os mesmos. Para sistemas industriais, existem diversas soluções já em uso que resolvem os problemas de comunicação entre os dispositivos dispostos ao longo da planta. Via de regra grande parte dos equipamentos e softwares de controle possuem recursos de comunicação que permitem interligá-los e fazê-los trabalhar conjuntamente (de Souza and Pereira, 2008). Para sistemas robóticos, em geral são necessárias estratégias que atendam a uma série de requisitos inerentes deste tipo de aplicação, como energia e processamento limitado, tipos de dados trafegados e restrições de tempo. Este trabalho apresenta a pesquisa e implementação de uma rede baseada do protocolo Modbus sob camada física RS-485, avaliando o uso da mesma em relação à sua utilidade para trafegar dados de diversos sensores, e/ou outros equipamentos, espalhados ao longo de um veículo autônomo. Este protocolo mostrou-se uma boa alternativa para atender especificações que garantem um sistema de comunicação confiável e determinístico de modo que a informação seja válida para estimação de modelos, levantamento de parâmetros e fornecimento de dados confiáveis ao bloco controlador do veículo. Experimentalmente, o sistema de comunicação foi construído e testes foram realizados inicialmente em bancada, para obtenção das métricas pertinentes, e posteriormente no Veículo Autônomo da UFMG (CADU) para validar o seu funcionamento. Este veículo é mostrado na Figura 1. Mais detalhes sobre a robotização do veículo podem ser encontrados em (Freitas et al., 2009). Figura 1: Veículo Autônomo CADU, desenvolvido pelo PDVA-UFMG. O restante do artigo está dividido da seguinte forma: A próxima seção apresenta o protocolo Modbus. A Seção 3 apresenta uma análise teórica dos atrasos envolvidos na rede com o intúito de avaliar sua capacidade de transmissão de dados. A Seção 4 apresenta o desenvolvimento e a análise ISSN: Vol. X 1179

2 experimental da rede Modbus desenvolvida neste trabalho. Os resultados práticos onde esta rede é usada no controle longitudinal de velocidade do carro autônomo CADU são mostrados na Seção 5. Finalmente, conclusões e sugestões para trabalhos futuros são apresentados na Seção 6. 2 O Protocolo Modbus Modbus é um protocolo de comunicação Mestre/Escravo desenvolvido pela MODCON nos anos 80 para ser usado como meio de comunicação entre diferentes sistemas de automação. Devido a sua simplicidade e sua especificação aberta, ele é utilizado como padrão de comunicaçãoentre diversos dispositivos como PLC s, Interfaces Homem- Máquina (IHM), controladores, sensores e atuadores remotos. Sua utilização reduz o número de cabos e consequentemente a necessidade de manutenção e redução de erros (Téllez-Anguiano et al., 2009). Existem dois modos de transmissão no protocolo Modbus. No modo ASC-II os bytes enviados são convertidos para caracteres compreendidos entre 0-9 e A-F. Este modo é normalmente utilizado quando há restrições no meio em relação aos bytes habilitados a trafegar na rede. No modo RTU (do inglês Remote Terminal Unit) os bytes enviados estão compreendidos entre 0x00 e 0xFF e tanto o início de frame quanto o fim de frame são determinados por um silêncio na linha de transmissão conforme será explicado a frente. Como o modo RTU é mais interessante para sistemas de tempo real, o foco deste trabalho será neste modo, detalhado a seguir. de mensagem são separados por um silêncio prédeterminado. A detecção de erro é baseada no Erro de Redundância Cíclica CRC (Cyclical Redundancy Checking) (e Bruce S. Davie, 2004) (Mod, 2011a) e é utilizada para detectar se a mensagem é válida ou não. 2.2 A Camada Física RS-485 para Modbus A implementação física do Modbus em RS-485 utiliza uma série de normas e padrões estabelecidos