disser ta cao

ALEXANDRE DE ALMEIDA GUIMARES

ANLISE DA NORMA ISO11783 E SUA UTILIZAO NA IMPLEMENTAO DO BARRAMENTO DO IMPLEMENTO

DE UM MONITOR DE SEMEADORA

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia.

So Paulo 2003

ALEXANDRE DE ALMEIDA GUIMARES

ANLISE DA NORMA ISO11783 E SUA UTILIZAO NA IMPLEMENTAO DO BARRAMENTO DO IMPLEMENTO

DE UM MONITOR DE SEMEADORA

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia. rea de Concentrao: Sistemas Digitais Orientador: Prof. Dr. Antnio Mauro Saraiva

So Paulo 2003

FICHA CATALOGRFICA

Guimares, Alexandre de Almeida Anlise da norma ISO11783 e sua utilizao na implementao do

barramento do implemento de um monitor de semeadora / Alexandre de A. Guimares. -- So Paulo, 2003.

98 p. Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de So

Paulo. Departamento de Engenharia de Computao e Sistemas Digitais. 1.ISO11783 2.Controller area network 3.Eletrnica embarcada

I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Computao e Sistemas Digitais II.t.

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, o Prof. Dr. Antnio Mauro Saraiva, pela companhia, pacincia,

colaborao, esprito de inovao e dedicao Universidade de So Paulo e ao

Brasil.

Ao Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca, pela colaborao realizada em grande parte

das atividades.

Aos colegas Katia Mara Rabelo da Silva e Antnio Marcos Moreiras, que

participaram quase que diariamente das emoes vividas durante a implementao

do sistema e que muito me ajudaram nesta atividade.

Ao colega Cesar Strauss, que com seu gigantesco conhecimento me ajudou em

diversas atividades e, sem perceber, me inspirou a buscar serenidade no mundo da

tecnologia.

Ao colega Dr. Srgio Miranda Paz por concordar gentilmente em revisar o texto.

Aos demais colegas do LAA e da GMB, que me motivaram a produzir este trabalho

e os diversos artigos relacionados ao tema.

Aos meus pais Nivaldir e Anamaria e aos meus irmos Marcelo e Fbio, eternos

companheiros. Pessoas extremamente entusiasmadas com meus passos e que

valorizam minhas conquistas mais do que eu mesmo poderia.

minha esposa Tet, pela pacincia e pelo esprito de determinao que tem

demonstrado em sua prpria profisso, o que me inspira a tentar dar, cada vez mais,

o melhor de mim.

RESUMO

A utilizao de eletrnica embarcada na agricultura tem crescido rapidamente,

tornando necessria a utilizao de diversos mdulos a bordo da mquina (trator e

implemento). Considerando-se os impactos relacionados a esta tendncia,

alternativas tecnolgicas devem ser geradas e devidamente exploradas,

especialmente sobre os sistemas de controle e o cabeamento requeridos. As

arquiteturas eletro-eletrnicas devem garantir o mnimo de custo de implementao e

tempo de manuteno. Os sistemas de controle devem operar maximizando a

disponibilidade das informaes, o que implica a necessidade de troca de dados entre

estes diversos sistemas de controle e, portanto, a existncia de um protocolo de

comunicao serial internacionalmente padronizado. Neste contexto, este trabalho

aborda os diversos protocolos de comunicao serial como o RS232, o RS485 e o

CAN (Controller Area Network) e as suas normas especficas, voltadas s

aplicaes agrcolas, como a ISO11783 e a DIN 9684, comparando-as. Dessa anlise

resulta a indicao da ISO11783, norma baseada no protocolo CAN, como a mais

interessante para as aplicaes agrcolas. Essa norma estudada em detalhes, o que

permite a criao de um roteiro de estudo e implementao do referido protocolo.

Finalmente, desenvolvida uma aplicao deste protocolo, considerando-se uma

rede de comunicao de dados de um Monitor de Semeadora, a fim de demonstrar

sua aplicao prtica.

ABSTRACT

The use of on-board electronics in agriculture has grown quickly, requiring many

electronic modules on-board machines (tractor and implement). Considering the

trend related impacts, alternative technologies should be developed and used

properly, especially on control systems and on the required wiring harness. Electro-

electronic architectures should provide minimum implementation cost and

maintenance related time. Control systems should operate maximizing the

availability of information that implies on the necessity of data exchange among

these variety of control systems and also, on the existence of an international

standardized serial communication protocol. Considering that, this documentation

covers many serial communication protocols as RS232, RS485 and CAN

(Controller Area Network) and the agricultural applications related standards as

ISO11783 and DIN 9684, comparing them. This analysis results in the indication of

ISO11783, a CAN Bus based standard, as the most interesting to agricultural

applications. This standard is analyzed in details, making possible the development

of a protocol related study and implementation guideline. Finally, a protocol related

application is developed for a Planter Monitor implement bus network, looking

forward to demonstrating an ISO11783 real implementation.

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS

1. INTRODUO...................................................................................................... 1

1.1. Objetivos............................................................................................................ 1

1.2. Justificativas....................................................................................................... 1

1.3. Organizao da Dissertao............................................................................... 3

2. ELETRNICA EMBARCADA EM MQUINAS AGRCOLAS ................... 5

2.1. A Eletrnica Embarcada e a Agricultura de Preciso........................................ 5

2.2. Alternativas Tecnolgicas Arquitetura Eletro-Eletrnica............................... 7

2.3. Exemplos de Sistemas Existentes O Monitor de Semeadora ....................... 12

2.4. Problemas e Necessidades dos Sistemas Atuais .............................................. 15

3. PROTOCOLOS DE COMUNICAO SERIAL ............................................ 17

3.1. Introduo ........................................................................................................ 17

3.2. RS232............................................................................................................... 18

3.3. RS485............................................................................................................... 19

3.4. CAN Bus.......................................................................................................... 19

3.4.1 Conceituao Geral.................................................................................... 21

3.4.2 Formatos das Mensagens........................................................................... 24

3.4.3 Padres Existentes ..................................................................................... 25

3.4.4 Deteco de Falhas .................................................................................... 26

3.4.5 Aspectos de Implementao ...................................................................... 28

3.4.5.1 Dicionrio de Dados ......................................................................... 28

3.4.5.2 Exemplo de Rede.............................................................................. 29

3.4.5.3 Montagem da Rede........................................................................... 30

3.5. Consideraes Finais ....................................................................................... 31

4. O CAN BUS NA AGRICULTURA .................................................................... 32

4.1. Introduo ........................................................................................................ 32

4.2. SAE J1939 ....................................................................................................... 32

4.3. DIN9684 LBS............................................................................................... 33

4.4. ISO11783 ......................................................................................................... 35

4.5. ISOBUS ........................................................................................................... 36

4.6. Comparao entre as Normas .......................................................................... 37


5. ISO11783: O CAN BUS AGRCOLA................................................................ 41

5.1. Anlise da Norma Caractersticas Principais................................................ 41

5.2. Um Roteiro de Implementao do Protocolo em Aplicaes Agrcolas ......... 62

6. A ISO11783 NA MONITORAO DE SEMEADORA.................................. 66

6.1. Proposta de Arquitetura ................................................................................... 66

6.2. Dicionrio de Dados Mensagens Relacionadas ............................................ 68

6.3. Implementao da Rede CAN ......................................................................... 72

6.3.1 Desenvolvimento do Hardware ................................................................. 72

6.3.2 Desenvolvimento do Software................................................................... 74

6.4. Avaliao do Sistema....................................................................................... 76


7. CONCLUSO ...................................................................................................... 81

7.1. A Norma ISO11783 e as Aplicaes Agrcolas............................................... 81

7.2. Contribuies do Trabalho............................................................................... 82

7.3. Perspectivas ..................................................................................................... 83


LISTA DE REFERNCIAS ................................................................................... 87

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA .................................................................... 94

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Os desafios tecnolgicos relacionados AP .............................................. 6

Figura 2 Fluxo dos dados na AP ............................................................................... 7

Figura 3 Representao em blocos da Arquitetura Centralizada .............................. 8

Figura 4 Representao em blocos da Arquitetura Distribuda ................................ 9

Figura 5 Relao de Complexidade: ECUs vs. Sistema Completo......................... 11

Figura 6 Monitor de Semeadora do LAA baseado em RS232............................. 13

Figura 7 Monitor de Semeadora do LAA baseado em RS485............................. 14

Figura 8 Monitor de Semeadora do LAA baseado em CAN Bus ........................ 15

Figura 9 Fsiveis e Cabos nos veculos Volvo ao longo dos anos.......................... 20

Figura 10 Ligao Ponto a Ponto de sistemas embarcados..................................... 20

Figura 11 Ligao via CAN de sistemas embarcados............................................. 21

Figura 12 Taxa de Transmisso vs. Comprimento da Rede.................................... 22

Figura 13 Nveis de Tenso no CAN (conforme ISO11898).................................. 23

Figura 14 Quadro de Mensagem CAN 2.0A........................................................ 24

Figura 15 Quadro de Mensagem CAN 2.0B........................................................ 25

Figura 16 Exemplo de rede CAN com Gateway e Terminadores........................... 29

Figura 17 Geometria de uma rede CAN ................................................................. 30

Figura 18 Rede de comunicao baseada na ISO11783 ......................................... 43

Figura 19 Nveis de Tenso no CAN (conforme ISO11783).................................. 45

Figura 20 Rompimentos e Curtos em uma rede ISO11783 .................................... 46

Figura 21 Composio dos PDUs #1 e #2 .............................................................. 48

Figura 22 VT: Proposta de mscara de trabalho ..................................................... 56

Figura 23 VT: Proposta de mscara de verificao de falhas ................................. 56

Figura 24 Exemplo de Parmetro disponvel no D.D. ............................................ 62

Figura 25 Roteiro de anlise: Partes relacionadas ao Software .............................. 64

Figura 26 Arquitetura Proposta............................................................................... 67

Figura 27 Interligao Microcontrolador x Transceiver ......................................... 73

Figura 28 Prottipo desenvolvido para as ECUs .................................................... 74

Figura 29 Relao entre Hardware + Firmware e a Aplicao............................... 75

Figura 30 Curvas coletadas da rede CAN implementada ....................................... 78

