Redes Multiplexadas en Automoción: Funcionamiento y Protocolos

Conceptos Básicos de Redes

Una red es un conjunto de terminales conectados mediante una o más vías de transmisión y con determinadas reglas para comunicarse. Los elementos imprescindibles en una red son:

• Emisores y receptores
• Lenguaje
• Canal de transmisión

Protocolo de Comunicación

Un protocolo es un conjunto de comandos establecidos por convención o reglas que deben conocer tanto el emisor como el receptor para poder establecer una comunicación en una red de datos. Utilizan como mensajes tramas de datos compuestas por un gran número de bits enlazados en función de una determinada estructura específica. Los bits son la unidad más pequeña que puede procesar un ordenador, es por la facilidad de implementación con la actual tecnología electrónica que operan en base al sistema binario (0 y 1). Un “Bit” de información solo puede tener el valor de “sí” o de “no” que se representa con el “0” o “1”. Este “bit” circulará por el BUS de datos como dos posibles estados de tensión: “No” será el “0” y “sí” será el “1”.

Los emisores y receptores son las Unidades de Control Electrónico (UCE) y cuando están conectadas a la red son llamadas “nodos”. Al canal de transmisión se le llama bus de datos, que sirve para transmitir información, por él circulan los datos y las instrucciones, el flujo es de doble sentido y a mayor número de bits mayor podrá ser la velocidad de transmisión que consigamos. Este canal está formado por cable de cobre, aunque se va implementando la fibra óptica que posibilita un caudal de datos más elevado. Los bits por segundo (bps) son el número de bits de datos enviados por segundo y es la auténtica velocidad de transmisión:

• 1000 bps = 1 Kbps
• 1000 Kbps = 1 Mbps

Técnica del Multiplexado

La técnica del multiplexado consiste en transmitir por un mismo medio o canal de transmisión un gran número de informaciones en forma de magnitud analógica o digital, sin interferirse entre sí. En la automoción se ha aplicado el multiplexado digital que reemplaza las señales eléctricas por información numérica codificada en forma de bits, haciendo así posible que varios datos numéricos utilicen el mismo canal de comunicación. Por la red multiplexada solo circulará información digital en forma de impulsos eléctricos y el vehículo tendrá cable tradicional para alimentar eléctricamente a los consumidores.

El protocolo usado es del tipo “serie” refiriéndose a que las informaciones son volcadas al BUS de datos por las centralitas una detrás de otra siguiendo una prioridad reflejada en el “campo de datos”. Las funciones del multiplexado y desmultiplexado de las señales, son efectuados por medio de los circuitos integrados de comunicación de los nodos.

Posibilidades para la Transmisión de Datos

1. Hasta hace poco cada información se intercambiaba a través de un cable propio, por lo que se ve dificultada la forma de compartir recursos entre distintas centralitas, pudiéndose dar la necesidad de montar sensores similares de forma duplicada para informar a las diferentes centralitas sin posibilidad de compartir dicha información.
2. En cambio, gracias a las redes multiplexadas toda la información se intercambia a través del Bus de datos que es bidireccional y compuesto como mucho por dos cables y así conseguimos reducir sensores y cableados, ahorrar espacio y peso, y reducir costes, además de obtener UCEs más pequeñas.

Clasificación de Redes Multiplexadas

• Clase A: <10 Kbps, como el IEBus
• Clase B: 10 Kbps a 125 Kbps, como el CAN Bus
• Clase C: 125 Kbps a 1 Mbps, como el DSI Bus. La tecnología ha conseguido superar el umbral de la Clase C, como el TTP Bus.

En un mismo vehículo se pueden implementar varias redes a la vez dependiendo de sus aplicaciones. Ejemplo:

• LIN: para funciones con baja/media velocidad
• CAN: para media/alta velocidad
• MOST: para muy alta velocidad
• FLEXRAY: para aplicaciones que requieran una seguridad máxima

Gateway

Un Gateway es un conversor informático que permite intercambiar información entre dos redes distintas. No es posible una interconexión directa debido a:

• Diferentes velocidades
• Diferentes niveles de tensión
• Diferente configuración de sus resistencias
• Distintos protocolos

CAN Bus

El CAN Bus (Controller Area Network) es un sistema autónomo integrado en la arquitectura electrónica del vehículo y su función reside en actuar como línea para el intercambio de datos entre las diferentes centralitas electrónicas conectadas a ella. A mediados de los 80, Bosch diseñó una de las primeras y más duraderas redes de control para el automóvil y es la red más extendida y aplicada por los fabricantes de automóviles por su robustez y relación coste-efectividad. Puede llegar a admitir una velocidad de transmisión de datos de 1 Mbps.

Consta de:

• Controlador o módulo CAN: subdividido en dos áreas (emisión y recepción) cuya función es la de facilitar el intercambio de mensajes entre el microcontrolador y el transceptor CAN.
• Transceptor CAN: como emisor transforma los datos del controlador CAN en señales de tensión eléctricas y los transmite sobre los cables del bus de datos y como receptor, viceversa, recibe los datos y los transforma para el controlador CAN.
• Cables del bus de datos: se trata de un par de cables de cobre trenzados de 0.6 mm² de sección que unen todas las centralitas de la red. Al trenzarlos se intenta evitar los parásitos que podrían afectar a la transmisión de señal. Además, las tensiones en los dos cables del bus de datos se encuentran siempre contrapuestas, la suma de sus tensiones es siempre constante. Uno de los cables se denomina H (High) y tiene línea CAN-High (el nivel de tensión de esta línea aumenta en el estado dominante) y el otro L (Low) y tiene línea CAN-Low (el nivel de tensión de esta línea se reduce en el estado dominante). Las señales que circulan por los dos cables del bus, Bus H y Bus L son siempre idénticas aunque opuestas, es la “transmisión diferencial de los datos”: con el análisis permanente de las dos señales, se logra minimizar los fallos y las interferencias que intervienen a la vez en ambas líneas.
• Función monoalámbrica: los CAN-Bus de la clase B, al transmitir a una velocidad relativamente baja, permiten incorporar un transceptor de bajo rendimiento, por lo que si se avería un cable de su bus de datos, este se conmuta a la función de emergencia monoalámbrica permitiendo así mantener la capacidad funcional de la red.
• Elementos finales del bus de datos: son unas resistencias de terminación colocadas al principio y al final de los cables que forman el bus, las cuales se alojan en dos centralitas colocadas a los extremos de este. Impiden la reflexión de las señales eléctricas del mensaje, evitando así la falsificación de los datos de este y permiten adaptar el funcionamiento del bus para distintas longitudes de cable y número de centralitas conectadas a la red. Por ejemplo, el grupo Audi utiliza resistencias repartidas/emplea una resistencia de terminación central en la centralita de inyección y resistencias de alto ohmiaje en las demás unidades conectadas al bus/las reflexiones son más intensas pero tienen efectos negativos por las reducidas longitudes de los buses de datos de sus vehículos.

Todos ellos, a excepción de los cables, van integrados en las centralitas añadiéndose genéricamente a los componentes ya conocidos de las UCE.

Intercambio de Información

El intercambio de información es similar a una conversación telefónica, un nodo “habla”, multiplexa informaciones en un mensaje y lo lanza al bus de datos de la red, mientras que todos los demás nodos “escuchan”, desmultiplexan los datos de este mensaje y si le son de interés los utilizan, sino los desprecian. Esta forma de transmisión se denomina “Broadcast”.

Todas las informaciones que se van a intercambiar los nodos de la red son reagrupadas e incrustadas dentro de los protocolos de datos que son transmitidos de forma cíclica por los nodos en función de una frecuencia de tiempo ajustada y están formados por un gran número de bits enlazados. Con dos bits enlazados se pueden transmitir hasta 4 informaciones diferentes codificadas de una forma entendible por las centralitas, cuanto mayor es el número de bits enlazados más información puede transmitir y con cada bit adicional se duplica la cantidad posible de información, solo existen dos niveles lógicos “0” y “1”.

Quien genera en forma de tensión estos dos diferentes estados operativos es el Transceptor CAN:

• Con el conmutador cerrado fluye corriente por la resistencia y en el bus se regula una tensión de 0V (0=activo).
• Si está abierto no fluye corriente en la resistencia, no cae la tensión y en el bus se regula una tensión de 5V (1=pasivo).

Es importante tener claro que el nivel pasivo del bus se denomina también estado recesivo porque puede ser modificado por cualquiera de los nodos que se encuentran enlazados ya que un estado dominante sobreescribe siempre a un estado recesivo. Bajo esta técnica el Amplificador diferencial del Transceptor CAN asume la función de analizar las señales de las líneas CAN-High y CAN-Low.

Protocolo de Enlace de Datos

Cada trama o protocolo de datos consta de 7 campos, cada uno con su respectiva función específica:

• Campo de comienzo del datagrama: indica el comienzo del protocolo de datos y consta de 1 bit.
• Campo de estado: indica la prioridad del mensaje, de forma que evita que la información de dos centralitas se emitan de forma simultánea y consta de 11 bits.
• Campo de control: indica la cantidad de información que contiene el siguiente campo, de forma que la centralita receptora pueda comprobar si ha recibido la información completa y consta de 6 bits.
• Campo de datos: contiene la información que debe recibir por el resto de las centralitas y consta de 64 bits como máximo.
• Campo de aseguramiento: se usa para detectar errores en la transmisión y consta de 16 bits.
• Campo de confirmación: con este campo los receptores indican al transmisor la correcta recepción de los datos, de lo contrario, se indica al transmisor que repita el mensaje. En el sistema CAN la confirmación siempre es obligatoria y consta de 2 bits.
• Campo de fin de datagrama: con este campo se finaliza el mensaje, se tiene la última posibilidad de dar aviso de error para efectuar una nueva repetición del mensaje.

Secuencias de una Transmisión de Datos

El intercambio de información es en serie.

Envío de datos: todos los nodos están siempre a la escucha de lo que acontece en el bus de datos, a través de sus cables RX, cuando desean enviar un mensaje deben esperar a que el bus esté libre.

La recepción de datos: todos los nodos reciben el mismo mensaje, una vez en el controlador de CAN el proceso de recepción tiene dos fases:

1. Comprobación de la corrección del mensaje en el nivel de control.
2. Comprobación de la utilidad del mensaje en el nivel de aceptación.

Si 2 o más nodos intentan enviar simultáneamente sus tramas de información se produciría una colisión y hay que definir cual tiene prioridad de paso. En el caso de que varias centralitas quieran emitir simultáneamente se debe dar una prioridad que queda reflejada en el protocolo mediante un código de 11 bits en el campo de estado de dicho protocolo, teniendo en cuenta que un bit “0” (dominante) tiene prioridad sobre un bit “1” (recesivo). Si una centralita emite un bit “1” (recesivo) y detecta un bit “0” (dominante), detiene la acción de volcar su protocolo sobre el bus y se convierte en una centralita receptora.