tanto pela EIA/TIA/RS485 quanto pelos padrões exigidos numa comunicação Modbus para alcançar os requisitos necessários e relevantes para um bom funcionamento da rede (Mod, 2011b). Este sistema é baseado em barramento e portanto há diversas maneiras de se ligar um dispositivo a rede. De acordo com a norma EIA/TIA/RS485 o modelo 485 pode ser implementado em quatro configurações diferentes sendo elas Daisy chain, Árvore, Estrela e Branch mostradas na Figura O Modbus-RTU O protocolo de Linha Serial Modbus-RTU é do tipo Mestre-Escravo (Mod, 2011b), onde somente um Mestre por vez pode ser conectado ao barramento, enquanto que até 31 nós Escravos são permitidos. A comunicação Modbus-RTU é sempre iniciada pelo Mestre, enquanto que os nós Escravos nunca transmitirão dados sem receber uma solicitação do nó Mestre. Ao Mestre é permitido iniciar somente uma transação por vez. Há dois tipos de transmissão. No modo unicast o Mestre endereça um nó Escravo e após o envio da requisição aguarda por um determinado tempo a resposta. No modo broadcast a requisição é enviada a todos os Escravos simultaneamente e nenhuma resposta é esperada. Uma mensagem Modbus-RTU é colocada pelo dispositivo transmissor em um quadro que tem seu início e fim conhecidos. Isto permite aos dispositivos que recebem um novo quadro descobrir quando uma mensagem começa e quando ela é completada. No modo RTU, os quadros Figura 2: Topologias Modbus A topologia Daisy Chain é a configuração fortemente recomendada pela especificação (Mod, 2011b) dado que nessa configuração efeitos de reflexão, isolamento de terra e interferências diversas são minimizados. 3 Análise da Rede Modbus sob camada Física RS-485 As redes industriais podem ter diferenciadas aplicações dependendo de onde e como as mesmas serão implementadas. Para a rede Modbus desenvolvida neste trabalho levantou-se uma série de parâmetros importantes para se determinar a viabilidade ou não de sua utilização para a aplicação em veículos autônomos. Na sequência são feitas as devidas considerações em relação aos atrasos da rede e da carga máxima suportada utilizando um sistema operacional de tempo real. ISSN: Vol. X 1180

3 3.1 Atrasos de Rede Uma característica importante a ser analisada do ponto de vista da redes em geral, são os atrasos envolvidos na comunicação. Em trabalhos como os de (Jeon et al., 2001), (Godoy et al., 2010) e (Xiaodong and Yanjun, 2002) são desenvolvidos modelos de atrasos para análise da rede CAN. A rede CAN é multimestre e é baseada no modelo produtor consumidor (Farsi et al., 1999). O que propomos aqui é uma adaptação dos modelos de atrasos desenvolvidos por estes autores ao protocolo Modbus que é do tipo Mestre-Escravo e permite somente um Mestre por barramento. A Equação (1) mostra que o atraso total da mensagem (T delay ) equivale ao tempo percorrido no início da transmissão de mensagem (T start ) até a completa interpretação, processamento e envio de resposta pelo nó de destino (T end ). T delay = T start T end (1) Podemos dividir os atrasos em algumas partes para melhor analisarmos suas dependências com os elementos da rede. Eles são: Atraso de Geração O atraso de geração (A G ) é o tempo gasto entre o início da tarefa e o momento efetivo em que a mesma é enviada ao barramento pelo mestre. Este valor é tipicamente pequeno e depende do hardware e do modo como o software foi implementado. Os valores deste parâmetro são usualmente obtidos por meio de experimentos. Atraso de Transmissão O atraso de transmissão (A T ) corresponde ao atraso no momento do envio dos bytes pelo mestre, considerando o overhead causado pelos bits de start bit, stop bit e paridade. No protocolo Modbus não há stuff bits sendo assim o número de bits por