Comunicação intra-vehicle: CAN, FlexRay e MOST
CAN, FlexRay e MOST são todos protocolos de comunicação automotiva usados para conectar unidades de controle eletrônico (ECUs), unidades de controle de transmissão (TCUs) e módulos de controle de carroceria (BCMs) em veículos:
CAN Um protocolo baseado em mensagens que foi originalmente projetado para economizar cobre multiplexando a fiação elétrica em automóveis. O CAN tem uma largura de banda de aproximadamente 125 kbps.
FlexRay Um protocolo de comunicação serial de alta velocidade, tolerante a falhas e determinístico que pode transferir dados a velocidades de até 10 Mbits por segundo por meio de dois fios trançados. FlexRay é frequentemente usado em aplicações críticas para segurança, como módulos de trem de força. As cargas úteis do FlexRay, ou quadros de dados, podem ter até 127 palavras (254 bytes) de comprimento, o que é mais de 30 vezes maior que as cargas úteis do CAN.
MOST Um padrão de barramento para redes multimídia veiculares que permite a transferência de áudio, vídeo e dados de alta qualidade. O MOST está disponível em três velocidades de transmissão: MOST25, MOST50 e MOST150.
CAN (Controller Area Network) é atualmente a rede embarcada mais amplamente utilizada. No entanto, com o desenvolvimento contínuo de veículos autônomos e tecnologia relacionada, há uma grande demanda por maior largura de banda e conectividade. Neste documento, descrevemos brevemente o CAN e outras opções de conectividade veicular, incluindo CAN sem fio, MOST, FlexRay e Automotive Ethernet.
Barramento CAN: alguns princípios por trás
Em um sentido amplo, CAN-bus (Controller Area Network-bus) é na verdade um conjunto de normas que possibilitam que diferentes dispositivos se comuniquem entre si. É um sistema de barramento serial assíncrono (com deslocamento de tempo), desenvolvido em 1983 pela Robert Bosch GmbH com o objetivo de interconectar unidades de controle eletrônico (ECU) em veículos motorizados.
O CAN foi dividido em várias camadas, seguindo o modelo ISO/OSI para alcançar flexibilidade e transparência de projeto. Para comunicação na prática, o barramento CAN usa dois fios dedicados: CAN low e CAN high, por meio dos quais o controlador CAN é conectado a todos os componentes da rede. O CAN permite substituir uma fiação bastante complexa por um barramento de dois fios. O CAN usa um sinal diferencial, o que o torna mais resistente a ruídos, com dois estados lógicos: recessivo e dominante. Atualmente o barramento CAN é usado praticamente desde máquinas de café até operações de gestão de frotas e aplicações espaciais. Descrevemos brevemente a seguir os princípios de funcionamento do barramento CAN.
O protocolo de comunicações CAN ISO-11898:2003 explica como as informações são transmitidas entre dispositivos em uma rede com base no modelo Open Systems Interconnection (OSI) que é apresentado como um conjunto de camadas na figura abaixo. As duas camadas mais baixas do modelo OSI/ISO de sete camadas são as camadas física e de enlace de dados. A camada física define a comunicação entre dispositivos conectados pelo meio físico.
A camada de enlace de dados, entre outras coisas, também cuida de organizar bits em quadros e inclui dois protocolos: CAN clássico (uso inicial datado de 1988) e CAN FD (lançado em 2012).
A camada de aplicação é essencialmente uma camada de usuário final e fornece acesso aos recursos da rede. Existem dois tipos de formatos de mensagem/quadro: padrão e estendido. Eles diferem entre si apenas pelo comprimento do identificador – o padrão tem 11 bits, enquanto o estendido tem 29 bits.
Uma estrutura de mensagem padrão pode ser dividida em 8 partes conforme mostrado na figura abaixo. Essas partes são: Start of Frame (SOF - início da transmissão do quadro), CAN-ID (identificador do quadro, identificação de prioridade da mensagem), Remote Transmission Request (RTR, indica se um nó solicita dados de outro nó ou envia dados), Control (informa o comprimento dos dados em bytes), Data (valores reais de dados que precisam ser escalados/convertidos), The Cyclic Redundancy Check (CRC, garantindo a integridade dos dados), ACK (acknowledge, indica se os dados foram recebidos corretamente) e EOF (End of Frame) que marca o fim da mensagem/quadro CAN.
