Redes de Comunicacion y Multiplexado 1
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REDES DE COMUNICACION Y MULTIPLEXADO RESUMEN El presente documento recopila información de redes de comunicación y multiplexado de vehículos, así como su principio de funcionamiento, datagramas o protocolo de datos, conexiones y verificaciones que se realizan a los sistemas de multiplexado y sus respectivos conectores y módulos. Esta información es de gran importancia para el entendimiento de cómo se gestiona la información de los diferentes módulos de automóviles modernos que cuentan con tecnología más avanzada para el monitoreo del motor, transmisión, carrocería, sistemas de seguridad y confort. Palabras clave: red de comunicación, multiplexado, datagrama, can bus, protocolo, dlc, conexión. TIPOS DE REDES DE COMUNICACIÓN Los vehículos actuales están equipados con un gran número de unidades de control electrónicas que controlan varios aspectos de funcionamiento, seguridad a bordo, cumplimiento de normas medioambientales y confort que precisan de un intercambio permanente de datos e información para cumplir sus funciones. Módulo Función ECU (Engine Control Unit) Gestión de motor BCM (Body Control Module) Gestión de carrocería TCM (Transmission Control Module) Gestión de transmisión automática
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Redes de comunicación y multiplexado automotriz
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REDES DE COMUNICACION Y MULTIPLEXADO
RESUMEN
El presente documento recopila información de redes de comunicación y
multiplexado de vehículos, así como su principio de funcionamiento,
datagramas o protocolo de datos, conexiones y verificaciones que se realizan a
los sistemas de multiplexado y sus respectivos conectores y módulos. Esta
información es de gran importancia para el entendimiento de cómo se gestiona
la información de los diferentes módulos de automóviles modernos que cuentan
con tecnología más avanzada para el monitoreo del motor, transmisión,
carrocería, sistemas de seguridad y confort.
Palabras clave: red de comunicación, multiplexado, datagrama, can bus,
protocolo, dlc, conexión.
TIPOS DE REDES DE COMUNICACIÓN
Los vehículos actuales están equipados con un gran número de unidades de
control electrónicas que controlan varios aspectos de funcionamiento, seguridad
a bordo, cumplimiento de normas medioambientales y confort que precisan de
un intercambio permanente de datos e información para cumplir sus funciones.
Módulo FunciónECU (Engine Control Unit) Gestión de motorBCM (Body Control Module) Gestión de carroceríaTCM (Transmission Control Module) Gestión de transmisión automáticaESC (Electronic Stability Control) Gestión de estabilidad de vehículo
Tabla 1. Ejemplos de módulos automotrices.Fuente: Autor.
El intercambio de información entre las unidades de control tiene lugar
originalmente por medio de cables individuales. Pero este tipo de conexiones
punto apunto solo puede aplicarse con éxito para un número limitado de
señales.
La implementación de una red de comunicación para la transmisión de datos
entre módulos mejora la capacidad de correlación de datos reduciendo las
posibilidades de fallos por un cableado de conexión extenso.
Figura 1. Redes en el automóvilFuente: www.aa1car.com/howtodiagnosecan
Las redes de comunicación y su esquema constructivo
La arquitectura de redes representa uno de los componentes más
importantes para la realización de sistemas electrónicos modernos en el
vehículo.
Por otro lado, se ha comprobado que la causa principal de fallos en la
electrónica de un automóvil tiene su origen en el cableado entre unidades de
control y sensores y actuadores; las estadísticas hablan de más de un 50% de
averías de este tipo.
La clave no está en la calidad de las conexiones sino en el elevado número
de ellas que hace que la fiabilidad total se reduzca. Así pues, una reducción en
el cableado y una mejor distribución del mismo permitiría disminuir los tiempos
de montaje, mejoraría la fiabilidad de los sistemas electrónicos (menos
conexiones), facilitaría el mantenimiento y añadiría flexibilidad; y todo esto sin
duda influiría positivamente sobre los costos de producción.
