EDUARDO PACINCIA GODOY
Desenvolvimento de uma Ferramenta de Anlise de Desempenho de Redes CAN (Controller Area Network) para Aplicaes em Sistemas Agrcolas
Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia. Programa de Ps Graduao: Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Manufatura Orientador: Ricardo Yassushi Inamasu
So Carlos 2007
Aos meus pais, Antnio e Terezinha, pelo fato de sempre acreditar e nunca desistir.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Ricardo Yassushi Inamasu pela amizade, companheirismo, aprendizagem
e orientao.
Ao Professor Arthur Jos Vieira Porto pela oportunidade oferecida, pela dedicao e
busca contnua de melhorias para a Escola de Engenharia de So Carlos.
Ao colega doutorando Rafael Vieira de Sousa que com seu conhecimento me ajudou
nas atividades relacionadas a esse trabalho.
A todos os novos amigos e funcionrios do Departamento de Engenharia Mecnica da
EESC/USP, em especial aos do Laboratrio de Simulao e Controle, pela convivncia e
colaborao.
Aos amigos da minha cidade Rio Claro, minha namorada e a minha famlia pelo apoio e
incentivo nas horas de desnimo e pela alegria e descontrao nas horas de felicidade.
Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior pela concesso da
bolsa de mestrado e pelo apoio financeiro realizao desta pesquisa.
RESUMO
GODOY, E. P. Desenvolvimento de uma Ferramenta de Anlise de Desempenho de
Redes CAN (Controller Area Network) para Aplicaes em Sistemas Agrcolas. 2007.
93f. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So
Paulo, So Carlos, 2007.
Este trabalho tem base na demanda de pesquisas e desenvolvimento de tecnologias de redes
de comunicao (fieldbus) que visam integrao de sistemas de automao e controle para
aplicaes em sistemas agrcolas. Sistemas agrcolas relacionados com as prticas da
Agricultura de Preciso, com sistemas embarcados em mquinas e implementos agrcolas e
com sistemas de controle de estufas e criadouros. fundamentado tambm pelos esforos
conjuntos no sentido de promover padronizao e implementao da norma ISO11783,
baseada no CAN, que d suporte s prticas agrcolas relacionadas com a aquisio e
transmisso de grande quantidade de dados. Um dos principais desafios associados ao projeto
e utilizao de redes de comunicao como o CAN, est relacionado dificuldade de
definio dos parmetros de configurao para um bom desempenho da rede. O
dimensionamento desses parmetros exerce forte influncia no desempenho da rede analisada.
Sob o contexto destas necessidades relacionadas, este trabalho apresenta a pesquisa e o
desenvolvimento de uma ferramenta de anlise de desempenho de redes fieldbus baseada no
protocolo CAN para integrao de dispositivos em aplicaes em sistemas agrcolas. As
etapas desse desenvolvimento consistem na sistematizao e validao de um modelo
matemtico do enlace de dados da rede, na proposta de uma metodologia de anlise de
parmetros de configuraes relacionados com a rede e na implementao computacional
dessa metodologia. Espera-se que a metodologia implementada seja uma ferramenta que
facilite tarefas de anlise e obteno de dados referentes s aplicaes. O resultado deste
trabalho busca auxiliar no dimensionamento de parmetros de configurao e na otimizao
de redes CAN, alm de fornecer dados que ajudam no desenvolvimento de solues baseadas
no protocolo CAN e na norma ISO11783.
Palavras-chave: Controller Area Network - CAN, ISO11783, ISOBUS, eletrnica embarcada,
modelo matemtico, metodologia de anlise
ABSTRACT
GODOY, E. P. Development of a Performance Analysis Tool of CAN-Based Networks
for Application in Agricultural Systems. 2007. 93f. Dissertation (Master of Science)
School Engineering of So Carlos, University de So Paulo, So Carlos, 2007.
This work has base in the demand of research and development of data communication
networks (fieldbus) to support the integration of control and automation devices for
applications in agricultural systems. Agricultural systems related with the Precision
Agriculture practices, with the embedded systems in agricultural machinery and with the
greenhouses control and livestock systems. It is also guided by the efforts on the
implementation of ISO11783 standard. The ISO11783 (also called ISOBUS) standard
communication link is a common tendency to integrated different devices on agricultural
machinery through an embedded control network. The ISOBUS use the Controller Area
Network (CAN) as a data link protocol to perform the data communication. The correct
definition of the data link configuration parameters represents one of the main challenges
related to the design of CAN-based networks. The definition of these parameters has
influence in the performance of the analyzed network. This work presents the research and the
development of a performance analysis tool of CAN-based networks for applications in
agricultural systems. This development consists of the systematization and validation of a
CAN mathematical model. An analysis methodology is proposed to use the mathematical
model. A simulation software was built and implements the methodology. It is expected that
the implemented methodology facilitates the analysis tasks of the configuration parameters of
the applications. The result obtained may assist in the performance evaluation and in the
definition of an optimized configuration for the network based on CAN protocol and
ISO11783 standard.
Keywords: Controller Area Network CAN, ISO11783, ISOBUS, embedded electronics,
mathematical model, and analysis methodology
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplo de Conexo de Equipamentos via Rede CAN (SOUSA, 2002) ...............12
Figura 2 Nveis de Tenso Especificados para o CAN (GUIMARES, 2003) ....................23
Figura 3 Mecanismo de Acesso ao Meio do CAN (Adaptado de CIA, 2005) ......................24
Figura 4 Formato do Quadro de Mensagens CAN (Adaptado de SOUSA 2002) .................24
Figura 5 Rede ISO11783 em Mquina e Implemento (Adaptado de SOUSA, 2002)...........27
Figura 6 Campos do Identificador e Formao das PDU (SOUSA, 2002) ...........................28
Figura 7 Relao entre Perodo de Amostragem e Desempenho do Sistema de Controle via
Rede CAN (Adaptado de LIAN et al., 2006) ...........................................................................32
Figura 8 Tempos da Transmisso de uma Mensagem CAN entre Ns (Adaptado de LIAN,
MOYNE & TILBURY, 2002)..................................................................................................37
Figura 9 - Diagrama Temporal da Transmisso de uma Mensagem CAN (Adaptado de LIAN,
2001) .........................................................................................................................................37
Figura 10 Diagrama de Transmisso de Dados do Perodo de Amostragem T1 da
Metodologia de Otimizao (TIPSUWAN & CHOW, 2003) ..................................................44
Figura 11 Fluxograma de Utilizao da Metodologia de Anlise .........................................47
Figura 12 Tela Inicial do Programa de Simulao de Redes CAN .......................................52
Figura 13 Tela de Entrada de Dados 1 do Programa de Simulao de Rede CAN...............53
Figura 14 Mensagens Possveis Relacionadas Parte de Validao de Dados.....................53
Figura 15 Tela de Entrada de Dados 2 do Programa de Simulao de Rede CAN...............54
Figura 16 Tela de Sada de Dados do Programa de Simulao de Rede CAN .....................55
Figura 17 Planilha Eletrnica Info Utilizao do Relatrio de Resultados Gerados .........56
Figura 18 Planilha Eletrnica Sada de Dados do Relatrio de Resultados Gerados ........57
Figura 19 Esquemtico do Circuito da Interface CAN Padro, (BRAZ et. al. 2004) ...........58
Figura 20 - Imagem da Interface CAN Implementada .............................................................59
Figura 21 Esquema de Desenvolvimento de Programas e Rotinas para o Experimento.......60
Figura 22 Bancada de Montagem da Rede CAN para o Experimento de Validao ............61
Figura 23 Protocolo Proposto para Comunicao entre ECU e PC ......................................61
Figura 24 Comportamento de Operao da Rede CAN com Dados do Programa de
Simulao .................................................................................................................................66
Figura 25 Fluxograma do Processo de Medio e Coleta de Dados da Rede CAN
Experimental.............................................................................................................................67
Figura 26 Comportamento de Operao da Rede CAN com Dados Experimentais .............70
Figura 27 Comparao dos Resultados Obtidos para o Parmetro Tempo de Resposta para
as Simulaes de Operao da Rede CAN ...............................................................................71
Figura 28 Sntese dos Resultados Obtidos para o Parmetro Taxa de Utilizao do
Barramento para as Simulaes de Operao da Rede CAN: (a) Comparao dos Resultados,
(b) Sobreposio dos Comportamentos ....................................................................................72
Figura 29 Estrutura do Rob Agrcola Mvel e Equipamentos Conectados pela Rede CAN
..................................................................................................................................................75
Figura 30 Comparao dos Resultados das Simulaes de Operao da Rede CAN ...........79
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Viso Geral da Norma ISO11783...........................................................................26
Tabela 2 Composio e Funes dos Campos do PDU da Norma ISO11783 ......................28
Tabela 3 Descrio dos Valores do Campo PDU Format.....................................................29
Tabela 4 Descrio dos Parmetros de Configurao de Redes CAN ..................................31
Tabela 5 Descrio dos Parmetros de Desempenho de Redes CAN ...................................33
Tabela 6 Valor das Variveis da Equao (2) para os Tipos de Mensagem CAN ................40
Tabela 7 Dados Definidos para a Utilizao do Modelo Proposto........................................46
Tabela 8 Definio das Mensagens de acordo com a ISO11783 para a Rede CAN Analisada
...................................................................................................................................63
Tabela 9 Valores Definidos para Endereamento das Mensagens ........................................64
Tabela 10 Caracterizao do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do Experimento de
Validao ...................................................................................................................64
Tabela 11 Resultados Obtidos com a Aplicao do Programa de Simulao para a Rede
CAN do Experimento Simulao 1 ........................................................................65
Tabela 12 Parmetros Alterados do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do Experimento
...................................................................................................................................65
Tabela 13 Resultados Coletados da Rede CAN Montada para o Experimento Simulao 1
...................................................................................................................................69
Tabela 14 Comparao dos Resultados Obtidos para Rede CAN do Experimento de
Validao Simulao 1 ...........................................................................................70
Tabela 15 Caracterizao do Conjunto de Mensagens da Rede CAN do Rob Agrcola.....76
Tabela 16 Tempo de Transmisso do Conjunto de Mensagens da Rede CAN com Esquema
de Prioridades P1 .......................................................................................................77
Tabela 17 Valores de Otimizao e Taxas de Utilizao para a Rede CAN.........................77
Tabela 18 Resultados das Simulaes para Determinao do Esquema de Prioridades para o
Conjunto de Mensagens da Rede CAN .....................................................................78
Tabela 19 Especificaes dos Parmetros Alterados em Relao ao Conjunto de Mensagens
