Comunicación intra-vehicular: CAN, FlexRay y MOST
CAN, FlexRay y MOST son protocolos de comunicación automotriz utilizados para conectar unidades de control electrónico (ECU), unidades de control de transmisión (TCU) y módulos de control de carrocería (BCM) en los vehículos:
CAN Un protocolo basado en mensajes que fue diseñado originalmente para ahorrar cobre multiplexando el cableado eléctrico en los automóviles. CAN tiene un ancho de banda de aproximadamente 125 kbps.
FlexRay Un protocolo de comunicación serie de alta velocidad, tolerante a fallos y determinista que puede transferir datos a velocidades de hasta 10 Mbits por segundo sobre dos hilos trenzados. FlexRay se utiliza a menudo en aplicaciones críticas para la seguridad, como los módulos de tren motriz. Las cargas útiles de FlexRay, o tramas de datos, pueden tener hasta 127 palabras (254 bytes) de longitud, lo que es más de 30 veces más largo que las cargas útiles de CAN.
MOST Un estándar de bus para redes multimedia de vehículos que permite la transferencia de audio, video y datos de alta calidad. MOST está disponible en tres velocidades de transmisión: MOST25, MOST50 y MOST150.
CAN (Controller Area Network) es actualmente la red a bordo más utilizada. Sin embargo, con el desarrollo continuo de vehículos autónomos y la tecnología relacionada, existe una alta demanda de mayor ancho de banda y conectividad. En este documento describimos brevemente CAN y otras opciones de conectividad vehicular, incluyendo CAN inalámbrico, MOST, FlexRay y Automotive Ethernet.
Bus CAN: algunos principios subyacentes
En un sentido amplio, CAN-bus (Controller Area Network-bus) es en realidad un conjunto de normas que permiten que diferentes dispositivos se comuniquen entre sí. Es un sistema de bus serie asincrónico (desfasado en el tiempo), desarrollado en 1983 por Robert Bosch GmbH con el objetivo de interconectar unidades de control electrónico (ECU) en vehículos de motor.
CAN se dividió en varias capas, siguiendo el modelo ISO/OSI para lograr flexibilidad y transparencia en el diseño. Para la comunicación en la práctica, el bus CAN utiliza dos hilos dedicados: CAN low y CAN high, mediante los cuales el controlador CAN se conecta a todos los componentes de la red. CAN permite sustituir un cableado bastante complejo por un bus de dos hilos. CAN utiliza una señal diferencial, lo que lo hace más resistente al ruido, con dos estados lógicos: recesivo y dominante. Hoy en día el bus CAN se utiliza prácticamente en todo, desde máquinas de café hasta las operaciones de gestión de flotas y aplicaciones espaciales. A continuación describimos brevemente los principios de funcionamiento del bus CAN.
El protocolo de comunicaciones CAN ISO-11898:2003 explica cómo se transmite la información entre dispositivos en una red basada en un modelo Open Systems Interconnection (OSI) que se presenta como un conjunto de capas en la figura siguiente. Las dos capas más bajas del modelo OSI/ISO de siete capas son la capa física y la capa de enlace de datos. La capa física define la comunicación entre dispositivos conectados por el medio físico.
La Capa de Enlace de Datos, entre otras cosas, también se encarga de organizar los bits en tramas e incluye dos protocolos: CAN clásico (primer uso retrocedido hasta 1988) y CAN FD (lanzado en 2012).
La capa de aplicación es esencialmente una capa de usuario final y proporciona acceso a los recursos de la red. Existen dos tipos de formatos de mensajes/tramas: estándar y extendido. Se diferencian entre sí únicamente por la longitud del identificador: el estándar tiene 11 bits, mientras que el extendido tiene 29 bits.
Una estructura de mensaje estándar puede dividirse en 8 partes como se muestra en la figura siguiente. Esas partes son: Start of Frame (SOF - el inicio de la transmisión de la trama), CAN-ID (identificador de trama, identificación de prioridad del mensaje), Remote Transmission Request (RTR, indica si un nodo solicita datos a otro nodo o envía datos), Control (informa la longitud de los datos en bytes), Data (valores de datos reales que deben escalarse/convertirse), The Cyclic Redundancy Check (CRC, que garantiza la integridad de los datos), ACK (acknowledge, indica si los datos se reciben correctamente) y EOF (End of Frame) que marca el final del mensaje/trama CAN.
