Redes Multiplexadas En Automocion

Redes multiplexadas en Automoción

INDICE Introducción ....................................................................................................................... 2 Componentes del Sistema .................................................................................................. 4 Protocolo CAN BUS ......................................................................................................... 6 Protocolo VAN BUS .......................................................................................................... 9 Protocolo LIN BUS ........................................................................................................... 10 Protocolo MOST BUS ....................................................................................................... 12 Redes inalámbricas ............................................................................................................ 13

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Redes multiplexadas en Automoción

INTRODUCCIÓN • •

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La implantación de este tipo de redes en el automóvil es debido a el gran incremento de accesorios electrónicos y de computadoras específicas para la gestión de estos. Entendemos como red multiplexada el circuito único que interconecta las computadoras, disminuyendo con esto el cableado y proporcionando mayor seguridad y confort. Igualmente disminuye el número de sensores y actuadores. La topología de red bus consiste en uno o dos cables e información que viaja en ambos sentidos. En los protocolos que hay dos cables uno se encarga del envío de dicha información, mientras el otro hace la verificación de los datos, aunque también este último puede tener la función de auxilio si existiera una anomalía en el primero. Características de este tipo de redes. ✗

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Según el tipo de señal que utilizan. ✗ ✗

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Cada tipo de bus esta pensado para una necesidad. Contando cada una con velocidades adecuadas a tales efectos. ✔ CAN BUS. Hasta 1Mbps. ✔ VAN BUS. Hasta 250Kbps. ✔ LIN BUS. Hasta 20Kbps. ✔ MOST BUS. Hasta 20Mbps. ✔ REDES INALÁMBRICAS. ➢ Bluetooth. Hasta 1Mbps. En cada red se tiene en cuenta el nivel de seguridad de los datos enviados (a nivel de fallos de envío), aunque hay algunas en las que esto es más necesario. Cada red, según su función, va a tener un coste de implementación diferente. El tipo de la señal transmitida va a ser otra diferencia a la hora de emplear un tipo de red u otro.

Eléctrica. Todas las redes cableadas (CAN, VAN, LIN y MOST) Lumínica. La red MOST

Estructura red multiplexada.

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Protocolo de transmisión de las diferentes redes multiplexadas. ✗

Todas las redes que vamos a ver (al igual que todas las existentes) tienen unas normas que especifican lo siguiente: ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

La velocidad de transmisión. La lista de mensajes y su codificación. La estructura y lista de identificadores (valores, periodicidades, prioridades, etc). La estructura de las tramas (bits u octetos, posición, codificación, etc). La frecuencia de transmisión de las tramas (eventual, periódico). Las reglas de comunicación (respuesta de la trama, acuse de recibo, etc). Las reglas de diagnóstico.

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COMPONENTES DEL SISTEMA •

Sensores. ✗ ✗ ✗ ✗ ✗

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Actuadores. ✗ ✗ ✗ ✗ ✗

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Son las entradas de la Unidad de Control Electrónica (UCE). Introducen la información necesaria para el sistema. Transforman una magnitud física en señal eléctrica. Según la magnitud física que captan, existen sensores de velocidad, caudal, temperatura, posición, etc. La señal eléctrica que envían puede ser analógica (resistencia de temperatura NTC), o señal digital (sensor Hall).

Se conectan en las salidas de la UCE. Reciben las órdenes de ejecutar tareas concretas bajo el control del sistema. Transforman una corriente eléctrica de mando en calor, movimiento, luz, etc. Los actuadores pueden ser motores, electroimanes, bombas, lámparas, electroválvulas, resistencias, etc. La corriente eléctrica de mando puede ser contínua de valor fijo o de valor regulable y también puede ser una señal PWM (que controla la energía de inercia o pulsos de la misma).

Unidad de control (UCE). ✗

Constituye el “cerebro” del sistema y está integrada por varios bloques con funciones específicas.