byte fixados em determinado valor. A Equação (2) fornece o atraso de transmissão. A T = τ (bheader +bdata+berror) (starb +stopb +parityb +8), (2) onde bheader é o cabeçalho do quadro Modbus RTU que possui dois bytes correspondentes ao endereço e a função do nó, bdata corresponde aos bytes de dados que podem variar entre 0 e 247 e os bytes berror correspondem a dois bytes para cálculo do CRC16. Os parâmetros starb, stopb e parityb são respectivamente o start bit, stop bit e a paridade. A variável τ corresponde ao tempo de transmissão de um bit, e pode ser obtido por 1 τ = Baudrate. Atraso de Entrega O atraso de entrega (A E ), assim como o atraso de geração equivale ao tempo necessário para que o nó escravo processe por completo a mensagem recebida. Este valor também depende tanto do hardware quanto do software envolvidos. Quanto mais rápido o processamento da informação, menor é o tempo de entrega. Atraso de Controle O Atraso de Controle (A C ) equivale a um atraso somado do tempo de envio da resposta do escravo ao mestre e o silêncio necessário indicado na norma Modbus que exige que um intervalo mínimo de 1,75ms entre a transmissão de mensagens consecutivas para que as mesmas sejam corretamente identificadas pelos nós escravos como sendo duas mensagens diferentes (Mod, 2011b). O tempo de resposta do escravo varia de nó para nó dependendo do número de bytes transmitidos e do atraso na transmissão de cada byte, sendo portanto obtido por meio de experimentos ou cálculos explícitos de tempo do firmware do escravo. Atraso de Fila Uma rede que se utiliza o paradigma Mestre-Escravo não possui fila pois somente o Mestre pode iniciar uma comunicação. Uma vez que haja somente um mestre, não existe risco de colisão neste protocolo. O Modbus também especifica que cada mensagem do mestre só pode ser direcionada a um escravo, que pode ou não responder a solicitação. Em mensagens do tipo broadcast, nenhum nó escravo pode responder. Deste modo, podemos considerar o Atraso de Fila (A F ) igual a zero para o protocolo Modbus. A Figura 3 mostra os tempos encontrados desde a sua inicialização até o momento final no qual o escravo recebe e interpreta e responde a mensagem do mestre. O atraso total T delay pode ser resumido como: T delay = A T +A G +A E +A C ; (3) Figura 3: Diagrama temporal do envio de mensagem Modbus 3.2 Carga máxima da rede e taxa de utilização A carga máxima da rede equivale a quantidade máxima mensagens por segundo possíveis de serem geradas pelo mestre sem que haja problemas na comunicação. A carga máxima pode ser calculada como: Cmax = 1 T Delay. (4) Obtida a carga máxima da rede, sua taxa de utilização pode ser calculada como: fa Tx = Cmax, ISSN: Vol. X 1181

4 onde f a é a frequência de amostragem do nó em questão. A frequência máxima de mensagens por nó (f M ) é inversamente proporcional ao número de nós sendo esta proporção dada por: f M = Cmax n, (5) onde n é o número de nós escravos da rede. Os parâmetros apresentados nesta seção serão utilizados para analisar a rede desenvolvida neste trabalho. Esta rede é apresentada na próxima seção. 4 Desenvolvimento da Rede Modbus Na rede desenvolvida, os nós escravos foram construídos em uma placa-protótipo que contém um Microcontrolador PIC modelo 18F2550, um Regulador de Tensão para alimentação, conector USB para programação in-circuit do PIC e interface de entrada e saída dos dados RS-485. Esta placa pode ser vista na Figura 4. Figura 4: Placa Protótipo para desenvolvimento da Rede As configurações escolhidas para a rede foram limitadas aos componentes utilizados tendo sua velocidade de transmissão definida em 115,2Kbps e sem paridade. A transmissão é Half-Duplex e o modo de ligação das placas é Daisy-Chain. O