Tópicos:
- Introdução
- Várias redes em um carro
- CAN em rede com os nós
- Diferentes tipos de velocidades CAN
- Sinais de barramento CAN
- Velocidades e níveis de tensão
- Estrutura da mensagem do barramento CAN de um identificador (padrão) de 11 bits
- Estrutura da mensagem do barramento CAN de um identificador (estendido) de 28 bits
- Reconhecimento de erros usando delimitadores Bitstuffing e CRC e ACK
- Fiação de par trançado
- Resistores de terminação
- Gateway
- Medição no barramento CAN
Introdução:
Os veículos modernos estão repletos de eletrônicos. As unidades de controle coletam e processam dados de sensores e atuadores de controle. ECUs diferentes geralmente usam os mesmos dados: dO sensor de posição do pedal do acelerador registra a posição do pedal do acelerador. Este sinal é enviado diretamente para a ECU do motor através da fiação. A ECU do motor não é a única ECU que utiliza este sinal:
- A ECU do motor utiliza o sinal do sensor de posição do pedal do acelerador para controlar a válvula borboleta, ao acelerar para enriquecimento da aceleração acionando os injetores por mais tempo, ajustando o ponto de ignição e, se necessário. controlar o ajuste wastegate ou VGT do turbo;
- A ECU da transmissão automática utiliza a posição do pedal do acelerador para determinar os tempos de mudança das embreagens da transmissão automática. Se o pedal do acelerador for pressionado levemente, a transmissão automática aumentará a marcha a uma velocidade menor do que quando o pedal do acelerador for pressionado até a metade. Ao pressionar repentinamente o pedal do acelerador rapidamente, o “kick down” ocorrerá mudando para uma marcha mais baixa e permitindo que o motor acelere mais;
- O grau de aceleração numa curva pode ser uma razão para a ESP-ECU intervir, reduzindo a potência do motor e, se necessário, para aplicar o freio em uma roda giratória.
Durante a intervenção do ESP, a potência do motor diminui fechando (parcialmente) a válvula borboleta e injetando menos combustível. Uma luz indicadora também acenderá ou piscará no painel de instrumentos para alertar o motorista de que o ESP está funcionando.
O que foi dito acima mostra claramente a cooperação entre diferentes ECUs. O barramento CAN garante que as ECUs se comuniquem entre si e possam, portanto, trocar dados entre si. CAN é uma abreviatura de: Controller Area Network.
Na década de 80, os carros receberam cada vez mais acessórios e os fabricantes começaram a instalar dispositivos de controle. Cada função tinha um fio separado. Isso resultou em um aumento acentuado na espessura do fio e no número de conexões de plugue.
Chicotes elétricos grossos têm a desvantagem de ser difícil ocultá-los atrás dos acabamentos internos e o risco de mau funcionamento aumenta consideravelmente.
Com o barramento CAN, as ECUs se comunicam com apenas dois fios: o CAN-alto e o CAN-baixo. Toda a comunicação entre as ECUs é feita através destes dois fios. EUAs próximas duas imagens mostram claramente que o número de fios em uma porta já é significativamente reduzido ao usar o barramento CAN.
Dezenas de dispositivos de controle podem ser conectados aos dois fios do barramento CAN no barramento CAN. Todos os dispositivos de controle conectados podem trocar dados entre si.
A imagem abaixo mostra um veículo com onze dispositivos de controle (indicados pelos blocos vermelhos). Esses dispositivos de controle estão todos conectados entre si por dois fios; um fio laranja e um fio verde. Esses fios representam o CAN-alto e o CAN-baixo. Cada unidade de controle tem sua própria função e pode se comunicar com qualquer outra unidade de controle da rede via barramento CAN. Mais informações substantivas sobre os dispositivos de controle podem ser encontradas na página Dispositivos de controle.