Figura 31 Diagrama do Teste realizado com a interface CAN / USB .................... 79

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 DIN9684: Produtos e seus Fabricantes .................................................... 34

Tabela 2 Partes da DIN9684 (LBS) ........................................................................ 35

Tabela 3 Partes da ISO11783.................................................................................. 36

Tabela 4 ISOBUS: Produtos e seus Fabricantes ..................................................... 38

Tabela 5 Equivalncia entre as partes das Principais Normas ................................ 39

Tabela 6 Partes da ISO11783: Situao em Agosto de 2002.................................. 42

Tabela 7 Campos que compem o PDU ................................................................. 47

Tabela 8 Relao entre os bits dos PDUs ISO11783 e ISO11898.......................... 49

Tabela 9 Exemplos de PGNs................................................................................... 51

Tabela 10 Tipos de NIU vs. Funes principais executadas................................... 54

Tabela 11 Bits formadores do Nome das ECUs ..................................................... 55

Tabela 12 Faixas de Valores Transmitidos ............................................................. 57

Tabela 13 Valores de Parmetros Discretos Disponveis ....................................... 58

Tabela 14 Valores de Parmetros de Controle Disponveis.................................... 58

Tabela 15 Exemplo de Parmetro existente no Anexo A.8................................. 59

Tabela 16 Exemplo de Parmetro existente no Anexo A.9................................. 59

Tabela 17 Exemplo de Mensagem existente no Anexo B.3 ................................ 59

Tabela 18 Composio da Mensagem de Dados do Processo ................................ 62

Tabela 19 Mensagens Propostas ............................................................................. 68

Tabela 20 Relao entre os bits do PDU e do Identificador (29 bits)..................... 70

Tabela 21 Mensagens Propostas Contedo dos Bytes de Dados ......................... 70

Tabela 22 Contedo da Mensagem #1.................................................................... 71

Tabela 23 Sistemtica envolvida no clculo da Velocidade ................................... 71

LISTA DE ABREVIATURAS

ABS: Antilock Brake System (Sistema Anti-Travamento de Freios)

ACK: Acknowledge

A/C: Air Conditioning (Ar Condicionado)

AP: Agricultura de Preciso

CAN: Controller Area Network

CAN_BAT: CAN Battery (Alimentao ou Positivo da Bateria)

CAN_GND: CAN Ground (Referncia ou Terra)

CAN_H: CAN High

CAN_L: CAN Low

CI: Circuito Integrado

CRC: Cyclic Redundancy Check

CSMA: Carrier Sense, Multiple Access

CSMA/CD: Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection

DD: Data Dictionary (Dicionrio de Dados)

DF: Data Field

DID: Device Identifier

DIN: Deutsches Institut fr Normung (Instituto Alemo de Normatizao)

DLC: Data Length Code

DLL: Dynamic Link Library

DP: Data Page

ECU: Electronic Control Unit

EOF: End of Frame

EPROM: Erasable and Programmable Memory

GE: Group Extension

GND: Ground

GPS: Global Positioning System

GIS: Geographical Information System

IDE: Identifier Extension

IFS: Interframe Space

IG: Industry Group

ISO: International Organization for Standardization

Kbps: Kilobits por segundo

LAA: Laboratrio de Automao Agrcola

LAV: Landtechnik Vereinigung (Associao de Fabricantes de Mquinas Agrcolas)

LBS: Landwirtschaftliches BUS-System (Sistema de rede mvel agrcola)

Mbps: Megabits por segundo

NDA: Non-Destructive Arbitration

NIU: Network Interconnect Unit

NMEA: National Marine Electronics Association

NRZ: Non Return to Zero

OSI: Open Systems Interconnection

P: Prioridade

PC: Personal Computer (Computador Pessoal)

PDA: Portable Digital Assistant

PDU: Protocol Data Unit

PF: PDU Format

PG: Parameter Group

PGN: Parameter Group Number

PS: PDU Specific

R: Reservado

RAM: Random Access Memory

RTR: Request for Transmission

RX: Recepo

SA: Source Address

SAE: Society of Automotive Engineers

SDCC: Small Device C Compiler

SLIO: Serial Linked I/O Device

SO: Sensor de Operao da Semeadora

SOF: Start of Frame

SRR: Substitute Remote Request

SS: Sensor de Semente

SV: Sensor de Velocidade da Mquina

TBC_PWR: Terminal Bias Connector_Power (ou VCC)

TBC_RTN: Terminal Bias Connector_Return (ou GND)

TX: Transmisso

UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter

USB: Universal Serial Bus

USP: Universidade de So Paulo

Vcc: Tenso Corrente Contnua

Vdiff: Tenso Diferencial

VT: Virtual Terminal (Terminal Virtual)

1

Este captulo explica os objetivos e as justificativas desta dissertao, assim como a forma como ela est organizada.

1. INTRODUO

1.1. Objetivos

Os objetivos deste trabalho so analisar comparativamente os protocolos de

comunicao serial utilizados em aplicaes agrcolas, de modo a identificar o mais

adequado, e desenvolver uma aplicao desse protocolo tomando como caso um

Monitor de Semeadora.

1.2. Justificativas

Com o crescimento da utilizao da eletrnica embarcada1 em mquinas agrcolas,

faz-se necessrio analisar os diversos conceitos de arquiteturas eletro-eletrnicas

existentes e os vrios aspectos tecnolgicos a eles relacionados (ALLISON, 1994);

(ALVARENGA, 1999).

Percebe-se ainda que, cada vez mais, as arquiteturas tm sido desenvolvidas com

caractersticas de controle distribudo, o qual demanda a utilizao de protocolos de

comunicao na interligao dos diversos mdulos eletrnicos utilizados em sua

implementao.

Desta forma, este trabalho avalia os diversos protocolos de comunicao j utilizados

em aplicaes agrcolas comerciais e acadmicas. So considerados nesta avaliao

diversos estudos existentes sobre o tema e, baseando-se em experincias anteriores

de outros pesquisadores, procura-se indicar o melhor protocolo e norma para as

aplicaes agrcolas atuais e futuras, especialmente considerando-se a tendncia de

padronizao mundial.

Outro ponto recm levantado por boa parte dos fabricantes de dispositivos, e ainda

pouco explorado pelos pesquisadores da rea, a criao da norma ISOBUS. Ela

1: Aplicaes Embarcadas so aquelas montadas em equipamentos mveis, como veculos de passeio, caminhes, nibus, avies, navios e tratores.

2

precisa ser analisada dentro do contexto formado por outros protocolos e normas

voltados s aplicaes agrcolas.

Alm disso, dentre os diversos estudos realizados at o momento sobre eletrnica

embarcada em aplicaes agrcolas, especialmente os poucos encontrados e

relacionados Monitorao de Semeadora, no se explorou a real implementao da

norma ISO11783 a esta aplicao. A Monitorao de Semeadora fundamental no

contexto criado pela Agricultura de Preciso (AP) e precisa ser melhor explorada

tecnologicamente.

Considerando os avanos alcanados at o momento com a criao do padro

internacional ISO11783, faz-se necessrio disponibilizar um roteiro de estudo e

implementao desta norma, facilitando futuros desenvolvimentos na rea.

Acrescenta-se ainda que atividades relacionadas ao entendimento e implementao

de uma norma demandam tempo e recursos intelectuais. Um roteiro de estudo e

implementao auxiliaria estas atividades.

Ainda sobre as anlises da norma e a sua utilizao em aplicaes agrcolas, sente-se

a necessidade de se disponibilizar uma infra-estrutura de hardware e software que

permita ensaios e testes de sistemas embarcados. Esta infra-estrutura dever

representar uma rede de comunicao de dados que represente um padro

internacional.

Selecionado um protocolo e norma, implementa-se um barramento do implemento,

com algumas mensagens relacionadas a esta norma, considerando-se a aplicao

Monitor de Semeadora. Esta implementao procura experimentar a escolha

realizada, assim como possibilitar a criao de um roteiro de estudo e de utilizao

do protocolo e norma indicados.

O desenvolvimento do hardware e software envolvidos nesta implementao

contribuem para a criao de uma infra-estrutura para estudos no protocolo e na

norma identificados como mais adequados para aplicaes agrcolas.

3

1.3. Organizao da Dissertao

Esta dissertao de mestrado procura relacionar os tpicos envolvidos na anlise e

implantao de tecnologias eletrnicas em aplicaes agrcolas, especialmente na

Monitorao de Semeadora.

No captulo 2, Eletrnica Embarcada em Mquinas Agrcolas, so abordadas as

dificuldades associadas ao crescimento da eletrnica embarcada em aplicaes

agrcolas e ao desenvolvimento da Agricultura de Preciso; seus conceitos e desafios

envolvidos, assim como as alternativas tecnolgicas s arquiteturas eletro-eletrnicas

possveis. A aplicao Monitor de Semeadora tomada como exemplo em uma

anlise de diversas propostas de arquitetura para a sua rede de comunicao de

dados. So ainda destacadas as necessidades dos sistemas atuais em relao a

quantidade de informaes por eles tratadas.

No captulo 3, Protocolos de Comunicao Serial, relacionam-se as caractersticas

desejveis de um protocolo de comunicao embarcado e avaliam-se os j

considerados em aplicaes agrcolas.

No captulo 4, O CAN Bus na Agricultura, analisam-se, sucintamente, as normas

baseadas no protocolo CAN considerando-se o ponto de vista das aplicaes

agrcolas. realizada uma comparao tcnica e de mercado entre elas.

No captulo 5, ISO11783: O CAN Bus Agrcola, procura-se analisar a norma

ISO11783, parte a parte. Destaca-se tambm sua situao atual dentro dos trabalhos

do grupo ISO. Outro ponto abordado por este captulo a criao de um roteiro de

estudo e implementao da norma ISO, com o intuito de facilitar os

desenvolvimentos nela baseados.

No captulo 6, A ISO11783 na Monitorao de Semeadora, a aplicao da norma

ISO11783 em uma rede de comunicao de dados de um Monitor de Semeadora

apresentada, destacando-se a proposta de arquitetura e seu hardware e software

envolvidos.

4

Finalmente, no captulo 7, Concluses, so apresentadas concluses e contribuies

deste trabalho e as perspectivas relacionadas ao tema.

