40 anos do barramento CAN: do automóvel às máquinas industriais

Em 1986, engenheiros da Bosch subiram ao palco do congresso da SAE, a sociedade de engenheiros automotivos dos Estados Unidos, em Detroit, para apresentar um protocolo de comunicação serial pensado para automóveis. O nome era Controller Area Network, logo abreviado para CAN. Quarenta anos depois, o barramento está em praticamente todo carro, caminhão, trator e em uma quantidade enorme de máquinas industriais, elevadores, equipamentos médicos e robôs.

A história do barramento CAN é a de uma solução para um problema bem concreto, o excesso de fios, que se revelou robusta o bastante para sair da indústria automotiva e se instalar no chão de fábrica.

O problema: cabos demais dentro do carro

No início dos anos 1980, os automóveis ganhavam rapidamente módulos eletrônicos: injeção, freios antitravamento, controle de transmissão, painel de instrumentos. Cada módulo precisava trocar informações com os outros, e a solução da época era ligar ponto a ponto, com um fio para cada sinal. O chicote elétrico crescia em peso, custo, volume e pontos de falha.

A Bosch começou a desenvolver o CAN em 1983 com uma proposta diferente: um único par de fios compartilhado por todos os módulos, pelo qual cada um enviaria mensagens identificadas. Em vez de dizer quem recebe, cada mensagem diria o que contém, e cada módulo leria apenas as que lhe interessam.

Como o CAN funciona

Três características explicam por que o protocolo resistiu tão bem ao tempo:

• Transmissão diferencial. O sinal trafega em dois fios, CAN High e CAN Low, e o receptor lê a diferença de tensão entre eles. O ruído eletromagnético tende a afetar os dois fios igualmente e se cancela, o que torna o barramento muito imune a interferências, requisito essencial em motores a combustão e, mais tarde, perto de inversores de frequência.
• Arbitragem sem perda de mensagem. Qualquer nó pode começar a transmitir quando o barramento está livre. Se dois começam juntos, o identificador decide: bits dominantes prevalecem sobre bits recessivos, e o nó com a mensagem de maior prioridade continua transmitindo sem perceber a disputa, enquanto o outro recua e tenta depois. Nenhum tempo é desperdiçado com colisões.
• Detecção e confinamento de erros. O protocolo verifica cada mensagem com CRC, confirmação de recebimento e checagens de formato. Um nó que acumula erros é afastado automaticamente do barramento, evitando que um dispositivo defeituoso derrube a rede.

O barramento é linear, com resistores de terminação nas duas extremidades. Há um compromisso entre velocidade e comprimento: quanto maior a taxa de transmissão, menor o comprimento máximo da rede, porque o bit precisa chegar a todos os nós dentro do mesmo intervalo para a arbitragem funcionar.

Do laboratório aos carros de série

Depois da apresentação de 1986, o protocolo ganhou implementações em silício. A Intel lançou o primeiro controlador CAN em 1987, e a Philips veio logo em seguida. Em 1991, a Bosch publicou a especificação CAN 2.0, com duas partes: a parte A, para identificadores de 11 bits, e a parte B, para identificadores estendidos de 29 bits. No mesmo ano chegou às ruas o Mercedes-Benz Classe S da série W140, reconhecido como o primeiro veículo de produção com um sistema de fiação multiplexada baseado em CAN.

Em 1993, a ISO publicou a norma ISO 11898, que padronizou o protocolo internacionalmente. A partir daí, o CAN se espalhou pela indústria automotiva e se tornou a espinha dorsal da eletrônica embarcada.

A chegada à automação: CANopen, DeviceNet e companhia

O CAN define como os bits e as mensagens trafegam, mas não diz o que cada mensagem significa. Para usar o barramento em máquinas, com dispositivos de fabricantes diferentes, era preciso um protocolo de camada superior que padronizasse perfis de dispositivos, parametrização e troca de dados.

Em 1992, fabricantes e usuários fundaram na Alemanha a associação CAN in Automation (CiA), que passou a manter as especificações de aplicação industrial. O resultado mais conhecido é o CANopen, cuja especificação básica de comunicação e perfil de dispositivo está no documento CiA 301. O CANopen organiza os dados de cada dispositivo em um dicionário de objetos, com mensagens para dados de processo (PDO), acesso a parâmetros (SDO), gerenciamento de rede e emergência. Perfis específicos padronizam acionamentos, módulos de entrada e saída, encoders e outros dispositivos.