1. Unidade de controle de instalação da barra de reboque
2. Unidade de controle de porta RA
3. Unidade de controle de porta RV
4. porta de entrada
5. Dispositivo de controle de conforto
6. Unidade de controle do sistema de alarme
7. Painel de instrumentos
8. Unidade de controle eletrônico da coluna de direção
9. Unidade de controle da porta LV
10. Unidade de controle de porta LA
11. Unidade de controle de controle de distância de estacionamento
Com a chegada do barramento CAN também é possível EOBD mais abrangente. EOBD significa Diagnóstico Europeu a Bordo. EOBD tem a ver com emissões. Vários sensores no motor e no escapamento transmitem informações para a ECU. Se houver valores incorretos (devido, por exemplo, a má combustão), uma MIL (Luz de Indicação do Motor) acenderá. Isso é um sinal de que o carro precisa ser lido. Um testador de diagnóstico deve então ser conectado ao plugue OBD para ler os erros. Com base na falha, a ECU armazenou um código de erro hexadecimal, que é exibido pelo testador de diagnóstico como um código P ou uma falha com texto (este último é mais específico da marca). Clique aqui para mais informações sobre OBD1, OBD II e EOBD.
Várias redes em um carro:
Pode haver várias redes em um carro. A imagem abaixo mostra uma visão geral com legenda das unidades de controle em múltiplas redes de um BMW série 3 E90.
As redes K-CAN, PT-CAN e F-CAN na imagem acima se enquadram no barramento CAN. As diferenças são as velocidades, os níveis de tensão e as aplicações. Embora o PowerTrain-CAN e o F-CAN tenham a mesma velocidade e níveis de tensão de alta velocidade, a diferença é que o PT-CAN é usado para controle do motor e da transmissão, e o F-CAN contém as unidades de controle do chassi.
Rede CAN com os dispositivos de controle
A rede CAN bus consiste em dispositivos de controle equipados com hardware e software para receber, processar e enviar mensagens. Um fio CAN-alto e um fio CAN-baixo são usados para transferência de dados. Na imagem abaixo, CAN-High é colorido em vermelho e CAN-Low é colorido em azul.
Os dispositivos de controle (também chamados de unidades de controle ou nós) são conectados a esses fios. Todos os dispositivos de controle podem enviar e receber informações. Um exemplo de rede é o sistema CAN bus no interior do carro; Aqui, vários dispositivos de controle podem ser conectados a um sistema de barramento.
Como exemplo, tomamos uma câmera de ré (nó 5) que foi adaptada. Esta câmera é montada perto do suporte ou alça da placa. A fiação CAN é conectada em qualquer lugar do interior. A condição é que o nó da câmera contenha o identificador correto (pré-programado pelo fabricante), pois os demais dispositivos de controle devem reconhecê-lo. Se a câmera estiver cadastrada no rádio suportado, a imagem fica imediatamente visível.
Após a programação do software, o rádio recebe um sinal da caixa de câmbio informando que a marcha à ré foi selecionada. Nesse momento o rádio muda para a imagem da câmera de ré. No momento em que a primeira marcha (para frente) é selecionada, a imagem desliga novamente. Tudo isso graças à transferência de dados do sistema CAN bus.
Equipamentos não suportados (por exemplo, com um identificador incorreto) podem causar problemas. Caso envie mensagens que não sejam reconhecidas por outros dispositivos de controle, será gerada uma mensagem de erro. Este tipo de equipamento também pode garantir que o barramento CAN permaneça ativo após a ignição ser desligada. O carro não entrará no “modo de espera”, o que faria com que a bateria descarregasse rapidamente. Então há um consumidor clandestino.
Sinais do barramento CAN:
O sistema de barramento CAN usa o princípio de transmissão; um transmissor coloca uma mensagem no barramento CAN. Cada nó no mesmo barramento recebe a mensagem. No entanto, o remetente indica na mensagem a quais nós a mensagem se destina. Todos os nós recebem a mensagem e fornecem feedback (mais sobre isso mais tarde). Os nós aos quais a mensagem não se destina reconhecem isso e ignoram-no.
Um sinal de barramento CAN consiste em uma tensão CAN alta e uma tensão CAN baixa. A imagem abaixo mostra CAN-high red e CAN-low azul. Os sinais alto e baixo são idênticos, mas espelhados um no outro. Quando o barramento se torna dominante, a tensão do CAN-alto aumenta de 2,5 para 3,5 volts e do CAN-baixo diminui de 2,5 para 1,5 volts. No estado recessivo (em repouso) ambas as tensões são de 2,5 volts.
