Red.
Redes de comunicación en el automóvil
Los sistemas eléctricos y electrónicos de los vehículos de motor no funcionan de manera completamente independiente, sino que se influyen y complementan entre sí. En los primeros sistemas de inyección y encendido se utilizaban líneas de señal individuales para facilitar la comunicación entre dos unidades. Sin embargo, el aumento de la cantidad de sistemas electrónicos produjo un crecimiento considerable del número de cables, conectores y señales necesarias, acercando a las instalaciones convencionales al límite de sus posibilidades técnicas.
La solución fue el desarrollo de los sistemas de bus serie, capaces de transferir grandes volúmenes de información provenientes de diferentes fuentes. Uno de los primeros usos importantes de un bus serie en un vehículo se produjo en 1991, cuando se incorporó el bus CAN en el Mercedes-Benz 500E.
Las mayores exigencias de seguridad, comodidad, economía y compatibilidad ambiental requieren la incorporación de sistemas electrónicos adicionales. Por esta razón, la cantidad de unidades de control, sensores, actuadores y conexiones de comunicación presentes en los vehículos continúa aumentando.
Funciones compartidas entre sistemas
Muchas señales generadas o procesadas en un sistema del vehículo también son necesarias en otras unidades de control. Por ejemplo, la velocidad de marcha puede ser utilizada por el programa electrónico de estabilidad, la gestión del motor, el control automático de velocidad y el sistema de audio, que ajusta el volumen según la velocidad del vehículo.
La obtención de estas variables a partir de las señales de los sensores requiere capacidad de procesamiento, hardware y software. Por ello, resulta conveniente calcular la información una sola vez en una unidad de control y transmitirla posteriormente a otras unidades mediante una red de comunicación.
Para implementar funciones compartidas, los sistemas electrónicos intercambian información y pueden influirse mutuamente. Los sensores inteligentes también pueden considerarse sistemas electrónicos, ya que preparan y acondicionan la señal medida antes de transmitirla al bus de datos mediante una interfaz.
Un ejemplo es el sistema de protección previa a una colisión. Cuando los sensores detectan un impacto inminente, la unidad de control del airbag puede enviar órdenes a los módulos de las puertas y al panel de control del techo para cerrar las ventanillas y el techo corredizo, protegiendo a los ocupantes frente a la penetración de objetos.
Otro ejemplo es el control de crucero adaptativo. En este sistema, el sensor de radar, la gestión del motor, el programa electrónico de estabilidad y el control de la transmisión se comunican entre sí. La distancia respecto del vehículo precedente se regula mediante modificaciones del par motor, accionamiento automático de los frenos y selección de las marchas.
Ventajas de los sistemas de bus
- Reducción de costos, peso y espacio de instalación debido a la menor cantidad de cables del arnés.
- Mayor confiabilidad del sistema al disminuir el número de conexiones enchufables.
- Simplificación del montaje del vehículo durante la producción.
- Utilización compartida de las señales de los sensores.
- Conexión más sencilla de los componentes del sistema al bus.
- Mayor facilidad para incorporar variantes de equipamiento y funciones especiales.
Requisitos de los sistemas de bus
Al seleccionar un sistema de bus deben considerarse tanto los costos económicos, como el cableado y los componentes, como las limitaciones técnicas. Entre los principales criterios de selección se encuentran la velocidad de transferencia de datos, la inmunidad frente a interferencias, la capacidad de funcionamiento en tiempo real y el número máximo de nodos de la red.
Velocidad de transferencia de datos
La velocidad de transferencia indica el volumen de datos transmitidos durante una unidad de tiempo. La unidad mínima de información es el bit y la velocidad suele expresarse en bits por segundo. También pueden utilizarse las denominaciones tasa de transferencia, tasa de datos o tasa de bits.
La velocidad necesaria depende de la aplicación. Para conectar y desconectar el compresor del aire acondicionado es suficiente una velocidad relativamente baja. En cambio, la transmisión directa de señales de audio, video o información multimedia requiere velocidades mucho más elevadas.