A Lista de Referncias apresentada em ordem alfabtica.

5

Este captulo trata dos impactos e da relao entre aEletrnica Embarcada e a Agricultura de Preciso. Discutealternativas de Arquiteturas Eletro-Eletrnicas e apresentaalguns conceitos sobre a aplicao Monitor de Semeadora.Sobre as aplicaes eletro-eletrnicas em mquinas agrcolasem geral, relaciona seus problemas e necessidades atuais.

2. ELETRNICA EMBARCADA EM MQUINAS AGRCOLAS

2.1. A Eletrnica Embarcada e a Agricultura de Preciso

H muitos anos a agricultura tem feito uso de sistemas eletro-eletrnicos no controle

das vrias funes relacionadas aos mais diversos processos agrcolas. Observa-se

que boa parte destes sistemas foi desenvolvida de forma independente, cada qual

responsvel por um determinado tipo de controle ou funo da mquina (Trator e

Implemento). Esta multiplicidade de equipamentos, em grande parte das aplicaes,

acarreta custos elevados de instalao, manuteno e treinamento da mo-de-obra

que manusear os sistemas.

Por outro lado, a agricultura tem sido reestruturada, buscando-se cada vez mais a

reduo do consumo de insumos e o aumento da produtividade (SIGRIMIS, 2000).

Dentro deste contexto, um termo vem se caracterizando como bom representante

desta nova filosofia agrcola: Agricultura de Preciso (AP) (GUIMARES, 2001).

A AP, de forma geral, procura melhorar a eficincia dos processos agrcolas e a

qualidade dos produtos de cada atividade (SIGRIMIS, 2000), pressupondo-se a

aquisio e manipulao de uma quantidade muito maior de dados (para a tomada de

deciso), do que a agricultura tradicional (SARAIVA, 1998).

O domnio sobre os diversos dados disponveis conseguido atravs da utilizao de

vrios sistemas eletro-eletrnicos interligados entre si, cada qual responsvel por

uma parte da mquina. Estes sistemas realizam a coleta destas informaes

diretamente do processo. Por exemplo, durante a semeadura, realizada a medio

da velocidade da mquina, da quantidade de sementes depositadas, a identificao

das falhas observadas durante o percurso e a identificao da posio espacial do

equipamento, conseguida atravs de receptores GPS (Global Positioning System ou

Sistema de Posicionamento Global).

Percebe-se com isso, que a AP basicamente fundamentada na capacidade de se

coletar, armazenar e processar os dados do campo associados s coordenadas

6

espaciais. O objetivo final realizar as operaes agrcolas de maneira localizada,

isto , agindo de acordo com as necessidades de cada ponto do sistema solo-planta.

Diante deste cenrio, tm-se em mos trs grandes desafios tecnolgicos,

representados na Figura 1 (GUIMARES; SARAIVA, 2001b):

Primeiramente, coletar os dados relativos a cada operao do maquinrio agrcola, como a velocidade do implemento e a quantidade de sementes

depositadas e de fertilizante aplicado sobre o solo entre outros. Para tanto,

alguns sensores esto disponveis atualmente no mercado, cobrindo

parcialmente as necessidades existentes.

Em seguida, identificar a posio espacial do maquinrio agrcola para que cada dado coletado possa ser relacionado a uma posio geogrfica do

terreno. Este desafio resolvido atravs da utilizao de equipamentos

disponveis no mercado os receptores GPS (CINTRA; FERREIRA, 1998).

O terceiro elo tecnolgico o que garante o cruzamento e o processamento dos dados coletados na mquina e suas coordenadas espaciais

correspondentes.

Figura 1 Os desafios tecnolgicos relacionados AP

7

Desta forma, a aplicao da AP depende, dentre outras coisas, de sistemas

eletrnicos, utilizados, da coleta das informaes (sensores de campo e GPS) e do

seu conveniente processamento (SIGRIMIS, 2000). A Figura 2 mostra o fluxo dos

dados na AP, iniciando com a coleta das informaes do campo, passando pelo seu

devido processamento e finalizando com a aplicao dos insumos necessrios em

taxa varivel.

Fonte: Adaptado de CASE IH

Figura 2 Fluxo dos dados na AP

Em relao agricultura tradicional, a AP demanda mais eletrnica embarcada e

potencializa os problemas da eletrnica atualmente utilizada nas mquinas agrcolas.

2.2. Alternativas Tecnolgicas Arquitetura Eletro-Eletrnica

As formas como os diversos sistemas de medio e controle so implementados e

interconectados em uma dada aplicao embarcada so chamadas de Arquiteturas

Eletro-Eletrnicas (ou simplesmente Arquiteturas Eltricas) (POWERS; KIRSON;

ACTON, 1998); (MIESTERFELD, 1999). Esta nomenclatura utilizada pelo setor

8

automotivo e, por similaridade dos seus diversos sistemas embarcados, pode ser

extendida tambm agricultura.

Considerando-se os diversos tipos de arquitetura existentes, pode-se destacar a

Centralizada e a Distribuda.

Arquitetura Centralizada: Em determinados casos, tem-se uma nica ECU2

(Unidade Eletrnica de Controle ou Mdulo Eletrnico de Controle) como

responsvel por receber todos os sinais de entrada (ex. sensores e chaves de

comando), process-los e comandar as respectivas sadas de controle do sistema (ex.

vlvulas e rels). O diagrama esquemtico que representa este conceito de arquitetura

representado pela Figura 3.

Figura 3 Representao em blocos da Arquitetura Centralizada

Como vantagens desta arquitetura pode-se destacar (GUIMARES, 2001):

Simplicidade do hardware utilizado, sendo constitudo basicamente pelos sensores e atuadores, uma ECU para gerenciamento do sistema e o

cabeamento que os conecta.

Todos os dados estaro disponveis ECU durante toda a operao do sistema, no sendo crtica a lgica de varredura e coleta dos dados de cada

sensor.

2: ECU o termo utilizado para representar uma Unidade Eletrnica de Controle ou um Mdulo Eletrnico de Controle.

9

Como desvantagens pode-se destacar (STRAUSS; CUGNASCA; SARAIVA,

1998b):

Grande quantidade de cabeamento requerido para conectar os sensores ECU, o que dificulta a instalao e a manuteno da rede.

Limitao das possibilidades de expanso do sistema.

Arquitetura Distribuda: Existe a possibilidade de se utilizar vrias ECUs,

dividindo entre elas as diversas responsabilidades relacionadas ao sistema. O

diagrama esquemtico que representa este conceito de arquitetura representado pela

Figura 4.

Figura 4 Representao em blocos da Arquitetura Distribuda

Como vantagens desta arquitetura pode-se destacar:

Quantidade reduzida de cabeamento da rede, por instalar-se ECUs bem prximas aos sensores e atuadores e pelo nmero limitado de fios conectados

nas ECUs (FREDRIKSSON, 1999b).

Menor tempo de instalao do sistema (exatamente pela menor quantidade de cabeamento necessrio) (FREDRIKSSON, 1999b).

10

Maior robustez do sistema, reduzindo o nmero de paradas para manuteno por quebra do cabeamento (FREDRIKSSON, 1999b).

Permite a ampliao do sistema com significativa facilidade (FREDRIKSSON, 1994).

Facilita a criao do software de aplicao, uma vez que possibilita a sua modularizao e distribuio de responsabilidades pelas vrias ECUs

(ZUBERI; SHIN, 1996).

Possibilita a modularizao do projeto do sistema e da execuo dos testes de validao, aumentando a confiabilidade e reduzindo os prazos envolvidos no

desenvolvimento (FREDRIKSSON, 1994).

Como desvantagens pode-se destacar:

Implica a existncia de um software de controle da rede, cuja dificuldade de desenvolvimento depende diretamente da escolha do protocolo de

comunicao entre as ECUs (ZUBERI; SHIN, 1996).

Difcil determinao da taxa de transmisso ideal para uma dada aplicao, o que impacta diretamente nos tempos internos do software de controle e na

escolha dos componentes eletrnicos a serem utilizados no projeto das ECUs

(HOFSTEE; GOENSE, 1999).

A deciso de escolha da arquitetura eltrica mais apropriada a uma dada aplicao

agrcola depende da ponderao entre diversos fatores. Dentre eles pode-se destacar:

A complexidade do sistema a ser controlado (quantidade de variveis de entrada e sada e o tamanho fsico do sistema).

A disponibilidade dos dispositivos eletrnicos requeridos ( montagem das ECUs e medio e atuao no sistema).

O tempo necessrio implantao da arquitetura (projeto, construo de prottipos, validao e instalao final).

11

O custo desejado do sistema final (limitaes inerentes ao oramento).

O relacionamento entre os fatores anteriormente colocados, considerando-se uma

dada aplicao agrcola, que determinar o conceito de arquitetura mais apropriado

ao sistema a ser controlado. Tal desafio enfrentado por outros segmentos da

indstria, como por exemplo o setor automotivo.

Uma das maiores dificuldades da engenharia de produtos de uma empresa montadora

de veculos3 determinar a arquitetura eltrica de um novo modelo, garantindo o

mnimo de funes desejadas pelos futuros clientes, dentro dos limites de custo de

projeto e produto final determinados pela empresa.

Normalmente, os produtos tm seu desenvolvimento iniciado com trs ou quatro

anos de antecedncia ao seu lanamento, o que dificulta ainda mais a tomada de

deciso sobre qual seria a melhor soluo de engenharia para determinado projeto.

Tal trabalho precisa relacionar as vises de Engenharia Avanada (tecnologia),

Marketing Estratgico (mercado) e Poltico-Econnica (oramento) da regio a que

se destina o novo produto.

Na agricultura as dificuldades so muito similares, tornando a definio da

arquitetura eltrica um dos maiores desafios ao time de trabalho.

Figura 5 Relao de Complexidade: ECUs vs. Sistema Completo

3: O Mestrando Engenheiro de Produto na General Motors do Brasil e Lder do Time de Desenvolvimento da Engenharia Eletro-Eletrnica na plataforma de veculos compactos.

12

De todo modo, a Figura 5 ilustra a tendncia da relao entre a responsabilidade de

cada ECU de um determinado sistema de controle e a complexidade deste sistema

como um todo, nessas duas alternativas.