da Rede CAN para Simulaes de Operao do Rob Agrcola...............................79
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASAE The American Society of Agricultural Engineers
CAN Controller Area Network
CIA CAN in Automation
CSMA Carrier Sense Multiple Access
DIN Deutsches Institut fr Normung
ECU Electronic Control Unit
EESC Escola de Engenharia de So Carlos
ESALQ Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz
GPS Global Positioning System
I2C Inter-Integrated Circuit
ISO International Organization for Standardization
LBS Landwirtschaftliches BUS System
NDBA Non-Destructive Bitwise Arbitration
NCS Networked Control System
OSI Open Systems Interconnection
PC Personal Computer
PDU Protocol Data Unit
PG Parameter Group
PGN Parameter Group Number
POLI Escola Politcnica da USP
SAE The Society of Automotive Engineers
SPI Serial Peripheral Interface
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
USB Universal Serial Bus
USP Universidade de So Paulo
SUMRIO
1. INTRODUO....................................................................................................................11 1.1 Motivao .......................................................................................................................11 1.2 Objetivos.........................................................................................................................14 1.3 Estrutura e Contedo ......................................................................................................15
2. REVISO BIBLIOGRFICA .............................................................................................16 2.1 Consideraes Iniciais ....................................................................................................16 2.2 Protocolo CAN ...............................................................................................................16 2.3 Anlise de Desempenho .................................................................................................19 2.4 Consideraes Finais ......................................................................................................21
3. REVISO TERICA OU CONCEITUAL .........................................................................22 3.1 Consideraes Iniciais ....................................................................................................22 3.2 Sistematizao do Protocolo CAN .................................................................................22
3.2.1 Conceituao............................................................................................................23 3.2.2 Padronizao na rea Agrcola ...............................................................................25 3.2.3 ISO11783.................................................................................................................25
3.3 Sistematizao da Anlise de Desempenho....................................................................29 3.4 Consideraes Finais ......................................................................................................33
4. PROPOSTA DA FERRAMENTA DE ANLISE ..............................................................35 4.1 Consideraes Iniciais ....................................................................................................35 4.2 Definio do Mtodo de Avaliao de Desempenho .....................................................35 4.3 Estudo Temporal.............................................................................................................36 4.4 Sistematizao do Modelo..............................................................................................39
4.4.1 Tempo de Transmisso Operao sob Condies Normais .................................39 4.4.2 Tempo de Transmisso Operao sob Condies de Erro ...................................41 4.4.3 Taxa de Utilizao e Otimizao.............................................................................43
4.5 Metodologia de Anlise..................................................................................................46 4.6 Consideraes Finais ......................................................................................................48
5. IMPLEMENTAO E AVALIAO DA FERRAMENTA DE ANLISE ....................49 5.1 Consideraes Iniciais ....................................................................................................49 5.2 Desenvolvimento do Programa de Simulao................................................................49
5.2.1 Especificaes e Caractersticas ..............................................................................49 5.2.2 Apresentao e Descrio do Funcionamento.........................................................51
5.3 Validao do Programa de Simulao............................................................................57 5.3.1 Montagem da Rede CAN Experimental ..................................................................57 5.3.2 Dados da Aplicao do Programa............................................................................64 5.3.3 Dados da Rede CAN Experimental .........................................................................66 5.3.4 Comparao dos Resultados ....................................................................................70
5.4 Propostas de Anlise e Utilizao do Programa .............................................................73 5.4.1 Anlise para o Rob Agrcola Mvel ......................................................................74
5.5 Consideraes Finais ......................................................................................................81 6. CONCLUSES ....................................................................................................................82
6.1 Contribuies..................................................................................................................83 6.2 Trabalhos Futuros ...........................................................................................................84
REFERNCIAS .......................................................................................................................86
11
1. INTRODUO
1.1 MOTIVAO
O aumento do uso da eletrnica digital e da troca de informaes entre dispositivos
provocaram o surgimento de novas tecnologias de conexo de equipamentos. Arquiteturas
distribudas de automao so caracterizadas por redes de dispositivos de campo, usualmente
conectadas atravs de um barramento de comunicao, chamado de barramento de campo
(fieldbus). Essa tecnologia de redes de comunicao fieldbus, com suas vantagens, foi
rapidamente absorvida para satisfazer as necessidades de comunicao entre sistemas e
equipamentos aplicados em automao e controle. Em sistemas deste tipo, a instrumentao
constituda por dispositivos sensores e atuadores, capazes de executar processamento local e
comunicar-se entre si. Os benefcios tecnolgicos e funcionais obtidos atravs da utilizao de
barramentos de campo, fazem desta soluo uma das mais adotadas em automao e controle.
De acordo com Farsi, Ratcliff & Barbosa (1999), entre as vantagens da utilizao deste tipo
de arquitetura distribuda ou tecnologia fieldbus, podem-se citar:
Quantidade reduzida de cabeamento da rede;
Menor tempo de instalao e maior robustez do sistema;
Flexibilidade e facilidade para ampliao do sistema;
Disponibilidade e viabilidade econmica.
Com o surgimento desta tecnologia e sua conseqente utilizao, diversos tipos de
barramentos de campo surgiram, como o CAN Controller Area Network, Interbus
(INTERBUS, 2006), Profibus (PROFIBUS, 2006), Modbus (MODBUS, 2006), Foundation
(SMAR, 2006). Entre essas possibilidades, uma das mais difundidas em diferentes reas foi o
12
CAN, um protocolo de comunicao serial digital. O protocolo CAN foi desenvolvido na
dcada de oitenta por Robert Bosch Gmb para promover a interconexo de dispositivos de
controle em automveis (BOSCH, 2006), mas em poucos anos esta tecnologia migrou para
outras reas (FARSI, RATCLIFF & BARBOSA, 1999). Atualmente, encontram-se padres
baseados no CAN para aplicaes em diversas reas como automotiva, industrial, robtica e
agrcola. A Figura 1 exemplifica a conexo de equipamentos atravs de uma rede CAN.
Como ressalta Sousa (2002), a potencialidade para aplicaes com CAN em sistemas de
automao e controle sustentada por caractersticas prprias para tais sistemas, como:
Possibilidade de configuraes de taxas de comunicao de poucos Kb/s at 1 Mb/s;
Comunicao de dados utilizando dois fios, o que reduz o custo e complexidade e
promove proteo s interferncias eletromagnticas;
Utilizao de um mtodo de arbitragem de acesso ao barramento que evita colises;
Figura 1 - Exemplo de Conexo de Equipamentos via Rede CAN (SOUSA, 2002)
Na rea agrcola, observa-se um aumento da utilizao da informtica e da automao
para apoiar novas prticas relacionadas com a Agricultura de Preciso, como os sistemas
eletrnicos de coleta de dados e os sistemas para aplicao de insumos a taxa varivel.
Tambm a expanso do uso da automao em sistemas agrcolas, como mquinas e
implementos, controle de estufas e sistemas de armazenamento, irrigao e confinamento de
animais tm intensificado a demanda pela pesquisa e desenvolvimento dessas redes de
13
comunicao. O protocolo CAN apresenta importncia crescente e sua utilizao na rea
agrcola confirmada internacionalmente, em Auernhammer & Speckmann (2006), e
nacionalmente, em Sousa (2002). Constatam-se tambm, os esforos de instituies de
pesquisa, associaes de normas e fabricantes de mquinas e implementos pela sua
padronizao. Tais esforos podem ser verificados pelo desenvolvimento de padres como
DIN9684, SAEJ1939 e ISO11783, sendo que este ltimo constitui, atualmente, o principal
alvo de implementao e desenvolvimento.
Configuraes de sistemas de controle que utilizam o barramento CAN podem ser
consideradas como sistemas de controle distribudo. Aplicaes de sistemas distribudos
demandam novas metodologias e ferramentas de simulao e anlise de desempenho
(CERVIN et al., 2003), para atender s necessidades de dimensionamento e otimizao do
funcionamento do sistema, reduzindo custos relacionados com projeto e implementao. A
abordagem proposta no trabalho Tindell, Burns & Wellings (1995) tornou-se referncia em
anlise de redes baseadas no protocolo CAN. Adaptaes e variaes desta abordagem de
anlise podem ser encontradas, como em Upender & Dean (1996) e em Punnekkat, Hansson
& Norstrom (2000), demonstrando sua importncia para outras reas de aplicao. Entretanto,
apesar da utilizao de modelos de anlise de rede CAN estar presente em vrias reas de
aplicao, no existem relatos de metodologias e ferramentas de anlises para aplicaes
agrcolas baseadas em tal abordagem.
Assim, orientando-se pelas necessidades citadas, realizou-se neste trabalho o
desenvolvimento, a validao e a aplicao de uma metodologia de anlise, baseada na
sistematizao de um modelo matemtico de redes CAN, para aplicaes na rea agrcola. A
metodologia implementada em um programa computacional de simulao com a finalidade
de facilitar tarefas de anlises de parmetros de desempenho, como o tempo de resposta de
mensagens e taxa de utilizao do barramento, e de armazenamento de resultados das
14
simulaes. O programa pode auxiliar no projeto e dimensionamento de parmetros de
configurao de redes CAN, como velocidade de transmisso do barramento, tamanho das
mensagens de dados, esquema de prioridade das mensagens e perodo de amostragem dos
dispositivos.
Observa-se que o programa desenvolvido neste trabalho tambm ofereceu com sucesso
suporte ao projeto FAPESP 03/06582-0. Este projeto envolveu a montagem e anlise de uma
rede CAN embarcada (o termo embarcado representa todo e qualquer sistema eletro-
eletrnico montado em uma aplicao mvel) para integrar diferentes dispositivos para o
sistema de um rob agrcola mvel (RAM). Tal projeto foi desenvolvido atravs de parceria
entre o Departamento de Engenharia Mecnica da EESC-USP e a Embrapa Instrumentao
Agropecuria de So Carlos (PORTO et al., 2003).
