

- Comunicação de dados utilizando dois fios, quereduz o custo e complexidade da implementaçãofísica, e promove proteção a interferênciaseletromagnéticas;

-Tamanho de dados por quadro otimizado, que permitea transmissão de dados comuns a dispositivos de

sistemas de controle e com pequeno tempo deociosidade para cada dispositivo;

- Utilização de um método de arbitragem para acessoao meio para transmissão de dados que evita colisõese permite uma resposta rápida à necessidade detransmissão;

- Possibilidade de implementação de rede comcomunicação ponto a ponto (entre dois dispositivos),por multidifusão (de um dispositivo para um grupo dedispositivos) ou por difusão (de um para todosdispositivos);

- Mecanismos de identificação de erros e de tolerânciaa faltas que permitem a implementação de redes

bastante robustas e- Flexibilidade para adição, remoção e mudanças dedispositivos, que favorecem operações demanutenção e alterações no sistema.

Os crescimentos de aplicações baseadas no CANtêm levado ao surgimento de novos produtos para CAN efabricantes depara CAN, com características diversas para diferentesaplicações. Hoje existem mais que 50 semicondutorescontroladores do protocolo e mais que 15 fabricantes desemicondutores segundo a sociedade que congregaempresas de negócios no tema CAN in Automation Cia(CIA, 2001). Ainda, segundo Cia, foram vendidos até1999 no mercado cerca de 150 milhões de sensores,

atuadores, terminais computacionais e outros tipos desistemas computacionais com protocolo CAN, tambémdenominados . Estes dados justificam ootimismo encontrado nas literaturas em relação ao CAN,e possibilitam a ampliação do uso e, consequentemente,aumentando a disponibilidade de componentes nomercado a um custo baixo, inclusive de ferramentas eserviços de avaliação e de desenvolvimento paraaplicação em projetos, apesar da sofisticada tecnologiaembutida.

A importância do CAN na área agrícola éobservável pelas padronizações internacionais paraaplicações em máquinas e implementos agrícolas eflorestais como apresentado por JAHNS & SPECKMANN(1999) e por STONE (1997). No mercado internacional,muitas máquinas já possuem padrões com o CAN. NoBrasil a presença desta tecnologia é restrita aos produtosimportados. As pequenas e média industrias nacionaisnecessitam tornar seus produtos compatíveis com taispadrões para que haja possibilidade de competição comprodutos importados (SOUSA, INAMASU & TORRE-NETO, 2001).

Para realização deste trabalho foram efetuadoslevantamentos bibliográficos em várias fontes comobanco de patentes, empresas fabricantes de máquinasagrícolas, empresas fabricantes de componenteseletrônicos e associação de normas, além da tradicional

circuitos integrados semicondutores (CI's)

Nós CAN

O CANna Agricultura Brasileira

Metodologia

(banco de dados de trabalhos acadêmicos indexados).As informações obtidas com este levantamento

foram associadas a levantamentos de componenteseletrônicos para CAN apresentadas por SOUSA,INAMASU & TORRE-NETO (2000).

O protocolo CAN como desenvolvido por RobertBosch GmbH, foi padronizado internacionalmente edocumentado na ISO (

) 11898, para aplicações de alta velocidade,e ISO 11519, para aplicações de baixa velocidade.Apresenta camada física e camada de enlace de dadosem acordo com o modelo de referência paradesenvolvimento de redes computacionais OSI (

). A Figura 1 mostra as camadasdesenvolvidas para o protocolo CAN relacionando-as comas do modelo OSI.

Figura 1: Relação entre as camadas do modelo ISO/OSI epadrões ISO 11898 e ISO 11519

Como pode ser visto na Figura 1, as camadasacima da camada de enlace de dados não são definidaspelas normas ISO 11898 e ISO 11519, ficando abertopara que cada grupo desenvolva o próprio padrão,baseado em protocolos de camadas superiores,denominados

, cujas especificações atendam as necessidadesde cada aplicação.

A comunicação em uma rede com protocolo CANé baseada em mensagens, que são transportadas emquadros de bits, que por sua vez são formadas porcampos, que são conjuntos de bits com determinadafunção no quadro. A Figura 2 ilustra uma mensagem CANe dos tipos de quadro de dados do CAN, formado porcampos de bits.

