(modelo OSI). Modelo de interconexión de sistemas abiertos desarrollado por la Organización Internacional de Normalización (ISO), de siete capas, usado para describir la arquitectura de la red.
Modelo de referencia OSI aplicado en el automóvil
Los protocolos de red suelen definirse mediante capas, cada una de las cuales reúne determinadas propiedades y tareas. Las funciones de las capas inferiores son utilizadas por las capas superiores. Esta organización presenta la ventaja de que las distintas capas pueden sustituirse o modificarse, siempre que las interfaces existentes entre ellas permanezcan sin cambios.
El modelo de referencia OSI de la ISO, denominado Interconexión de Sistemas Abiertos (Open Systems Interconnection), proporciona una base para describir y comparar numerosos protocolos de comunicación. Fue desarrollado por la Organización Internacional de Normalización (International Organization for Standardization, ISO) y permitió establecer normas internacionales adoptadas por organismos como la ISO y el IEEE.
En el modelo OSI, los procesos necesarios para la comunicación de datos se distribuyen entre varias capas claramente definidas. La compleja tarea de transmitir información se divide, de esta manera, en áreas funcionales organizadas. No todas las capas del modelo OSI deben utilizarse obligatoriamente en un sistema de comunicación sencillo, y algunas de ellas pueden combinarse según las necesidades de la aplicación.
En los sistemas de comunicación automotriz, los protocolos suelen agruparse en tres grandes áreas:
Capa física
La capa física define los parámetros eléctricos y los procedimientos relacionados con la conexión material entre los distintos participantes de una red. En ella se establecen las características de las señales, los niveles de tensión, el medio de transmisión, los conectores y la forma en que los bits se representan físicamente sobre el bus.
Esta capa no interpreta el significado de la información transmitida. Su función consiste en transportar los estados eléctricos o físicos que representan los datos binarios entre los diferentes nodos de la red.
Nivel de señal
En la tecnología digital, los datos se representan mediante secuencias formadas por dos estados binarios: 0 y 1. Para transmitirlos a través de un bus, estos estados deben representarse mediante determinadas condiciones eléctricas sobre el medio de transmisión.
Es especialmente importante evitar cortocircuitos en el bus cuando un nodo transmite un estado lógico 1 y otro nodo transmite simultáneamente un estado lógico 0. Por esta razón, las interfaces de comunicación deben diseñarse de manera que los distintos participantes puedan compartir el medio sin producir daños eléctricos.
Los estados binarios pueden representarse mediante diferentes valores de tensión. Por ejemplo, una interfaz serie de computadora puede utilizar tensiones positivas y negativas, mientras que otros sistemas, como CAN-Bus, emplean valores próximos a 0 V y 5 V. Los niveles utilizados por una interfaz serie convencional no siempre son adecuados para un bus compartido, porque varios participantes podrían transmitir estados opuestos al mismo tiempo.
Nivel dominante y nivel recesivo
Cuando el sistema de codificación permite que un nivel de señal prevalezca sobre otro, el nivel que se impone se denomina dominante (Dominant level), mientras que el nivel subordinado recibe el nombre de recesivo (Recessive level).
En el ejemplo mostrado, el estado lógico 0 corresponde a un nivel dominante de 0 V, mientras que el estado lógico 1 corresponde a un nivel recesivo de 5 V. Si uno de los nodos transmite un 0 dominante y otro transmite un 1 recesivo, el nivel presente en el bus será 0 V. Solamente cuando todos los nodos transmiten el estado recesivo, el bus alcanza el nivel de 5 V.
| Señal de control |
Estado del transistor |
Nivel del bus |
| 0 |
Conduce |
0 V |
| 1 |
Bloqueado |
5 V |
| Estado de E1 |
Estado de E2 |
Nivel del bus |
Condición |
| 0 |
0 |
0 V |
Dominante |
| 0 |
1 |
0 V |
Dominante |
| 1 |
0 |
0 V |
Dominante |
| 1 |
1 |
5 V |
Recesivo |
Los niveles dominantes y recesivos también pueden representarse mediante medios ópticos. En una fibra óptica, por ejemplo, la ausencia de luz podría corresponder al estado recesivo 1, mientras que la presencia de luz podría representar el estado dominante 0. En este caso, un nodo puede imponer el estado dominante introduciendo luz en el conductor óptico.