A imagem acima mostra um exemplo de medição com um osciloscópio. Pode-se ver claramente que ambas as tensões são idênticas entre si, apenas na imagem espelhada. Em última análise, a diferença de tensão na região ativa (dominante) é de 2 volts. Isso se refere à diferença entre 1,5 e 3,5 volts. A diferença de 2 volts é considerada 0 (dominante) e a diferença de 0 volts é considerada 1 (recessiva).
Se um nó (enviador) quiser enviar o código binário “0 0 1 0 1 1 0 1”, ele aplicará as tensões mencionadas ao CAN-High e CAN-Low (veja o exemplo acima). O nó receptor verá novamente essas tensões como um código binário e então as converterá em um código hexadecimal. O referido código binário será convertido de hexadecimal para 2D.
Para converter binário em hexadecimal é fácil desenhar uma tabela de 8 caixas com uma linha grossa no meio. Nomeie as caixas à direita como 1, 2, 4 e 8 (veja os números vermelhos na imagem). Então faça isso no lado esquerdo também. Anote os números com 1 no código binário acima deles. À esquerda é apenas o 2, à direita é 8, 4 e 1. Some tudo da direita (13) e faça o mesmo à esquerda (2). O hexadecimal muda de 10 para A, 11 = B, 12 = C, 13 = D. Isso resulta em 2D.
Mais informações sobre a conversão de binário para (hexa)decimal e vice-versa podem ser encontradas na página Binário, Decimal e Hexadecimal. Exemplos claros são descritos em detalhes aqui.
Velocidades e níveis de tensão:
Nos veículos podemos encontrar redes CAN bus com diferentes velocidades:
- Alta velocidade: ECUs relacionadas ao acionamento, incluindo eletrônica do motor, transmissão, ABS/ESP, EBS (veículos comerciais);
- Velocidade média ou baixa: electrónica interior como painel de instrumentos, rádio, climatização, travão de estacionamento, barra de reboque.
As duas imagens abaixo mostram os sinais CAN-alto e CAN-baixo do barramento CAN de alta velocidade. Em repouso, a tensão de ambos os sinais é de 2,5 volts. Para enviar uma mensagem, o CAN alto aumenta de 2,5 para 3,5 volts e o CAN baixo diminui de 2,5 para 1,5 volts.
Abaixo você pode ver novamente o sinal do CAN de alta velocidade, que agora foi ampliado (50 microssegundos por divisão), onde o escopo do sinal acima foi definido para 200 microssegundos por divisão.
Na eletrônica de conforto, a alta velocidade de comunicação é menos importante. Característica do barramento CAN de média ou baixa velocidade, os níveis de tensão em repouso e na geração de mensagem são os seguintes:
- CAN-high é de 5 volts em repouso e cai para 1 volt;
- CAN-low é 0 volts em repouso e sobe para 4 volts.
Durante a medição em que as linhas zero dos canais A e B são colocadas na mesma altura, pode-se observar que as tensões foram "deslizadas uma na outra". Isso dificulta a leitura da pureza dos sinais alto e baixo do CAN.
Para avaliar a pureza das mensagens, recomenda-se deslocar as linhas zero. Na imagem abaixo, a linha zero do Canal A foi deslocada para baixo e a do Canal B foi deslocada para cima. Isto significa que os sinais representados foram separados e uma progressão mais clara das tensões pode ser vista.
Estrutura da mensagem do barramento CAN de um identificador (padrão) de 11 bits:
A estrutura de uma mensagem do barramento CAN é sempre baseada na imagem abaixo. Existem diferenças na estrutura; por exemplo, os campos ARB e CTRL de um identificador de 11 bits e de um identificador de 29 bits são diferentes. As informações abaixo referem-se ao identificador de 11 bits. Para sua informação, um identificador de 29 bits tem espaço para mais dados do que um identificador de 11 bits. Mais sobre isso mais tarde.
