CAN bus y alternativas
La red multiplexada CAN (Controller Area Network) actualmente es la más utilizada en los vehículos. Sin embargo, con el desarrollo continuo de los vehículos autónomos y la tecnología relacionada, ya empiezan a salirle nuevos y más modernos competidores debido a una demanda creciente de mayor ancho de banda y conectividad. En este artículo vamos a describir someramente el concepto del bus CAN y algunas otras opciones de conectividad vehicular, incluidas CAN inalámbrica, MOST, FlexRay y Ethernet automotriz.
CAN bus: algunos principios detrás
En un sentido amplio, el CAN-bus (Controller Area Network-bus) es un conjunto de estándares que permiten a diferentes dispositivos comunicarse entre sí. Este es un protocolo de serie asíncrono (diferido en el tiempo) desarrollado en 1983 por la compañía Robert Bosch Gmb, surgido por la necesidad de conectar cada vez más unidades de control electrónico (ECU) en el interior de los coches.
CAN fue dividido en varias capas, siguiendo el modelo ISO/OSI (Open Systems Interconnection) con el fin de lograr la mayor flexibilidad y transparencia en el diseño. En la práctica se aplican dos cables dedicados a la hora de realizar la comunicación: CAN_H (alto) y CAN_L (bajo), por medio de los cuales el controlador CAN se conecta a todos los componentes de la red. Lo útil es que CAN permite sustituir un cableado bastante complejo por un solo bus de dos hilos. CAN utiliza una señal diferencial, que lo hace más resistente a interferencias, con dos estados lógicos: recesivo y dominante.
Hoy en día, el bus CAN se utiliza frecuentemente en varios sectores, desde las máquinas de café hasta la gestión de flotas y las aplicaciones espaciales. A continuación veremos los principios básicos del funcionamiento del bus CAN con más detalle.
ISO-11898: El protocolo de comunicaciones CAN 2003 explica cómo se transmite la información entre los dispositivos dentro de una red basada en un modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI), el cual se presenta como un conjunto de siete capas en la figura de abajo. Como puede ver, las dos capas inferiores del modelo OSI/ISO se denominan como “físicas” y “de enlace de datos”. La capa física describe la comunicación entre los dispositivos conectados por el medio físico.
Mientras que la capa de enlace de datos (Data-Link Layer), entre otras cosas, se encarga de organizar los bits en marcos e incluye dos protocolos: CAN clásico (primer uso en 1988) y CAN FD (lanzado en 2012).
La capa de aplicación (Application layer) es una capa del usuario final, la cual proporciona acceso a los recursos de la red. Existen dos tipos de formatos de mensajes/marcos: 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.
Se puede dividir una estructura de mensaje estándar en 8 partes, como se muestra en la figura de abajo. Esas partes son: Inicio de la trama (SOF - el inicio de la transmisión de la trama), CAN-ID (identificador de trama, identificación de prioridad del mensaje), Solicitud de transmisión remota (RTR, indica si un nodo solicita datos del otro o los envía), Control (informa la longitud de los datos en bytes), Datos (valores de datos reales necesarios para escalar/convertir), Verificación de redundancia cíclica (CRC, que garantiza la integridad de los datos), ACK (indica si los datos se reciben correctamente) y EOF (Fin de trama) que etiqueta el final del mensaje/trama CAN.
Un aspecto interesante del bus CAN es que utiliza una forma de lógica invertida con dos estados: dominante y recesivo. La figura de arriba nos muestra un diagrama de entrada-salida simplificado de un transceptor CAN. El flujo de bits viene desde/y va a un controlador CAN y/o microcontrolador. Cuando el controlador envía un flujo de bits, estos se complementan y colocan en la línea CAN_H.
La línea CAN_L es siempre el complemento de CAN_H. Para que el arbitraje funcione, el dispositivo CAN debe monitorear tanto lo que está enviando como lo que está actualmente en el bus, es decir, lo que está recibiendo. Los ambos extremos del bus CAN deben estar terminados, ya que cualquier nodo del bus puede transmitir datos.