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Componentes. ✔ Reloj. Genera los pulsos de funcionamiento del sistema. ✔ Interfaz de entradas. Acondicionamiento de las señales emitidas por los sensores. Todas las señales pueden requerir en algún momento su confirmación, amplificación, filtrado y conversión A/D. ✔ Procesador. Procesa los datos recibidos de los sensores según la cadencia del reloj, con ayuda de los programas almacenados en la memoria. ✔ Interfaz de salidas. Transforma las señales del procesador en señales de mando con la potencia requerida por cada actuador. Esto incluye la conversión D/A, conformado y aplicación. ✔ Memoria. a) ROM. De “solo lectura”. Aquí se almacenan los programas, datos, curvas características, valores teóricos, etc. Pueden ser programables (PROM, EPROM). b) RAM. De “lectura y escritura”. Almacenamiento temporal de los datos de un programa durante su ejecución. Se borran una vez desconectado el sistema.

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✔ Intersistemas. Permite el envío y recepción de datos de otros programas a través de la red multiplexada. ✔ Autodiagnóstico. Comprueba el funcionamiento del sistema. Activa el modo de seguridad cuando es necesario, memoriza anomalías y permite la comunicación con un terminal de diagnosis. •

Pasarela (Gateway). ✗

Sirve para comunicar redes diferentes entre sí. Para ello debe transformar los mensajes extrayendo los datos de una red emisora que interesen a otra receptora, elaborando una nueva trama según el protocolo de esta última.

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PROTOCOLO CAN BUS (Controller Area Network) • •

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Fue patentado por Robert Bosch en 1982. El sistema BUS se caracteriza por tener un único canal de comunicaciones. En el caso de la automoción esto se traduce en que todas las centralitas van a tener comunicación entre sí. Topológicamente se trata de un par de cables trenzados para impedir la interferencia electromagnética. En algunos casos pueden ir apantallados. Por estos cables circulan señales invertidas, y en sus extremos se utilizan resistencias para evitar rebotes de señal y posibles fallos en la comunicación. La impedancia de esta línea es de 100Ω, por lo que se usarán resistencias de este valor, para evitar ondas reflejadas. La velocidad de transmisión es de 125 y 500kbit/s. Tiene como ventajas la reducción de costes y su flexibilidad. Ya que se consigue reducir el cableado a un sólo par. Cada nodo de la red debe monitorizar el bus, y si ve que no hay actividad, puede mandar un mensaje. Si dos nodos de la red comienzan a transmitir un mensaje, ambos detectan la colisión. Un método de arbitrajes basado en prioridades resuelve el conflicto. Conexiones. No hay límite teórico. Bus compuesto por un único canal de transmisión. Valores de bus (dominante o recesivo).

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Propiedades. ✗ Priorización del mensaje. ✗ Garantía en los tiempos de retardo. ✗ Flexibilidad de la comunicación. ✗ Recepción múltiple con tiempos de sincronización. ✗ Robustez en sistemas de amplios datos. ✗ Multimaestro (si el bus esta libre, cualquier nodo puede empezar a transmitir). ✗ Detección del error y señalización. ✗ Retransmisión automática de mensajes corruptos en cuanto se quede libre el bus de nuevo. ✗ Distinción entre errores temporales y fallos permanentes del nodo, y desconexión automática de nodos defectuosos.

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Seguridad. ✗ En todos los nodos CAN se implementan medidas especiales para la detección de errores, señalización y auto-chequeo. ✗ Detección del error, mediante monitorización (a niveles de bit) y chequeo de la trama (del mensaje). ✗ Señalización del error y tiempos de restablecimiento. Cualquier nodo puede reconocer los mensajes corruptos. ✗ Algunos tipos de red CAN pueden funcionar en modo degradado (CAN LS Fault tolerant), y en otras una anomalía en uno de los cables provoca la parada de toda la red (CAN HS).