A estrutura da mensagem agora está simplesmente resumida e descrita em detalhes posteriormente:
SOF:
Toda mensagem CAN começa com um SOF (início do quadro). Quando um nó deseja enviar uma mensagem, um bit dominante será colocado no barramento. O barramento CAN é sempre recessivo em repouso (1, então tanto o CAN-High quanto o CAN-Low são 2 Volts). O bit dominante (0) indica que outros nós devem esperar para enviar uma mensagem até que toda a mensagem tenha sido postada. Somente após o IFS (Interframe Space) o próximo nó poderá enviar sua mensagem. Mesmo que seja uma mensagem importante, ela não pode ser perdida.
Quando 2 nós desejam enviar uma mensagem ao mesmo tempo (que eles não sabem um do outro) e assim juntos tornam o barramento dominante colocando um 0, o ARB (arbitragem) determina qual mensagem tem precedência.
A partir daqui, cada parte da mensagem do barramento CAN discutida terá essa parte adicionada a esta imagem cinza. Dessa forma tento manter uma visão geral. A mensagem começou com o SOF.
BRA:
O Campo de Arbitragem de um identificador de 11 bits consiste em 2 partes; o identificador e o bit RTR.
Identificador:
Suponha que 2 nós simultaneamente tornem o barramento CAN dominante, então o nó com a mensagem menos importante esperará até que a mensagem importante seja postada (até depois do IFS). O identificador da mensagem contém uma série de uns e zeros. Esses números são atribuídos deliberadamente a uma mensagem pelo programador. O identificador com 0 na mensagem (dominante) tem prioridade maior do que aquele com 1 na mensagem (recessivo). A mensagem com 0 continuará e a mensagem com 1 terá que esperar.
Ambos os identificadores passam a postar uma mensagem de 11 bits. Com o SOF o bit dominante é colocado. Então os primeiros 5 bits de ambos os identificadores são iguais (0 1 1 0 1). O sexto bit é 6 para o identificador número 2 e 0 para o primeiro identificador.O dominante domina, então o identificador 1 cria a mensagem CAN final.
O identificador 1 colocou 6 como bit 1. O nó que envia o identificador só reconhece que 0 nós estão enviando uma mensagem ao mesmo tempo quando outro nó coloca 2 no barramento. Neste ponto, o identificador 1 para de transmitir e agora se comporta como um receptor. Embora a mensagem que começa com 0 1 1 0 1 tenha sido inicialmente planejada para ser a mensagem que este nó queria enviar, agora ele a tratará como a mensagem recebida. O nó então escuta a mensagem inteira e determina se deve fazer alguma coisa com ela.
A imagem cinza do SOF agora é expandida com o ARB, que consiste em 2 partes, a saber, o identificador e o bit RTR:
bit RTR:
O último bit do identificador de 11 bits é chamado RTR; este é um bit de solicitação de transmissão remota. Este bit RTR indica se é um quadro de dados ou um quadro remoto.
0 = Quadro de dados
1 = Quadro remoto
Um quadro de dados contém dados que são encaminhados aos nós que precisam das informações. Um nó também pode solicitar informações; por exemplo, qual é a temperatura do líquido refrigerante em um determinado momento. O nó então definirá 1 como o bit RTR porque está solicitando os dados.
CTRL:
O Campo de Controle consiste no IDE (Extensão de Identificador), um bit R e o DLC. O bit IDE indica se é um identificador padrão (11 bits) ou estendido (29 bits):
0 = Identificador padrão (11 bits)
1 = Identificador estendido (29 bits)
O bit R está reservado para o futuro e agora é sempre recessivo.
Depois vem o DLC: uma rede CAN bus pode enviar no máximo 8 bytes. Existem 1 bits em 8 byte, portanto um total de 64 bits podem ser enviados de acordo com o protocolo padrão. O Campo de Controle indica quantos dados estão sendo enviados. Seria inútil enviar uma mensagem grande com todos os campos de dados vazios para um bit de confirmação (1 para ligado ou 0 para desligado). O número de bytes é indicado no DLC (código de comprimento de dados) apropriado. O DLC é uma função do software de programação e, portanto, um valor pré-determinado pelo programador.
Suponha que 1 byte seja declarado no DLC e então 8 bits sejam enviados. Para mensagens curtas de confirmação isto é suficiente.