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de uma ferramenta
metodolgica de anlise de desempenho de redes fieldbus baseada no protocolo CAN para
integrao de dispositivos em aplicaes em sistemas agrcolas. Esta ferramenta de anlise,
desenvolvida sob a forma de um programa computacional de simulao, teve como requisitos
funcionais:
Permitir estudos de simulao e anlise de desempenho da rede CAN sob
configuraes e caractersticas diferenciadas, atravs da implementao
computacional da metodologia de anlise proposta;
Permitir o dimensionamento dos parmetros de configurao e uma otimizao
do funcionamento da rede CAN;
15
Auxiliar na implementao de redes CAN em sistemas agrcolas e permitir o
desenvolvimento de dispositivos e tecnologias relacionadas com a norma
ISO11783.
1.3 ESTRUTURA E CONTEDO
Esta dissertao est organizada em seis captulos e uma lista de referncias
bibliogrficas. Esta estrutura apresenta os tpicos envolvidos nas etapas de desenvolvimento,
validao e aplicao de uma ferramenta de anlise de redes CAN para aplicaes na rea
agrcola.
Neste Capitulo 1 Introduo, esto apresentadas as justificativas para a realizao
deste trabalho bem como seus objetivos e contedo e organizao. No Captulo 2 - Reviso
Bibliogrfica, so apresentados os conceitos e fundamentos que suportam o desenvolvimento
deste trabalho. No Captulo 3 Reviso Terica ou Conceitual, apresentado uma viso
geral sobre o protocolo CAN e so discutidos os parmetros e dados geralmente utilizados na
anlise de desempenho de redes CAN. No Captulo 4 - Proposta da Ferramenta de
Anlise, so apresentadas detalhadamente todas as etapas do desenvolvimento da ferramenta
de anlise proposta. No Captulo 5 - Resultados e Discusses, so apresentadas as
caractersticas do programa computacional implementado, bem como sua validao e
possibilidades de aplicao, com o exemplo de um caso de estudo. No Captulo 6
Concluses, so apresentadas concluses e contribuies deste trabalho e as perspectivas e
melhorias relacionadas ao tema. A Lista de Referncias apresentada em ordem alfabtica e
contm todos os documentos referenciados no decorrer deste trabalho.
16
2. REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo apresentado o embasamento bibliogrfico deste trabalho. Diversos
trabalhos que apresentam o histrico do desenvolvimento e o estado da arte atual em relao
padronizao e aplicao do protocolo CAN so apresentados. Tambm so abordados
trabalhos relacionados com o desenvolvimento de ferramentas e metodologias de anlise de
desempenho de redes para aplicaes em sistemas agrcolas.
2.2 PROTOCOLO CAN
Tem-se verificado recentemente, um avano na utilizao de tecnologias de automao
e computao para aplicaes em sistemas agrcolas e em novas prticas relacionadas com a
Agricultura de Preciso (SIGRIMIS et al., 2000). Dentre esses sistemas agrcolas, esto os
compostos por aplicaes em mquinas e implementos, veculos autnomos, robs mveis e
no gerenciamento de estufas e criadouros. J em relao s prticas agrcolas, esto as
relacionadas com a aquisio de dados em campo, o estudo da variabilidade espacial e a
aplicao de insumos a taxa variada. Essas aplicaes tm demandado um nmero crescente
de pesquisas em sensores embarcados e redes de comunicao (STONE et al., 1999),
metodologias e dispositivos para medidas em movimento (on-the-go) (AUERNHAMMER,
2001). Para a utilizao dessas aplicaes, necessrio tambm certo grau de automatio
(MOLIN, 2004), que depende de algumas tecnologias recentes apenas adaptadas para o meio
17
agrcola como o caso dos sistemas de posicionamento por satlites e sistemas de informao
geogrfica.
A troca de informaes necessria entre os dispositivos utilizados nessas aplicaes
pode originar um sistema centralizado bastante complexo. Assim o desenvolvimento de um
sistema de controle distribudo constitui uma soluo, seno necessria, muito bem vinda.
Esta grande quantidade de dispositivos inteligentes deve ser interconectada e compartilhar, da
melhor maneira possvel, os dados disponveis na aplicao. Esta interconexo e
compartilhamento so realizados atravs dos chamados Protocolos de Comunicao.
Uma tecnologia que vem sendo amplamente utilizada nessa interconexo de
dispositivos o CAN, um protocolo de comunicao serial digital amplamente aplicado na
rea agrcola. Na rea de sistemas agrcolas, a utilizao do protocolo CAN confirmada em
Auernhammer (2004) e em Suvinen & Saarilahti (2006) e sua aplicao como tecnologia para
conexo de dispositivos para veculos autnomos e robs mveis vista como forte tendncia
(NAGASAKA et al., 2004; DARR, STOMBAUGH & SHEARER, 2005). Serdio et al.
(2001) apresentam a aplicao do CAN em um sistema de gerenciamento de estufas. Darr et
al. (2005) avaliam a transmisso de dados atravs de uma rede CAN para longas distncias e
Spreng, Rothmund & Auernhammer (2006) utilizam o CAN como tecnologia para
interconexo de equipamentos, sendo que ambos os trabalhos consistem em aplicaes para
sistemas de monitoramento de criadouros. Para o caso da rea relacionada Agricultura de
Preciso, Darr et al. (2003) apresentam um sistema de aquisio de dados em campo
(coordenadas GPS e velocidade) baseado no protocolo CAN para um sistema de pulverizao.
Oksanen et al. (2004) demonstram a utilizao do protocolo CAN no desenvolvimento de
uma plataforma aberta e configurvel de aquisio de dados e aplicao de insumos (semente
e fertilizante) a taxa variada para utilizao em mquinas e implementos.
18
Desde a dcada de 80, observa-se a necessidade de uma padronizao para o protocolo
CAN em aplicaes agrcolas, quando se iniciou a elaborao da norma DIN9684.
Sistematizaes das principais partes desta norma podem ser vistas em Jahns & Speckmann
(1999) de forma a auxiliar sua implementao. Na dcada de 90, iniciou-se nos Estados
Unidos o desenvolvimento de padres baseados no CAN para a rea agrcola. Potenciais
aplicaes e caractersticas da norma SAEJ1939 so apresentadas por Stone & Zachos (1993).
Um histrico do desenvolvimento das normas acima citadas e dos esforos conjuntos das
associaes DIN, SAE, ASAE com a associao de normas internacional ISO para
desenvolvimento de uma norma internacional denominada ISO11783 apresentado por Stone
et al. (1999). Com a disponibilidade da documentao da norma ISO11783, pesquisas
baseadas em implementaes deste padro comearam a surgir no final da dcada de 90, e
seus benefcios podem ser observados em diferentes aplicaes de campo (LANG et al., 1999;
AUERNHAMMER & ROTHMUND, 2004 e OKSANEN et al., 2005). O trabalho de
Miettinen et al. (2006) apresenta o desenvolvimento de um controlador de tarefas compatvel
com a norma ISO11783. Atualmente, a norma ISO11783, tambm denominada ISOBUS, est
em fase de desenvolvimento e uma reviso desse estado de implementao pode ser
observada em Benneweis (2005).
No Brasil, trabalhos pioneiros como Saraiva e Cugnasca (1998) e Cugnasca (2002) j
apontavam necessidade da pesquisa e desenvolvimento do protocolo CAN. Aplicaes
desse protocolo em Strauss (2001), Sousa (2002), Guimares (2003) demonstram essa
tendncia de utilizao. J o trabalho Porto, Sousa & Inamasu (2005) apresenta uma proposta
de desenvolvimento de um rob agrcola mvel conectado por uma rede CAN. Em relao
norma ISO11783, a busca por sua implementao e difuso no mercado brasileiro pode ser
verificada pelo esforo conjunto de instituies de pesquisa (POLI / EESC / ESALQ USP) e
de empresas de mquinas e implementos (AGCO, John Deere, Case New Holland, Jumil)
19
com a criao de um grupo de estudos denominado Fora Tarefa ISOBUS Brasil. Reunies
dessa Fora Tarefa j foram realizadas em eventos como congressos (Congresso Brasileiro de
Agroinformtica 2005, Congresso Brasileiro de Agricultura de Preciso 2006) e feiras
(Agrishow 2005, 2006) para discusses sobre o assunto. Est prevista a realizao do primeiro
plug-fest, com exposio de hardwares e equipamentos compatveis com a ISO11783, para
o primeiro semestre de 2007.
2.3 ANLISE DE DESEMPENHO
Tipicamente, em sistemas de automao e controle, as especificaes requerem que a
atuao sobre o sistema controlado seja conforme especificado, tanto do ponto de vista lgico,
como tambm do ponto de vista temporal. Em sistemas distribudos fundamentados em redes
de campo, como a rede CAN, isto no diferente, de modo que cada dispositivo conectado
possui um nvel de prioridade para acessar o barramento e um perodo de tempo (deadline)
em que sua mensagem deve ser transmitida, sem que haja prejuzo para o sistema de controle.
Aplicaes tm demonstrado que a rede CAN oferece boas propriedades para
transmisso de mensagens com requisitos temporais (LIAN, MOYNE & TILBURY, 2001).
Alm disso, mostra-se importante a proposta de estudos para a rede sob situaes como a
presena de Jitter (explicado na seo 4.3) no conjunto de mensagens e o funcionamento com
alta carga de mensagens. Assim, em aplicaes de sistemas distribudos tem sido comum a
busca pelo desenvolvimento de modelos e experimentos para anlise de desempenho, os quais
permitam o dimensionamento e a otimizao do funcionamento desses sistemas, como
mostrado em exemplos em Jain (1991).