REDES EN EL AUTOMÓVIL
CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO.
Figura 2. Configuración Punto a PuntoFuente: Valencia J. (2010). Diseño y construcción de un prototipo de red
multiplexada para aplicaciones en el automóvil. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
Es la más sencilla de las configuraciones de una red.
Esta se encuentra compuesta únicamente por dos módulos,
No posee uniones ni conexiones
Puede utilizar uno o dos cables trenzados.
Un ejemplo claro de una red punto a punto es la comunicación entre le
PCM y el scanner de diagnóstico.
CONFIGURACIÓN EN ANILLO.
Figura 3. Configuración en anilloFuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Este tipo de configuración hace parte de redes más grandes en las
cuales se encuentran entre 4 y 20 módulos.
La información es bidireccional.
Presenta la ventaja de la redundancia con la cual si el canal se abre, la
información puede viajar en otra dirección y llegar a otros módulos.
CONFIGURACIÓN EN ESTRELLA.
Figura 4. Configuración estrellaFuente: Valencia J. (2010). Diseño y construcción de un prototipo de red
multiplexada para aplicaciones en el automóvil. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
Estructura muy centralizada ventajosa, con lo cual si algo ocurre en la
conexión de un módulo o en el módulo, dejará afuera sólo ese
componente.
Desventaja principal es la existencia de un nodo central, lo que genera
una gran cantidad de cableado desde cada uno los módulos hasta este
nodo, aquí se encuentran todas las uniones, por lo que se lo denomina
nodo maestro.
El método usado para la interconexión de los módulos es a través de un
solo cable.
CONFIGURACIÓN LINEAL.
Figura 5. Configuración linealFuente: Valencia J. (2010). Diseño y construcción de un prototipo de red
multiplexada para aplicaciones en el automóvil. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
Mínima cantidad de cable para la red como ventaja.
También se hace muy fácil establecer una ruta del alambrado a lo largo
del vehículo y no requiere ningún tipo de orden en la lectura de los datos
por parte de cada uno de los módulos.
Deshabilitación instantánea de módulos por rotura de cable de
comunicación hasta el final de la red.
Posee muchos nodos por los que puede ingresar ruido eléctrico.
El método usado para la conexión es uno o dos cables trenzados.
CONFIGURACIÓN DAISY CHAIN.
Figura 6. Configuración Daisy ChainFuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Es la más utilizada por los fabricantes de automóviles.
Posee una estructura sencilla permitiendo tener una red con el menor
número de nodos posibles.
Brinda una gran seguridad al poseer dos canales con la misma
información.
Como desventaja se puede tener que en el eventual caso de ruptura de
la cadena de comunicación, varios módulos pueden quedar fuera de
servicio.
Otra desventaja, es que si alguno de los módulos es desconectado, la
red queda interrumpida en ese punto.
El medio usado es dos cables trenzados en toda la red.
CONFIGURACIÓN MAESTRO- ESCLAVO.
Figura 7. Configuración maestro-esclavo
Fuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica
Automotriz. Universidad del Azuay. En las redes de comunicación de los automóviles existen casos en los
cuales hay una comunicación entre módulos, pero uno de estos módulos debe
tener comunicación con la red principal y los otros módulos actuarán bajo los
requerimientos del módulo que se encuentra conectado en la red.
El módulo que se encuentra conectado en la red se llamará maestro y el o
los módulos que se encuentren conectados a este siguiendo las instrucciones
del maestro se llamarán esclavos.
CONFIGURACIÓN COMPUERTA O GATEWAY.
Figura 8. Configuración GatewayFuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Un gateway sirve para realiza la conversión de la comunicación de un
protocolo a otro. En dicha conversión, se intenta que la aplicación se comunique
a través del gateway con la menor influencia.