Para mensagens muito extensas, o DLC conterá um valor de até 8 bytes de dados.
O exemplo foi ampliado novamente. O IDE, R e DLC foram adicionados.
DADOS:
Os dados finais que precisam ser enviados são colocados no campo de dados. O tamanho depende do valor do DLC (Data Length Code). Já foi indicado que o DLC tem no máximo 8 bytes. Cada byte consiste em 8 bits, portanto, no total, o campo de dados pode consistir em 64 bits.
CRC:
A Verificação de Redundância Cíclica consiste em um cálculo matemático, que é enviado junto com a mensagem. O nó emissor calcula o total de mensagens CAN até o momento; o SOF, ARB, CTRL e DADOS. Então o CRC é o cálculo. Quando o nó receptor tiver recebido a mensagem até o CRC inclusive, ele realizará o cálculo matemático até o DATA e comparará com o cálculo no CRC. Se não corresponder (devido a um bit/falha incorreto), a mensagem não é aceita e é feita uma solicitação para enviar a mensagem novamente (com um determinado número máximo de tentativas). O exemplo foi ampliado para incluir a CRC.
CONFIRMAÇÃO:
O campo Acknowledge serve para confirmação do recebimento. Quando o remetente envia a mensagem ao CRC, é inserida uma espécie de pausa; o transmissor torna o barramento recessivo (com 0) e espera até que um ou mais nós tornem o barramento dominante (1). Não importa se um ou mais nós receberam a mensagem, pois se um nó a recebeu, ela foi enviada com sucesso. Depois que o barramento se torna dominante com 1, a transmissão da mensagem é retomada.
FED:
O End Of Frame consiste em 7 bits recessivos (1 1 1 1 1 1 1). Este é um sinal para todas as unidades de controle de que a mensagem terminou.
SE:
Para evitar interrupções, um espaço entre quadros é sempre usado após o EDF. O IFS consiste em 11 bits recessivos. Todos os nós esperam que esses 11 bits recessivos passem antes de enviar uma mensagem. Após esses 11 bits recessivos, por exemplo, 2 nós podem enviar uma mensagem ao mesmo tempo. O ARB (Arbitragem) é então analisado novamente para determinar qual mensagem tem a prioridade mais alta. Todo o ciclo então começa novamente.
Estrutura da mensagem do barramento CAN de um identificador (estendido) de 28 bits:
O identificador de 11 bits foi projetado em uma época em que os carros ainda não possuíam tantos dispositivos de controle (nós). Os programadores logo descobriram que o identificador de 11 bits não era suficiente para eles. Isso tem apenas (2 ^ 11) = 2048 possibilidades. Destes, restam 2032 combinações únicas do código binário. Os carros modernos agora usam muito mais códigos graças ao identificador estendido de 28 bits. Isso é chamado de identificador estendido.
Isso significa que não menos que (2^29) = 536870912 combinações são possíveis. Isto é mais que suficiente para o futuro.
Várias coisas mudarão na mensagem do barramento CAN. Ambos os identificadores (padrão e estendido) são usados de forma intercambiável. A mensagem CAN indica, portanto, a que espécie se trata, seguida de uma longa mensagem.
A base do identificador de 11 bits é usada e também serve como preparação antes de ser lida; agora são indicadas apenas as alterações que a mensagem sofre quando é um identificador de 29 bits.
O SOF (Start Of Frame) permanece o mesmo. O nó remetente o torna dominante quando começa a enviar uma mensagem.
Isto é seguido pelo ARB e pelo CTRL onde estão as diferenças.
BRA:
Durante a arbitragem, um identificador padrão de 11 bits é exibido primeiro (ou seja, parte dos 29 bits). O bit RTR é movido (como acontece com os 11 bits) para o final do ARB. O RTR agora é substituído pelo SRR: (Substitute Remote Request). Este bit é sempre recessivo (1) para um identificador estendido.
Depois do bit SRR vem o bit IDE, que está no identificador de 11 bits no CTRL (Campo de Controle). Agora ele é removido do campo de controle e colocado atrás do bit SRR no identificador estendido.
Para maior clareza, as imagens abaixo mostram os identificadores padrão (11 bits) e estendido (29 bits).