El bus CAN utiliza una forma invertida de lógica con dos estados: dominante y recesivo. La figura anterior muestra un diagrama simplificado de entrada-salida de un transceptor CAN: flujo de bits hacia/desde un controlador CAN y/o microcontrolador. Cuando el controlador envía una secuencia de bits, estos se complementan y se colocan en la línea CANH.
La línea CANL es siempre el complemento de CANH. CAN debe monitorear tanto lo que está actualmente en el bus como lo que está enviando. Para las aplicaciones, ambos extremos del bus CAN deben estar terminados ya que cualquier nodo en el bus puede transmitir datos.
Cada extremo del enlace tiene una resistencia de terminación igual a la impedancia característica del cable. Normalmente 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 terminaciones adicionales ponen carga extra en los drivers.
La figura siguiente muestra un bus de prueba CAN. Los nodos en la figura podrían, en principio, estar enviando mensajes desde tecnología de sensado inteligente y un controlador de motor. Una aplicación típica podría ser, por ejemplo, algún sensor de temperatura.
La figura siguiente muestra un bus de prueba CAN. Los nodos en la figura podrían, en principio, estar enviando mensajes desde tecnología de sensado inteligente y un controlador de motor. Una aplicación típica podría ser, por ejemplo, algún sensor de temperatura.
Si otro nodo sensor necesita enviar un mensaje simultáneamente, la arbitraje asegura que el mensaje se envíe. Por ejemplo, el nodo A termina de enviar su mensaje mientras los nodos B y C reconocen que se ha recibido correctamente un mensaje. Los nodos B y C a su vez comienzan la arbitraje y si el nodo C gana la arbitraje entonces envía un mensaje. Los nodos A y B reconocen el mensaje del nodo C, y el nodo B continúa entonces con su mensaje.
Debe tenerse en cuenta la polaridad opuesta de la entrada y salida del driver en el bus. El bus CAN hoy en día está ampliamente distribuido en los automóviles. Está presente en prácticamente todos los vehículos que se fabrican. Los automóviles en el mundo moderno son esencialmente un producto de mercado global, por lo que todos los vehículos tienden a tener un bus CAN. El bus CAN se accede a través del conector OBD, que se muestra en una figura a continuación junto con un ejemplo de una resistencia de terminación de 120Ω, soldada en el conector DB9 con el cableado CAN, ubicada en la carcasa del conector DB9.
Para cablear el puerto OBD a un dispositivo CAN con DB9 se necesita un cable que se puede comprar o fabricar. Para hacerse uno mismo, se requiere un zócalo D-sub de 9 pines (hembra) y un enchufe OBD (macho). El zócalo DB9 debe coincidir con el enchufe del dispositivo CAN.
Un ejemplo de cableado desde el enchufe OBD al DB9 CAN incluyendo la resistencia de terminación opcional también se muestra en los esquemas a continuación.
Para construir una red de sensores, conectarse a un bus CAN y ver las señales CAN de los vehículos existen numerosas opciones. Varios microcontroladores actualmente tienen soporte del protocolo CAN y podrían conectarse al CAN mediante un chip transceptor CAN.
También hay soluciones como Raspberry Pi, Texas Instruments Launchpad y Arduino que pueden conectarse al CAN mediante algunos complementos. La red de comunicación CAN en los vehículos modernos puede proporcionar un gran volumen de datos que se puede utilizar en las operaciones de gestión de flotas para aumentar la seguridad del conductor, reducir los gastos generales, mejorar los procesos de mantenimiento y apoyar la responsabilidad ambiental.
Habilitar los datos del bus CAN ofrece a los propietarios de flotas diversas oportunidades para acceder a información variada, incluyendo consumo de combustible, lecturas del odómetro, revoluciones por minuto, posición del acelerador, carga/torque del motor, temperatura del motor y nivel de combustible.
CAN es actualmente la red a bordo más utilizada. Sin embargo, con el desarrollo continuo de vehículos autónomos y tecnología relacionada, existe una alta demanda de mayor ancho de banda y conectividad. A continuación describimos brevemente algunas otras opciones de conectividad vehicular, incluyendo CAN inalámbrico, MOST, FlexRay y Automotive Ethernet.
CAN inalámbrico
CAN en un par trenzado de hilos de cobre se convirtió en estándar ISO en 1994. La creciente demanda de mayor conectividad da lugar al desarrollo de tecnologías alternativas y complementarias. Por ejemplo, algunas opciones para la transmisión CAN inalámbrica se basan en estándares de radio basados en protocolos como WLAN o Bluetooth.