Cada extremo del cable del bus está conectado a una resistencia de terminación igual a la impedancia característica del cable. Generalmente, el valor recomendado para las resistencias de terminación es 120 Ω (en un rango de 100 Ω - 130 Ω). No debe haber más de dos resistencias de terminación en la red, ya que las terminaciones adicionales colocan una carga adicional en los controladores.
En la figura a continuación podemos ver un bus de prueba CAN. Los nodos podrían enviar mensajes desde la tecnología de detección inteligente y desde un controlador de motor. Una aplicación típica sería, por ejemplo, algún sensor de temperatura.
Si otro nodo del sensor necesita enviar un mensaje simultáneamente, se aplica la característica del arbitraje que asegura que este se envíe. Por ejemplo, el nodo A termina de enviar su mensaje cuando los nodos B y C empiezan a reconocerlo como un mensaje correcto. Los nodos B y C, en su turno, comienzan el arbitraje y si el nodo C gana el arbitraje, este último enviará el mensaje. Luego, los nodos A y B reconocerán el mensaje del nodo C, y el nodo B continuará con su mensaje.
Como mencionamos anteriormente, hoy en día, el bus CAN está presente en prácticamente todos los vehículos que se fabrican. Los automóviles en el mundo moderno son esencialmente un producto del mercado global, por lo que todos los vehículos tienden a tener un bus CAN. Se accede al bus CAN a través del puerto OBD, que se muestra en la figura a continuación junto con un ejemplo de una resistencia de terminación de 120 Ω, soldada al conector DB9 con el cableado CAN, ubicado en la carcasa del DB9.
Para conectar el puerto OBD a un dispositivo CAN DB9, se necesita un cable que se puede comprar o fabricar. Para conseguir el cable de fabricación propia, se requiere un enchufe D-sub de 9 pines (“hembra”) y un enchufe OBD (“macho”). El enchufe DB9 debe coincidir con el enchufe del dispositivo CAN.
En los esquemas a continuación se muestra un ejemplo del OBD conectado al cableado CAN DB9 con una resistencia de terminación opcional.
Hay muchas opciones para construir una red de sensores, conectarse a un bus CAN y ver las señales CAN de los vehículos. Actualmente, varios microcontroladores tienen soporte para el protocolo CAN y podrían conectarse a CAN a través de un chip transceptor CAN.
También existen soluciones como Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad y Arduino que pueden interactuar con CAN por medio de algunos elementos adicionales. Cabe destacar que la red de comunicación CAN en los vehículos modernos podría proporcionar un gran volumen de datos que se puede utilizar en la gestión de flotas para aumentar la seguridad del conductor, reducir los gastos generales, mejorar los procesos de mantenimiento y promover la responsabilidad ambiental.
La habilitación de los datos del bus CAN brinda a los propietarios de flotas varias oportunidades para acceder a todo el abanico de la información, incluido el consumo de combustible, las lecturas del odómetro, las revoluciones por minuto, la posición del acelerador, la carga del motor, la temperatura del motor y el nivel de combustible.
Ahora que sabe los principios básicos del bus CAN, vamos a describir brevemente algunas otras opciones de conectividad vehicular, incluidas CAN inalámbrica, MOST, FlexRay y Ethernet automotriz.
CAN inalámbrica
CAN en forma de un par trenzado de cables de cobre se convirtió en un estándar ISO en 1994. La creciente demanda de una mayor conectividad dio lugar al desarrollo de tecnologías alternativas y complementarias. Por ejemplo, ya sabemos que algunas opciones para la transmisión CAN inalámbrica están basadas en estándares de radio de protocolo como WLAN o Bluetooth.
En este escenario, los datos CAN en el transmisor deben convertirse al protocolo inalámbrico y reiniciarse en el receptor. De esta forma no es posible realizar una transmisión transparente y en tiempo real en el sentido de la red CAN. Así que la conexión por radio funcionará solo como una puerta de enlace entre dos redes CAN.
El CAN inalámbrico que se basa en la radio de modo dual permite que los participantes de CAN se integren de forma inalámbrica en una red CAN, lo que aumenta la seguridad y la usabilidad. Sin embargo, en este sistema se requieren antenas especiales que necesitan espacio y una alineación particular, lo que limita la radiación omidireccional.