nó Mestre corresponde a um PC Mini- ITX com processador Intel Atom 330 Dual Core de 1,6GHz. Para que este nó atendesse aos requisitos temporais, optou-se por escolher um sistema operacional de tempo real. Em (Barbalace et al., 2008) são comparados quatros sistemas, sendo eles o RTAI, o Linux, VxWorks do Windows e o Xenomai, e seus respectivos tempos de latência, jitter e reescalonamento. Baseado nos resultados deste artigo, a escolha pelo RTAI se deu por ele ser open-source, por ser melhor em termos temporais que o Xenomai e para manter a compatibilidade com outros sistemas desenvolvidos no laboratório. O sistema operacional utilizado foi o Ubuntu com kernel e patch RTAI. Figura 5: Quadro de Mensagem Modbus/RTU. As mensagens do Mestre trafegadas pela rede estão conforme o quadro de mensagem Modbus RTU mostrado na Figura 5, onde o Endereço e a Função possuem um byte cada uma, os bytes de dados foram fixados em dois e o CRC possui também dois bytes totalizando um quadro Modbus de 6 bytes. Com base neste desenvolvimento, foram levantados os valores experimentais para as equações propostas na seção anterior que têm como base a rede utilizada no veículo autônomo como será mostrado na próxima seção. Os resultados mostramqueoatrasodegeraçãoémenorque1µs e varia junto com o schedule e o jitter do sistema operacional de tempo real(barbalace et al., 2008). O Atraso de Transmissão é calculado considerando que tem-se um quadro Modbus do Mestre composto por dois bytes de cabeçalho contendo o endereço e a função (bheader), dois bytes de dados (bdata) e dois bytes de CRC (berror). Cada byte contém um start bit (starb) e um stop bit (stopb) pois não há bit de paridade (parityb). A Velocidade de comunicação de 115,2Kbps que fornece um tempo τ de 8,6805µs. O valor encontrado para o atraso de transmissão, utilizando-se a Equação (2) é de 521µs. O valor obtido no osciloscópio, dadas as limitações de medição do mesmo, foide520µsqueébempróximoaovalorcalculado. OAtrasodeEntregaéumvalorobtidoexperimentalmente. Nesta rede, o maior valor para este atraso foi de 355µs nas rotinas necessárias para interpretação da mensagem enviada por parte do nó escravo. O Atraso de Controle utilizado foi de 2,75ms valor este que comporta o envio de resposta por parte do escravo com o maior quadro Modbus da rede e o silêncio de 1,75ms necessário para uma correta comunicação. Os valores indicados acima foram obtidos por meio de medições com um osciloscópio digital. A Figura 6 mostra o formato das mensagens Modbus no barramento 485 como visto na tela do osciloscópio. Com base nestes valores obtidos, a capacidade suportada pela rede, de acordo com a Equação (4) é de 275 mensagens por segundo. Em experimentos realizados com nós escravos mais simples, foram obtidas taxas de até 380 mensagens por segundo. ISSN: Vol. X 1182

5 Tensão Normalizada(V) Solicitação do Mestre Resposta do Escravo Tempo(s) Figura 6: Sequência de Mensagens da Comunicação Modbus. 5 Utilização da Rede em um Veículo Autônomo O CADU (Carro Autônomo Da UFMG) é um veículo Chevrolet Astra 2003/2004 equipado com sistema de direção hidráulica, marcha automática, acelerador eletrônico e freios ABS controlados por Unidades de Controle Eletrônica (ECU - Electronic Control Units) e interconectadas por um barramento CAN (Santos et al., 2008). Os sistemas atualmente presentes no carro para controle da velocidade (Freitas et al., 2009) utilizam-se de comunicação USB e são: Acelerador, Freio e Sensor de Velocidade das rodas. Estes sistemas se comunicam com computador rodando Windows Vista, que também executa o controlador de velocidade. Neste trabalho, para avaliação experimental da rede desenvolvida, este sistema foi substituído por uma rede com um nó