2.3. Exemplos de Sistemas Existentes O Monitor de Semeadora

Tendo em vista o objetivo desta dissertao de Mestrado a anlise e implementao

de um protocolo de comunicao em uma rede de comunicao de um Monitor de

Semeadora faz-se conveniente, como termo de comparao, a apresentao de um

sistema disponvel e a maneira com a qual ele foi concebido.

O Laboratrio de Automao Agrcola da EPUSP (LAA) vem desenvolvendo desde

1990, diversas pesquisas sobre o projeto de um Monitor de Semeadora (SARAIVA,

1992); (SARAIVA; CUGNASCA; MASSOLA, 1993); (SARAIVA; PAZ;

CUGNASCA, 1997). Este monitor foi idealizado para o acompanhamento de

algumas variveis do processo de semeadura, destacando-se (GUIMARES;

SARAIVA, 2001a):

A apresentao ao operador de informaes do processo. Dentre elas: a taxa e a densidade de sementes depositadas sobre o solo, a rea de terreno semeada

e a velocidade da mquina;

O aviso ao operador sobre as condies indevidas de trabalho, como taxa de semeadura ou velocidade fora da faixa, e posio do implemento em relao

ao modo operacional do sistema;

O armazenamento de estatsticas da operao e sua transferncia a um computador pessoal (PC) para posterior anlise.

13

O diagrama esquemtico desse Monitor de Semeadura pode ser visto na Figura 6.

Fonte: SARAIVA; PAZ; CUGNASCA, 1997

Figura 6 Monitor de Semeadora do LAA baseado em RS232

Percebe-se pelo arranjo mostrado que a arquitetura utilizada neste monitor tem

caractersticas de controle semi-distribudo, uma vez que duas ECUs so

responsveis pela coleta das informaes e o acionamento das respectivas sadas.

Pode-se afirmar que, caso apenas uma das ECUs fosse utilizada no controle, o

sistema estaria estritamente baseado no conceito centralizado. Da mesma forma, se

fossem utilizadas vrias ECUs, cada qual responsvel pela coleta e tratamento de

parte das entradas e sadas, o sistema estaria fortemente baseado no conceito

distribudo.

Outro ponto importante a ser destacado a linha de comunicao estabelecida entre

as unidades Remota e Central, respectivamente Mdulo da Semeadora e Mdulo

do Trator. Trata-se de um canal serial baseado no padro EIA RS232 (AXELSON,

1998), o qual ser comentado no captulo 3 desta dissertao.

Desenvolvido e analisado o Monitor de Semeadora baseado em RS232, visando seu

aprimoramento, outros protocolos de comunicao passaram a ser estudados e

considerados como possveis nesta aplicao. Foi o caso do padro RS485, o qual

14

permitiria um certo grau de expanso ao sistema mas com algumas limitaes

tcnicas (STRAUSS et al., 1998) que sero abordadas tambm no captulo 3.

O diagrama esquemtico proposto para um Monitor de Semeadora baseado em

RS485 pode ser visto na Figura 7.

Fonte: STRAUSS et al., 1998

Figura 7 Monitor de Semeadora do LAA baseado em RS485

Como terceira alternativa tecnolgica ao Monitor de Semeadora, props-se o

protocolo CAN Bus (Controller Area Network Bus ou Barramento CAN), o qual

apresenta uma srie de vantagens, a serem descritas adiante, tambm no captulo 3.

15

O diagrama esquemtico proposto para o

pode ser visto na Figura 8.

Figura 8 Monitor de Semeadora

Percebe-se claramente a busca da melh

eltrica da aplicao Monitor de Semea

conceitos mencionados so tecnicamen

desvantagens citadas ao longo desta dissert

2.4. Problemas e Necessidades dos Sistem

No apenas em um Monitor de Semead

agrcolas, alguns requisitos mnimos dev

determinar e, em seguida, implementar,

(GUIMARES, 2001):

Monitor de Semeadora baseado em CAN

Fonte: STRAUSS et al., 1998

do LAA baseado em CAN Bus

or alternativa tecnolgica arquitetura

dora. De qualquer forma, cada um dos

te avaliados, tendo suas vantagens e

ao.

as Atuais

ora mas em grande parte das aplicaes

em ser observados no momento de se

sua arquitetura eltrica. Pode-se destacar

16

Estar preparada para trabalhar em ambientes mveis, sendo resistente especialmente elevada vibrao dos equipamentos (STRAUSS;

CUGNASCA; SARAIVA, 1998b).

Ser resistente a situaes extremamente nocivas, como as condies climticas adversas (exposio aos raios solares e chuva) e exposio aos

produtos qumicos provenientes do prprio trabalho (STRAUSS;

CUGNASCA; SARAIVA, 1998b).

Ter cabeamento reduzido entre trator e implemento para facilitar a instalao e remoo dos equipamentos e reduzir os problemas com manuteno

(STRAUSS et al., 1999).

Ser capaz de realizar diferentes funes pelo simples acoplamento de diferentes mdulos de atuao e controle dependendo do implemento.

Ser imune s interferncias eletro-magnticas (STRAUSS; CUGNASCA; SARAIVA, 1998b).

Alm de requerer robustez mecnica e eltrica, o sistema de controle deve permitir

sua fcil remoo de um trator e implemento e, em seguida, sua rpida instalao em

outras mquinas. Da mesma forma, desejvel que partes do sistema sejam

substituveis por peas de fornecedores distintos, facilitando e, eventualmente,

barateando as atividades de manuteno do sistema e proporcionando algo

independente dos fabricantes.

Considerando-se estes pontos, os conceitos de arquitetura mais apropriados s

aplicaes agrcolas so o semi-distribudo e o distribudo. Em ambos os casos, a

comunicao entre as ECUs do sistema requerida, implicando a necessidade de se

utilizar um protocolo de comunicao.

17

Este captulo relaciona as caractersticas desejveis em um protocolo para aplicaes embarcadas e destaca as caractersticas principais dos protocolos mais conhecidos. O CAN Bus explicado detalhadamente.

3. PROTOCOLOS DE COMUNICAO SERIAL

3.1. Introduo

Dentre as caractersticas desejveis em um protocolo para aplicaes embarcadas,

pode-se destacar (BRAGAZZA, 2000):

Possibilitar o cabeamento total da rede reduzido.

Ser capaz de transmitir altas taxas de informao, uma vez que os sistemas operam com informaes em tempo-real.

Boa flexibilidade das linhas de comunicao para facilitar a instalao do chicote no veculo.

Capacidade de interligar diversos ns, garantindo futuras expanses do sistema.

Trabalhar dentro do conceito multi-mestre, eliminando a existncia de um mdulo principal responsvel pelo gerenciamento da rede.

Robustez suficiente para garantir seu funcionamento em ambientes mveis e nocivos.

Capacidade para detectar e tratar eventuais falhas geradas por problemas em hardware e software ou interferncias externas, como as eletro-magnticas.

Analisando-se as aplicaes agrcolas existentes, consegue-se identificar os

protocolos que foram utilizados no desenvolvimento de algumas redes embarcadas.

Dentre eles destacam-se o RS232, o RS485 e o CAN Bus.

18

3.2. RS232

Pode ser considerado (GUIMARES, 2001) um dos protocolos mais populares de

todos os tempos, existindo em praticamente todos os computadores pessoais e de

grande porte. Foi concebido para a comunicao bidirecional de dados entre dois

dispositivos, a uma distncia mxima variando de 150m a 300m, dependendo da taxa

de transmisso e do tipo de cabo utilizado. caracterizado por utilizar linhas

desbalanceadas, onde o sinal aplicado a um dos fios e referenciado ao outro,

conectado ao terra comum do sistema (AXELSON, 1998).

Como vantagens de se utilizar o RS232 em aplicaes agrcolas, pode-se destacar

(STRAUSS; CUGNASCA; SARAIVA, 1998b):

Compatvel com a grande maioria dos micro-controladores existentes.

Protocolo simples de se implementar.

Sobre as desvantagens deste protocolo, pode-se destacar (STRAUSS; CUGNASCA;

SARAIVA, 1998b):

Dificuldade de expanso e restries implementao de um controle distribudo, especialmente por se trabalhar com duas ECUs (vrias ECUs

poderiam ser utilizadas caso fosse aplicado um sistema multiserial).

Grande quantidade de cabeamento, principalmente pela dificuldade de instalao de vrias ECUs (passa a ser necessrio levar os sinais dos sensores

a um dos dois ns existentes, nem sempre localizados em suas proximidades).

Problemas com interferncias eletro-magnticas devido a no ser uma rede de linhas balanceadas ou diferenciais.

Analisando as diversas particularidades do RS232, percebe-se que apesar de simples

e extremamente difundido, ele no atende grande parte das caractersticas desejveis

a um protocolo agrcola.

19

3.3. RS485

Este protocolo (GUIMARES, 2001) possibilita a troca de dados entre uma

quantidade maior de ns e a uma distncia maior entre eles se comparado com o

RS232. A quantidade de pontos conectados rede, dependendo do comprimento da

mesma e da taxa de transmisso, pode chegar a 256 (AXELSON, 1998). Apesar

disso, existe somente um n capaz de conversar com todos os demais, sendo

conhecido como mestre (STRAUSS; CUGNASCA; SARAIVA, 1998b).

Como vantagens do RS485, os autores destacam:

Possibilidade de expanso da rede a at 256 ns.

Protocolo simples de se implementar.

Menor comprimento total dos cabos, uma vez que os ns podem ser melhor distribudos na rede e aproximados dos sensores.

Maior imunidade a rudos eltricos, uma vez que adota par tranado e loop de corrente em sua linha de comunicao.

Sobre as desvantagens, pode-se destacar o fato de no ser um controle

verdadeiramente distribudo, caracterizando na verdade uma comunicao mestre-

escravo (STRAUSS; CUGNASCA; SARAIVA, 1998a).

Do ponto de vista de uma aplicao agrcola, a baixa eficincia desta rede devido

comunicao ser efetuada dentro do conceito mestre-escravo, dificulta a sua

utilizao em aplicaes que necessitem de um controle completamente distribudo,

onde os mdulos troquem, de forma rpida e direta, as informaes necessrias ao

seu processamento interno.

