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Olga Weis
Ultima atualização Jul 16, 2024
Os veículos modernos dependem fortemente de sistemas eletrônicos para uma operação eficiente e segura. No coração desses sistemas está o Controller Area Network (CAN) bus system, uma rede de comunicação robusta e eficiente. Este artigo explora os fundamentos dos sistemas CAN bus, seu funcionamento e sua importância na indústria automotiva.
O acrônimo CAN significa Controller Area Network. Os CANs são usados para estabelecer comunicação entre microcontroladores em uma rede ou bus. Os CANs são comparáveis a Ethernet ou LANs, que fornecem um método padrão para a comunicação entre computadores.
Um CAN oferece um método simplificado de fornecer controles eletrônicos sobre os sistemas usados anteriormente. Implementar um CAN bus permite aos fabricantes de automóveis uma redução substancial na quantidade de fiação em cada automóvel.
A linha principal chamada "backbone" forma a base de um sistema CAN bus. O backbone conecta todos os microcontroladores em um veículo e fornece informações a um controlador primário centralizado responsável por monitorar todos os sistemas eletrônicos. Esta configuração simplifica a identificação de possíveis falhas e a investigação e resolução de um erro sem consultar múltiplos subsistemas distribuídos por todo o automóvel.
Um sistema CAN bus minimiza possíveis pontos de falha e consolida a comunicação enviando dados através de uma única linha. Elimina quaisquer preocupações sobre falhas de múltiplas conexões causando problemas difíceis de identificar. A redundância aprimorada de um CAN bus melhora a confiabilidade permitindo que o sistema principal permaneça operacional mesmo se os subsistemas falharem. Essa redundância era impossível de implementar com controladores discretos.
Uma linha CAN bus é construída usando um par trançado de fios que possuem uma resistência de terminação de 120 ohms em cada extremidade. Um fio é designado como CAN High e o outro como CAN Low. Todos os dispositivos conectados ao bus são conhecidos como unidades de controle eletrônico (ECU) ou nós.
As ECUs podem desempenhar uma variedade de funções em um sistema automotivo CAN bus. Os nós podem servir como unidades de controle para o motor, faróis, ar condicionado, airbags e outros sistemas necessários para a operação do veículo. Os automóveis modernos podem ter até 70 ECUs que precisam transmitir e compartilhar dados com outros nós.
Cada nó consiste, no mínimo, de um controlador CAN e um microcontrolador embutido. Os dados digitais são convertidos em mensagens no bus pelo controlador CAN. O controlador CAN aceita informações, as traduz e as envia para outro controlador CAN.
O microcontrolador embutido processa os dados e realiza tarefas como acender uma luz dentro do carro ou abaixar uma janela. Os microcontroladores podem controlar o fluxo de informações para o painel em resposta a uma mensagem gerada pelo controlador CAN.
Estes dois diagramas ilustram como os nós se comunicam entre si e trocam dados com e sem o protocolo CAN e o sistema CAN bus.
Ao usar o CAN bus, uma única ECU pode transmitir dados para todas as outras ECUs conectadas ao sistema. Essas ECUs podem revisar as informações e escolher se as recebem ou ignoram.
Um CAN bus permite a comunicação usando dois fios: CAN Low (CAN L) e CAN High (CAN H). A camada de enlace de dados do CAN bus é descrita pela ISO 11898-1, enquanto a camada física é descrita pela ISO 11898-2.
A camada física de um CAN bus é composta por cabos, impedância de cabos, níveis de sinal elétrico, requisitos de nós e outros itens necessários para o funcionamento da rede.
A ISO 11898-2 descreve as especificações para itens na camada física, como comprimento do cabo, terminação do cabo e taxa de transmissão. A seguir, alguns exemplos dessas especificações.