En tal escenario, los datos CAN en el transmisor deben convertirse al protocolo inalámbrico y restablecerse en el receptor. La transmisión transparente y en tiempo real en el sentido de la red CAN no es posible de esta manera. La conexión radio funciona así como una pasarela entre dos redes CAN.
El CAN inalámbrico basado en radio de doble modo permite que los participantes CAN se integren inalámbricamente en una red CAN, aumentando la seguridad y la usabilidad. Sin embargo, dicho sistema requiere antenas especiales que necesitan espacio y una alineación particular que limita la radiación omnidireccional.
MOST, FlexRay y Automotive Ethernet en breve
Una alternativa prometedora a CAN es Automotive Ethernet. Algunas estimaciones esperan que el mercado de automotive ethernet crezca más de un 21,6% durante el periodo de previsión 2019-2026.
Los beneficios clave de ethernet para la conectividad vehicular son el alto ancho de banda y la eficiencia de costes. Ethernet emplea la estrategia Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Las colisiones pueden ignorarse mediante división en las redes a bordo. Algunos desafíos de automotive ethernet son la cantidad significativa de ruido RF, la incapacidad para proporcionar latencias en el rango de microsegundos bajos y la falta de un método para sincronizar el tiempo entre dispositivos.
MOST (Media Oriented System Transport) es un sistema de comunicación serie para transmitir datos de control, video y audio por medio de fibra óptica http://cables.It proporciona un intercambio punto a punto de información de sonido y video con tasas de velocidad de 24,8 Mbps. MOST fue creado por la asociación MOST y define 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 por paquetes utilizando un único medio / capa física. Una red MOST podría presentarse esquemáticamente en forma de anillo que puede incluir hasta 64 dispositivos MOST. Gracias a su funcionalidad plug&play, añadir o retirar un dispositivo MOST debería ser bastante sencillo.
FlexRay, a su vez, es esencialmente un estándar de red automotriz basado en un sistema de bus determinista, tolerante a fallos, de alta velocidad y flexible para altas tasas de datos. Se utiliza como parte de una topología de estrella o línea con cobre u fibra óptica. FlexRay, con configuraciones de doble canal, ofrece mayor tolerancia a fallos y/o mayor ancho de banda. Las características de la red de comunicaciones FlexRay las hacen favorables para las industrias automotrices de próxima generación.
La mayoría de las redes FlexRay de primera generación normalmente emplean un solo canal para reducir los costos de cableado, pero el posterior desarrollo de aplicaciones y los requisitos de seguridad correspondientes conducirán a un mayor uso de dos canales. Los factores limitantes para la adopción generalizada de FlexRay son el precio, niveles de tensión de funcionamiento más bajos y asimetría de bordes, lo que genera desafíos al extender la longitud de la red. Algunas características clave de los protocolos listados en comparación con las características de CAN se presentan en la tabla siguiente.
La comparación directa de los protocolos de conectividad listados muestra que existe una compensación clara entre ancho de banda y tolerancia a fallos frente a los costes promedio y la complejidad del sistema. Mientras que CAN y MOST siguen siendo una especie de protocolos fundamentales, FlexRay y Ethernet son una solución más prometedora para satisfacer las demandas crecientes del mercado y las aplicaciones de alta carga. En los vehículos modernos, esos protocolos se utilizan a menudo como soluciones complementarias.
Propósito de los protocolos de comunicación a bordo
El bus CAN es, de hecho, un estándar de conectividad vehicular bien conocido y establecido. Se emplea para powertrain, chasis, red troncal y sistemas de carrocería. Ethernet, por su parte, se utiliza comúnmente como protocolo de diagnóstico para unidades de control electrónico del motor, chasis y carrocería usadas para conexiones de red.
FlexRay actualmente forma la base para el desarrollo tecnológico activo a nivel mundial, y sus muchas aplicaciones incluyen sistemas X-by-Wire de próxima generación y sistemas de backbone. MOST es un estándar de bus para redes multimedia de vehículos diseñado para permitir la transferencia de audio, video y datos de alta calidad. Permite la interconexión fácil de varios componentes multimedia del vehículo.
Todos los protocolos y tecnologías mencionados anteriormente satisfacen la mayoría de los requisitos de diagnóstico y comunicación multimedia para la comunicación moderna a bordo y vehículo a vehículo, y podrían utilizarse para sistemas avanzados de conducción autónoma; sin embargo, la integración precisa de todas esas tecnologías manteniendo las restricciones de tiempo real sigue siendo una parte desafiante.
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