Inmunidad frente a interferencias
Idealmente, los datos deberían transmitirse sin alteraciones. Sin embargo, en un vehículo existen perturbaciones electromagnéticas producidas por motores, actuadores, sistemas de encendido, alternadores y otros dispositivos eléctricos. Por esta razón, los requisitos de inmunidad dependen de la importancia de los sistemas conectados.
Los sistemas relacionados con la seguridad, como el sistema antibloqueo de frenos, necesitan una protección frente a interferencias mayor que los sistemas destinados únicamente al confort.
Detección de errores
Para garantizar una transmisión confiable, los protocolos de red incorporan mecanismos de detección de errores. Uno de los métodos más sencillos es el bit de paridad, calculado por el transmisor y enviado junto con los datos. Este bit permite verificar si la cantidad de unos presentes en un byte es par o impar. El receptor vuelve a comprobar la información y puede detectar errores simples.
Otro procedimiento es la suma de comprobación. Cuando se transmiten varios bytes, el transmisor calcula un valor de verificación mediante una fórmula predeterminada y lo envía junto con los datos. El receptor calcula nuevamente ese valor y lo compara con el recibido. Si detecta un error, descarta la información y solicita una nueva transmisión.
Capacidad de funcionamiento en tiempo real
Un sistema en tiempo real garantiza que los resultados sean calculados dentro de un intervalo de tiempo determinado. La duración admisible depende de la aplicación. El sistema antibloqueo de frenos debe reaccionar al comienzo del bloqueo de una rueda en pocos milisegundos, mientras que un tiempo de respuesta de aproximadamente 100 ms puede ser aceptable para accionar el motor de un elevalunas eléctrico.
Las personas normalmente no perciben retardos inferiores a unos 100 ms. Sin embargo, los sistemas electrónicos del automóvil pueden requerir tiempos de reacción mucho menores.
Requisito de tiempo real flexible
En un sistema de tiempo real flexible, el tiempo de respuesta establecido se cumple normalmente. Si en alguna ocasión se supera, no se producen consecuencias graves. Un ejemplo puede ser una pequeña interrupción o una imagen momentáneamente entrecortada durante una transmisión de video.
Requisito de tiempo real estricto
En un sistema de tiempo real estricto, el tiempo especificado debe cumplirse obligatoriamente. Si el resultado se obtiene fuera del intervalo permitido, puede dejar de ser útil y provocar fallas graves en sistemas críticos para la seguridad.
Por ejemplo, si el sistema ABS no detecta a tiempo el bloqueo de una rueda, la presión del cilindro maestro no se reduce con suficiente rapidez y la rueda puede permanecer bloqueada. Del mismo modo, los retardos en la transmisión de señales de inyección o encendido pueden provocar tironeos, funcionamiento irregular o fallos de encendido del motor.
No siempre es necesario que todos los mensajes del bus cumplan requisitos estrictos. Con frecuencia es suficiente que la transmisión sea lo bastante rápida como para que el sistema completo respete el tiempo de respuesta establecido.
Número de nodos de la red
La cantidad máxima de nodos que deben integrarse varía según el área funcional del vehículo. Los sistemas de confort pueden incluir numerosos servomotores, módulos de asiento, unidades de puerta y sensores inteligentes. Cuando la cantidad de dispositivos es muy elevada, pueden utilizarse varios buses iguales interconectados.
Clasificación de los sistemas de bus
| Clase |
Velocidad de transferencia |
Aplicaciones principales |
Sistema representativo |
| Clase A |
Baja velocidad, hasta 10 kbit/s |
Conexión de sensores y actuadores |
LIN |
| Clase B |
Velocidad media, hasta 125 kbit/s |
Mecanismos complejos de detección de errores y conexión de unidades de control para funciones de confort |
CAN de baja velocidad |
| Clase C |
Alta velocidad, hasta 1 Mbit/s |
Aplicaciones en tiempo real y conexión de unidades de control del tren motriz y del chasis |
CAN de alta velocidad |
| Clase C+ |
Velocidad muy alta, hasta 10 Mbit/s |
Aplicaciones en tiempo real del tren motriz y del chasis |
FlexRay |
| Clase D |
Velocidad extremadamente alta, superior a 10 Mbit/s |
Conexión de unidades de control para telemática y multimedia |
MOST |
Aplicaciones de las redes en el vehículo
Desde el punto de vista de la electricidad y la electrónica, el sistema completo del vehículo puede dividirse en cuatro áreas funcionales principales:
- Tren motriz.