O bit IDE significa Extensão do Identificador. O bit IDE mostra se é um identificador padrão ou estendido.
IDE 0 = Padrão (ID de 11 bits)
IDE 1 = Estendido (ID de 29 bits)
Após o bit IDE vem o restante do identificador estendido. Os bits 11 e 18 juntos formam 29. Eles não podem ser colocados como um todo na mensagem, porque o protocolo CAN não está mais correto. Basicamente o bit IDE indica agora que a mensagem foi dividida em duas.
CTRL:
O Campo de Controle foi, portanto, alterado para o identificador estendido. O bit IDE foi movido para o ARB.
O bit IDE é substituído por um bit R (sobressalente). Isso é recessivo por padrão. Isto é seguido por um bit R e o DLC (Data Length Code), que indica em quantos bytes a mensagem consistirá.
Mais uma vez, os campos de controle dos identificadores de 11 e 29 bits são mostrados.
Reconhecimento de erros usando delimitadores Bitstuffing e CRC e ACK:
Recheio de pouco:
Para manter a sincronização ideal entre os nós de envio e recebimento, é aplicado bit stuffing. Bit stuffing significa que após 5 bits idênticos um bit oposto é adicionado. Nenhum valor de bit muda na mensagem originalmente enviada, mas um bit é adicionado.
O receptor reconhece isso. Após 5 bits idênticos, o receptor limpará o 6º bit (veja a imagem abaixo).
A mensagem original de apenas uns é enviada, mas o remetente adiciona um 6 a cada 0 bits. O comprimento da mensagem aumenta por causa dos zeros (mas esse comprimento não conta para o DLC (código de comprimento de dados). O receptor filtra os bits opostos (os zeros) e então lê a mensagem novamente com apenas uns.
Delimitadores CRC e ACK:
Os delimitadores são colocados após o campo CRC e o campo ACK. Este é um bit com valor conhecido tanto para o remetente quanto para o destinatário. Se ocorrer um erro na mensagem, esse valor será diferente. O receptor então recebe um valor de bit diferente do esperado e marca a mensagem como errada. O remetente reenviará a mensagem.
Fiação de par trançado:
Cabos de par trançado são usados como cabeamento para o barramento CAN. Os cabos CAN-High e CAN-Low são então torcidos juntos conforme mostrado na imagem. Desta forma, evitam-se interferências externas; se uma indução de alguns décimos de volt entrar em um cabo, ela também entrará no outro. No entanto, a diferença de tensão entre CAN alto e baixo permanece a mesma. Desta forma a falha é resolvida e as ECUs não são afetadas por ela.
Resistores de terminação:
Resistores de terminação são usados em todas as redes de barramento CAN de alta velocidade. Muitas vezes, eles são incorporados nos nós no final da linha (fio) do barramento CAN ou na fiação. Cada um desses resistores tem uma resistência de 120Ω (Ohm). A resistência de substituição é medida como 60Ω ao medir a resistência nos fios.
Esses resistores de terminação servem para supressão de interferências; Se estes não existissem, a reflexão ocorreria. O sinal de tensão viaja através do fio do barramento CAN, chega ao fim e retorna. Este último é evitado. A tensão é registrada no resistor. A reflexão pode fazer com que os sinais de tensão retornem, afetando as mensagens enviadas e, subsequentemente, causando o mau funcionamento dos dispositivos de controle.
Porta de entrada:
O carro está equipado com uma rede de dispositivos de controle (nós). O gateway conecta diversas redes de barramento CAN (como o interior, o motor/transmissão e o chassi), o barramento MOST e o barramento LIN, permitindo que todas as redes se comuniquem entre si. Então é na verdade uma junção entre todas as redes. As diferenças de velocidade não são importantes com um gateway. Clique aqui para ir para a página onde está descrito o funcionamento e funções do Gateway.
Medição no barramento CAN:
Muitas vezes as pessoas são questionadas se é possível medir o barramento CAN. Isso certamente é possível. Um diagnóstico pode ser feito medindo os níveis de tensão nos fios e verificando a exibição da tensão no osciloscópio. Como as medições podem ser feitas está descrito na página medição no sistema CAN bus.
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