Figura 2: Quadro e Mensagem CAN

International Standards

Organization

Open

Systems Interconnection

Protocolos de Alto Nível (Higher Layer

Protocols)

Resultados e Discussões

Descrição do CAN

2CAN (Controller Area Network): Um padrão internacional de comunicação de transdutores inteligentes paramáquinas agrícolas

Sessão

Transporte

Apresentação

Rede

Enlace de Dados

Física

Aplicação

Protocolos de

Alto Nível

Enlace de dados

Subcamada de

Acesso ao Meio

Subcamada de

Ligação Lógica

Modelo O SI Nor mas ISO 11898 e ISO 11519

Física

]

Subcamada de

Ligação ao Meio

Subcamada de

Sinalização

Subcamada

de Interface

Dependente

do Meio

Não definidos: aberto para serem definidos segundo

as necessidades da aplicação.

Filtros de aceitação, notificação de sobrecarga e

admistração de restabelecimento.

Codificação e decodificação de bit, temporização de

bit e sincronização.

Características de cabos e conectores.

Características transceptoras (níveis de sinal,

impedâncias, atrasos ).

Encapsulamento de dados, codificação de quadro,

administração de acesso ao meio, detecção de erros,

sinalização de erros, confirmação de mensagem,

notificação de falhas.

Identificador Dados - 64 bits (8 bytes)

SO

F

SR

R

ID

EIdentifier

Extended

Identifier

RT

Rr 1 r 0 D LC Data Field

EO

FCRC

AC

K

Arbitration Field

ControlField Data Field

CRCField

ACKField

Mensagem CAN

Quadro CAN

Campos



A mensagem é formada pelo ,ao qual está associado um campo que caracteriza amensagem. No caso do CAN, este campo que caracterizaa mensagem é denominado , e define aprioridade de cada mensagem. O valor do identificadorpara as mensagens de cada nó é exclusivo, e quanto mais

baixo o valor de um Identificador maior é a prioridade dasmensagens desse nó. Utilizando um identificador osvários nós fazem o escalonamento do acesso ao meio.Quando os nós recebem a mensagem transmitida por umdeterminado nó, realizam o teste de aceitação e verificamse a mensagem tem interesse para esse nó ou não,através do identificador.

Existem duas versões do protocolo CAN, comformatos do quadro de bits diferentes: o(CAN 2.0A), com o campo identificador composto por 11bits, e o (CAN 2.0B), com identificadorcomposto por dois campos, um com 11 bits e outro com18 bits (total de 29 bits). Ambas versões definem o

campo de dados do quadro de dados composto por 64bits (8 bytes) e também outros campos de controle everificação. Este característica do CAN permite que asmensagens trocadas sejam vistas como informações comprioridades diferentes e independentes dos nós que asproduzem. Estas informações, uma vez produzidas,podem ser consumidas por qualquer nó ligado aobarramento. Os nós consumidores podem utilizar filtros deaceitação de mensagens. Estes filtros podem serconfigurados de modo a interromper o processador do nó,ou CPU ( Unidade Central deProcessamento) do nó, apenas quando chegammensagens de interesse para esse nó. O número de filtrosde aceitação é limitado e varia com a implementação de

cada circuito controlador de protocolo.

Existem diversos padrões que têm como base oprotocolo CAN. As diversas formas de implementar umarede CAN variam em acordo com a estratégia de cadagrupo. Para a tomada de decisão sobre qual padrãoutilizar ou sobre o desenvolvimento de um padrão próprio,é importante considerar além de especificações técnicas,as necessidades associadas a fatores como: mercadoalvo, custo de implementação e manutenção, nível decomplexidade de implementação e operação, necessidadede integração com outros padrões e expansões futuras.

À partir da definição das necessidades que umsistema baseado no CAN deve atender, pode-se buscar asmelhores especificações técnicas para desenvolvimento eimplementação de um padrão. Com a definição dasespecificações, pode-se optar por um padrão existente nomercado, que melhor atenda a estas especificações, econtar com dispositivos existentes no mercado. Tambémse pode optar pelo desenvolvimento de um padrão própriosegundo as especificações definidas, ou ainda, adotarespecificações de um padrão existente e adicionar outrasespecificações, criando um padrão misto.