En los diferentes sistemas multiplexados de los automóviles se van a
encontrar configuraciones de red independientes las cuales tienen su propio
protocolo de comunicación y velocidad de transmisión de datos como también
su arreglo ya sea por un cable, por 2 cables.
Pero como al final entre todos los sistemas debe existir una comunicación se
hace necesario que una configuración independiente se comunique con otra
configuración diferente para esto se utiliza un módulo compuerta, el cual va
servir de unión entre 2 ó más redes independientes en el mismo automóvil.
Este módulo compuerta (GATEWAY), debe manejar tantos protocolos de
comunicación como redes este comunicando, pero muchas veces el gateway
no trabaja para ninguna de las redes que enlaza puede ser un módulo que no
tiene nada que ver con la gestión de las redes que comunica, simplemente
traduce los mensajes.
En la figura se observa un ejemplo de GATEWAY, la primera red
(Sombreada verde), tiene una configuración lineal y un protocolo de
comunicación CAN con una velocidad de 500 Kb/s entre los módulos que
interconecta. Esta por ejemplo el Engine control module ECM y el TCM
transmisión control module y en la segunda red se presenta una configuración
anillo con un protocolo de comunicación MOST con velocidad de 25 Mb/s,
mucho más rápida que la anterior.
En esta red se puede ver DVD módulo reproductor de video y también el
CDCR módulo reproductor de sonido, esta red hace parte del confort del
automóvil, pero aunque pareciese que no tienen nada en común o que
requerirían comunicación alguna dado sus diferencias de aplicación en el auto
estos elementos tienen cosas en común, por ejemplo, el sistema de confort en
su reproductor de música aumenta la intensidad del sonido a medida que el
automóvil incrementa la velocidad. Pero la velocidad del automóvil medida por
el VSS (Vehicle speed sensor), es tomada por el ECM y colocada como
mensaje en la primera red sombreada en verde. Ahora si la segunda red
quisiera leer esta información no podría tomarla directamente puesto que las
velocidades de comunicación son muy diferentes lo cual cambia completamente
el protocolo. Para esto usa un módulo que hace las veces de GATEWAY el cual
se denomina ICM.
Este módulo, no hace parte de ninguna de las dos configuraciones de red,
solamente actúa como un traductor para que las dos redes puedan
comunicarse.
FUNCIONAMIENTO
El sistema de multiplexado requiere de unos protocolos de comunicación, es
decir, el lenguaje de comunicación y las normas de transmisión creados hasta
ahora se basan en Buses de comunicación clasificados en tres niveles o
categorías según el grado que se requiere de fiabilidad, rapidez y complejidad.
I nivel Iluminación, cierre de puertas, alza de cristales
II nivel Equipo de instrumentación e indicadores
III nivel Funciones de control en tiempo real (gestión motor, encendido, ABS,
suspensión activa)Tabla 2. Niveles de comunicación.
Fuente: Balseca E. Donoso D. (2010). Construcción de un prototipo de control inteligente de accesorios mediante un sistema multiplexado de un vehículo
Citroen C3. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
Figura 9. Módulos y red de comunicación de un automóvil.Fuente: www.aa1car.com/howtodiagnosecan
CAN O CAN BUS
Es la forma abreviada de Controller Área Network (Red de área de control)
es un bus de comunicaciones serial para aplicaciones de control en tiempo real,
con una velocidad de comunicación de hasta 1 Mbit por segundo, y tiene
excelente capacidad de detección y aislamiento de errores.
Can-Bus es un protocolo de comunicación en serie desarrollado por Bosch
para el intercambio de información entre unidades de control electrónicas del
automóvil.
Es la mejor y más nueva tecnología actual en los vehículos. De hecho,
varios fabricantes de vehículos desde el 2003, incluidos Toyota, Ford, Mazda,
Mercedes Benz, BMW y otros ya tienen instalado este sistema. Del mismo
modo que OBD 2 fue obligatorio para todos los vehículos desde 1996, el CAN
Bus será de instalación obligatoria en todos los vehículos a partir de 2008.