Outras camadas de aplicação seguiram caminhos próprios:

• DeviceNet, desenvolvido originalmente pela Allen-Bradley e atualmente mantido pela ODVA, muito difundido em plantas com equipamentos norte-americanos.
• SAE J1939, padrão para veículos pesados, como caminhões, ônibus e máquinas de construção.
• ISOBUS (ISO 11783), que permite a comunicação entre tratores e implementos agrícolas de fabricantes diferentes.

Há ainda um efeito menos visível: os perfis de dispositivo do CANopen foram adotados por redes baseadas em Ethernet. O EtherCAT, por exemplo, pode transportar o perfil CANopen para acionamentos, o que facilitou a migração de fabricantes e integradores.

Onde o CAN ainda está nas máquinas

Mesmo com a expansão das redes Ethernet industriais, o barramento CAN mantém espaço em aplicações em que custo, robustez e simplicidade pesam mais que a banda:

• Máquinas móveis: empilhadeiras, plataformas elevatórias, máquinas agrícolas e de construção, que convivem com vibração, umidade e alimentação por bateria.
• Acionamentos e servomotores em máquinas compactas, com o perfil CANopen para controle de movimento.
• Elevadores e escadas rolantes, que usam perfis CANopen próprios para esse setor.
• Equipamentos médicos e laboratoriais, pela previsibilidade de tempo e pela robustez.
• Módulos de entrada e saída remotos e sensores em sistemas embarcados.
• Baterias e veículos elétricos, em que o CAN faz a comunicação entre sistemas de gerenciamento de bateria, carregadores e controladores.

Diagnóstico em campo: o básico que resolve a maioria dos casos

Quem mantém máquinas com rede CAN acaba desenvolvendo um roteiro de verificação. Boa parte das falhas está na camada física, e alguns testes simples, feitos com a rede desenergizada e com um multímetro comum, eliminam as causas mais frequentes:

• Resistência entre CAN High e CAN Low. Com as duas terminações instaladas em paralelo, a leitura deve ficar em torno de metade do valor de cada resistor. Um valor igual ao de um resistor só indica terminação faltando; um valor bem menor indica terminação a mais.
• Continuidade e inversões. Um par invertido em um conector deixa um nó mudo ou gera erros em toda a rede.
• Blindagem e referência. A malha do cabo deve seguir a recomendação do fabricante quanto ao ponto de aterramento, e o sinal de referência (CAN GND) precisa estar presente quando os nós têm alimentações separadas.
• Taxa de transmissão. Todos os nós precisam estar configurados com a mesma taxa. Um dispositivo novo com a taxa de fábrica diferente da rede é causa comum de falha após uma substituição.
• Identificadores ou endereços duplicados. No CANopen, dois nós com o mesmo número geram conflitos que aparecem de forma intermitente.

Com a rede energizada, um analisador de barramento ou a própria ferramenta de diagnóstico do controlador mostram os contadores de erro de cada nó, o que ajuda a localizar o trecho com problema.

A evolução: CAN FD e CAN XL

O limite de 8 bytes de dados por mensagem e a taxa máxima de 1 Mbit/s do CAN clássico ficaram apertados para os carros atuais. Em 2012, a Bosch apresentou o CAN FD (flexible data rate), que aumenta a carga útil para até 64 bytes e permite acelerar a transmissão na fase de dados, mantendo a arbitragem compatível. O passo seguinte é o CAN XL, que amplia ainda mais o tamanho das mensagens e a taxa de transmissão e ocupa o espaço entre o CAN FD e a Ethernet automotiva.

Para o técnico de automação, essa evolução significa que o conhecimento do CAN clássico continua útil. Os conceitos de identificador, arbitragem, terminação e diagnóstico de erros valem para as novas versões, e os problemas mais comuns em campo, como terminação ausente ou duplicada, derivações longas demais e taxa de transmissão diferente entre nós, são os mesmos de sempre.