O barramento CAN utiliza uma forma invertida de lógica com dois estados: dominante e recessivo. A figura acima demonstra um diagrama simplificado de entrada-saída de um transceptor CAN: fluxo de bits indo/voltando para/de um controlador CAN e/ou microcontrolador. Quando o controlador envia um fluxo de bits, estes são complementados e colocados na linha CANH.
A linha CANL é sempre o complemento da CANH. O CAN deve monitorar tanto o que está atualmente no barramento quanto o que está enviando. Para aplicações, ambas as extremidades do barramento CAN devem ser terminadas, uma vez que qualquer nó no barramento pode transmitir dados.
Cada extremidade do link possui um resistor de terminação igual à impedância característica do cabo. Normalmente o valor recomendado para os resistores de terminação é 120 Ω (na faixa de 100 Ω - 130 Ω). Não deve haver mais de dois resistores de terminação na rede, pois terminações adicionais aumentam a carga sobre os drivers.
A figura abaixo mostra um barramento de teste CAN. Os nós na figura poderiam, em princípio, estar enviando mensagens de tecnologia de sensoriamento inteligente e um controlador de motor. Uma aplicação típica poderia ser, por exemplo, algum sensor de temperatura.
A figura abaixo mostra um barramento de teste CAN. Os nós na figura poderiam, em princípio, estar enviando mensagens de tecnologia de sensoriamento inteligente e um controlador de motor. Uma aplicação típica poderia ser, por exemplo, algum sensor de temperatura.
Se outro nó sensor precisar enviar uma mensagem simultaneamente, a arbitragem garante que a mensagem seja enviada. Por exemplo, o nó A termina de enviar sua mensagem enquanto os nós B e C reconhecem que a mensagem foi recebida corretamente. Os nós B e C por sua vez iniciam a arbitragem e, se o nó C vencer a arbitragem, então ele envia uma mensagem. Os nós A e B reconhecem a mensagem do nó C, e o nó B então continua com sua mensagem.
Deve-se ter em mente a polaridade oposta da entrada e saída do driver no barramento. O barramento CAN hoje em dia está amplamente distribuído em automóveis. Está presente na maioria dos veículos fabricados. Carros no mundo moderno são essencialmente um produto de mercado global, portanto todos os veículos tendem a ter um barramento CAN. O barramento CAN é acessado via a porta OBD, que é mostrada em uma figura abaixo juntamente com um exemplo de resistor de terminação de 120Ω, soldado no conector DB9 com a fiação CAN, localizado na carcaça do conector DB9.
Para ligar a porta OBD a um dispositivo CAN DB9 é necessário um cabo que pode ser comprado ou fabricado. Para confeccionar um cabo caseiro, é necessário um soquete D-sub de 9 pinos (fêmea) e um plugue OBD (macho). O soquete DB9 deve corresponder ao plugue do dispositivo CAN.
Um exemplo de fiação OBD para DB9 CAN incluindo resistor de terminação opcional também é mostrado no esquema abaixo.
Para construir uma rede de sensores, fazer interface com um barramento CAN e visualizar os sinais CAN de veículos existem muitas opções. Vários microcontroladores atualmente possuem suporte ao protocolo CAN e podem ser interconectados ao CAN por meio de um chip transceptor CAN.
Também há soluções como Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad e Arduino que podem se interligar ao CAN por meio de alguns complementos. A rede de comunicação CAN em veículos modernos pode fornecer um grande volume de dados que pode ser utilizado em operações de gestão de frotas para aumentar a segurança do condutor, reduzir despesas gerais, melhorar processos de manutenção e apoiar a responsabilidade ambiental.
Habilitar dados do barramento CAN oferece aos proprietários de frotas várias oportunidades de acesso a diversas informações incluindo consumo de combustível, leituras do odômetro, rotações por minuto, posição do acelerador, carga/torque do motor, temperatura do motor e nível de combustível.
O CAN é atualmente a rede embarcada mais amplamente utilizada. No entanto, com o desenvolvimento contínuo de veículos autônomos e tecnologia relacionada, há uma grande demanda por maior largura de banda e conectividade. A seguir descrevemos brevemente algumas outras opções de conectividade veicular, incluindo CAN sem fio, MOST, FlexRay e Automotive Ethernet.
CAN sem fio
O CAN em um par trançado de fios de cobre tornou-se um padrão ISO em 1994. A crescente demanda por maior conectividade leva ao desenvolvimento de tecnologias alternativas e complementares. Por exemplo, algumas opções para transmissão CAN sem fio dependem de padrões de rádio baseados em protocolo como WLAN ou Bluetooth.