Figura 10. Arquitectura Can BusFuente: www.artc.org.tw
Las unidades de control de los diferentes sistemas electrónico ya no están
interconectadas por infinidad de cables, lo están a través de un bus. Con ello se
suprimen gran cantidad de conexiones eléctricas consiguiendo reducir las
probabilidades de que se produzcan fallos en las interconexiones de los
apartados.
De esta forma aumentan considerablemente las funciones presentes en los
sistemas del automóvil donde se emplea el Can-Bus sin aumentar los costos,
además de que estas funciones pueden estar repartidas entre dichas unidades
de control.
Características del protocolo CAN.
La información que circula entre las unidades de mando a través de los dos
cables (bus) son paquetes de 0 y 1 (bit) con una longitud limitada y con una
estructura definida de campos que conforman el mensaje.
Uno de esos campos actúa de identificador del tipo de dato que se
transporta, de la unidad de mando que lo trasmite y de la prioridad para
trasmitirlo respecto a otros. El mensaje no va direccionado a ninguna unidad de
mando en concreto, cada una de ellas reconocerá mediante este identificador si
el mensaje le interesa o no.
Todas las unidades de mando pueden ser trasmisoras y receptoras, y la
cantidad de las mismas abonadas al sistema puede ser variable (dentro de
unos límites).
Si la situación lo exige, una unidad de mando puede solicitar a otra una
determinada información mediante uno de los campos del mensaje (trama
remota o RDR).
Cualquier unidad de mando introduce un mensaje en el bus con la condición
de que esté libre, si otra lo intenta al mismo tiempo el conflicto se resuelve por
la prioridad del mensaje indicado por el identificador del mismo.
El sistema está dotado de una serie de mecanismos que aseguran que el
mensaje es trasmitido y recibido correctamente. Cuando un mensaje presenta
un error, es anulado y vuelto a trasmitir de forma correcta, de la misma forma
una unidad de mando con problemas avisa a las demás mediante el propio
mensaje, si la situación es irreversible, dicha unidad de mando queda fuera de
servicio pero el sistema sigue funcionando.
DATAGRAMAS
Consta de un gran número de bits enlazados. La cantidad de bits de un
protocolo depende del tamaño del campo de datos. En la figura se muestra la
estructura de un protocolo de enlace de datos. Es idéntico en ambos cables del
bus. Para simplificar las explicaciones, se muestra en las figuras un solo cable
del bus de datos.
Las 7 secciones del datagrama.
Figura 11. Secciones de datagramaFuente: Alcocer J. Salazar E. (2012). Diseño y construcción de un banco de
pruebas del sistema de red y multiplexado integral del motor del Peugeot 407. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
SECCIÓN CAMPO DESCRIPCIÓN FIGURA
1
Campo de
comienzo del
datagrama
Marca el comienzo del
protocolo de enlace de
los datos. En el cable
CAN-High se transmite
un bit con aprox. 5
voltios (en función del
sistema) y en el cable
CAN-Low se transmite
un bit con aprox. 0
voltios.
2 Campo de
estado
Se define la prioridad
del protocolo. Por
ejemplo si hay dos
unidades de control
que intentan transmitir
simultáneamente su
protocolo de datos, se
concede la preferencia
al protocolo de
prioridad superior.
3Campo de
control
Se especifica la
cantidad de
información que está
contenida en el campo
de datos. De esa
forma, cada receptor
puede revisar si ha
recibido la información
completa.
4Campo de
datos
Se transmite la
información para las
demás unidades de
control.
5Campo de
aseguramiento
Sirve para detectar
fallos en la transmisión.
6 Campo de
confirmación
Los receptores
señalizan al transmisor,
que han recibido
correctamente el
protocolo de enlace de
datos. Si detectan
cualquier fallo,
informan de inmediato
al transmisor. A raíz de
ello, el transmisor
repite su transmisión.