3.4. CAN Bus

Com o passar dos anos, as exigncias troca de informaes entre os diversos

mdulos eletrnicos nos veculos na indstria automotiva cresceram de tal forma que

20

o cabeamento requerido para tais conexes chegou a atingir vrios quilmetros de

comprimento (BRAGAZZA, 2000).

A Figura 9 mostra um estudo realizado pela KVASER (2000) sobre o crescimento

exponencial dos sistemas eletrnicos embarcados nos veculos de passeio da marca

Volvo. apresentado um grfico com o nmero de fusveis incorporados ao longo

dos anos, assim como o aumento do comprimento do chicote.

Fonte: FREDRIKSSON, 1999a

Figura 9 Fsiveis e Cabos nos veculos Volvo ao longo dos anos

Esta condio acarretou problemas crescentes relativos ao custo de material, tempo

de produo dos veculos e at mesmo em relao confiabilidade dos sistemas de

controle.

Na Figura 10 pode-se ter uma noo das conexes requeridas em um sistema

automotivo simples, cujas ECUs estejam conectadas ponto a ponto.

Fonte: Baseado em BRAGAZZA, 2000

Figura 10 Ligao Ponto a Ponto de sistemas embarcados

21

A soluo para este problema a troca da

devendo-se considerar um protocolo que g

desta dissertao.

O protocolo que cobre todos estes requisi

pela compania alem Robert Bosch para

buscava basicamente a comunicao efe

embarcadas de modo geral (SCHOFIELD,

A Figura 11 ilustra como o sistema embar

arquitetura do veculo fosse baseada em CA

Figura 11 Ligao via CA

3.4.1 Conceituao Geral

O CAN (ISO, 1993) um protocolo de co

entre os mdulos conectados a rede feit

lanada ao barramento (evento que ocor

regulares).

Trabalha baseado no conceito multi-mestr

mestre em determinado momento e escravo

enviadas em regime multicast, caracter

mensagem para todos os mdulos existente

forma de comunicao entre estas ECUs,

aranta os fatores mencionados no item 3.1

tos o CAN; desenvolvido originalmente

utilizao na indstria automotiva, a qual

tiva e de custos reduzidos s aplicaes

1999).

cado mostrado na Figura 10 ficaria, caso a

N.

Fonte: Baseado em BRAGAZZA, 2000

N de sistemas embarcados

municao serial sncrono. O sincronismo

o em relao ao incio de cada mensagem

re em intervalos de tempo conhecidos e

e, onde todos os mdulos podem se tornar

em outro, alm de suas mensagens serem

izado pelo envio de toda e qualquer

s na rede.

22

Outro ponto forte deste protocolo o fato de ser fundamentado no conceito

CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with

Non-Destructive Arbitration). Isto significa que todos os mdulos verificam o estado

do barramento, analisando se outro mdulo est ou no enviando mensagens com

maior prioridade. Caso isto seja percebido, o mdulo cuja mensagem tiver menor

prioridade cessar sua transmisso e o de maior prioridade continuar enviando sua

mensagem deste ponto, sem ter que reinici-la.

Outro conceito bastante interessante o NRZ (Non Return to Zero), onde cada bit (0

ou 1) transmitido por um valor de tenso especfico e constante.

A velocidade de transmisso dos dados inversamente proporcional ao comprimento

do barramento. A maior taxa de transmisso especificada de 1Mbps considerando-

se um barramento de 40 metros. A Figura 12 representa a relao entre o

comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmisso dos dados.

Fonte: Baseado em ISO, 1993

Figura 12 Taxa de Transmisso vs. Comprimento da Rede

Considerando-se fios eltricos como o meio de transmisso dos dados, existem trs

formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade

de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios

trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No

23

caso dos barramentos com 4 fios, alm dos sinais de dados, um fio com o VCC

(alimentao) e outro com o GND (referncia) fazem parte do barramento, levando a

alimentao s duas terminaes4 ativas da rede. As redes com apenas 1 fio tm este,

o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.

Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores eltricos devem

ser tranados e no blindados. Os dados enviados atravs da rede devem ser

interpretados pela anlise da diferena de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L.

Por isso, o barramento CAN classificado como Par Tranado Diferencial. Este

conceito atenua fortemente os efeitos causados por interferncias eletro-magnticas,

uma vez que qualquer ao sobre um dos fios ser sentida tambm pelo outro,

causando flutuao nos sinais de ambos para o mesmo sentido e com a mesma

intensidade. Como o que vale para os mdulos que recebem as mensagens a

diferena de potencial entre os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecer

inalterada), a comunicao no prejudicada.

No CAN, os dados no so representados por bits em nvel 0 ou nvel 1. So

representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em funo da condio

presente nos fios CAN_H e CAN_L. A Figura 13 ilustra os nveis de tenso em uma

rede CAN, assim como os bits Dominantes e Recessivos.


Figura 13 Nveis de Tenso no CAN (conforme ISO11898)

4: O conceito de Terminao est relacionado com a impedncia da rede e a forma como se deseja compatibiliz-la com as ECUs a ela conectadas.

24

Como mencionado no incio deste item, todos os mdulos podem ser mestre e enviar

suas mensagens. Para tanto, o protocolo suficientemente robusto para evitar a

coliso entre mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit no destrutiva.

Pode-se exemplificar esta situao analisando o comportamento de dois mdulos

enviando, ao mesmo tempo, mensagens diferentes. Aps enviar um bit, cada mdulo

analisa o barramento e verifica se outro mdulo na rede o sobrescreveu (vale

acrescentar que um bit Dominante sobrescreve eletricamente um Recessivo). Um

mdulo interromper imediatamente sua transmisso, caso perceba que existe outro

mdulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando seu bit recessivo

sobrescrito por um dominante). Este mdulo, com maior prioridade, continuar

normalmente sua transmisso.

3.4.2 Formatos das Mensagens

Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN (ISO, 1993):

CAN 2.0A: Mensagens com identificador de 11 bits. possvel ter at 2048

mensagens em uma rede constituda sob este formato, o que pode caracterizar uma

limitao em determinadas aplicaes. A Figura 14 apresenta o quadro de mensagem

do CAN 2.0A.

Fonte: ISO,1993

Figura 14 Quadro de Mensagem CAN 2.0A

CAN 2.0B: Mensagens com identificador de 29 bits. possvel ter aproximadamente

537 milhes de mensagens em uma rede constituda sob este formato. Percebe-se que

a limitao em virtude da quantidade de mensagens no mais existe. Por outro lado,

o que pode ser observado em alguns casos que, os 18 bits adicionais no

identificador aumentam o tempo de transmisso de cada mensagem, o que pode

caracterizar um problema em determinadas aplicaes que trabalhem em tempo-real

25

(problema conhecido como overhead5).

mensagem do formato CAN 2.0B.

Figura 15 Quadro de

3.4.3 Padres Existentes

Os fundamentos do CAN so especificado

a ISO11898 e a ISO11519-2. A primeira,

uma rede trabalhando com alta velocidade

1Mbps). A segunda, ISO11519-2, dete

trabalhando com baixa velocidade (de 10K

Ambos os padres especificam as camada

se considerado o padro de comunicao

camadas, da 3 7, so especificadas por ou

aplicao especfica.

Existem diversos padres fundamentados n

NMEA 2000: Baseado no CAN areas.

SAE J1939: Baseado no CAN 2.0especialmente nibus e caminhes.

DIN 9684 LBS: Baseado no CAN

ISO 11783: Baseado no CAN 2agrcolas.

5: Overhead o tempo de processamento requerido para A Figura 15 apresenta o quadro de

Fonte: ISO,1993

Mensagem CAN 2.0B

s por duas normas (GUIMARES, 2001):

ISO11898, determina as caractersticas de

de transmisso de dados (de 125Kbps a

rmina as caractersticas de uma rede

bps a 125Kbps).

s fsica e de dados, respectivamente 1 e 2

OSI de 7 camadas (ISO7498). As demais

tros padres, cada qual relacionado a uma

o CAN, dentre os quais pode-se destacar:

2.0B e utilizado em aplicaes navais e

B e utilizado em aplicaes automotivas,

2.0A e utilizado em aplicaes agrcolas.

.0B e tambm utilizado em aplicaes

a verificao de erros e o controle da transmisso.

26

Os padres supracitados especificam o equivalente s camadas de Rede (3),

Transporte (4), Sesso (5), Apresentao (6) e Aplicao (7), do padro OSI,

incluindo-se as mensagens pertinentes ao dicionrio de dados de cada aplicao em

especial.

Por diversas vezes, quando se analisa um protocolo de comunicao (BRAGAZZA,

2000), este pode ser associado a uma determinada classe, que poder ser A, B ou

C (conforme glossrio de termos tcnicos da norma SAE J1213). A Classe A

abrange os protocolos que trabalham em baixa velocidade (at 10Kbps). A Classe

B abrange os protocolos que trabalham em mdia velocidade (de 10Kbps a

125Kbps). A Classe C, por fim, abrange os protocolos que trabalham em alta

velocidade (de 125Kbps a 1Mbps). O CAN est classificado dentro das classes B e

C, dependendo diretamente da aplicao analisada.

3.4.4 Deteco de Falhas

Algumas das maiores vantagens do CAN a sua robustez e a capacidade de se

adaptar s condies de falha (ISO, 1993); (BRAGAZZA, 2000), temporrias e/ou

permanentes. Pode-se classificar as falhas em uma rede CAN em trs categorias ou

nveis: Nvel de Bit, Nvel de Mensagem e Nvel Fsico.

Nvel de Bit: Possui dois tipos de erro possveis:

Bit Monitoring: Aps a escrita de um bit dominante, o mdulo transmissor verifica o estado do barramento. Se o bit lido for recessivo, significar que

existe um erro no barramento.

Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo valor (dominante ou recessivo). Caso seja necessrio transmitir seqencialmente

seis ou mais bits de mesmo valor, o mdulo transmissor inserir,

imediatamente aps cada grupo de cinco bits consecutivos iguais, um bit de

valor contrrio. O mdulo receptor ficar encarregado de, durante a leitura,

retirar este bit, chamado de Stuff Bit. Caso uma mensagem seja recebida com

pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado ter ocorrido no

barramento.