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Canales del BUS CAN. ✗ CAN_H (High). Por este canal se transmiten datos de elevada seguridad en el vehículo (frenos, motor,…). ✗ CAN_L (Low). Por este canal van los datos que son de importancia secundaria (confort).

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Estructura de la trama (mensaje) en CAN bus.

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Señales de la red CAN (Alta y baja).

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Conector y pines del BUS CAN.

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Colisión y arbitraje. ✗

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Cuando un calculador se dispone a emitir un mensaje, 'escucha' la red para comprobar que está libre. En caso contrario, espera el código de fin de trama (entre 1 y 7 bits), dejando 3 bits libres y comenzando a emitir. Si otro calculador comenzara a emitir al mismo tiempo, el campo identificador sirve de arbitraje, donde prevalece el 0 (dominante) sobre el 1 (recesivo) en cuyo caso se suspende la transmisión.

Resistencias de terminación. ✗ Para evitar las señales rebotadas en el bus, la red CAN coloca unas resistencias de 120Ω 120Ω en sus extremos. extremos. ✗ Estas resistencias sirven además para comprobar la continuidad del bus. Un óhmetro colocado entre los cables CAN_H y CAN_L debe marcar 60Ω 60Ω.

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PROTOCOLO VAN BUS (Vehicle Area Network). • • • •

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Desarrollada por PSA y Renault a finales de los 80 para sistemas de carrocería y confort. La topología de red consiste en un par de cables de cobre trenzados (llamados DATA y DATA/), con señales invertidas de 0 y 5V. Las velocidades de transmisión oscilan entre 62.5kbps (VAN Carrocería) y 125kbps (VAN Confort). Pueden tener diferentes estructuras. ✗ Maestro-Esclavo. ✗ Multimaestro-Multiesclavo. ✗ Multimaestro. La red VAN es tolerante a las averías del bus y puede funcionar en modo degradado. Esta red no cuenta con resistencias de terminación en el propio bus, ya que están en las diferentes centralitas. Componentes de la red VAN BUS. ✗ ✗

Bus de datos, formado por un par de cables trenzados. Centralitas.

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Estructura de la trama.

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Señal generada por la red VAN BUS.

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PROTOCOLO LIN BUS (Local Interconnect Network).

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Desarrollada en el año 2000 por un consorcio auspiciado por Motorola, y en el que se integraron Audi, BMW, DaimlerChrysler, Volvo, Volkswagen, Communication Technologies AB y Valeo. Es una subred local de la red CAN que cablea los diferentes componentes de una función. Por lo que no es una red entre sistemas sino entre los diferentes componentes (sensores, actuadores, centralitas) de un mismo sistema. Por lo que la estructura de la red es de tipo Maestro-Esclavo, ya que las órdenes se transmiten siempre en una sola dirección. El maestro puede transmitir órdenes hasta a 16 esclavos conectados en sentido descendente. Un ejemplo de esta red es la del techo solar eléctrico, cuyo motor recibe órdenes desde la unidad de control a través del bus LIN. Utiliza como bus de datos un solo cable de cobre. No requiere protección contra parásitos dada su condición de red local y su elevada tolerancia contra la tensión. Este cable tiene un color básico violeta y un color de identificación. Velocidad de transmisión entre 9.6 y 19.2kbps. Esta red no puede funcionar en modo degradado.

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Trama de la red LIN.

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Funcionamiento de la red LIN.

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PROTOCOLO MOST BUS (Media Oriented Systems Transport).

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Es una red multiplexada utilizada en los sistemas de información y entretenimiento. Utiliza un bus de fibra óptica por el que circula la luz emitida de un LED con una longitud de onda de 650nm (luz roja). Velocidad de transmisión muy alta, de 21Mbps. Sus componentes se conectan mediante estructura anular.

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Comunicación en la red MOST.