7Campo de fin
del datagrama
Finaliza el protocolo de
datos. Es la última
oportunidad posible
para dar un aviso de
error, que conduzca a
una repetición.
Tabla 3. Datagramas
Fuente: Alcocer J. Salazar E. (2012). Diseño y construcción de un banco de
pruebas del sistema de red y multiplexado integral del motor del Peugeot 407.
Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
CONEXIONES VERIFICACIONES
El crecimiento tecnológico en los automóviles ha llevado que el sistema de
diagnóstico electrónico crezca de acuerdo a las especificaciones
estandarizadas para este hecho. Configurándose a la diagnosis en forma de
pirámide.
Figura 12. Diagnosis en pirámideFuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Donde en el nivel más bajo está conformado por los sistemas de diagnóstico
de abordo, en el nivel intermedio se aprecia el diagnostico externo que se
Diagnosis externa remota (offline)
Diagnosis externa in-situ (online)
Diagnosis abordo
realiza con conexión directa al automóvil y finalmente se tiene en el nivel más
alto los sistemas remotos de diagnóstico.
En la actualidad, los dos primeros niveles antes mencionados se hallan muy
avanzados e impuestos en los automóviles, en cambio en lo que respecta al
diagnóstico externo por medio de conexiones inalámbricas aún se encuentra en
investigación y pruebas.
El diagnostico electrónico en los automóviles, se complementan por medio
de dos acciones que a continuación se detallan:
Interna de abordo (On-board)
Esta acción se ejecuta continuamente en el automóvil en tiempo real desde
que se pone en contacto por intermedio del usuario, pues los componentes y
unidades electrónicas realizan autoevaluaciones y diagnóstico sobre sus
periféricos, detectando posibles averías o fallos, alertando al usuario mediante
la iluminación de la luz testigo MIL.
Externa (Off-board)
Esta operación se procede al conectar equipos o herramientas de escaneo
al conector DLC, cuando en el automóvil se presenta fallos o averías de gran
consideración, logrando con esto un examen más íntegro y así poder dar
solución de los problemas y la reparación de los sistemas defectuosos.
En relación con la diagnosis externa, es común la utilización de otros dos
conceptos:
Externa in situ (Off-board On-line)
Este tipo de análisis electrónico se refiere a la conexión de la herramienta de
diagnóstico, la misma que se hace por medio de un cable especializado al
conector DLC (Data Link Connector) que se encuentra en el interior del
automóvil, en donde el operario realiza las tareas de verificación con el fin de
determinar las fallas para su posterior mantenimiento.
Externa remota (Off-board Off-line)
En este caso, la conexión se realiza de una manera inalámbrica entre el
automóvil y un Centro de Atención al Cliente (CAC).
Al estar este proceso en crecimiento, el diagnóstico del automóvil se basa en
cuatro fundamentos claros, para el continuo avance de estos sistemas: mejor
respuesta del automóvil, asistencia al conductor, aumentar el nivel de confort y
cumplir con la normativa vigente.
El diagnóstico electrónico del automóvil, trabaja asociada con los
componentes electrónicos encargados de receptar datos e información del
funcionamiento real del automóvil, bajo el estándar ISO 14230, como se detalla
su arquitectura general:
Lámpara indicadora de mal funcionamiento
Red de comunicación
Sensores y actuadores
Unidad de control electrónico ECU
Procedimientos de comprobación
En el procedimiento de comprobación de la red de comunicación se suele
recurrir al conector físico (interfaz de bus) también llamado DLC. Se debe tener
en cuenta que la siguiente información se enfoca a los modelos existentes en
nuestro medio, por lo que se debe tomar las medidas de seguridad necesarias
en la manipulación de las herramientas y conectores del vehículo, dicha
indagación es dirigida a técnicos, operarios, estudiantes y catedráticos en la
rama automotriz.