20
Os trabalhos Tindell & Burns (1994) e Tindell, Burns & Wellings (1995) tornaram-se
referncia em equaes de anlise de redes baseadas no protocolo CAN. A partir destes
trabalhos, diversas abordagens desses mtodos de anlise de rede CAN podem ser
encontradas, como anlises de atraso (delay) de comunicao em Upender & Dean (1996) e
anlises de desempenho de um sistema de controle sob condies de erros em Punnekkat,
Hansson & Norstrom (2000) para aplicaes automotivas. Tambm, Jeon et al. (2001)
apresentam um estudo de viabilidade de aplicao de uma arquitetura distribuda em um AGV
(Automated Guided Vehicles Veculo Auto-Guiado) e Santos, Stemmer & Vasquez (2002)
descrevem uma anlise de escalonabilidade de mensagens de uma rede CAN para um
helicptero autnomo. Trabalhos recentes como Brill et al. (2006) e Davis et al. (2006)
reforam a importncia dessas equaes de anlise e apresentam novas discusses e
adaptaes.
Diversos trabalhos abordam anlises de desempenho entre redes de controle para
aplicaes industriais. Lian, Moyne e Tilbury (2001) apresentam uma anlise de desempenho
entre redes Ethernet, CAN e Controlnet, na qual os resultados demonstram que o protocolo
CAN mostra melhor desempenho em sistemas com mensagens de tamanho reduzido. J
Benito et al. (1999), analisam o desempenho de redes CAN, Profibus e Modbus para situaes
de mensagens peridicas e no peridicas. Lian et al. (2006) apresentam uma abordagem de
estudo da relao entre o tempo de amostragem das mensagens e o desempenho de sistemas
de controle via redes, o qual pode ser aplicado para redes CAN.
Na rea agrcola, Hofstee & Goense (1997, 1999) apresentam resultados referentes
simulao de operao de uma rede CAN, com parmetros baseados na norma DIN9684 e
ISO11783, respectivamente, para uma configurao de trator e implemento. Silva (2003)
apresenta o desenvolvimento de um simulador da dinmica da troca de mensagens em redes
21
baseadas na norma ISO11783. Uma abordagem de modelagem e anlise de redes CAN
atravs da ferramenta Redes de Petri Coloridas pode ser vista em Lopes et al. (2005).
Entretanto, apesar da utilizao de modelos de anlise de rede CAN estar presente em
vrias reas de aplicao e ter sua importncia comprovada, de acordo com os trabalhos
apresentados, no h metodologias e ferramentas de anlises para aplicaes agrcolas
baseadas nas abordagens propostas por Tindell & Burns (1994) e Tindell, Burns & Wellings
(1995). Norteado pelas necessidades citadas, o desenvolvimento e a aplicao de uma
ferramenta de anlise de desempenho de redes CAN adquirem grande importncia e potencial
para aplicaes em sistemas agrcolas.
2.4 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foi apresentada a reviso bibliogrfica relacionada ao protocolo CAN e o
desenvolvimento de anlise de desempenho desse tipo de rede. Pode-se perceber que a
aplicao do protocolo CAN em sistemas agrcolas fato consolidado e que ultimamente vm
ocorrendo esforos no sentido da implementao da norma ISO11783. O desenvolvimento de
uma ferramenta de anlise de desempenho desse tipo de rede apresenta grande potencial e
importncia e um assunto que, de acordo com a reviso, ainda no est difundido em
aplicaes do CAN para sistemas agrcolas.
22
3. REVISO TERICA OU CONCEITUAL
3.1 CONSIDERAES INICIAIS
Para realizar uma tarefa de anlise de desempenho, divide-se o conhecimento do
sistema de controle distribudo em dois fatores. Primeiramente o conhecimento do sistema de
controle a ser analisado, no caso o protocolo CAN. Em seguida o conhecimento dos
parmetros e dados, relacionados ao protocolo escolhido, que exercem influncia no
desempenho do sistema de controle.
Neste captulo realizada uma reviso conceitual sobre o protocolo CAN e sobre a
importncia da anlise de desempenho de sistemas de controle via rede CAN. Nessa reviso
foram sistematizados, em relao ao protocolo CAN, os conceitos mais importantes para o
entendimento das etapas posteriores do trabalho. Dentre esses conceitos, cita-se o mecanismo
de arbitragem do protocolo, a implementao da norma ISO11783 e os mtodos e parmetros
que podem e vm sendo utilizados em anlise de desempenho de redes CAN.
3.2 SISTEMATIZAO DO PROTOCOLO CAN
Define-se para este trabalho que um barramento de comunicao (CAN) composto
pelo meio fsico de transmisso de dados (cabeamento) e seus conectores, definidos de acordo
com o protocolo escolhido (CAN). J uma rede CAN composta pelo conjunto dos
dispositivos eletrnicos conectados (sensores e atuadores), pelo barramento de comunicao e
pelas interfaces de comunicao (hardware que implementa a comunicao entre os
dispositivos eletrnicos atravs do barramento).
23
3.2.1 Conceituao
Como descrito em Sousa (2002) e em Guimares (2003), o CAN um protocolo de
comunicao digital serial, onde a comunicao de dados baseada em mensagens formadas
por quadros de bits com determinada funo. Entre esses quadros de bits, existe o campo
identificador (ID - identifier) que caracteriza e define a prioridade de cada mensagem. O valor
do identificador de uma mensagem em uma rede CAN exclusivo e quanto mais baixo seu
valor, maior ser a prioridade da mensagem. Os sinais eltricos digitais do CAN so
representados pelo nvel recessivo (nvel lgico 1) e nvel dominante (nvel lgico 0), sendo
eles sinais diferenciais entre os dois fios do barramento (condutores CAN_H e CAN_L),
como pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 Nveis de Tenso Especificados para o CAN (GUIMARES, 2003)
O mecanismo de acesso ao meio fundamentado no conceito CSMA/NDBA - Carrier
Sense Multiple Access with Non-Destructive Bitwise Arbitration (Acesso Mltiplo com
Deteco de Portadora com Arbitragem No Destrutiva por Operao Lgica Bit-a-Bit) que
significa que os mdulos (ns CAN) possuem acesso ao barramento com prioridades
determinadas. De acordo com a Figura 3, ao verificar o estado do barramento, os mdulos
iniciam a transmisso de suas mensagens. De acordo com o valor do identificador, o mdulo
com a mensagem de prioridade menor cessa sua transmisso e o mdulo com a mensagem de
24
maior prioridade continua enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reinici-la. Isto
realizado pelo processo de arbitragem bit a bit no destrutivo, ou lgica "E" por fios, quando
dois ou mais mdulos iniciam a transmisso simultaneamente. Cada bit transmitido
comparado, sendo que o dominante sobrepe o recessivo.
Figura 3 Mecanismo de Acesso ao Meio do CAN (Adaptado de CIA, 2005)
Dentre as especificaes do protocolo CAN em relao camada de enlace de dados,
esto os dados relacionados aos formatos existentes do quadro de dados. So definidos dois
formatos de quadros dados de mensagem, onde a nica diferena est no tamanho do
identificador, sendo CAN A Standard (ID 11 bits) e CAN B Extended (ID 29 bits)
especificados segundo a Figura 4.
Figura 4 Formato dos Quadros de Mensagens CAN (Adaptado de SOUSA, 2002)
25
3.2.2 Padronizao na rea Agrcola
Como podem ser vistos em Guimares (2003), os fundamentos do CAN so
especificados por duas normas: a ISO11898 e a ISO11519-2. Ambas especificam as
caractersticas das camadas Fsica e de Enlace de Dados, respectivamente 1 e 2 do modelo
rede de comunicao OSI (Open System Interconnection) de 7 camadas. As demais camadas,
(3 a 7), so especificadas por outros protocolos, relacionados s aplicaes especficas entre
as diversas reas de utilizao do CAN.
Para o caso da rea agrcola (SOUSA, 2002), entre os padres mais representativos e
fundamentados no CAN, pode-se citar:
DIN9864: Especificado pela associao de normas da Alemanha. Baseado na
verso 2.0A do CAN, e adotou e influenciou algumas especificaes de padres
da ISO;
SAEJ1939: Desenvolvido para aplicao em veculos de terra de grande porte
como caminhes, nibus, tratores, incluindo mquinas e implementos agrcolas.
Baseado na verso CAN 2.0B do CAN;
ISO11783 (ISOBUS): As atividades de normalizao pela ISO para este padro
para aplicaes em mquinas e implementos agrcolas esto sendo concludas.
Possui diversas especificaes iguais ao padro SAE J1939 e ao DIN 9684.
3.2.3 ISO11783
O ISO11783 - Tractors and machinery for agriculture and forestry Serial control and
communications data network - um padro de comunicao baseado no CAN 2.0B
desenvolvido para a interconexo de sistemas eletrnicos em mquinas e implementos
agrcolas. O comit da ISO responsvel por essa norma o TC23/SC19/WG1 e est com os
26
trabalhos em fase de concluso. Muitas especificaes deste padro foram baseadas na norma
DIN 9684 e na norma SAE J1939, como a velocidade de transmisso do barramento de 250
Kbits/s. A Tabela 1 apresenta uma viso geral sobre as partes que compe essa norma e sua
situao de desenvolvimento, de acordo com Vector CANtech (2006). So apresentadas as
seguintes abreviaturas para melhor entendimento da Tabela 1:
IS International Standard = Parte publicada do Padro Internacional;
FDIS Final Draft International Standard = Verso final do rascunho da parte;
DIS Draft International Standard = Rascunho da parte em fase de anlise;
WD Working Draft = Rascunho da parte em fase de desenvolvimento.