Para uma determinada aplicação a definição dasespecificações técnicas pode ser baseada em três itens,

que são:a) Definição dos parâmetros de livre escolha,

previstos pelo protocolo, como por exemplo, versãodo protocolo, taxa de comunicação, número de nóse tamanho do barramento;

b) Definição de parâmetros de camada física e de

Campo de Dados

Identificador

Standard CAN

Extended CAN

Central Processing Unit

Implementação do CAN

componentes eletrônicos, não definidos peloprotocolo, como por exemplo, conectores, cabosecircuitos transceptores e controladores;

c) Definição dos parâmetros de protocolo de altonível, e que estão relacionados diretamente com aaplicação da rede CAN. Como exemplo desses

parâmetros cita-se: necessidade de sub-redes(topologia da rede), tipos de mensagens, tamanhode mensagens, interfaces com ser o humano paraoperação e manutenção, possibilidades de expansãoe formas conexão e inicialização de nós à rede.

Muitos dos padrões presentes no mercadoadotaram as normas ISO 11898 e ISO 11519, que sãoconstituídas por especificações de camada física e deenlace de dados. Também existem no mercado, muitosCIs que obedecem as especificações destas normas.Desta forma, encontram-se no mercado muitos padrõescom o CAN, que diferem pelos protocolos de alto níveldesenvolvidos para cada aplicação.

Os protocolos de alto nível são desenvolvidosutilizando o conjunto, denominado mensagem CAN,formado pelo campo identificador e pelo campo de dadosdos quadros definidos pelo CAN (quadro padrão ouquadro estendido). No campo de dados, são dispostosconjuntos bits representando as informações que sedeseja transmitir, que podem ser, por exemplo, dados decontrole para outros nós, dados coletados por sensores,dados informado estado do nó ou de dispositivosconectados ao nó, solicitação de dados à determinadosnós, parâmetros de configuração para outros nós, dadoscom comandos para atuadores. Estes dados podemconter também bits que representam características dainformação, como: unidade de medida, precisão, se o

dado está fragmentado e faz parte de um conjunto maior,ordenação, entre outros. O campo identificador é utilizadopara endereçamento e qualificação da mensagem. O bitsdeste campo podem conter informações como: endereçode destino da mensagem, endereço de origem, se estapertence a um determinado grupo de mensagens, entreoutros.

Em uma implementação de um padrão baseadono CAN, os nós são tipicamente constituídos por trêsmódulos elementares, que são (SOUSA, INAMASU &TORRE-NETO, 2000):

: módulo responsável pelaadaptação dos níveis de tensão entre circuito do nóe do barramento CAN. Também promove aadaptação de impedâncias e a proteção do nó àfaltas.

: módulo central da implementaçãoe do controle do protocolo.

: módulo constituídopor CPU, memória, programas computacionais einterface com o controlador CAN e interfaces paraoutros dispositivos como sensores, atuadores eterminais de controle. Através desse módulo sãoimplementados os protocolos de alto nível.

A Figura 3 ilustra um nó CAN e seus módulosconstituintes. Também ilustra a forma de utilização de umquadro de dados CAN 2.0B para implementação de

protocolos de alto nível.No mercado estão disponíveis CI's com os três

módulos - transceptor, controlador e sistemacomputacional - implementado internamente, assimtambém como existem CI's que implementam cadamódulo separadamente.

- Transceptor CAN

- Controlador CAN

- Sistema Computacional Central




Figura 3: Protocolo de Alto Nível

Atualmente existe uma classe de CI's,denominados , que têm sidoutilizados amplamente em circuitos eletrônicos. Estessão sistemas computacionais implementados em umúnico CI, com CPU, memórias voláteis e não voláteis, eestão disponíveis com uma infinidade de periféricos comocontadores, comparadores, conversores analógicos edigitais, controladores de protocolo, transceptores, entreoutros.