En el DLC (Data Link Connector) es muy común los problemas, y el primer
paso para verificar su funcionamiento es una inspección visual y activa,
verificando cuidadosamente lo siguiente:
Un problema muy común es la aislación deteriorada del cableado
eléctrico, debido a objetos agudos o superficies calientes.
Cerciorarse que los cables no se hallen corroídos o cortados.
Verificar si presenta corrosión o materiales extraños en los terminales
(pines).
Visualizar si las terminales no presenten doblados o daños.
Inspeccionar que los contactos no estén hundidos o no insertados
correctamente en el alojamiento.
Malas conexiones de cables en terminales de compresión.
El DLC usa en sus contactos una grasa especial, conocida como grasa
dieléctrico que sirve para evitar la corrosión, y esta no se la debe
remover. Y si es necesario se debe aplicar más grasa al conector
Comprobar la alimentación eléctrica en el DLC, tomando las debidas
precauciones, con un multímetro o medidor de voltaje, comprobamos entre el
pin 16 (Vbat +) y el pin 4 (señal de tierra).
Figura 13. Pines para medir la tensión de alimentaciónFuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Verificamos la prueba y como mínimo debe darnos una lectura de 8V, para
seguir con el diagnóstico o si se desea proseguir con la conexión de una
herramienta o equipo de escaneo.
Figura 14. Diagrama de flujo para la localización de fallas en el DLC.Fuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Comprobación CAN Bus
El bus de comunicación más extendido y desarrollado por la industria
automotriz es el protocolo estandarizado CAN.
Para la comprobación del sistema de red de datos CAN existen tres
posibilidades, las mismas que se las irán describiendo a continuación:
Comprobación de las resistencias terminales.
Medición de la tensión.
Comprobación del movimiento de CAN con el osciloscopio.
Comprobación de las resistencias terminales.
Para evitar las interferencias de las señales en las redes de comunicación
del bus de datos, se blindan en los dos extremos con resistencias terminales de
120 ohmios.
Las resistencia terminales están conectadas entre sí en paralelo y en la
actualidad, en los automóviles modernos se pueden comprobar a través del
DLC.
Figura 15. Pines para medir la resistencia.Fuente: Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica Automotriz. Universidad del Azuay.
Comprobación de las resistencias terminales a través del DLC:
CAN HS: entre el pin 6 (CAN High) y el pin 14 (CAN Low)
CAN MS: entre el pin 3 (High) y el pin 11 (Low)
Las lecturas de las resistencias de forma general nos dan las siguientes
medidas:
Ambas resistencias terminales entre: 55 a 65 ohmios.
Una resistencia terminal defectuosa: unos 120 ohmios.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Valencia J. (2010). Diseño y construcción de un prototipo de red
multiplexada para aplicaciones en el automóvil. Tesis de Ingeniería Automotriz.
Espe Latacunga.
[2] Balseca E. Donoso D. (2010). Construcción de un prototipo de control
inteligente de accesorios mediante un sistema multiplexado de un vehículo
Citroen C3. Tesis de Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
[3] Alcocer J. Salazar E. (2012). Diseño y construcción de un banco de pruebas
del sistema de red y multiplexado integral del motor del Peugeot 407. Tesis de
Ingeniería Automotriz. Espe Latacunga.
[4] Carpio C. (2013). Manual de procedimientos para interactuar entre
protocolos de comunicación automotriz. Tesis de Ingeniería Mecánica
Automotriz. Universidad del Azuay.
[5] Protocolo de Comunicación Can.(28/07/15). Obtenido de:
http://www.cise.com/portal/notas-tecnicas/item/166-protocolo-de-comunicaci
%C3%B3n-can.html
[6] Redes Automotrices.(28/07/15). Obtenido de:
http://blog.udlap.mx/blog/2013/01/redesautomotrices/