Tabela 1 Viso Geral da Norma ISO11783
Parte Ttulo Escopo Situao
1 General Standard Viso geral sobre o padro e da aplicao de cada parte FDIS em 08/2006
IS previsto para 02/2007
2 Physical Layer Cabos, conectores, sinais eltricos e caractersticas
mecnicas e eltricas gerais do barramento IS
3 Data Link Layer Implementao do CAN e especificao da estrutura das
mensagens DIS Harmonizao com
J1939/21
4 Network Layer Interconexo de sub-redes IS
5 Network Management Processo de inicializao e endereamento de ECUs IS
6 Virtual Terminal Especificaes do terminal de controle e operao IS Modificaes em
desenvolvimento 12/2006
7 Implement Messages Definio de mensagens bsicas dos implementos e da
mquina IS Modificaes em
desenvolvimento 12/2006
8 Power Train Messages Definio de mensagens automotivas IS com referncia a
J1939/71 9 Tractor ECU Especificaes da ECU do Trator IS
10 Task Controller Especificao de interfaces e programas computacionais
de controle e administrao com o barramento FDIS em 12/2006
IS previsto para 02/2007
11 Data Dictionary Definies e identificao de mensagens para elementos
da rede FDIS em 08/2006
12 Diagnostics Diagnstico de falhas e processo de identificao de ECUs DIS em 10/2006
13 File Server Definies do servidor de dados e mensagens de acesso cliente - servidor FDIS em 11/2006
14 Automated Functions Definies para realizao de tarefas automatizadas pela mquina (como manobras de final de linha de plantio)
Em desenvolvimento como WD
Em aplicaes relacionadas com o CAN e com a ISO11783, o sistema eletrnico que
promove a interconexo de um dispositivo ao barramento denominado Electronic Control
27
Unit (ECU) ou Unidade Eletrnica de Controle. Uma nica ECU pode ser responsvel pela
conexo de um ou mais dispositivos a um barramento. Tambm um dispositivo pode ser
conectado a um barramento por uma ou mais ECUs. O conjunto formado por ECU e
dispositivo constitui um n CAN. A Figura 5 exemplifica a aplicao do padro ISO em uma
rede embarcada em um trator e implemento.
Figura 5 Rede ISO11783 em Mquina e Implemento (Adaptado de SOUSA, 2002)
Em uma rede baseada na norma ISO11783 toda troca de informaes entre as ECUs ou
ns CAN do sistema realizada por mensagens com formato de quadro de dados definido.
Como citado, a verso 2.0B do protocolo CAN com identificador de 29 bits utilizada e so
especificados campos especficos, de acordo com a Figura 6, que definem a estrutura PDU
(Protocol Data Unit Unidade de Protocolo de Dados), utilizado para endereamento das
mensagens na rede CAN.
28
Figura 6 Campos do Identificador e Formao das PDU (SOUSA, 2002)
Os campos que compe a estrutura PDU de uma mensagem, de acordo com a norma
ISO11783, possuem diferentes funes, descritas na Tabela 2.
Tabela 2 Composio e Funes dos Campos do PDU da norma ISO11783
Sigla Descrio N Bits Funo
P Priority - Prioridade 3 Determinar a prioridade de acesso da mensagem. O menor valor binrio deste campo significar maior prioridade e vice-versa.
R Reserved - Reserva 1 Bit reserva da ISO11783. Deve ser sempre considerado igual a zero para no distorcer a verificao de prioridade.
DP Data Page - Pgina de Dados 1 Possibilita o trabalho com duas pginas de Grupos de
Parmetros (PGN)
PF PDU Format - Formato do PDU 8 Campo utilizado na especificao do tipo da mensagem e na
determinao dos PGNs.
PS PDU Specific - Especificidade do PDU 8 Representa o endereo de destino da mensagem. Depende
diretamente do valor do campo PF (Destination Address ou Group Extension).
SA Source Address Endereo Fonte 8 o valor que identifica cada ECU.
DF Data Field - Campo de Dados 64 Campo de informaes (Oito campos de oito bits)
O valor do campo PDU Format (oito bits) define qual tipo de mensagem que est sendo
transmitida por um n e especifica o campo PDU Specific. Trs tipos de mensagens foram
criados, como mostra a Tabela 3. O valor 255 para o campo PDU Format define uma
mensagem como sendo global, assim todos os ns que compe a rede podem receber esta
mensagem. Vale lembrar que o valor do campo que compe o PDU da mensagem dado pelo
29
valor decimal equivalente ao binrio do respectivo campo. (Ex. PDU Format - 8 bits
Valores de 0 a 255).
Tabela 3 Descrio dos Valores do Campo PDU Format
Formato do PDU Valor do Campo PDU Tipo da Mensagem PDU 1 0 a 239 Especfico ECU ou Global PDU 2 240 a 254 Global Grupo de ECUs Global 255 Global
O formato PDU 1 especifica que o campo PDU Specific contm o endereo de destino
(Destination Address) da mensagem. Isso permite que a mensagem seja enviada para um n
da rede em particular. Caso o valor deste campo Destination Address seja 255, a mensagem se
torna global. O formato PDU 2 especifica que o campo PDU Specific contm o endereo de
extenso de grupo (Group Extension) da mensagem. Esse campo Group Extension utilizado
em ns que possuem a mesma funo na rede e permite que a mensagem seja enviada para
varias ns (ECUs) simultaneamente.
importante citar que um estudo mais completo de todas as partes da norma ISO11783
imprescindvel para o desenvolvimento de uma aplicao baseada neste padro. Os assuntos
aqui descritos representam uma sntese dos assuntos principais que sero necessrios para o
entendimento da parte relacionada montagem e coleta de dados da rede CAN para este
trabalho.
3.3 SISTEMATIZAO DA ANLISE DE DESEMPENHO
Saber como um sistema se comporta muito importante para conhecer a capacidade do
mesmo. Caso o sistema no esteja implementado, um teste de viabilidade revelaria se ao ser
30
implementado ele realizaria o que se prope. No caso de um sistema j implementado, a
realizao de testes demanda alto custo e grande quantidade de tempo. Por isso muitas vezes
prefervel que os experimentos sejam conduzidos em um modelo do sistema (SILVA, 2003).
Na avaliao de desempenho de sistemas de controle devem-se estabelecer quais sero
os parmetros ou dados a serem medidos. Esses parmetros devem conter todas as
informaes relevantes na anlise do sistema. Outro fator importante o mtodo atravs do
qual a avaliao ser feita. Podem-se utilizar tcnicas de avaliao de desempenho para prever
o seu comportamento, tais como simulao e mtodos analticos (JAIN, 1991).
Cada mtodo possui suas vantagens e desvantagens. Os mtodos analticos possuem a
vantagem de dar uma soluo mais geral para o problema, mais econmica e mais eficiente,
porm muitas vezes a sua aplicao limitada pela complexidade do sistema que est sendo
modelado. Nesses casos escolhe-se a simulao, por ser um mtodo mais simples de ser
implementado e que permite a realizao de experimentos sob vrias condies com o mesmo
modelo, fornecendo resultados gerais para o sistema em estudo. Do ponto de vista prtico,
simulao o processo de projetar e criar um modelo computadorizado de um sistema, para
conduzir experimentos numricos, objetivando um melhor entendimento do sistema em um
dado conjunto de condies.
Para a anlise de desempenho de redes de comunicao, isto no diferente, de modo
que cada projetista define em relao ao tipo e protocolo de comunicao em que sua rede
baseada, os parmetros mais interessantes a serem analisados. Ressalta-se que essa escolha de
parmetros depende das necessidades de conhecimento da aplicao por parte do projetista e
principalmente do mtodo de avaliao escolhido.
De acordo com a literatura, o aumento da utilizao do CAN em solues de
comunicao tempo real reala a importncia da realizao de anlises temporais e de
desempenho (PINHO & VASQUES, 2001). Para esses tipos de anlise de redes baseadas no
31
protocolo CAN, Godoy, Sousa & Inamasu (2005) descrevem os parmetros que podem ser
analisados e os dividem em dois grupos:
Parmetros de Configurao: composto pelos dados de configurao do
protocolo necessrios para a operao da rede, definidos como Dados de
Entrada;
Parmetros de Desempenho: composto pelos dados relacionados ao
desempenho do sistema e a operao da rede, definidos como Dados de Sada.
A Tabela 4 apresenta o conjunto dos parmetros de configurao de redes CAN
utilizados em anlise de desempenho. importante lembrar que o parmetro tamanho do
campo de dados de uma mensagem CAN possui uma quantidade mxima de 64 bits.
Tabela 4 Descrio dos Parmetros de Configurao de Redes CAN
Nome Descrio Formato do quadro de mensagem Definido entre CAN 2.0A (ID 11 bits) e CAN 2.0B (ID 29 bits)
Nmero de mensagens Dado pelo nmero total de mensagens de dados que trafegam pela rede Tipo de mensagem Peridica (transmitida a cada intervalo de tempo) ou no peridica
Velocidade de transmisso Valor da velocidade de transmisso de dados pelo barramento Perodo ou Tempo de amostragem Intervalo de tempo entre transmisses consecutivas de uma mensagem
Esquema de prioridade Esquema de prioridades de acesso ao barramento das mensagens que trafegam pela rede Tamanho do campo de dados das
mensagens Quantidade de bits de dados (data field) de uma mensagem
De acordo com Lian et al. (2006), um dos parmetros de configurao de NCS
(Networked control system - sistema de controle via redes de comunicao) que mais exerce
influncia sobre o desempenho do sistema de controle o perodo de amostragem das
mensagens que trafegam pela rede. Neste trabalho apresentado um diagrama que auxilia na
visualizao deste problema e na tarefa de selecionar tais perodos de amostragem. Na Figura
7 apresentado este diagrama para a aplicao de um sistema de controle via rede CAN.
32
Figura 7 Relao entre Perodo de Amostragem e Desempenho do Sistema de Controle via Rede CAN (Adaptado de LIAN et al., 2006)
Para o grfico da Figura 7, a diviso entre inaceitvel e aceitvel pode ser definida de
acordo com especificaes do sistema de controle como margem de fase, resposta temporal e
funo de transferncia (LIAN et al., 2006). Para o caso da rede de controle CAN, o ponto 1
determinado pela investigao de caractersticas e estatsticas de atrasos de comunicao
relacionados com o trfego de mensagens na rede. Perodos de amostragem mais lentos
podem representar menos problemas em relao ao desempenho do sistema de controle,
porm a rede apresentar alto nvel de ociosidade (capacidade de processamento e troca de
informaes que no usada). Para perodos de amostragem mais rpidos, no entanto, a carga
de dados trafegando pela rede se torna maior e sua ociosidade diminui, porm a possibilidade
de ocorrer mais disputas pelo acesso ao barramento e de um aumento nos atrasos de
comunicao pode ser esperado por se tratar de uma rede como o CAN. O ponto 2 demonstra
essa situao onde a rede comea a se tornar saturada (sobrecarregada de mensagens), novas
mensagens so enviadas para o barramento sobrepondo as anteriores que ainda no tinham
sido transmitidas e erros de transmisso tornam-se constantes.
