Comunicación intravehicular: CAN, FlexRay y MOST
Las redes a bordo usan CAN, FlexRay, MOST y Ethernet para la comunicación de la ECU. Cada protocolo apunta a distintas necesidades de velocidad, confiabilidad y ancho de banda.
CAN, FlexRay y MOST son protocolos de comunicación automotriz usados para conectar unidades de control electrónico (ECU), unidades de control de la transmisión (TCU) y módulos de control de carrocería (BCM) en vehículos:
CAN Un protocolo basado en mensajes que originalmente se diseñó para ahorrar cobre mediante el multiplexado del cableado eléctrico en los automóviles. CAN tiene un ancho de banda de alrededor de 125 kpbs.
FlexRay Un protocolo de comunicación serial de alta velocidad, tolerante a fallas y determinista que puede transferir datos a velocidades de hasta 10 Mbits por segundo sobre dos cables trenzados. FlexRay suele usarse en aplicaciones críticas para la seguridad, como los módulos del tren motriz. Las cargas útiles de FlexRay, o tramas de datos, pueden tener hasta 127 palabras (254 bytes) de longitud, lo que es más de 30 veces más largo que las cargas útiles de CAN.
MOST Un estándar de bus para redes multimedia vehiculares que permite la transferencia de audio, video y datos de alta calidad. MOST está disponible en tres velocidades de transmisión: MOST25, MOST50 y MOST150.
CAN (Controller Area Network) es actualmente la red vehicular más utilizada. Sin embargo, con el desarrollo continuo de los vehículos autónomos y la tecnología relacionada, existe una alta demanda de mayor ancho de banda y conectividad. En este documento, describimos brevemente CAN y otras opciones de conectividad vehicular, incluyendo CAN inalámbrico, MOST, FlexRay y ethernet automotriz.
Bus CAN: algunos principios subyacentes
En sentido amplio, CAN-bus (Controller Area Network-bus) es en realidad un conjunto de estándares que permiten que distintos dispositivos se comuniquen entre sí. Es un sistema de bus serial asíncrono (desfasado en el tiempo), desarrollado en 1983 por Robert Bosch GmbH con el objetivo de interconectar unidades de control electrónico (ECU) en vehículos de motor.
CAN se dividió en varias capas, siguiendo el modelo ISO/OSI para lograr flexibilidad y transparencia en el diseño. Para la comunicación en la práctica, el bus CAN usa dos cables dedicados: CAN low y CAN high, mediante los cuales el controlador CAN se conecta a todos los componentes de la red. CAN permite sustituir un cableado bastante complejo por un bus de dos cables. CAN utiliza una señal diferencial, lo que lo hace más resistente al ruido, con dos estados lógicos: recesivo y dominante. Hoy en día, el bus CAN se usa prácticamente en todo, desde máquinas de café hasta gestión de flotas y aplicaciones espaciales. A continuación describimos brevemente los principios de funcionamiento del bus CAN.
El protocolo de comunicaciones CAN ISO-11898: 2003 explica cómo se transmite la información entre dispositivos en una red basada en un modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) que se presenta como un conjunto de capas en la figura de abajo. Las dos capas inferiores del modelo OSI/ISO de siete capas son la capa física y la capa de enlace de datos. La capa física define la comunicación entre dispositivos conectados por el medio físico.
La capa de enlace de datos, entre otras cosas, también se encarga de organizar los bits en tramas e incluye dos protocolos: CAN clásico (cuyo primer uso se remonta a 1988) y CAN FD (lanzado en 2012).
La capa de aplicación es esencialmente una capa para el usuario final y proporciona acceso a los recursos de la red. Hay dos tipos de formatos de mensajes/tramas: estándar y extendido. Se diferencian entre sí solo por la longitud del identificador: el estándar es de 11 bits, mientras que el extendido es de 29 bits.
La estructura de un mensaje estándar podría dividirse en 8 partes, como se muestra en la figura de abajo. Esas partes son: Start of Frame (SOF - el inicio de la transmisión de la trama), CAN-ID (identificador de trama, identificación de prioridad del mensaje), Remote Transmission Request (RTR, indica si un nodo solicita datos de otro nodo o envía datos), Control (informa la longitud de los datos en bytes), Data (valores de datos reales que necesitan escalarse/convertirse), The Cyclic Redundancy Check (CRC, que garantiza la integridad de los datos), ACK (acknowledge, indica si los datos se reciben correctamente) y EOF (End of Frame) que marca el final del mensaje/trama CAN.