Os padrões mais importantes com o CAN, naárea agrícola são: DIN ( )

9684, SAE ( ) J1939 eISO 11783. Tais padrões adotaram o protocolo CANsegundo padronizado internacionalmente e documentadona ISO 11898 (para aplicações de alta velocidade) e naISO 11519 (para aplicações de baixa velocidade). Estesdois padrões da ISO, apresentam camada física e camadade enlace de dados em acordo com o modelo dereferência ISO/OSI. Assim para os padrões na áreaagrícola, essas associações de normas, baseando-setambém no modelo de referência da ISO, desenvolveramprotocolos de alto nível segundo as necessidades da área,identificadas por cada grupo.

O padrão DIN 9684, também referido comopadrão LBS, foi desenvolvido na Alemanha com aparticipação de empresas e instituições da Alemanha e deoutros grupos da Europa. A Tabela I apresenta as partescomponentes da documentação DIN 9684 versão 2 e umsíntese de cada parte.

Tabela I: Partes componentes da documentação dopadrão DIN 9684 versão 2

A versão 2 do padrão DIN está em fase deelaboração e apresentará diversas mudanças em relação àversão 1. A versão 1 do padrão DIN 9684 foi finalizada

Micro-Controladores (C)

C

Deutsches Institut für Normung

Society of Automotive Engineers

Padrões e protocolos de alto nível

em 1997, e as Partes 4 (User Station) e 5 (TaskController) foram utilizadas como referência paraelaboração de muitos documentos do padrão ISO 11783(JAHNS & SPECKMANN, 1999). Mas para a elaboraçãodo padrão da ISO baseou-se em grande parte no padrãoSAE, o que tornou estes padrões semelhantes e

compatíveis.O comitê da ISO responsável pela ISO 11783 é o

TC23/SC19/WG1, e está com os trabalhos em fase deconclusão, com término previsto para o 2o semestre doano de 2001. A Tabela II apresenta as partes dadocumentação da ISO 11783 e uma síntese sobre cadaparte.

Tabela II: Partes componentes da documentação dopadrão ISO 11783

A Figura 4 ilustra um exemplo de rede segundo opadrão da ISO, disposto em um trator e com umimplemento conectado.

Figura 4: Exemplo de topologia de uma rede CAN em umtrator segundo a norma ISO 11783

Como ilustra a Figura 4, o sistema eletrônico quepromove a interconexão de um dispositivo ao barramentoé denominado ou UnidadeEletrônica de Controle. Uma única ECU pode serresponsável pela conexão de um ou mais dispositivos aum barramento. Também um dispositivo pode serconectado a um barramento por uma ou mais ECUs. Oconjunto formado por ECU e dispositivo constitui um nóCAN.

O protocolo CAN e os padrões baseados nesteprotocolo apresentam características expressivas paraaplicação na área agrícola, e o emprego desta tecnologia

nesta área, assim como em áreas diversas, tem avançadorapidamente. No setor agrícola a utilização desteprotocolo tem sido fomentada por associações de normasinternacionais de expressão, como ISO, SAE e DIN, alémde empresas de equipamentos agrícolas e outros grupos.

Para que o CAN possa se tornar realidade,

Electronic Control Unit (ECU)

Conclusões


SOF

SRR

IDE

Identifier ExtendedIdentifier

RTR

r 1 r 0 D LC Data Field

EOF

CRC

ACK

Sistema Computacional

Central

N ó C A N

Controlador CAN

Transceptor CAN

Mensagem CAN

Quadro CAN

Protocolos de

Alto Nível

Identificador Dados - 64 bits (8 bytes)

Camadas de

Aplicação, Transporte, Rede, ...

Protocolos de

Camada Física

Camada Física

ProcessoInterações

Meio Externo

Cabos, Conectores,

Terminais

Sensores / Atuadores /

Terminais de controle

Barramento CAN

Parte Título EscopoCapítulo 1 General Description

and Physical LayerVisão geral sobre o padrão e da aplicação de cada parte.Especificação de cabos, conectores, sinais elétricos ecaracterísticas mecânicas e elétricas gerais do barramento

Capítulo 2 Identifier and SystemFunction

Implementação do CAN, especificação da estrutura dasmensagens, definição de mensagens e especificação doprocesso de inicialização e endereçamento de ECUs

Capítulo 3 User Terminal Especificações do terminal de controle e operaçãoCapítulo 4 Task Controller and

Data Interchange with

the ManagementInformation System

Especificação de interfaces para dispositivos e programascomputacionais de controle e administração com o barramento.