27

Nvel de Mensagem: So trs os tipos de erro possveis:

CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um checksum. O mdulo transmissor calcula um valor em funo dos bits da mensagem e o transmite

juntamente com ela. Os mdulos receptores recalculam este CRC e verificam

se este igual ao transmitido com a mensagem.

Frame Check: Os mdulos receptores analisam o contedo de alguns bits da mensagem recebida. Estes bits (seus valores) no mudam de mensagem para

mensagem e so determinados pelo padro CAN.

Acknowledgment Error Check: Os mdulos receptores respondem a cada mensagem ntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de

uma mensagem resposta que enviada ao mdulo transmissor. Caso esta

mensagem resposta no seja recebida (pelo transmissor original da

mensagem), significar que, ou a mensagem de dados transmitida estava

corrompida, ou nenhum mdulo a recebeu.

Toda e qualquer falha acima mencionada, quando detectada por um ou mais mdulos

receptores, far com que estes coloquem uma mensagem de erro no barramento,

avisando toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor

dever reenvi-la.

Alm disso, a cada mensagem erroneamente transmitida ou recebida, um contador de

erros incrementado em uma unidade nos mdulos receptores, e em oito unidades no

transmissor. Mdulos com estes contadores iguais a zero so considerados Normais.

Para os casos em que os contadores contm valores entre 1 e 127, os mdulos so

considerados Error Active. Contadores contendo valores entre 128 e 255 colocam os

mdulos em condio de Error Passive. Finalmente, para contadores contendo

valores superiores a 255, os mdulos sero considerados em Bus Off e passaro a no

mais atuar no barramento. Estes contadores tambm so decrementados a medida

que mensagens corretas so recebidas, o que reduz o grau de incerteza em relao a

atividade dos mdulos ora com contadores contendo valores diferentes de zero e

possibilita novamente a plena participao deles no barramento.

28

Nvel Fsico: Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a ocorrer

com os fios de dados CAN_H e CAN_L, a rede continuar operando sob uma

espcie de modo de segurana. Seguem abaixo algumas das condies de falha nas

linhas de comunicao que permitem a continuidade das atividades da rede:

Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC);

Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L;

Ruptura do CAN_H (ou CAN_L);

3.4.5 Aspectos de Implementao

3.4.5.1 Dicionrio de Dados

a parte mais dedicada aplicao quando se trabalha com um protocolo como o

CAN. O Dicionrio de Dados (ou Data Dictionary) o conjunto de mensagens que

podem ser transmitidas naquela determinada rede (GMB, 2001).

A forma mais interessante de se organizar um dicionrio de dados criando uma

matriz com todos os mdulos da rede. Esta matriz mostrar cada mensagem sob a

responsabilidade de cada mdulo, relacionando quem a transmite e quem a recebe.

Outros dados importantes nesta matriz so: o tempo de atualizao dos valores da

mensagem, o intervalo de transmisso da mesma e o valor relativo ao seu

identificador. Alm desta matriz, a documentao referente ao Dicionrio de Dados

dever conter uma descrio detalhada de cada mensagem, bit a bit.

O Dicionrio de Dados implementado numa rede CAN via software e dever ser o

mesmo (ter a mesma verso de atualizao, inclusive) em todos os mdulos

conectados rede. Isto garantir total compatibilidade entre os participantes do

barramento.

29

3.4.5.2 Exemplo de Rede

Uma rede CAN (ISO, 1993), dependendo da sua aplicao, poder ter at centenas

de mdulos conectados. O valor mximo para a conexo de mdulos em um

barramento depende da norma que se utiliza na dada aplicao.

Toda rede CAN possui dois Terminadores. Estes terminadores nada mais so que

resistores com valores entre 120 e 124 ohms, conectados rede para garantir a

perfeita propagao dos sinais eltricos pelos fios da mesma. Estes resistores, um em

cada ponta da rede, garantem a reflexo dos sinais no barramento e o correto

funcionamento da rede CAN.

Outra caracterstica de determinadas aplicaes fundamentadas no CAN que estas

podero ter duas ou mais sub-redes trabalhando, cada qual, em uma velocidade

diferente. Os dados so transferidos de uma sub-rede para a outra atravs de mdulos

que atuam nas duas sub-redes. Estes mdulos so chamados de Gateways (a serem

explicados no captulo 5).

A Figura 16 ilustra a rede CAN anteriormente apresentada para um sistema

automotivo, com duas sub-redes e os dois terminadores ilustrados. O Gateway desta

aplicao o Painel de Instrumentos.


Figura 16 Exemplo de rede CAN com Gateway e Terminadores

30

3.4.5.3 Montagem da Rede

Barramento o termo tcnico que representa os condutores eltricos das linhas de

comunicao e a forma como eles so montados. Apesar de parecer simples, o ato de

interligar os mdulos requer bastante ateno.

Sobre o cabeamento necessrio (ISO, 1993), considerando-se uma aplicao CAN de

dois fios, deve-se utilizar par tranado onde a seco transversal de cada um dos fios

deve ser de no mnimo 0,35mm.

As duas terminaes (resistores de aproximadamente 120 ohms), do ponto de vista

terico, podem ser instaladas nas extremidades do chicote, diretamente nos fios de

dados CAN_H e CAN_L. Do ponto de vista prtico isto extremamente complexo.

O que deve ser feito adicionar as terminaes nas duas ECUs conectadas aos

extremos da rede. Se as ECUs forem montadas dependendo dos opcionais da

mquina, deve-se procurar instalar as terminaes nas ECUs que sempre estaro

presentes nela. As terminaes so mandatrias numa rede CAN.

Fonte: AGRITHECNICA, 1999

Figura 17 Geometria de uma rede CAN

31

No momento de se projetar o roteamento do barramento (AGRITHECNICA, 1999),

algumas regras em relao ao comprimento dos chicotes devem ser observadas. O

sincronismo das operaes das ECUs no CAN fundamentado no tempo de

propagao fsica das mensagens no barramento. Assim, a relao do comprimento

de determinados intervalos do chicote no barramento so fundamentais ao bom

funcionamento da rede.

A Figura 17 mostra um diagrama que ilustra as medidas que devem ser observadas

no desenvolvimento do chicote.

Destaca-se que, aps o barramento ser montado, caso seja necessrio qualquer

retrabalho no mesmo, aconselhvel a troca do chicote eltrico danificado. Emendas

podero alterar a impedncia caracterstica da rede e com isso afetar o seu

funcionamento.

3.5. Consideraes Finais

Neste captulo, atravs da avaliao dos trs protocolos acima descritos (RS232,

RS485 e CAN Bus), pode-se concluir que o CAN possui caractersticas que o

qualificam para o desenvolvimento de aplicaes embarcadas - Veiculares ou

Agrcolas (GUIMARES, 2001).

32

Este captulo trata das normas baseadas no protocolo CAN e j consideradas, de alguma forma, em aplicaes agrcolas. Ao final do captulo feita uma comparao entre os padres e sugerido um deles como o melhor para aplicaes agrcolas futuras.

4. O CAN BUS NA AGRICULTURA

4.1. Introduo

Como citado anteriormente, existem vrios padres fundamentados no CAN - padro

ISO11898 para redes de alta velocidade e ISO11519-2 para redes de baixa

velocidade. Alguns deles j foram considerados em estudos e no desenvolvimento de

algumas aplicaes agrcolas. Destacam-se os seguintes:

SAE J1939: Originalmente desenvolvida para nibus e caminhes;

DIN9684 LBS: Desenvolvida especificamente para aplicaes agrcolas;

ISO11783: Padro em desenvolvimento a ser utilizado em aplicaes agrcolas;

ISOBUS: Reunio de algumas informaes da ISO11783, j liberadas (em avanado) pela ISO com o intuito de orientar determinados desenvolvimentos

agrcolas.

4.2. SAE J1939

Este padro define todos os nveis necessrios a um protocolo, para que o mesmo

possa ser efetivamente utilizado em aplicaes completas (KVASER, 2000a),

especialmente as relacionadas a nibus e caminhes, segmentos para os quais a

J1939 foi desenvolvida.

Baseada no CAN 2.0B, a J1939 foi considerada como ponto de partida dos trabalhos

que buscam a criao de um padro agrcola internacional ISO (STONE; ZACHOS,

2000); (STONE, 2000). Partes do padro internacional (em desenvolvimento) foram

baseadas na J1939. Por outro lado, partes da J1939 foram modificadas, recebendo

informaes e requisitos destinados s aplicaes agrcolas (STONE; ZACHOS,

2000).

33

Trabalha com velocidade de transmisso de 250Kbps, comportando at 30 ns

conectados a cada segmento do barramento.

O cabeamento utilizado possui 4 fios tranados, um para a linha CAN_H, outro para

a linha CAN_L e os demais para a alimentao das terminaes (Alimentao ou

Bateria e Referncia ou Terra).

Comparando-se as partes da J1939 com as correspondentes ISO, percebe-se

claramente que o esperado padro internacional procura tirar da norma SAE,

especificaes j implementadas e validadas em outras aplicaes (STONE, 2000).

Destaca-se a Camada de Enlace (Data Link Layer) onde dois PDUs (Protocol Data

Units) so utilizados. Estes PDUs sero melhor descritos no captulo 5. De qualquer

forma, vale adiantar que possvel transmitir at 8672 mensagens diferentes, 480 sob

o PDU #1 e 8192 sob o PDU #2 e a quantidade de bytes de dados a serem

transmitidos pode variar de 8 a 1785 (STEPPER, 1999).

4.3. DIN9684 LBS

A LBS (Landwirtschaftliches Bus System ou Agricultural Bus System)

(GUIMARES, 2001), como chamada no meio agrcola, foi desenvolvida com

base no CAN 2.0A, especificamente para as aplicaes agrcolas. O grupo

responsvel por sua criao foi formado pela LAV (Associao dos Fabricantes de

Mquinas Agrcolas), empresas e instituies alems. Finalizado em 1993 (LAV,

1998); (LAV, 2000a); (LAV, 2000b), a principal motivao para sua criao foi o

crescimento acelerado da disponibilidade de equipamentos eletrnicos para

aplicaes agrcolas (SPECKMANN; JAHNS, 1999).