MOST, FlexRay y Ethernet automotriz en breve
Los beneficios clave de Ethernet para la conectividad del vehículo son el alto ancho de banda y la rentabilidad. Ethernet emplea la estrategia Carrier Sense Multiple Access con Collision Detection (CSMA/CD). En esta alternativa la colisión puede ignorarse mediante la división dentro de las redes del vehículo. Algunos de los desafíos de la Ethernet automotriz son la cantidad significativa del ruido de RF, la incapacidad de proporcionar una latencia hasta el rango bajo de microsegundos y la falta de una forma de sincronizar el tiempo entre dispositivos.
MOST (Media Oriented System Transport) es un sistema de comunicación en serie para la transmisión de datos de control, video y audio por medio de cables de fibra óptica. Proporciona un intercambio de información de sonido y video punto a punto con velocidades de 24.8 Mbps. Este sistema fue creado por la asociación MOST y se encarga de definir 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 en paquetes utilizando una única capa física/media. Una red MOST podría presentarse esquemáticamente en forma de un anillo que puede incluir hasta 64 dispositivos MOST. Gracias a su funcionalidad plug & play, agregar o quitar la mayoría de dispositivos es bastante fácil.
FlexRay, a su vez, es esencialmente un estándar de la red automotriz basado en un sistema de bus de alta velocidad, tolerante a fallas y de alta velocidad de datos flexible. Se utiliza como parte de la topología en estrella o en línea con cobre o fibra óptica. FlexRay cuenta con las configuraciones de dos canales ofreciendo una 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 la próxima generación.
La mayoría de las redes FlexRay de primera generación normalmente emplean un solo canal para reducir los costos de cableado, pero el desarrollo de aplicaciones adicionales y los requisitos de la seguridad implicados llevan a un mayor uso de dos canales. Los factores limitantes para el uso generalizado de FlexRay son el precio, niveles de voltaje de operación más bajos y asimetría de bordes, conduciendo a desafíos en la extensión de la longitud de la red. En la siguiente tabla se presentan algunas características clave de los protocolos enumerados en comparación con las características de CAN.
La comparación directa de los protocolos de conectividad enumerados muestra que existe una clara diferencia en el ancho de banda y la tolerancia a fallas frente a los costos promedio y la complejidad del sistema. Si bien CAN y MOST siguen siendo una especie de protocolos fundamentales, FlexRay y Ethernet son una solución más prometedora para satisfacer las crecientes demandas de aplicaciones de alta carga y del mercado. De hecho, en los vehículos modernos, esos protocolos se utilizan a menudo como soluciones complementarias.
Redes dentro del vehículo
En la actualidad el bus CAN se emplea en la inmensa mayoría de automóviles que se fabrican. Es la columna que vertebra toda la electrónica de nuestros coches. Este estándar de la comunicación se aplica en los sistemas de tren de potencia, chasis, red troncal y carrocería. Para la comunicación en la práctica, el bus CAN utiliza dos cables dedicados: CAN baja y CAN alta, por medio de los cuales el controlador CAN se conecta a varios componentes de la red.
Ethernet, a su vez, se usa comúnmente como protocolo de diagnóstico para las unidades de control de conexión electrónica del motor, el chasis y la carrocería que se usan para establecer las conexiones con la red.
Actualmente, FlexRay forma la base para el rápido desarrollo de la tecnología en todo el mundo, y sus muchas aplicaciones incluyen sistemas X-by-Wire y sistemas troncales de próxima generación. En cuando al MOST, es un estándar de bus aplicado para las redes multimedia de vehículos y diseñado para permitir la transferencia de audio, video y datos de alta calidad. Permite una fácil interconexión de varios componentes multimedia del vehículo.
En resumen, todos los protocolos y tecnologías mencionados anteriormente satisfacen la mayoría de los requisitos de diagnóstico y multimedia necesarios para una comunicación exitosa entre los vehículos modernos, y podrían ser aplicados en los sistemas avanzados de conducción autónoma. Sin embargo, todavía no está claro cómo se puede integrar todas esas tecnologías de forma precisa al mismo tiempo correspondiendo a las necesidades actuales. Sin duda, esto siendo una parte más desafiante en el camino a las futuras innovaciones.