Nesse cenário, os dados CAN no transmissor devem ser convertidos para o protocolo sem fio e restaurados no receptor. A transmissão transparente e em tempo real no sentido da rede CAN não é possível dessa forma. A conexão de rádio funciona, portanto, como um gateway entre duas redes CAN.
O CAN sem fio baseado em rádio de modo duplo permite que participantes CAN sejam integrados sem fio a uma rede CAN, aumentando a segurança e a usabilidade. No entanto, tal sistema requer antenas especiais que precisam de espaço e um alinhamento particular que limita a radiação omnidirecional.
MOST, FlexRay e Automotive Ethernet em resumo
Uma alternativa promissora ao CAN é o ethernet automotivo. Algumas estimativas esperam que o mercado de ethernet automotivo cresça mais de 21,6% no período de previsão 2019-2026.
Principais benefícios do ethernet para conectividade veicular são alta largura de banda e eficiência de custos. O Ethernet emprega a estratégia Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). A colisão pode ser ignorada por divisão nas redes embarcadas. Alguns desafios do ethernet automotivo são a quantidade significativa de ruído RF, a incapacidade de fornecer latência na faixa de microssegundos baixos e a falta de um método de sincronização de tempo entre dispositivos.
MOST (Media Oriented System Transport) é um sistema de comunicação serial para transmitir dados de controle, vídeo e áudio por meio de fibra óptica http://cables.It fornece uma troca ponto a ponto de informações de som e vídeo com taxas de velocidade de 24,8 Mbps. MOST criado pela MOST association define o protocolo, as camadas de software e hardware necessárias para permitir o transporte eficiente e de baixo custo de dados de controle, em tempo real e em pacotes usando um único meio / camada física. Uma rede MOST pode ser apresentada schematicamente na forma de um anel que pode incluir até 64 dispositivos MOST. Graças à sua funcionalidade plug&play, adicionar ou remover um dispositivo MOST deve ser bastante simples.
O FlexRay por sua vez é essencialmente um padrão de rede automotiva baseado em um barramento determinístico, tolerante a falhas, de alta velocidade e com taxa de dados flexível. É utilizado como parte da topologia estrela ou linha com cobre ou fibra óptica. FlexRay, apresentando configurações de canal duplo, oferece maior tolerância a falhas e/ou aumento de largura de banda. As características da rede de comunicações FlexRay as tornam favoráveis para as indústrias automotivas de próxima geração.
A maioria das redes FlexRay de primeira geração normalmente emprega um único canal para reduzir os custos de fiação, mas o desenvolvimento adicional de aplicações e os requisitos de segurança decorrentes levarão ao aumento do uso de dois canais. Fatores limitantes para a ampla utilização do FlexRay são preço, níveis de tensão de operação mais baixos e assimetria de bordas, levando a desafios na extensão do comprimento da rede. Algumas características-chave dos protocolos listados em comparação com as características do CAN são apresentadas na tabela abaixo.
A comparação direta dos protocolos de conectividade listados mostra que há uma clara troca entre largura de banda e tolerância a falhas versus custos médios e complexidade do sistema. Enquanto CAN e MOST permanecem como protocolos fundamentais, FlexRay e Ethernet são soluções mais promissoras para satisfazer a crescente demanda do mercado e aplicações de alta carga. Em veículos modernos, esses protocolos são frequentemente utilizados como soluções complementares.
Finalidade dos protocolos de comunicação embarcados
O barramento CAN é de fato um padrão de conectividade veicular bem conhecido e estabelecido. Ele é empregado em sistemas de powertrain, chassis, rede backbone e sistemas de carroceria. O Ethernet por sua vez é comumente utilizado como um protocolo de diagnóstico para unidades de controle eletrônicas do motor, chassis e carroceria usadas para conexões de rede.
O FlexRay atualmente forma a base para o desenvolvimento de tecnologia ativa em todo o mundo, e suas muitas aplicações incluem sistemas X-by-Wire de próxima geração e sistemas backbone. MOST é um padrão de barramento para redes multimídia veiculares projetado para permitir a transferência de áudio, vídeo e dados de alta qualidade. Permite a interconexão fácil de vários componentes multimídia do veículo.
Todos os protocolos e tecnologias mencionados acima satisfazem a maioria dos requisitos de diagnóstico e comunicação multimídia para comunicação veicular e entre veículos moderna, e podem ser usados para sistemas avançados de condução autônoma; no entanto, a integração precisa de todas essas tecnologias mantendo as restrições de tempo real ainda continua a ser uma parte desafiadora.
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