33
Existem inmeros parmetros relacionados ao desempenho de um sistema de
comunicao via rede. Muitos deles relacionados crescente demanda e utilizao deste tipo
de tecnologia como soluo para sistemas com caractersticas de tempo real (LIAN et al.,
2006). Os parmetros de desempenho que geralmente so abordados em anlises de
aplicaes de redes CAN esto sendo mostrados na Tabela 5.
Tabela 5 Descrio dos Parmetros de Desempenho de Redes CAN
Nome Descrio
Tempo de Transmisso Tempo entre uma mensagem comear a ser transmitida por um n de origem e ser recebida pelo n de destino
Tempo de Resposta Total Tempo total de leitura ou transmisso de mensagens de todos os dispositivos da rede
Taxa de Utilizao Porcentagem utilizada pela comunicao de dados em relao capacidade total de uma rede Nmero de Mensagens Enviadas
e Recebidas Relao entre o nmero de mensagens enviadas e recebidas pela rede
Cumprimento de Deadline Verifica-se o cumprimento do requisito temporal de cada mensagem
Nmero de Mensagens no Buffer Monitoramento de nmero de mensagens nos buffers de recepo e transmisso de cada n da rede
O requisito temporal de uma mensagem demanda que seu tempo de transmisso tem
que ser menor que o seu perodo de amostragem.
3.4 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foi apresentada uma reviso geral sobre o protocolo CAN e a norma
ISO11783 e buscou-se justificar a importncia da realizao de anlise de desempenho de
sistemas de controle. Foram sistematizados os principais conceitos de cada assunto de modo a
sintetizar os conhecimentos necessrios para o acompanhamento do restante do trabalho.
ressaltado o aumento da pesquisa em anlise de desempenho de redes de comunicao, dando
nfase ao fato de que a definio dos parmetros analisados para cada sistema depende
34
principalmente do mtodo de anlise escolhido. Para o caso do protocolo CAN, so resumidos
e apresentados os principais parmetros e dados relacionados com anlise de desempenho que
vm sendo pesquisados e utilizados em trabalhos cientficos.
35
4. PROPOSTA DA FERRAMENTA DE ANLISE
4.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo so abordadas todas as etapas relacionadas com a proposta da ferramenta
de anlise de redes CAN. Apresentam-se as justificativas para a escolha da utilizao do
mtodo de avaliao de desempenho por simulao. A sistematizao do modelo matemtico
de anlise de redes CAN examinada com detalhes atravs de um estudo temporal da
transmisso de mensagens na rede. Para concepo das posteriores simulaes, uma
metodologia para utilizao desse modelo matemtico apresentada.
4.2 DEFINIO DO MTODO DE AVALIAO DE DESEMPENHO
Como apresentado na seo 3.3 do captulo anterior, a escolha do mtodo de avaliao
utilizado para analisar o desempenho de um sistema uma das principais decises a serem
tomadas e define a proposta deste trabalho. O que mais motivou o aluno na escolha do mtodo
de avaliao por simulao foi o fato, descrito na reviso bibliogrfica, de que no foram
encontrados relatos de desenvolvimentos fundamentados nas equaes da abordagem de
Tindell, Burns & Wellings (1995) para aplicaes agrcolas. Assim, com a sistematizao
dessas equaes em um modelo matemtico, obter-se-ia um modelo do sistema de controle
via rede CAN que poderia ser utilizado para a realizao das simulaes.
Outros fatores que justificam esta escolha podem ser citados (SILVA, 2003), como:
36
A simulao um mtodo mais simples de ser implementado e que permite a
realizao de experimentos sob vrias condies com o mesmo modelo,
fornecendo resultados gerais para o sistema em estudo;
A simulao vem sendo utilizada para reduo do tempo de projeto e
desenvolvimento e reduo de custos relacionados a testes de campo;
A simulao facilita a avaliao de resultados, pois permite a repetio de
simulaes para o mesmo modelo variando-se apenas os parmetros desejados e
obtendo-se assim informaes mais especficas.
4.3 ESTUDO TEMPORAL
As equaes da abordagem de Tindell, Burns & Wellings (1995) do suporte ao
desenvolvimento do modelo de anlise de redes CAN proposto e utilizado para a realizao
das simulaes. De forma a facilitar o entendimento destas equaes, apresentada uma
detalhada anlise temporal da transmisso de mensagens em uma rede CAN (GODOY et al.,
2006a). Os tempos de transmisso de uma mensagem em uma rede de controle CAN podem
ser estudados e calculados atravs de uma anlise do trfego de mensagens na rede. A Figura
8 mostra um exemplo dos tempos encontrados em uma transmisso de uma mensagem CAN
pela rede, desde sua inicializao ou o comeo da transmisso por um n de origem at o
trmino da recepo da mensagem por parte do n de destino.
37
Figura 8 Tempos da Transmisso de uma Mensagem CAN entre Ns (Adaptado de LIAN, MOYNE &
TILBURY, 2002)
O tempo total de transmisso de uma mensagem, Tdelay, pode ser dividido em trs
partes: atrasos de comunicao no n de origem, Tsrc, no barramento CAN, Tbus, e no n de
destino das mensagens, Tdest, como pode ser visto no diagrama detalhado da Figura 9.
Figura 9 - Diagrama Temporal da Transmisso de uma Mensagem CAN (Adaptado de LIAN, MOYNE &
TILBURY, 2001)
O atraso do n de origem, Tsrc, caracterizado pelo tempo de pr-processamento, Tpre,
que a soma do tempo de computao, Tscomp, com o tempo de codificao, Tscode,
realizado no incio de cada mensagem. O tempo de espera total, Twait, caracterizado pela
38
soma do tempo de espera na fila, Tqueue, com o tempo de bloqueio, Tblock. O tempo de
espera na fila, Tqueue, o tempo que uma mensagem espera no buffer do n de origem
enquanto uma outra mensagem da fila est sendo transmitida. Esse valor depende do tempo de
bloqueio das outras mensagens na fila, do perodo de amostragem das mensagens e da carga
de dados a ser processada. O tempo de atraso do barramento CAN, Tbus, caracterizado pela
soma do tempo total de transmisso da mensagem, Tframe, com o atraso de propagao da
rede, Tprop. Esse valor depende do tamanho da mensagem, da velocidade de transmisso e do
tamanho do barramento CAN. O atraso no n de destino, Tdest, caracterizado pelo tempo de
ps-processamento, Tpost, que a soma do tempo de decodificao, Tdcode, com o tempo de
computao, Tdcomp, realizado no final da transmisso de cada mensagem.
A equao (1) apresenta resumidamente o tempo total de atraso numa rede CAN. Os
tempos Tpre e Tpost so relacionados com os tempos de processamento e transformao dos
dados entre o barramento e o dispositivo que utiliza esses dados. Estes tempos esto
totalmente relacionados e dependem das caractersticas do software e do hardware utilizados
nos ns CAN. Segundo Lian, Moyne & Tilbury (2002), estes valores Tpre e Tpost so
tipicamente constantes e pequenos. Por causa desse fato e para no exclu-los dos clculos,
uma hiptese de relao desses valores com o Jitter (variabilidade do intervalo de tempo entre
mensagens consecutivas serem inseridas e retiradas da fila de mensagens da rede - SANTOS,
VASQUEZ & STEMMER, 2004) da rede foi adotada. Wittenmark, Nilsson & Torngren
(1995) definem que o Jitter de uma rede est fortemente relacionado ao hardware utilizado
para implementao do protocolo de comunicao, confirmando tal hiptese.
{ {m
bus
m
wait
m
postpre
postbuswaitpre
destsrcdelay
CT
QT
J
TT
TTTT
TTT
+++=
+++=
=
43421 (1)
39
4.4 SISTEMATIZAO DO MODELO
A escolha do mtodo de avaliao por simulao demanda a sistematizao de um
modelo de anlise do sistema. A definio das equaes que compe este modelo permitir
determinar quais tipos de parmetros (configurao e desempenho) podero ser analisados
para o sistema, de acordo com o apresentado na seo 3.3.
4.4.1 Tempo de Transmisso Operao sob Condies Normais
As equaes que definem os termos mostrados na equao (1) so definidas para redes
de controle baseadas no protocolo CAN e uma relao entre as equaes (1) e (2)
apresentada. De acordo com as equaes sistematizadas em Godoy, Sousa & Inamasu (2005),
o tempo total de transmisso (Rm), no pior caso, de uma mensagem (m) em uma rede CAN
(TINDELL, BURNS & WELLINGS, 1995), sob condies normais de operao, definido
pela equao (2).
mmmm CWJR ++= (2)
Na equao (2), o termo Jm representa o Jitter da mensagem e determinado
empiricamente, utilizando-se Jm igual 0,1 milisegundo (ms). O termo Wm representa o atraso
na fila no pior caso (o maior tempo entre a insero de uma mensagem na fila de prioridades e
o incio de sua transmisso) e o termo Cm representa o tempo gasto para se transmitir uma
mensagem (m) fisicamente sobre o barramento.
O formato do quadro de dados de uma mensagem CAN contm uma largura de stuff
(quantidade de bits consecutivos que podem ser transmitidos com o mesmo valor 0 ou 1) de 5
bits e uma quantidade O de bits de overhead (requerido para verificao de erros e controle de
40
transmisso) por mensagem. No entanto apenas um nmero T desta quantidade O de bits de
overhead est sujeito ao stuffing (campos no sujeitos ao bit stuffing na Figura 4, seo 3.2.1:
Delimiters CRC, ACK e EOF). Assim, para cada um dos termos da equao (2) so definidas
as equaes (3), (4), (5) e (6), conforme apresentadas em Tindell & Burns (1994) e
aperfeioadas por Punnekkat, Hansson & Norstrom (2000).
bitmm
m SOSTC .84
18
++
+= (3)
T = quantidade de bits de overhead sujeita ao bit stuffing;
O = nmero mximo de bits de overhead por mensagem;
Sm = tamanho limitado da mensagem (m) em bytes (tamanho mximo de 8 bytes);
bit = tempo necessrio para transmitir um bit sobre o barramento (encontrado de
acordo com a velocidade de transmisso de dados: 125K, 250K, 500K, 1M bit/s ou outra
qualquer escolhida).