Capítulo 5 Explanation Explicações e definições gerais relativas ao padrão

Parte Título EscopoParte 1 General Standard Visão geral sobre o padrão e da aplicação de cada parteParte 2

Physical LayerCabos, conectores, sinais elétricos e características mecânicas eelétricas gerais do barramento

Parte 3 Data Link Layer Implementação do CAN e especificação da estrutura dasmensagensParte 4 Network Layer Interconexão de sub-redesParte 5 Network Management

LayerProcesso de inicialização e endereçamento de ECUs

Parte 6 Virtual terminal Especificações do terminal de controle e operaçãoParte 7 Implement Messages

Application LayerDefinição de mensagens básicas dos implementos e da máquina

Parte 8 Power Train Message Definição de mensagens automotivasParte 9 Tractor ECU Especificações da Tractor ECUParte 10 Task Controller and

Management ComputerInterface

Especificação de interfaces para dispositivos e programascomputacionais de controle e administração com o barramento

Parte 11 Mobile Agricultural DataDictionary

Definições relativas ao padrão

VirtualVirtual

TerminalTerminal

ECUECUHitchHitch

ECUECUEngineEngine

ECUECUBreakBreak

ImplementImplement ECUECUController Controller

GPSGPS

Tractor Tractor

ECUECUECUECUBridgeBridge

TaskTask

Controller Controller ImplementImplement ECUECUValveValve

ImplementImplement ECUECUSensor Sensor

ImplementImplement ECUECUValveValve



inclusive para as empresas nacionais com porteinsuficiente para manter uma equipe de desenvolvimento,é importante reduzir restrições à integração dedispositivos à redes CAN, através de trabalhos quetornem esta tecnologia transparente e orientem odesenvolvimento dispositivos eletrônicos e rotinas

computacionais. Assim fabricantes nacionais deequipamentos poderão continuar a oferecer máquinas,implementos e acessórios no mercado.

CIA CAN IN AUTOMATION. Disponível em:<http://www.cia-can.com>. Acesso em: nov. 2001.

JAHNS, G.; SPECKMANN, H. Development andapplication of an agricultural BUS for data transfer.Computers and Electronics in Agriculture, v. 23, n. 3,p. 219-237, 1999.

Referências Bibliográficas

SOUSA, R.V., INAMASU, R.Y., TORRE-NETO, A.Protocolo CAN: um subsídio para implementação. In:CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIAAGRÍCOLA, 29., 2000, Fortaleza. Fortaleza:Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola, 2001.[Anais...]. CD-ROM.

SOUSA, R.V., INAMASU, R.Y., TORRE-NETO, A.Levantamento e sistematização de padrõesdesenvolvidos para máquinas e implementos agrícolasbaseados no protocolo CAN. In: SIMPÓSIO SOBREAGRICULTURA DE PRECISÃO, 3., 2001, Piracicaba.Piracicaba: Escola Superior de Agricultura Luiz deQueiroz, 2001. [Anais...].

STONE, M.L. High speed networking in construction andagricultural equipment. In: SAE SYMPOSIOUM ONFUTURE TRASPORTATION ELECTRONICS:MULTIPLEXING AND..., 1994, Dearbon, MI. [S.I.:SAE], 1997. p. 1589-1598. (SAE, 941662).


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Presidente:

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Revisão de texto:

Tratamento das ilustrações:

Editoração eletrônica:

Dr. Luiz Alberto Colnago

Janis Aparecida Baldovinotti

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Dr. Paulo Sérgio de Paula Herrmann Jr.Elomir Antonio Perussi de Jesus

Dr. Luiz Alberto Colnago

Véra Lucia de Campos Octaviano

Valentim Monzane

Valentim Monzane

Circular

Técnica, 12

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1a. impressão 2001: tiragem 300

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