Este protocolo define todos os componentes necessrios a um barramento de

comunicao agrcola, tendo como caractersticas principais (SPECKMANN;

JAHNS, 1999) a capacidade de trabalhar com at 2048 mensagens diferentes e

interligando o mximo de 20 ns em uma rede de 40 metros e taxa de transmisso de

125 Kbps.

34

Diversos equipamentos, desenvolvidos sob ela, j so comercializados. Como

exemplo, pode-se citar o sistema Fieldstar (FIELDSTAR, 2000), hoje

comercializado como opcional dos tratores da empresa Massey Ferguson ou AGCO.

Trata-se de um terminal de operao responsvel por receber todos os dados

disponveis no trator e implementos, calcular a partir deles uma srie de informaes

e orientar o operador do sistema realizao de determinadas aes requeridas boa

continuidade das atividades. A Tabela 1 mostra alguns equipamentos disponveis,

desenvolvidos considerando-se a LBS.

Fabricante Equipamento em Comercializao

Hardi Controlador de Pulverizao

LH-Agro Interface Adaptadora (Sinais Discretos X LBS)

AGCO-Fieldstar Terminal Virtual

John Deere Terminal Virtual

Muller / AgroCom Terminal Virtual

Kverneland Terminal Virtual

WTK Terminal Virtual

Tabela 1 DIN9684: Produtos e seus Fabricantes

Entretanto, analisando-se as vrias literaturas disponveis (SPECKMANN; JAHNS,

1999); (SIGRIMIS, 2000); (SPECKMANN, 2000), percebe-se que mesmo sendo

aplicado a equipamentos j em comercializao, a LBS no a melhor soluo para

todas as aplicaes agrcolas, especialmente as futuras. Um padro com uma maior

quantidade de pontos disponveis na rede, maior taxa de transmisso e maior

quantidade de mensagens, o que aumentaria a flexibilidade do sistema, realmente

necessrio. De qualquer forma, todos os trabalhos realizados sobre a LBS tm sido

utilizados como referncia s atividades da Comisso ISO que trata da criao da

ISO11783.

35

A Tabela 2 relaciona as partes existentes da norma LBS (SPECKMANN; JAHNS,

1999).

Parte Descrio em Portugus (Descrio Oficial em Ingls)

Parte 1 Conexo Ponto a Ponto (Point to Point Connection)

Parte 2 Barramento Serial de Dados (Serial Data Bus)

Parte 3 Funes do sistema, Identificador (System Functions, Identifier)

Parte 4 Estao do Usurio (User Station)

Parte 5 Troca de Dados com o Sistema de Gerenciamento de Informaes. Controlador de Tarefa #1 (Data Exchange with the Management Information System, Task Controller #1)

Tabela 2 Partes da DIN9684 (LBS)

4.4. ISO11783

O ISO11783 um padro de comunicao agrcola baseado no CAN 2.0B. Est em

desenvolvimento pelo grupo de trabalho ISO TC23/SC19/WG1, que procura reunir

os diversos requerimentos dos sistemas agrcolas atuais e predizer o que seria

interessante em um protocolo de comunicao, para que o mesmo seja flexvel e

possa suportar as diversas aplicaes futuras (SIGRIMIS, 2000).

Esta norma, assim como a DIN9684 LBS, define todos os componentes necessrios

a um barramento agrcola. Tem como caractersticas principais (HOFSTEE;

GOENSE, 1999); (STONE, 2000) a capacidade de trabalhar com at 8672

mensagens diferentes (condio adquirida da SAE J1939) e interligando o mximo

de 256 ns em uma rede de 40 metros e taxa de transmisso de 250 Kbps. Adiante,

no captulo 5 desta dissertao, a norma ISO11783 ter seus conceitos principais

explicados.

Como dito anteriormente (SPECKMANN; JAHNS, 1999); (SIGRIMIS, 2000);

(SPECKMANN, 2000), grande parte dos resultados obtidos com os demais

protocolos de comunicao em aplicaes agrcolas tm sido direcionados aos

trabalhos de criao da ISO11783. Este fator garante a abrangncia desta norma a

36

todas as aplicaes agrcolas existentes (as atuais que operam sob a DIN9684) e s

futuras.

A Tabela 3 relaciona as partes existentes da norma ISO11783 (SPECKMANN;

JAHNS, 1999). Vale mencionar que se optou pela separao da norma em onze

partes, nomeando-as da forma apresentada a seguir, com o intuito de facilitar a

relao da ISO11783 ao padro de comunicao OSI de 7 camadas (ISO7498).

Parte Descrio em Portugus (Descrio Oficial em Ingls)

Parte 1 Padro Geral para Comunicao Mvel de Dados (General Standard for Mobile Data Communication)

Parte 2 Camada Fsica (Physical Layer)

Parte 3 Camada de Enlace (Data Link Layer)

Parte 4 Camada de Rede (Network Layer)

Parte 5 Camada de Gerenciamento (Network Management)

Parte 6 Terminal Virtual (Virtual Terminal)

Parte 7 Camada de Aplicao de Mensagens do Implemento (Implement Messages Applications Layer)

Parte 8 Mensagens do Motor e Transmisso (Powertrain Messages)

Parte 9 ECU do Trator (Tractor ECU)

Parte 10 Controlador de Tarefa & Interface do Computador de Gerenciamento (Task controller & Management Computer Interface)

Parte 11 Dicionrio de Dados (Data Dictionary)

Tabela 3 Partes da ISO11783

4.5. ISOBUS

A ISOBUS assim chamada pois rene algumas informaes de determinadas partes

da norma ISO11783. O objetivo desta recomendao ISOBUS permitir que

alguns segmentos da indstria de equipamentos agrcolas, especialmente os ligados

ao desenvolvimento de Monitores de Operao ou Terminais Virtuais, iniciem suas

atividades fundamentados em documentos com contedo oficial, internacional e,

especialmente, padronizado.

37

O que se espera com a liberao do chamado Conjunto Mnimo do Padro6 que

parte dos desenvolvimentos atualmente em andamento, j considerem os conceitos

da ISO11783 em seus projetos (FELLMETH, 2002).

O trecho abaixo, retirado do documento oficial da ISOBUS (ISO, 2002), descreve o

sentimento do grupo responsvel por sua liberao:

ISOBUS a especificao comum dos fabricantes participantes da aplicao

uniforme do padro internacional de Controle Serial e Rede de Comunicao de

Dados ISO11783. Como o padro ISO muito extenso e muito complexo para

aplicao direta, uma especificao orientada aplicao foi dele derivado:

ISOBUS.

De acordo com membros participantes do grupo ISO, a ISOBUS ser atualizada no

incio de 2003; quando ocorrero mudanas nas especificaes relacionadas aos

Terminais Virtuais e, conseqentemente, nos projetos relacionados a tais sistemas

(FELLMETH, 2002).

Iniciativas como esta, de liberar um conjunto mnimo de especificaes relacionadas

a um padro completo, mostram a preocupao das instituies e empresas

relacionadas agricultura em dar subsdios tecnolgicos ao desenvolvimento de

sistemas de controle modernos e, acima de tudo, internacionalmente padronizados.

4.6. Comparao entre as Normas

Pode-se avaliar cada um dos padres citados anteriormente de duas formas: Tcnica

e de Mercado (GUIMARES, 2001).

Do ponto de vista tcnico, os padres SAE J1939 e ISO11783 so similares, posio

reforada pelo fato de eles terem partes de suas normas em comum. Sendo

fundamentados no CAN 2.0B e com taxa de transmisso de 250Kbps, torna-se

possvel atravs deles a implementao de sistemas flexveis e com boa capacidade

de expanso.

6: O Minimum Standard Set (ou Conjunto Mnimo do Padro) o nome do documento que representa o ISOBUS.

38

J o DIN9684 LBS, especialmente por ter sido fundamentado no CAN 2.0A, por

agregar no mais que 20 ns e trabalhar com taxa de transmisso mxima de

125Kbps, no suportaria determinadas necessidades de controle embarcado

(SPECKMANN; JAHNS, 1999); (SIGRIMIS, 2000); (STONE, 2000).

Do ponto de vista de mercado, se analisados os mesmos trs padres, percebe-se que

o nico com sistemas efetivamente implementados e comercializados o DIN9684

LBS, sendo em sua grande maioria Monitores de Operao e Terminais Virtuais

(HOFSTEE; GOENSE, 1999); (STONE; ZACHOS, 2000); (FIELDSTAR, 2000).

Por outro lado, a ISOBUS tem sido referncia a diversos fabricantes e ferramentas de

trabalho no desenvolvimento de vrios sistemas, especialmente Receptores GPS,

Terminais Virtuais e Unidades de Controle de Trator e Implemento, que devero

estar disponveis a partir de 2003 (FELLMETH, 2002).

A Tabela 4 relaciona alguns fabricantes e seus dispositivos cujo desenvolvimento

tem sido fundamentado na ISOBUS (FELLMETH, 2002).

Fabricante Dispositivo ou Equipamento em Desenvolvimento

Beeline Technologies Receptor GPS

Caterpillar / AGCO ECU de Trator

CNH Global Terminal Virtual

John Deere Terminal Virtual ECU de Implemento

Kverneland Terminal Virtual ECU de Implemento

Satloc Receptor GPS

Technical University of Muenchen

ECU Controladora de Tarefas Indicador de Implemento (espcie de Terminal Virtual)

Trimble Receptor GPS

Vector Informatik Ferramenta de Anlise CANoe 4.0

Tabela 4 ISOBUS: Produtos e seus Fabricantes

39

Finalmente, considerando-se as partes de cada uma das normas como similares entre

si em vrios aspectos, a anlise de suas documentaes resulta em uma tabela de

equivalncia entre elas.

A Tabela 5 relaciona as partes das normas SAE J1939, DIN9684 LBS e ISO11783

(GUIMARES, 2001).

Normas e Partes

Descrio da Parte ISO 11783 SAE

J1939 DIN 9684

Padro Geral para Comunicao Mvel de dados #1 #2 No Disponvel

Camada Fsica #2 #12 #2

Camada de Enlace #3 #21 #3

Camada de Rede #4 #31 #2 e #3

Camada de Gerenciamento #5 #81 #3

Terminal Virtual #6 #72 #4

Camada de Aplicao de Mensagens do Implemento #7 No Disponvel #3

Mensagens do Motor e Transmisso #8 No Disponvel No

Disponvel

ECU do Trator #9 #71 No Disponvel

Controlador de Tarefa & Interface do Computador de Gerenciamento #10 No Disponvel #5

Dicionrio de Dados #11 No Disponvel #3

Tabela 5 Equivalncia entre as partes das Principais Normas

4.7. Consideraes Finais

Neste captulo mencionou-se que grande parte das atividades executadas at o

momento, no s com a LBS, mas tambm com a SAE J1939, buscaram e

contriburam para o aumento das experincias com os protocolos de comunicao

serial nas aplicaes agrcolas e auxiliaram o desenvolvimento do padro ISO11783.