Godoy, Sousa & Inamasu (2005) definem na Tabela 6 os valores das variveis
referentes equao (3) para os formatos de quadro de mensagem CAN que podem ser
analisados.
Tabela 6 Valor das Variveis da Equao (2) para os Tipos de Mensagem CAN
Valor da Varivel para cada Tipo de Mensagem Varivel nas Equaes
CAN 2.0 A Standard CAN 2.0 B Extended T 34 54 O 47 67
O tempo que uma mensagem CAN (m) fica na fila de espera depende do tempo de
bloqueio por mensagens de menor prioridade que estejam ocupando o barramento no
41
momento (Bm) e do tempo de transmisso das mensagens de maior prioridade. Este tempo
dado pela seguinte equao (4).
+++=
)(.
mhpjj
j
bitjmmm CT
JWBW
(4)
hp (m) = conjunto de mensagens no sistema com prioridade maior que a mensagem (m);
Bm = tempo de bloqueio no pior caso da mensagem (m);
Tj = perodo de uma mensagem (j);
Jj = Jitter de uma mensagem (j).
)(max)( kmlpkm
CB
= (5)
lp (m) = conjunto de mensagens com prioridade menor que a mensagem (m). (se a
mensagem (m) for a de menor prioridade, ento Bm zero).
Os valores Cj e Ck so obtidos para cada mensagem pela equao (3). Para a utilizao
da equao (4), necessria uma relao de recorrncia, com valor inicial 0 0mW = e interaes
ocorrendo at a convergncia dos valores (isto 1n nm mW W+ = ), que resulta na equao (6).
+
+++=
)(
1 .mhpj
jj
bitjn
mm
nm CT
JWBW
(6)
4.4.2 Tempo de Transmisso Operao sob Condies de Erro
Equaes tm sido desenvolvidas e incrementadas ao conjunto de equaes anterior, de
forma a se analisar a operao da rede CAN sob condies de erro (erros na transmisso da
42
mensagem e tempos de retransmisso). Nesses novos modelos so includas mltiplas fontes
de erro e includos tempos de inacessibilidade do barramento CAN devido a erros do prprio
canal e dos transceivers dos dispositivos conectados (PUNNEKATT, HANSSON &
NORSTOM, 2000; PINHO, VASQUES & TOVAR, 2000). Assim, para o caso de operao
da rede CAN sob condies de erro, o tempo de transmisso (Rm) de uma mensagem (m),
passa a ser definido pela equao (7) (GODOY et al. 2006b).
mmmm CQJR ++= (7)
Onde os termos Jm e Cm tm o mesmo significado como apresentado anteriormente, e
Qm corresponde agora ao tempo gasto por uma mensagem na fila de espera, sob condies de
erro, dado diretamente pela seguinte formulao de recorrncia mostrada pela equao (8),
com valor inicial 00 =mQ e interaes ocorrendo ate a convergncia dos valores ( nmnm QQ =+1 ).
)(.)(
1mmm
mhpjj
j
bitjnm
mnm CQECT
JQBQ ++
+++=
+ (8)
O termo Em(t) uma funo de recuperao de erro, que define o valor de bits de
overhead de erros que podem ocorrer num determinado intervalo de tempo (t), definido pela
equao (9). Os valores de nerror = 1 e Terror = 100 milisegundos (ms) so definidos de acordo
com os valores tpicos de taxa de erro do CAN (TINDELL & BURNS, 1994a).
}{)(max.31.(1)( ))( kmmhpKbit
errorerrorm CT
tntE
+
+= (9)
nerror = nmero de erros em seqncia que podem ocorrer em um intervalo arbitrrio;
Terror = perodo de ocorrncia do erro.
43
Em cada erro, o overhead de recuperao de erros pode ser aumentado em at 31 bits,
seguido pela retransmisso da mensagem. Apenas mensagens de prioridade maior que a
mensagem (m) e ela mesma podem ser retransmitidas e atrasar a mensagem (m). A maior
destas mensagens determinada pela equao (10).
}{( )max ( )kK hp m m C (10)
4.4.3 Taxa de Utilizao e Otimizao
Outro parmetro muito utilizado para avaliao de desempenho de redes de controle
CAN a taxa de utilizao do barramento (valor dado em porcentagem). Para este parmetro
baixos valores significam que existe banda ou capacidade disponvel na rede e valores altos
significam que a rede est perto da saturao e o desempenho do sistema comea a piorar. A
equao (11) define o clculo desse parmetro.
1100N
i
CiUTi=
= (11)
Ci = tempo de transmisso da mensagem (i) no barramento e dado por (3);
Ti = perodo de amostragem da mensagem (i) (parmetro de configurao da rede);
N = nmero total de mensagens na rede CAN.
Para completar o modelo de anlise para rede CAN, foram analisadas equaes para
clculo e otimizao de sistemas de controle via rede CAN (GODOY et al., 2006a).
Metodologias ou equaes para otimizao de sistemas de controle distribudo tm como
objetivo melhorar o controle e o desempenho do sistema para o maior valor possvel,
mantendo sua estabilidade. Essas metodologias tm sido desenvolvidas e propostas baseadas
44
na demanda de vrios tipos de protocolos e tecnologias de rede juntamente com diferentes
solues existentes para o estudo dos atrasos de comunicao nessas redes (LI & FANG,
2005; YANG, 2006). Os conceitos e definies de uma destas metodologias, chamada
Sampling Time Scheduling (TIPSUWAN & CHOW, 2003), so pesquisados e aplicados ao
estudo de redes baseadas no protocolo CAN no trabalho de Godoy et al., (2006a). Hong
(1995) desenvolveu a metodologia Sampling Time Scheduling (STS) com a finalidade de
selecionar corretamente um perodo de amostragem para os dispositivos conectados por um
NCS de modo que os atrasos de comunicao relacionados transmisso das mensagens
desses dispositivos no afetem o desempenho e a estabilidade do sistema de controle.
A metodologia STS pode ser utilizada denominando o nmero de NCSs conectados por
uma rede em um sistema de controle como M. Os perodos de amostragem de todos os M
NCSs da rede podem ser calculados a partir do perodo de amostragem do NCS mais sensvel
influncia dos atrasos de comunicao da rede, baseado nos valores encontrados a partir da
anlise de tempo de reposta de rede para o prior caso. O dispositivo mais sensvel da rede,
denominado NCS1 tem o menor valor de tempo de resposta encontrado, o qual representado
por 1. O conceito da metodologia fundamentado no diagrama de transmisso de dados
ilustrado na Figura 10, onde L e representam o tempo de transmisso de uma mensagem de
dados e seu overhead, respectivamente, T1 representa o perodo de amostragem do NCS1 e r
representa o nmero de mensagens de dados que podem ser transmitidas pela rede no pior
caso de operao.
Figura 10 Diagrama de Transmisso de Dados do Perodo de Amostragem T1 da Metodologia de Otimizao (TIPSUWAN & CHOW, 2003)
45
O perodo de amostragem T1 pode ser obtido da atravs da equao (12).
11 3
LT += (12)
Para se calcular os perodos de amostragem dos outros NCSs conectados na mesma rede
de controle, tais dispositivos devem ser indexados pelos tempos de resposta de suas
mensagens em ordem ascendente como NCS2, NCS3... NCSM. Os perodos de amostragem dos
dispositivos NCS2, NCS3... NCSM so determinados a partir de T1 utilizando-se diferentes
regras para as condies de operao da rede. De maneira geral, todos os outros perodos de
amostragem podem ser selecionados como aproximadamente valores mltiplos de T1 como
expressado pela equao (13).
11
1
( ), 2,3...2
ii i i
T LT k T k i MT
= = =
(13)
( )a b= indica que { }2 , 0,1,... ,iv ia v= onde a o valor mais prximo que no
exceda b.
Com a correta definio dos valores dos perodos de amostragem de todos os
dispositivos conectados pela rede de controle, a otimizao da utilizao da rede (o maior
valor possvel para a taxa de utilizao da rede) pode ser alcanada por essa metodologia, fato
que visto como uma vantagem de aplicao desta metodologia em relao s outras
disponveis na literatura (TIPSUWAN & CHOW, 2003; LI & FANG, 2005; YANG, 2006). A
condio para esta otimizao dada pela equao (14).
1 1
1
2 ,M
i i
T T Mr rT L
=
= (14)
46
O conjunto de equaes apresentado, constitui um modelo matemtico que pode ser
utilizado para anlises de redes CAN sob configuraes e parmetros determinados para
aplicaes em sistemas agrcolas.
4.5 METODOLOGIA DE ANLISE
A partir da definio do modelo de anlise, composto pelo conjunto de equaes
apresentado, determina-se quais os parmetros (configurao e desempenho) que poderiam
ser analisados para um sistema com uma rede de controle CAN. Godoy, Sousa & Inamasu
(2005) evidenciam, na Tabela 7, esses tipos de parmetros que podem ser relacionados com
aplicaes agrcolas de forma a direcionar a utilizao desse modelo ao estudo do
desempenho da rede CAN e da influncia de parmetros em diversas situaes.
Tabela 7 Dados Definidos para a Utilizao do Modelo Proposto
Velocidade de Transmisso Barramento Formato do Quadro de Dados CAN (CAN 2.0 A / CAN 2.0 B)
Perodo de Amostragem das Mensagens dos Equipamentos Tamanho (Bytes) do Campo de Dados das Mensagens
Dados de Entrada ou Parmetros de
Configurao
Esquema de Prioridade de Acesso das Mensagens Tempo de Transmisso das Mensagens
Tempo de Resposta do Sistema Taxa de Utilizao do Barramento / Mensagens
Dimensionamento e Otimizao da Rede Cumprimento de Deadline das Mensagens
Dados de Sada ou Parmetros de
Desempenho
Definio do Esquema de Prioridades
Como dito, o estudo e a anlise de outros parmetros, citados nas Tabelas 4 e 5 da seo
3.3, demandariam o desenvolvimento de modelos diferentes do sistema. Um exemplo disso
encontra-se no trabalho de Lopes et al. (2005). Neste trabalho demonstrada, atravs de um
modelo implementado em Redes de Petri, uma anlise que relaciona o nmero de mensagens
47
enviadas e recebidas e o nmero de mensagens nos buffers de transmisso e recepo
(nmeros por dispositivo da rede), com o desempenho de uma rede CAN em aplicaes
agrcolas. Outros exemplos que apresentam anlises de desempenho de redes CAN realizados
com outras ferramentas de anlise podem ser vistos em Hofstee & Goense (1999), Silva
(2003) e Santos, Vasquez e Stemmer (2004).