mestre e três nós correspondentes aos sistemas de Acelerador, Freio e Sensor de Velocidade. De fato, os subsistemas atualmente instalados no veículo foram adaptados para que a sua comunicação anteriormente feita por USB fosse substituída pela rede Modbus. A adaptação envolveu o uso de novos conectores e cabos sem contudo ser necessário a troca do hardware de interface com o veículo. Um quarto nó foi inserido na rede de modo a permitir uma mudança dinâmica do setpoint por meio de acionamento de botões. Esta abordagem é interessante pois mostra a capacidade do Mestre de receber informações ou comandos de outros nós com a uma latência máxima igual a um período de amostragem. Em (Freitas, 2010) foi mostrado que a dinâmica de aceleração do CADU possui uma constante de tempo τ próxima de três segundos. As dinâmicas envolvidas no freio e no acelerador também são lentas o suficiente para que os atrasos máximos da rede se tornem desprezíveis para os comandos responsáveis pelo atuador de freios e o atuador de aceleração. Deste modo, a taxa de amostragem escolhida de 50Hz para o sensor de velocidade e os demais nós escravos satisfaz as necessidades do controlador. O programa rodando no mestre consistiu em: (i) obter por meio de mensagens a velocidade atual do veículo medida pelo nó Sensor de Velocidade das Rodas; (ii) obter o valor da referência fornecido pelo nó de Setpoint; (iii) Fazer o processamento com base em um algoritmo de controle Fuzzy; (iv) enviar a mensagem de atuação para o nó Freio e (v) enviar a mensagem de atuação para o nó Acelerador. Com base nesta sequência, escolheu-se período da tarefa de tempo real igual 20ms no qual serão executados os passos de (i) a (v), cumprindo-se assim a taxa de amostragem de 50Hz para cada um dos nós presentes na rede. O Gráfico da Figura 7(a) mostra o comportamento da velocidade do veículo ao longo do tempo em relação aos valores de setpoints especificados enquanto que a Figura 7(b) mostra o comportamento dos comandos de controle para o freio e para o acelerador. Observa-se que o controlador não apresenta um comportamento adequado devido ao grande overshoot e também à oscilação na velocidade sendo necessário ajustes para um controle mais suave. No entanto, o experimento serviu para validar a rede construída. Ao longo de 120 segundos foram enviadas mensagens para cada um dos nós com período médio 20ms e desvio padrão de 0,36ns. O total de mensagens trafegadas na rede neste intervalo foram de sendo metade delas requisições do mestre e a outra metade a resposta dos escravos. Neste intervalo os nós responderam corretamente a todas as mensagens. Os valores apresentados na Figura 7 foram obtidos diretamente do log de mensagens enviadas e recebidas. Velocidade (Km/h) Comando do Atuador (%) (a) Referência Velocidade Freio Acelerador (b) Tempo(s) Figura 7: Controle de Velocidade do CADU usando a rede implementada. (a) Comportamento da velocidade do veículo. (b) Comandos enviados aoaceleradoreaofreiodoveículo. Osdadosforam obtidos por meio das mensagens da rede Modbus. ISSN: Vol. X 1183

6 6 Conclusões e Trabalhos Futuros Foi desenvolvida uma rede com base no protocolo Modbus sobre a camada física RS-485 que mostrou-se viável para uso em controle e sensoriamento de veículos autônomos. Do ponto de vista de uso de recursos de hardware do microcontrolador, foi verificado que a rede demanda pouca memória, tanto de programa, quanto de RAM. O Modbus, de modo geral, mostrou-se uma alternativa de rede mais simples em comparação como outras redes, como a CAN, para aplicações de controle. Dentre as características relevantes da rede Modbus-485 estão a capacidade de ser implementada em qualquer dispositivo com interface serial, bastando a introdução