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1. El transceptor MOST pone en comunicación la unidad de control con la de transmisión y recepción, codificando y descodificando la señal MOST. 2. FOT, o unidad de transmisión y recepción, consta de un diodo LED que convierte las señales eléctricas en luminosas, y un fotodiodo que hace lo contrario. 3. Las señales luminosas recorren el anillo de fibra óptica LWL. 4. La unidad de mando a la que corresponda recoge la información (recepción) o la envía (emisión).

Unidad de control MOST.

Comunicación en la red MOST.

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REDES INALÁMBRICAS •

Protocolo Bluetooth. ✗

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Esta tecnología se implanta por primera vez en un Audi A8 del 2003 para la comunicación inalámbrica entre el auricular selector del teléfono y la unidad de control para teléfono/telemática. Es un sistema normalizado de transmisión por radiofrecuencia de corto alcance. Este sistema de radiocomunicación permite enlazar diferentes dispositivos de información, procesos de datos y radiotelefonía. Velocidad de transmisión de datos hasta 1Mbps. Los aparatos pueden transmitir simultáneamente hasta tres canales de voz. La gama de frecuencias que utiliza este protocolo está entre 2.40 y 2.48Ghz. El nivel de seguridad de la red puede incrementarse con la implementación de nuevos algoritmos. Funcionamiento. ✔ En ciertos aparatos móviles se montan transceptores de corto alcance (transmisores y receptores). O bien se integran a través de un adaptador (tarjeta USB, de PC, etc). ✔ La longitud de onda muy corta de esta frecuencia permite integrar en el módulo bluetooth: la antena, el control y la codificación y la técnica de transmisión y recepción. ✔ En cuanto coinciden dos aparatos bluetooth inmediatamente se establece la comunicación, aunque debe introducirse un PIN en ambos equipos para completar la misma. ✔ Se crean celdas por cada red establecida (llamadas picorred). En cada picorred tienen cabida hasta 8 aparatos activos. Todos los aparatos activos pueden escuchar a los de otras picocélulas (aparatos de otras redes). Una picorred admite hasta 256 aparatos no activos.

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Jerarquía de la red.

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✔ El aparato maestro establece la comunicación. ✔ Los demás aparatos se sincronizan con respecto al maestro. ✔ Solo el aparato que ha recibido un paquete por parte del maestro puede enviar la respuesta. Funciones del módulo de control. ✔ Dividir los datos en paquetes cortos y adaptables. Estos tienen una duración aproximada de 625 μS. ✔ Verificación de integridad de los paquetes de datos mediante una suma de 16 bits. ✔ Repetición automática de envío de paquetes fallidos. ✔ Robusta codificación de voz, que se transmite mediante señales digitales.

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Funcionamiento del módulo de radiocomunicación. ✔ Modifica la frecuencia de transmisión y recepción después de cada paquete de datos (frequency hopping). ✔ Los datos se codifican con un algoritmo de 128 bits. Al igual que la legitimidad del receptor. ✔ Cada comunicación establecida tiene una contraseña. ✔ Alcance limitado a 10 metros.

Esquema de la red Bluetooth.

Envío de mensajes mediante la red Bluetooth.

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Protocolo FlexRay.

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Desarrollado por el Consorcio FlexRay (BMW, Daimler AG, Philips y Motorola) entre los años 2000 y 2009. La sincronización de los nodos se hace mediante una base de tiempos global. Existe una latencia garantizada de los mensajes. Sistema tolerante a fallos. Acceso al bus libre de colisiones. Protocolo orientado a los mensajes que se guían mediante identificadores. Sistema escalable y redundate mediante dos canales de comunicación. Velocidad de transmisión de 10Mbps (20Mbps si se utilizan los dos canales sin redundancia). Partición de tiempo de emisión entre los diferentes nodos. En ciclos de 4 segundos.

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Elementos del protocolo FlexRay.

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Un micro controlador. Un controlador de comunicaciones. Dos transceptores. Fuente de alimentación.

Arquitectura protocolo FlexRay.

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Trama del mensaje en FlexRay.

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