- Chasis.
- Interior y confort.
- Telemática.
En los dominios del tren motriz y del chasis predominan las aplicaciones en tiempo real. En el área del interior se utilizan principalmente funciones multiplexadas. En el dominio telemático se conectan especialmente los sistemas multimedia, de información y de entretenimiento.
Aplicaciones en tiempo real
La interconexión de estos sistemas exige una elevada capacidad de respuesta del sistema de comunicación. Los procesos sincronizados con el cigüeñal y otras funciones que deben ejecutarse en intervalos de pocos milisegundos son ejemplos típicos.
Cuando el sistema responde dentro del tiempo establecido, se considera que posee capacidad de funcionamiento en tiempo real. Un ejemplo es el rápido retraso del encendido realizado por la unidad Motronic cuando el sistema de control de tracción solicita una reducción del par motor para impedir el patinamiento de las ruedas.
Los sistemas del tren motriz y del chasis pertenecen generalmente a la clase C. Requieren velocidades de transferencia elevadas y una considerable tolerancia a fallas. Estas exigencias pueden satisfacerse mediante un bus CAN de alta velocidad, activado por eventos, con una velocidad aproximada de 500 kBaud.
Ejemplos de sistemas conectados al bus de alta velocidad
- Sistema de gestión del motor Motronic o control electrónico diésel.
- Control de la transmisión.
- Sistema antibloqueo de frenos.
- Control de la dinámica del vehículo y programa electrónico de estabilidad.
- Sistemas de control del chasis, como el control activo de la carrocería.
- Sistemas de asistencia, como el control de crucero adaptativo.
Aplicaciones multiplexadas
Las aplicaciones multiplexadas resultan adecuadas para controlar y regular componentes de la carrocería, del confort y de la comodidad, correspondientes generalmente a sistemas de clase B.
- Pantallas e indicadores.
- Iluminación.
- Autorización de acceso y sistema antirrobo.
- Aire acondicionado.
- Ajuste de asientos y espejos.
- Módulos de puertas, elevalunas y regulación de espejos.
- Limpiaparabrisas.
- Ajuste de faros.
Las necesidades de velocidad de los sistemas de clase B son menores que las de los sistemas de clase C. Por ello, puede utilizarse un bus CAN de baja velocidad, con valores de aproximadamente 125 kbit/s, o un CAN de un solo conductor de unos 33 kbit/s.
Cuando la velocidad requerida es inferior a 20 kbit/s, suele utilizarse el bus LIN. Sus aplicaciones se encuentran principalmente en sistemas mecatrónicos destinados a transmitir información de conmutación o activar actuadores.
Redes multimedia
Las aplicaciones de comunicación móvil y multimedia pueden integrar los siguientes componentes:
- Sistema de audio del automóvil.
- Cambiador de discos compactos.
- Sistema de navegación.
- Sistemas de información para el conductor.
- Teléfono.
- Sistema de video.
- Entrada y reconocimiento de voz.
- Internet y correo electrónico.
- Cámara de visión trasera.
La conexión en red de estos componentes permite utilizar una pantalla y una unidad de control centralizadas para varias aplicaciones. De esta forma, los procedimientos de operación pueden estandarizarse, la información de estado puede presentarse de manera conjunta y se reduce la distracción del conductor.
En una red multimedia debe diferenciarse entre los datos de control y los datos de audio o video. Para tareas de control, como la selección de un cambiador de discos, puede ser suficiente una velocidad de hasta 125 kbit/s, por lo que podría emplearse un bus CAN de baja velocidad.
La transmisión directa de audio y video requiere velocidades extremadamente altas, normalmente superiores a 10 Mbit/s. Para estas aplicaciones pueden utilizarse sistemas especializados, como el bus MOST.
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