de um transceptor Max485; a possibilidade de longas distâncias entre os nós, podendo chegar a até metros e taxas de comunicação que, dependendo do equipamento utilizado, podem chegar a até 1Mbps; a alta rejeição à ruído provida pela especificação da comunicação RS485; a baixa utilização de hardware do microcontrolador, sendo necessários apenas 3 pinos para realizar a comunicação; e o determinismo proveniente da comunicação Mestre-Escravo, permitindo a integração com sistemas operacionais de tempo real. As principais limitações da rede desenvolvida são relativas à frequência máxima obtida na comunicação, sendo necessário no futuro a substituição de alguns componentes de modo a se alcançar taxas de transmissão mais altas. Outro trabalho futuro será a criação de níveis mais altos de software no mestre que permitam ao usuário interagir com o sistema sem a necessidade de conhecimento profundodaredemodbusedesistemasdetemporeal, conhecimento este necessário na solução atual. Agradecimentos O presente trabalho é financiado pela FAPEMIG e foi realizado com o apoio financeiro da CAPES - Brasil. Tiago Arruda e Guilherme Pereira são bolsistas do CNPq. Érica Campedelli é bolsista PET/CAPES. Os autores agradecem ao colega Victor Costa pela ajuda com os experimentos. Referências Barbalace, A., Luchetta, A., Manduchi, G., Moro, M., Soppelsa, A. and Taliercio, C. (2008). Performance comparison of vxworks, linux, rtai, and xenomai in a hard real-time application, Nuclear Science, IEEE Transactions on 55(1): de Souza, M. and Pereira, S. L. (2008). Proposta de um sistema de gestão empregando instrumentação inteligente e redes de campo na automação do processo de tratamento de água, XVII Congresso Brasileiro de Automática. e Bruce S. Davie, L. L. P. (2004). Redes de computadores : uma abordagem de sistemas, second edn, LTC - Livros Técnicos e Científicos. Farsi, M., Ratcliff, K. and Barbosa, M. (1999). An overview of controller area network, Computing & Control Engineering Journal 10(3): Freitas, E. J. R. (2010). Controle longitudinal de um veículo autônomo, Disponível em http: //coro.cpdee.ufmg.br/. Freitas, E. J. R., Vinti, M. N. W., Santos, M. M., Iscold, P., Torres, L. A. B. and Pereira, G. A. S. (2009). Desenvolvimento de automação embarcada para um robô móvel baseado em um carro de passeio, IX Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, pp Godoy, E. P., Lopes, W. C., Sousa, R. V., Porto, A. J. V. and Inamasu, R. Y. (2010). Modelagem e simulação de redes de comunicação baseadas no protocolo CAN- Controller Area Network, Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica 21: Jeon, J. M., Kim, D. W., Kim, H. S., Cho, Y. J. and Lee, B. H. (2001). An analysis of network-based control system using can(controller area network) protocol, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp Mod(2011a). MODBUS Application Protocol Specification v1.1b. Disponivel em, modbus.org/. Acessado em 01/2011. Mod (2011b). Modbus Over Serial Line Especification. Disponível em org/. Acessado em 01/2011. Santos, M. M., Freitas, E. J. R., Vinti, M. N. W., Iscold, P., Torres, L. A. B. and Pereira, G. A. S. (2008). Automation and localization of a robotic car, Proceedings of the 3rd Applied Robotics and Collaborative Systems Enginnering (Robocontrol 08). Téllez-Anguiano, A., Rivas-Cruz, F., Astorga- Zaragoza, C.-M., Alcorta-García, E. and Juárez-Romero, D. (2009). Process control interface system for a distillation plant, Computer Standards & Interfaces 31(2): Xiaodong, N. and Yanjun, Z. (2002). Determining message delivery delay of controller area networks, Proceedings. of the IEEE Region 10 Conference on Computers, Communications, Control and Power Engineering, pp ISSN: Vol. X 1184