Enlace de datos CAN.
Sistemas de bus
Bus CAN
En 1991, el bus CAN (Controller Area Network) fue el primer sistema de bus incorporado a un vehículo producido en serie. Desde entonces, se consolidó como un sistema estándar en el sector automotriz. Sin embargo, el bus CAN también se utiliza ampliamente como bus de campo en la automatización industrial.
Siguiendo la denominación de otros tipos de redes, como la red de área local (Local Area Network, LAN), la red de área amplia (Wide Area Network, WAN) o la red de área personal (Personal Area Network, PAN), este sistema recibió el nombre de red de área de controladores (Controller Area Network, CAN).
Fig. 1 - Conexión en red de las unidades electrónicas de control mediante CAN
Unidad de control electrónico (ECU)
ECU 1 a ECU 4
En el bus CAN de alta velocidad (CAN-C)
ECU 5 a ECU 11
En el bus CAN de baja velocidad (CAN-B)
Aplicaciones
El bus CAN se utiliza en diferentes áreas del vehículo. Cada una de estas áreas presenta exigencias distintas para la red. Debido a la rapidez de los procesos que se producen en la gestión del motor, la información debe transmitirse con mucha mayor velocidad que en los sistemas de confort y comodidad, donde las unidades de control se encuentran más separadas y las líneas están más expuestas a daños.
Como consecuencia de estas diferentes exigencias, se emplean buses con distintas velocidades de transferencia de datos, seleccionados para ofrecer una relación adecuada entre costo y prestaciones. Por esta razón, se distingue entre buses CAN de alta velocidad y buses CAN de baja velocidad.
Fig. 2. Nodos de la red CAN
CAN de alta velocidad, CAN-C
El CAN-C está definido en la norma ISO 11898-2 y funciona con velocidades de bits comprendidas entre 125 kbit/s y 1 Mbit/s. Esta capacidad de transferencia permite satisfacer los requisitos de funcionamiento en tiempo real del tren motriz.
Los buses CAN-C se emplean para interconectar los siguientes sistemas:
- Sistema de gestión del motor Motronic para motores de gasolina.
- Control electrónico diésel (Electronic Diesel Control, EDC).
- Control electrónico de la transmisión.
- Sistemas de estabilización del vehículo, como el programa electrónico de estabilidad (Electronic Stability Program, ESP).
- Cuadro de instrumentos.
CAN de baja velocidad, CAN-B
El CAN-B está definido en la norma ISO 11898-3 y funciona con velocidades comprendidas entre 5 y 125 kbit/s. Para numerosas aplicaciones relacionadas con el confort, la comodidad y la carrocería, esta velocidad resulta suficiente para cumplir los requisitos de tiempo real propios de dichas áreas.
Entre sus aplicaciones se encuentran:
- Control del sistema de aire acondicionado.
- Ajuste de los asientos.
- Unidad de elevalunas eléctricos.
- Control del techo corredizo.
- Regulación de los espejos.
- Sistema de iluminación.
- Control del sistema de navegación.
El bus CAN también se utiliza cada vez más en el diagnóstico del vehículo. La unidad electrónica de control se conecta directamente al bus CAN y recibe de inmediato la información necesaria para realizar el diagnóstico. Como consecuencia, las interfaces de diagnóstico anteriores, como KWP2000, están perdiendo importancia.
Topología
Topología de bus
Durante el desarrollo del sistema CAN se prestó especial atención a eliminar la necesidad de utilizar un elemento central de control para la comunicación. Este objetivo se logra eficazmente mediante una topología de bus, en la cual todos los nodos de la red están conectados a una misma línea y cada nodo puede recibir toda la información transmitida.
La topología de bus es la configuración más utilizada durante el diseño conceptual de los sistemas de comunicación. Además de ofrecer propiedades eléctricas favorables, la topología lineal presenta la ventaja de que la falla de una estación no afecta necesariamente el funcionamiento del sistema de transmisión de datos. Asimismo, pueden incorporarse estaciones adicionales con poco esfuerzo.
Topología en estrella
La utilización de un acoplador central permite construir topologías en estrella. Pueden utilizarse acopladores activos o pasivos. Esta configuración proporciona una gran flexibilidad para adaptar la red a las funciones requeridas.
El acoplador recibe los mensajes y los reenvía a los segmentos individuales de la red. Como los tiempos de propagación permanecen prácticamente iguales, la longitud eléctrica de una topología en estrella puede ser equivalente a la de una topología de bus.
Sistema de transmisión de datos
Nodos de la red
Un nodo de red está formado por el microcontrolador que ejecuta el programa de aplicación, el controlador CAN y el transceptor CAN, también denominado controlador físico o excitador del bus.
El controlador CAN se encarga de los modos de transmisión y recepción. Genera la secuencia de bits correspondiente a los datos binarios que deben transmitirse y la envía al transceptor mediante la línea TxD. El transceptor amplifica las señales, genera los niveles de tensión necesarios para la transmisión diferencial y envía en serie la secuencia de bits por las líneas CAN_H y CAN_L.
Los mensajes recibidos son procesados por el transceptor y enviados al controlador CAN mediante la línea RxD. El microcontrolador, que ejecuta el programa de aplicación, controla el funcionamiento del controlador CAN, prepara los datos que deben transmitirse y evalúa la información recibida.