El bus CAN utiliza una forma invertida de lógica con dos estados: dominante y recesivo. La figura de arriba muestra un diagrama simplificado de entrada-salida de un transceptor CAN: un flujo de bits que va hacia/desde un controlador CAN y/o microcontrolador. Cuando el controlador envía un flujo de bits, estos se complementan y se colocan en la línea CANH.
La línea CANL siempre es el complemento de CANH. CAN debe supervisar tanto lo que está actualmente en el bus como lo que está enviando. Para las aplicaciones, ambos extremos del bus CAN deben estar terminados, ya que cualquier nodo del bus puede transmitir datos.
Cada extremo del enlace tiene una resistencia de terminación igual a la impedancia característica del cable. Por lo general, el valor recomendado para las resistencias de terminación es 120 Ω (en un rango de 100 Ω - 130 Ω). No debería haber más de dos resistencias de terminación en la red, ya que las terminaciones adicionales colocan una carga extra sobre los controladores.
La imagen de abajo muestra un bus de prueba CAN. Los nodos podrían representar el envío de mensajes desde tecnología de detección inteligente y un controlador de motor. Una aplicación típica podría ser un sensor de temperatura.
Si otro nodo sensor necesita enviar un mensaje simultáneamente, el arbitraje garantiza que el mensaje se envíe. Por ejemplo, el nodo A termina de enviar su mensaje mientras los nodos B y C reconocen la correcta recepción de un mensaje. Los nodos B y C, a su vez, inician el arbitraje y, si el nodo C gana, entonces envía un mensaje. Los nodos A y B reconocen el mensaje del nodo C, y entonces el nodo B continúa con su mensaje.
Debe tenerse en cuenta la polaridad opuesta de la entrada y la salida del controlador en el bus. Hoy en día, el bus CAN está ampliamente distribuido en los automóviles. Está presente prácticamente en todos los vehículos que se fabrican. Los automóviles del mundo moderno son esencialmente un producto del mercado global, por lo que todos los vehículos suelen tener un bus CAN. Se accede al bus CAN mediante el puerto OBD, que se muestra en la figura de abajo junto con un ejemplo de una resistencia de terminación de 120Ω, soldada al conector DB9 con el cableado CAN, ubicada en la carcasa del conector DB9.
Para cablear el puerto OBD a un dispositivo CAN DB9 se necesita un cable que puede comprarse o fabricarse. Para hacer uno usted mismo, se requiere un conector D-sub de 9 pines (hembra) y un conector OBD (macho). El conector DB9 hembra debe coincidir con el conector del dispositivo CAN.
Un ejemplo del cableado del conector OBD al DB9 CAN, incluyendo una resistencia de terminación opcional, también se muestra en los esquemas de abajo.
Para construir una red de sensores, conectarse a un bus CAN y ver las señales CAN de vehículos, hay muchas opciones. Varios microcontroladores actualmente admiten el protocolo CAN y pueden interconectarse con CAN mediante un chip transceptor CAN.
También existen soluciones como Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad y Arduino, que pueden interconectarse con CAN mediante algunos complementos. La red de comunicación CAN en los vehículos modernos podría proporcionar un enorme volumen de datos que puede aprovecharse en gestión de flotas para aumentar la seguridad del conductor, reducir los gastos generales, mejorar los procesos de mantenimiento y apoyar la responsabilidad ambiental.
Hacer disponibles los datos del bus CAN brinda a los propietarios de flotas diversas oportunidades de acceder a información variada, incluyendo Consumo de combustible, lecturas del Odómetro, revoluciones por minuto, posición del acelerador, carga/par del motor, temperatura del motor y nivel de combustible.
CAN inalámbrico
CAN sobre un par trenzado de cables de cobre se convirtió en un estándar ISO en 1994. La creciente demanda de mayor conectividad impulsa el desarrollo de tecnologías alternativas y complementarias. Por ejemplo, algunas opciones para la transmisión de CAN inalámbrico se basan en estándares de radio basados en protocolos como WLAN o Bluetooth.
En tal escenario, los datos CAN en el transmisor deben convertirse al protocolo inalámbrico y restablecerse en el receptor. La transmisión transparente y en tiempo real en el sentido de la red CAN no es posible de esta manera. La conexión de radio funciona así como una puerta de enlace entre dos redes CAN.