40

Por observaes como esta, reforada ainda pela liberao de um padro ISO

simplificado, o ISOBUS, que se acredita ser a ISO11783 a melhor norma para as

aplicaes agrcolas atuais e futuras (GUIMARES, 2001).

41

Este captulo analisa a norma ISO11783 parte a parte e sugere um roteiro de

5. ISO11783: O CAN BUS AGRCOLA

Considerando-se as atividades envolvidas

aplicao, deve-se considerar como uma d

do protocolo a ser utilizado. Este trabalho

complexo e demorado, demandando recur

nisso, este captulo prope um roteiro de an

5.1. Anlise da Norma Caractersticas

A norma ISO11783 tem sido desenvolvida

TC23/SC19/WG17, com o intuito de e

comunicao s aplicaes agrcolas. com

esto finalizadas e publicadas como padr

sido objeto de estudos e atualizaes por p

Durante o desenvolvimento desta pesquisa

contatos nacionais e internacionais, dos q

canal de comunicao direto com o gru

Vector Informatik GmbH (FELLMETH,

com esta empresa, destaca-se o que relacio

situao em Agosto de 2002, ltima reun

estas informaes (FELLMETH, 2002).

O grupo ISO tem como plano de trabalh

anuais para discusses gerais da norma, s

estudo e desenvolvimento das partes 6

(FELLMETH, 2002).

7: TC23/SC19/WG1 significa Technical Committee 23 (TrCommittee 19 (Agricultural Electronics) / Working Group 1estudo e implementao da norma, que facilitar o desenvolvimento de aplicaes futuras.

no desenvolvimento de uma determinada

as etapas do processo a anlise da norma

de avaliao de uma norma , geralmente,

sos nem sempre disponveis. Baseando-se

lise e implementao da ISO11783.

Principais

desde 1991 pelo grupo internacional ISO

stabelecer um padro internacional de

posta por onze partes, das quais quatro j

o internacional, enquanto as demais tm

arte desse grupo de trabalho.

de mestrado, foram estabelecidos vrios

uais pode-se destacar, a abertura de um

po ISO, conseguido atravs da empresa

2002). Dentre os vrios e-mails trocados

na cada uma das partes da norma e a sua

io do grupo ISO. A Tabela 6 relaciona

o a realizao de trs a quatro reunies

endo atualmente o foco das atividades o

(Terminal Virtual) e 9 (ECU do Trator)

actors and machinery for agriculture and forestry) / Sub- (Mobile equipment) [www.iso.org].

42

A finalizao das atividades sobre esta norma, assim como sua publicao final, no

possui data estabelecida (FELLMETH, 2002). Entretanto, percebe-se forte presso

por parte das empresas e instituies agrcolas no sentido de se finalizar este padro

durante o ano de 2003.

Parte Descrio em Portugus (Descrio Oficial em Ingls) Situao em Agosto 2002

Parte 1 Padro Geral para Comunicao Mvel de dados (General Standard for Mobile Data Communication) Rascunho de Trabalho

(Working Draft)

Parte 2 Camada Fsica (Physical Layer) Padro Internacional

(International Standard)

Parte 3 Camada de Enlace (Data Link layer) Padro Internacional


Parte 4 Camada de Rede (Network Layer) Padro Internacional


Parte 5 Camada de Gerenciamento (Network Management) Padro Internacional


Parte 6 Terminal Virtual (Virtual Terminal) Rascunho Final

(Final Draft)

Parte 7 Camada de Aplicao de Mensagens do Implemento (Implement Messages Applications Layer) Rascunho Final

(Final Draft)

Parte 8 Mensagens do Motor e Transmisso (Powertrain Messages) Rascunho de Trabalho

(Working Draft)

Parte 9 ECU do Trator (Tractor ECU) Rascunho Final

(Final Draft)

Parte 10 Controlador de Tarefa & Interface do Computador de Gerenciamento (Task controller & Management Computer Interface) Rascunho de Trabalho

(Working Draft)

Parte 11 Dicionrio de Dados (Data Dictionary) Rascunho de Trabalho

(Working Draft)

Tabela 6 Partes da ISO11783: Situao em Agosto de 2002

43

A Figura 18 ilustra uma rede de comunicao de dados baseada na ISO11783. Cada

componente desta rede ser abordado adiante.

Fonte: Adaptado de SOUSA, 2002

Figura 18 Rede de comunicao baseada na ISO11783

Os pargrafos seguintes descrevem as caractersticas principais de cada parte da

norma:

Parte 1 Padro Geral para Comunicao Mvel de dados (General Standard for

Mobile Data Communication) (ISO, 1994a):

Esta parte uma espcie de introduo s demais. Menciona os documentos ISO que

servem de referncia criao da ISO11783, assim como uma Lista de Definies e

uma Lista de Abreviaes utilizadas pelas demais partes.

O modelo OSI de 7 camadas (ISO7498) sucintamente explicado, assim como cada

uma das demais partes da ISO11783 (da 2 11).

Em seus anexos, podem ser encontradas tabelas que relacionam os valores possveis

dos seguintes componentes do protocolo:

PDUs #1 e #2 Protocol Data Unit (Unidade de Dados do Protocolo),

PG Parameter Group (Grupo de Parmetros),

44

IG Industry Group (Grupo de Indstria),

SA Source Address (Endereo-Fonte) e

DID Device Identifier (Identificador de Dispositivo).

Alm destas tabelas, alguns formulrios para solicitao de alterao da norma esto

disponveis. Eles podem ser utilizados por qualquer pessoa, empresa ou entidade que

tenha alguma sugesto s partes da norma.

Parte 2 Camada Fsica (Physical Layer) (ISO, 1994b):

Esta parte estabelece as caractersticas fsicas do protocolo que devem ser

consideradas por aplicaes baseadas na ISO11783.

A quantidade mxima de ECUs permitida por segmento em uma dada aplicao de

30 unidades. O cabeamento deve ser constitudo por um conjunto no blindado de

quatro fios tranados, cujas denominaes so:

CAN_H CAN High

CAN_L CAN Low

CAN_BAT CAN Battery

CAN_GND CAN Ground

Assim como descrito na ISO11898 (Figura 13), existem dois nveis de tenso em um

barramento baseado na ISO11783 (referentes aos bits dominante e recessivo). Por

outro lado, diferentemente do especificado pela ISO11898, a ISO11783 estabelece

que um bit recessivo representado por uma tenso diferencial Vdiff de 1 volt,

enquanto que um bit dominante representado por uma tenso diferencial Vdiff de

+1 volt.

45

A curva que representa tal comportamento pode ser vista na Figura 19.

Fonte: ISO, 1994b

Figura 19 Nveis de Tenso no CAN (conforme ISO11783)

A taxa de transmisso indicada pelo padro de 250 Kbps e o comprimento mximo

da rede de 40 metros.

A norma tambm trata dos requisitos relacionados aos tempos internos s ECUs e

rede (como o tempo interno de atraso e a sua propagao), e as formas de

sincronizao das ECUs conectadas rede.

Outro ponto tratado pela parte 2 da ISO11783 o conceito de terminao. Deve-se

considerar terminaes ativas, as quais tm seus conceitos eletrnicos descritos nos

anexos da parte em questo. Vale mencionar que a norma ISO11898 especifica

terminaes passivas, implementadas por dois resistores de 120 ohms cada (ambos

conectados em qualquer parte da rede, entre as linhas CAN_H e CAN_L).

Sobre a topologia da rede, especificado que ela deve seguir uma estrutura linear

com o intuito de evitar ressonncias no cabeamento. O diagrama anteriormente

mostrado na Figura 17 mostra as medidas recomendadas pelo padro.

Outros componentes especificados pela ISO11783 so os conectores utilizados na

montagem da rede. Seus formatos, tamanhos e disposio dos pinos e funes so

46

relacionados com o intuito de assegurar a intercambiabilidade entre sistemas de

diferentes fabricantes.

Diversos testes de conformidade so descritos procurando-se garantir que as

caractersticas eltricas da rede satisfaam a norma. Alm disso, uma srie de

condies de rompimento e curto-circuito dos quatro fios envolvidos na

comunicao e alimentao so descritas e seus efeitos explicados. A Figura 20

mostra cada uma das condies consideradas pela norma.

Fonte: STRAUSS, 2001

Figura 20 Rompimentos e Curtos em uma rede ISO11783

Parte 3 Camada de Enlace (Data Link Layer) (ISO, 1997):

Esta parte da norma responsvel por descrever o mtodo e o formato da

transferncia dos dados entre os vrios componentes do sistema. De acordo com a

descrio desta parte, o controle de fluxo dos dados em uma dada transmisso

conseguido atravs de um formato de quadro de mensagem consistente. No caso da

ISO11783, o formato das mensagens baseado na especificao CAN 2.0B, onde os

identificadores das mensagens so formados por 29 bits. De qualquer forma, uma

rede desenvolvida sob os conceitos desta norma ISO dever ser capaz de trabalhar

com ambos os formatos, CAN 2.0B e CAN 2.0A, sendo este ltimo caso utilizado

47

por mensagens proprietrias. As Figuras 14 e 15, mostradas anteriormente, ilustram

os dois formatos possveis de mensagens.

Um conceito importante, que deve ser entendido quando se analisa a norma

ISO11783, o relacionado ao termo PDU. Um PDU determina qual tipo de

informao ser agrupada (e como), para que uma dada mensagem seja criada e

transmitida. A parte 3 da ISO estabelece que o PDU deve ser formado por sete

campos pr-determinados, conforme mostrado na Tabela 7.

Representao Descrio em Portugus (Descrio Oficial em Ingls)

P Prioridade (Priority)

R Reserva (Reserved)

DP Pgina de Dados (Data Page

disser ta cao

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