Flujo de bits
La información producida por una aplicación normalmente no puede transmitirse de forma directa. Para hacer posible la comunicación, primero se incorpora como carga útil dentro de la trama de un mensaje. Esta trama contiene la información que debe enviarse y otros datos necesarios para controlar la transmisión.
Los protocolos poseen diferentes requisitos y, por lo tanto, el formato de las tramas puede variar de uno a otro. Antes de transmitirse, la trama debe convertirse en un flujo de bits (Bit stream), es decir, en una secuencia ordenada de ceros y unos que puede representarse físicamente sobre el medio de transmisión.
La capa física transforma estos bits en niveles eléctricos, luminosos o electromagnéticos. En el extremo receptor se realiza el proceso inverso: los estados físicos son interpretados nuevamente como bits y posteriormente reconstruidos como una trama de datos.
Ejemplo de la interfaz UART
Los microcontroladores utilizados en las unidades de control suelen disponer de una interfaz sencilla denominada UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), es decir, receptor-transmisor universal asíncrono. Mediante esta interfaz, el microcontrolador puede comunicarse con dispositivos externos, como una computadora, otro controlador o un equipo de diagnóstico.
Cuando no se intercambian datos, la línea permanece en un nivel de reposo de 5 V. La transmisión comienza con un bit de inicio (Start bit), que lleva la línea al nivel dominante y avisa al receptor que comenzará una transferencia.
La duración del bit de inicio determina el tiempo correspondiente a cada bit y constituye la base temporal de toda la transmisión. Todos los bits de datos siguientes poseen la misma duración. El número de bits transmitidos por segundo se denomina velocidad de transferencia (Data transfer rate). Para que la comunicación sea correcta, todas las estaciones deben configurarse con la misma velocidad.
Trama de transmisión UART
Después del bit de inicio se transmite una palabra de datos formada por ocho bits, equivalentes a un byte. La transmisión comienza con el bit menos significativo, denominado LSB (Least Significant Bit). El receptor sincroniza su lectura con el bit de inicio y examina la línea entre los intervalos correspondientes a cada bit, reconstruyendo así el byte transmitido.
Luego de los ocho bits de datos puede transmitirse un bit de paridad (Parity bit). Este bit permite comprobar si la cantidad de unos enviados es par o impar, según el tipo de paridad seleccionado. De esta manera, el receptor puede efectuar una verificación sencilla para detectar determinados errores de transmisión.
La secuencia finaliza con un bit de parada (Stop bit), que coloca nuevamente el bus en el nivel de reposo o recesivo. Una vez completado este bit, puede comenzar la transmisión del siguiente dato.
- Bit de inicio (Start bit).
- Ocho bits de datos o un byte (8 data bits, 1 byte).
- Bit de paridad (Parity bit).
- Bit de parada (Stop bit).
Capa de comunicación
Las unidades de control solamente pueden interconectarse e intercambiar información cuando utilizan el mismo lenguaje de comunicación. Este lenguaje determina las reglas empleadas para transferir datos entre los distintos participantes de una red.
La capa de comunicación recibe los datos procedentes de la capa de aplicación, los prepara para su transmisión y los envía hacia la capa física. En el receptor realiza el procedimiento inverso, recuperando la información recibida y entregándola a la aplicación correspondiente.
Las principales funciones de esta capa del protocolo son:
Capa de aplicación
La capa de aplicación está constituida por el programa o sistema que procesa y proporciona la información. Es la única capa del protocolo directamente afectada por la acción del usuario, por las señales procedentes de los sensores o por las funciones específicas que debe ejecutar una unidad de control.
En un sistema automotriz, esta capa puede encargarse de interpretar la temperatura del motor, calcular la cantidad de combustible que debe inyectarse, controlar un actuador, mostrar información en el tablero o ejecutar una función de diagnóstico. Los datos generados por la aplicación se envían a la capa de comunicación, que los organiza y prepara antes de entregarlos a la capa física para su transmisión.
Términos relacionados :
|