Estados lógicos del bus y codificación
CAN utiliza dos estados de comunicación: dominante y recesivo. Mediante estos estados se transmiten los bits de información. El estado dominante representa un valor binario 0, mientras que el estado recesivo representa un valor binario 1.
Para la transmisión se utiliza la codificación NRZ (Non-Return to Zero). En este método no existe un retorno obligatorio al nivel cero entre dos estados consecutivos que tienen el mismo valor.
Durante la recepción, el transceptor CAN transforma nuevamente los niveles eléctricos en estados lógicos. Para ello, un amplificador diferencial resta el nivel de CAN_L del nivel de CAN_H. Si las líneas se encuentran trenzadas, las perturbaciones producidas, por ejemplo, por el sistema de encendido, afectan de forma semejante a ambos conductores. La transmisión diferencial permite cancelar o filtrar gran parte de esas interferencias.
Medio de transmisión y acoplamiento al bus
Línea de dos conductores
En CAN deben transmitirse correctamente tanto los estados dominantes como los recesivos. Para ello se utiliza normalmente un par de conductores trenzados o no trenzados, según las condiciones del entorno. Los conductores pueden estar acoplados galvánicamente o aislados.
Las dos líneas del bus se denominan CAN_H y CAN_L. La línea de dos conductores permite una transmisión simétrica, en la cual los bits se representan mediante distintas tensiones en ambos conductores. Esta configuración reduce la sensibilidad frente a interferencias en fase, porque las perturbaciones afectan a las dos líneas de manera semejante y pueden eliminarse mediante el receptor diferencial.
El blindaje adicional de las líneas permite reducir las emisiones electromagnéticas propias, especialmente cuando se utilizan velocidades elevadas de transmisión.
Algunos transceptores también evalúan por separado los niveles de tensión de CAN_H y CAN_L. De esta manera, el sistema puede continuar funcionando en modo de un solo conductor cuando una de las líneas falla como consecuencia de un cortocircuito o de una rotura del cable. Para ello, todos los nodos deben compartir una referencia de masa común, que asume la función de la línea dañada.
Línea de un solo conductor
La línea de un solo conductor permite reducir los costos de fabricación al eliminar el segundo conductor. Para que este sistema funcione, todos los nodos del bus deben compartir una masa común que cumpla la función de la segunda línea. Por esta razón, la versión CAN de un solo conductor se limita generalmente a sistemas de comunicación de dimensiones reducidas.
La transmisión por un solo conductor es más sensible a las interferencias, ya que no permite cancelar los impulsos de perturbación como sucede en una línea de dos conductores. Para mejorar la relación señal-ruido se requiere una mayor amplitud de tensión en el bus.
Sin embargo, el aumento de la amplitud también incrementa la radiación electromagnética. Por esta razón, debe reducirse la pendiente de los flancos de la señal, lo que a su vez disminuye la velocidad de transferencia. En consecuencia, la línea de un solo conductor se utiliza principalmente en sistemas CAN de baja velocidad destinados a la electrónica de carrocería, confort y comodidad.
Una ventaja importante es que un CAN de baja velocidad con dos conductores puede continuar funcionando en caso de falla de una de las líneas, ya sea CAN_H o CAN_L.
Niveles de tensión
El transceptor CAN convierte los estados lógicos 0 y 1 recibidos del controlador CAN en niveles de tensión que se aplican a las líneas CAN_H y CAN_L.
Los sistemas CAN de alta y baja velocidad utilizan distintos niveles eléctricos para representar los estados dominante y recesivo.
Niveles de tensión en CAN de alta velocidad
En el estado recesivo, ambas líneas presentan aproximadamente 2,5 V. En el estado dominante, la línea CAN_H alcanza aproximadamente 3,5 V, mientras que la línea CAN_L desciende hasta aproximadamente 1,5 V. La diferencia entre ambas tensiones representa la señal diferencial.
Niveles de tensión en CAN de baja velocidad
En el estado recesivo, la línea CAN_H presenta aproximadamente 0 V y la línea CAN_L alrededor de 5 V. En el estado dominante, CAN_H alcanza aproximadamente 3,6 V y CAN_L desciende hasta aproximadamente 1,4 V.
Terminación sin reflexiones
Las reflexiones de las señales eléctricas en los extremos abiertos de las líneas pueden interferir con la comunicación. Para amortiguar estas reflexiones, las líneas del bus se terminan en ambos extremos mediante resistencias de 120 Ω.
Fig. 3. Sistema de transmisión de datos
Como alternativa, las resistencias de terminación pueden estar incorporadas dentro de las propias unidades electrónicas de control.
Límites de transmisión
Para evaluar correctamente cada bit transmitido, la señal debe llegar a todos los nodos dentro del tiempo asignado al bit y sin interferencias, manteniendo además un valor válido en el instante de muestreo.
En el bus de datos aparecen retardos asociados al tiempo de propagación de la señal. Por esta razón, la velocidad máxima permitida depende de la longitud total del bus. La norma ISO 11898 establece la velocidad correspondiente a una longitud determinada del circuito.
Para líneas de mayor longitud se recomiendan los siguientes valores:
- 1 Mbit/s para una longitud de hasta 40 m.
- 500 kbit/s para una longitud de hasta 100 m.
- 250 kbit/s para una longitud de hasta 250 m.
- 125 kbit/s para una longitud de hasta 500 m.
- 40 kbit/s para una longitud de hasta 1.000 m.
Es posible conectar al menos 30 nodos de red al bus sin necesidad de adoptar medidas adicionales.
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