El CAN inalámbrico basado en radio de modo dual permite integrar inalámbricamente a los participantes CAN en una red CAN, aumentando la seguridad y la usabilidad. Sin embargo, un sistema así requiere antenas especiales que necesitan espacio y una alineación particular que limita la radiación omnidireccional.
MOST, FlexRay y ethernet automotriz en breve
Una alternativa prometedora a CAN es ethernet automotriz. Algunas estimaciones prevén que el mercado de ethernet automotriz crezca más de 21.6 % durante el período de pronóstico 2019-2026.
Los principales beneficios de ethernet para la conectividad vehicular son el alto ancho de banda y la eficiencia en costos. Ethernet emplea la estrategia Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Las colisiones pueden ignorarse mediante la división en las redes vehiculares. Algunos desafíos de ethernet automotriz son la gran cantidad de ruido de RF, la incapacidad de proporcionar una latencia en el rango bajo de los microsegundos y la falta de una forma de sincronizar el tiempo entre dispositivos.
MOST (Media Oriented System Transport) es un sistema de comunicación serial para transmitir datos de control, video y audio mediante fibra óptica http://cables.It proporciona un intercambio punto a punto de información de sonido y video con velocidades de 24.8 Mbps. MOST, creado por la asociación MOST, define las capas de protocolo, software y hardware necesarias para permitir el transporte eficiente y de bajo costo de datos de control, en tiempo real y de paquetes utilizando un solo medio / capa física. Una red MOST podría presentarse esquemáticamente en forma de anillo que puede incluir hasta 64 dispositivos MOST. Gracias a su funcionalidad plug&play, agregar o quitar un dispositivo MOST debería ser bastante sencillo.
FlexRay, por su parte, es esencialmente un estándar de red automotriz basado en un sistema de bus flexible, de alta velocidad, determinista y tolerante a fallas. Se utiliza como parte de una topología en estrella o en línea con cobre o fibra óptica. Las configuraciones FlexRay de doble canal ofrecen mayor tolerancia a fallas y/o mayor ancho de banda. Las características de la red de comunicaciones FlexRay la hacen favorable para las industrias automotrices de nueva generación.
La mayoría de las redes FlexRay de primera generación normalmente emplean un solo canal para reducir los costos de cableado, pero el desarrollo posterior de las aplicaciones y los requisitos de seguridad implicados conducirán a un mayor uso de dos canales. Los factores limitantes para la amplia adopción de FlexRay son el precio, niveles de voltaje de operación más bajos y la asimetría de los flancos, lo que genera desafíos para extender la longitud de la red. Algunas características clave de los protocolos enumerados en comparación con las características de CAN se presentan en la tabla de abajo.
La comparación directa de los protocolos de conectividad enumerados muestra que existe una clara compensación entre ancho de banda y tolerancia a fallas frente a los costos promedio y la complejidad del sistema. Aunque CAN y MOST siguen siendo una especie de protocolos fundamentales, FlexRay y Ethernet son soluciones más prometedoras para satisfacer las crecientes demandas del mercado y de aplicaciones de alta carga. En vehículos modernos, esos protocolos suelen usarse como soluciones complementarias.
Propósito de los protocolos de comunicación vehicular
El bus CAN es, de hecho, un estándar de conectividad vehicular bien conocido y establecido. Se usa para tren motriz, chasis, red troncal y sistemas de carrocería. Ethernet, por su parte, se usa comúnmente como protocolo de diagnóstico para unidades de control de conexión electrónica de motor, chasis y carrocería utilizadas para conexiones de red.
FlexRay constituye actualmente la base del desarrollo tecnológico activo en todo el mundo, y sus numerosas aplicaciones incluyen sistemas X-by-Wire de nueva generación y sistemas troncales. MOST es un estándar de bus para redes multimedia vehiculares diseñado para permitir la transferencia de audio, video y datos de alta calidad. Permite la interconexión sencilla de diversos componentes multimedia del vehículo.
Todos los protocolos y tecnologías mencionados arriba satisfacen la mayoría de los requisitos de diagnóstico y comunicación multimedia para la comunicación vehicular moderna y de vehículo a vehículo, y podrían usarse para sistemas avanzados de manejo autónomo. Sin embargo, la integración precisa de esas tecnologías, al mismo tiempo que se cumplen las restricciones de tiempo real, sigue siendo una parte desafiante.
Última actualización
¿Te fue útil?