🔹 Cada extremidade do CAN bus precisa ser terminada com uma resistência de 120 Ohms do CAN bus
🔹 Os nós CAN requerem conexões usando dois fios com taxas de transmissão de até 1 Mbit/s (CAN) ou 5 Mbit/s (CAN FD)
🔹 O comprimento do cabo para um CAN Bus pode ser de 40 metros a 1 Mbit/s ou 500 metros a 125 Kbit/s
Vários tipos diferentes de redes podem ser implementados com um CAN bus.
🔹 O CAN bus de baixa velocidade também é chamado de CAN tolerante a falhas.
🔹 Cada nó tem uma terminação CAN
🔹 O CAN bus de baixa velocidade suporta taxas de transmissão de entre 40 e 125 Kbit/s
🔹 A comunicação pode continuar mesmo que haja uma falha em um dos fios
🔹 A chamada simples é uma característica de um CAN bus de alta velocidade
🔹 Este tipo de rede é o mais comumente usado pelos fabricantes de automóveis de hoje
🔹 Suporta taxas de transmissão de entre 40 Kbit/s e 1 Mbit/s
🔹 O CAN bus de alta velocidade forma a base de protocolos de camada superior como CANopen, j1939 e OBD2
🔹 Um LIN bus é uma alternativa de baixo custo que emprega menos chicotes
🔹 Nós menos caros são usados em um LIN bus
🔹 A rede fornece funcionalidade para travas de portas e ar condicionado
🔹 A configuração da rede é composta tipicamente por um mestre LIN bus que atua como gateway para até 16 nós escravos
🔹 Os CAN FD são implementados em veículos de alto desempenho
🔹 O protocolo CAN FD é uma extensão do protocolo CAN original e foi lançado pela Bosch em 2012 para atender à necessidade de aumentar as velocidades de transferência de dados
🔹 Automotive Ethernet suporta taxas de transferência de dados mais altas que um CAN bus
🔹 Esta rede não possui os recursos de segurança do CAN e do CAN FD
🔹 A indústria automotiva está adotando esta rede e será implementada em carros e caminhões modernos
🔹 Automotive Ethernet suporta a largura de banda aumentada necessária para implementar sistemas como câmeras a bordo, Sistemas Avançados de Assistência ao Condutor (ADAS), um sistema de gerenciamento de frotas e outros recursos que requerem transferência de dados em alta velocidade
A implementação da tecnologia CAN bus permite que os fabricantes de automóveis implementem protocolos de Diagnóstico a Bordo. Esses protocolos oferecem códigos de problemas padronizados que os mecânicos podem interpretar facilmente para resolver problemas. As portas de dados no CAN bus são usadas para introduzir atualizações de software nos sistemas e computadores de bordo.
Alguns protocolos populares usados para fornecer recursos automotivos avançados incluem:
🔹 Diagnóstico a bordo OBD-II (OBD, ISO 15765) fornece aos mecânicos recursos de diagnóstico e relatórios para economizar tempo na identificação de problemas do veículo
🔹 J1939 é a rede padrão para veículos pesados, como caminhões e ônibus
🔹 CAN FD estende a camada de enlace de dados CAN original e permite uma carga útil aumentada de 8 a 64 bytes. Também pode fornecer taxas de bits mais altas dependendo do transceptor CAN empregado
🔹 CANopen é implementado em aplicações que apresentam controles integrados, como instalações de automação industrial
O protocolo CAN bus continuará sendo importante nos próximos anos. No entanto, as seguintes principais tendências o influenciarão diretamente:
🔹 O uso crescente de veículos autônomos/carros autônomos
🔹 A necessidade crescente de funcionalidades mais avançadas nos veículos
🔹 Desenvolvimento de tecnologias em nuvem mais avançadas, como sistemas de gerenciamento de frotas baseados em nuvem
🔹 Aumento da integração da Internet das Coisas (IoT) e veículos conectados
Também vale a pena mencionar que se prevê que a melhoria da tecnologia de veículo para rede (V2N) e a computação em nuvem causem um rápido crescimento da telemática. Esse crescimento também inclui dispositivos IoT, como registradores CAN IoT.