A partir da definio dos parmetros de entrada, as equaes que definem o modelo so
utilizadas para obter os dados de sada apresentados na Tabela 7. Atravs da anlise desses
dados de sada pode-se determinar se os parmetros de entrada conduzem a um bom
funcionamento ou desempenho da rede, ou seno, orientar uma nova escolha de entrada de
dados. Essa escolha pode ser realizada de acordo com as especificaes de uma norma do
protocolo (por exemplo: ISO11783). Essa estrutura iterativa origina uma metodologia de
anlise de redes CAN (Godoy, Sousa & Inamasu, 2005), com um fluxograma de utilizao
mostrado na Figura 11. Cada ciclo de aplicao deste fluxograma pode ser definido com uma
simulao do sistema analisado. Assim, quanto maior a necessidade de resultados e
informaes a respeito do sistema, maior o nmero de aplicaes da metodologia de anlise,
isto , maior o nmero de simulaes do sistema a serem realizadas.
Figura 11 Fluxograma de Utilizao da Metodologia de Anlise
48
Como citado, a metodologia de anlise pode ser aplicada para estudo de viabilidade de
implementao e do desempenho de redes CAN configuradas sob os parmetros fixados por
normas do protocolo CAN. Para o caso de uma rede CAN sob a norma ISO11783, os dados
que seriam levados em considerao seriam o de velocidade de transmisso de 250Kbits/s,
verso CAN 2.0 B para tipo de mensagem, definidas pelas Partes 2 e 3 da norma citada.
Devido complexidade do modelo sistematizado e possibilidade de realizao de
vrias simulaes para anlise de parmetros diferentes, uma implementao computacional
do modelo e da metodologia de anlise apresentados anteriormente torna-se importante e
necessria. Essa implementao apresentada no prximo captulo.
4.6 CONSIDERAES FINAIS
Neste captulo foram apresentadas as etapas referentes proposta da ferramenta de
anlise de desempenho de redes CAN. A sistematizao das equaes matemticas que
compe o modelo definiu quais parmetros (configurao e desempenho) podero ser
analisados para um sistema de controle com rede CAN. O fluxograma proposto para a
utilizao da metodologia de anlise suporta a escolha do uso da simulao e evidencia a
necessidade de uma implementao computacional desta metodologia.
49
5. IMPLEMENTAO E AVALIAO DA FERRAMENTA DE ANLISE
5.1 CONSIDERAES INICIAIS
Neste captulo so apresentadas as caractersticas e as especificaes do programa
computacional de simulao de redes CAN desenvolvido nesse trabalho. Esse programa
implementa o modelo matemtico e a metodologia de anlise propostas. Uma validao do
programa realizada atravs da comparao entre dados obtidos com a aplicao do programa
e coletados de uma rede CAN experimental. So avaliadas e descritas novas possibilidades de
uso e aplicao para o programa. Uma dessas possibilidades foi a aplicao do programa para
auxiliar no projeto e dimensionamento de uma rede CAN de um rob agrcola mvel, citado
na introduo, o qual este trabalho deu suporte.
5.2 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE SIMULAO
5.2.1 Especificaes e Caractersticas
A implementao computacional do modelo de equaes matemticas para o protocolo
CAN e da metodologia de anlise apresentados anteriormente representa uma tarefa
necessria de modo a facilitar os trabalhos de anlise e obteno de dados de desempenho e
operao da rede CAN com a realizao de diversas simulaes. Para essa implementao foi
utilizado o ambiente de programao LabVIEW 7.0 da National Instruments (NI, 2005).
A escolha deste software foi baseada nas seguintes justificativas:
Disponibilidade do Software (Licena) no laboratrio;
50
Experincia no software por parte do pessoal do laboratrio, o que auxilia o
aluno no caso de necessidade de suporte;
Possibilidade de desenvolvimento de uma interface visual grfica e interativa; o
que facilita a compreenso e a utilizao do programa;
Facilidade oferecida para tarefas de manipulao de grande quantidade de
dados, o que seria necessrio no desenvolvimento;
Disponibilidade de kits de desenvolvimento (Toolkits - Report Generation)
relacionados com gerao de relatrios de dados de sada,
Possibilidade de integrao com rede CAN real (via serial RS232, USB).
Com a ajuda da ferramenta Application Builder, disponvel no LabVIEW 7.0, foi gerado
um arquivo executvel (*.exe) composto por um instalador do programa de simulao
desenvolvido, de forma que o mesmo pudesse ser instalado e utilizado (rodado) em
qualquer computador que fosse necessrio. Isto facilita a distribuio e a utilizao do
programa desenvolvido, j que a disponibilidade do software em que foi implementado
(LabVIEW) no se torna mais necessria.
O programa computacional desenvolvido composto basicamente por quatro telas de
dados, sendo uma delas com consideraes e explicaes iniciais sobre o programa, duas telas
relacionadas entrada de dados a ser realizada pelo usurio e uma tela referente sada de
dados que mostra os resultados da simulao. Nas telas de entrada de dados so definidos os
dados de entrada (parmetros de configurao), conforme explicado na Tabela 7 da
metodologia de anlise, que sero utilizados pelo modelo de equaes para gerar os dados de
sada (parmetros de desempenho) relacionados simulao da rede CAN. Tais dados de
sada so obtidos nas tabelas da tela de sada de dados. Essa diviso em telas de dados visa
facilitar a visualizao e a compreenso dos campos do programa por parte do usurio (Godoy
51
et al., 2006b). As telas do programa desenvolvido so mostradas nas Figuras 12, 13, 15 e 16.
Outras caractersticas importantes do programa desenvolvido e muito interessante para
aplicaes que utilizam grande quantidade de dados de entrada e sada, so funes como:
Validao dos dados de entrada: funo encontrada em cada tela de entrada de
dados e que no deixa o usurio continuar a execuo do programa se existir
dados de entrada incorretos;
Relatrios dos dados de sada: funo para gerao das tabelas de sada de
dados em planilha eletrnica que auxilia no armazenamento da grande
quantidade de dados de sada obtidos nas diversas simulaes realizadas com o
programa.
5.2.2 Apresentao e Descrio do Funcionamento
Define-se para este captulo, que o conjunto formado pelo elemento (ou parte da
imagem) circundado por um retngulo juntamente com o nmero X definido para ele ser
citado no texto como Legenda X da figura. Por exemplo, para se referir a um elemento com
retngulo com o nmero 1, mostrado em uma figura, ser citado no texto como o elemento -
Legenda 1.
Para apresentar o programa desenvolvido, uma detalhada descrio do seu
funcionamento mostrada a seguir. Para essa demonstrao, escolheram-se os seguintes
dados para a rede CAN: Formato do quadro de mensagens do protocolo = CAN 2.0B,
Nmero de mensagens = 4 e Velocidade de transmisso de dados = 250Kbits/s.
A utilizao do programa realizada de acordo com os passos:
1) Caso o programa no esteja instalado no computador, execute o arquivo
setup.exe e prossiga com a instalao (Para fazer um download do programa,
acessar: http://www.simulacao.eesc.usp.br/~egodoy/mestrado.html);
http://www.simulacao.eesc.usp.br/~egodoy/mestrado.html);52
2) Com o programa instalado, inicia-se sua utilizao executando o arquivo
Simulao CAN.exe. A tela inicial mostrada na Figura 12 exibe a tela de
consideraes e explicaes sobre o programa;
Figura 12 Tela Inicial do Programa de Simulao de Redes CAN
3) Aps a leitura dos itens, necessrio clicar no boto INICIAR para que a tela
de entrada de dados 1 do programa seja habilitada. O boto LIMPAR DADOS
limpa todos os campos do programa e o boto INFORMAES apresenta
informaes de contato sobre os responsveis pelo programa;
4) Com a tela de Entrada de Dados 1 habilitada, clica-se na aba correspondente. A
Figura 13 mostra tela de Entrada de Dados 1 do programa;
5) Na tela Entrada de Dados 1, Figuras 13, so definidas as configuraes
principais da rede CAN como: Formato do quadro de mensagens do protocolo
CAN (CAN 2A, CAN 2B) Legenda 1, Nmero de mensagens dos dispositivos
da rede Legenda 2 e Velocidade de transmisso de dados Legenda 3. No
53
caso do campo velocidade de transmisso, pode ser selecionado mais de um
valor para anlise, sendo ele fixo ou definido pelo usurio. Os valores desse
campo so definidos de acordo com a rede CAN que se deseja analisar.
1
2
3
4
1
2
3
4
Figura 13 Tela de Entrada de Dados 1 do Programa de Simulao de Rede CAN
6) Aps a entrada de dados, necessrio clicar no boto VALIDAR DADOS
Legenda 4 da Figura 13, para que seja feita uma verificao dos dados de
entrada e seja habilitado o boto CONTINUAR. Caso exista algum campo de
entrada de dados sem preenchimento ou com valor errado, uma mensagem de
erro aparece, Figura 14(a). Caso os dados estejam corretos, uma mensagem de
OK aparece, Figura 14(b) e o boto CONTINUAR habilitado para o usurio
prosseguir;
(a) (b)
Figura 14 Mensagens Possveis Relacionadas Parte de Validao de Dados
54
7) Com a tela de Entrada de Dados 2 habilitada, clica-se na aba correspondente. A
Figura 15 mostra a tela de Entrada de Dados 2 do programa;
2
1
2
1
Figura 15 Tela de Entrada de Dados 2 do Programa de Simulao de Rede CAN
8) Na tela Entrada de Dados 2, Figura 1
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