domingo, 27 de septiembre de 2015
jueves, 24 de septiembre de 2015
CAN - BUS
Índice
- Objetivo
- Introducción
- CAN-BUS
- Evolución e historia de protocolo CAN
- Tipos de CAN
- CAN de alta velocidad
- Extensiones del CAN de alta velocidad
- CAN de baja velocidad tolerante a fallos
- CAN FD (flexible data-rate)
- Características de CAN-BUS
- Lógica y códigos
- Sistema binario
- Lógica positiva / negativa
- Sistema hexadecimal
- Topologías de red
- Topología en bus
- Métodos de direccionamientos
- Multicast
- El CAN-BUS de datos
- Cables de datos
- Resumen o conclusión
- Mapa mental
Objetivo
El objetivo de la siguiente investigación es brindar los
conocimientos acerca de este protocolo o
sistema de comunicación que utilizamos en nuestro automóvil. Al igual de hacer
mención a algunas de las nuevas tecnologías,
parte de la historia de CAN-BUS, la topología y datos técnicos relacionados con
el mismo.
De igual manera observar los diferentes tipos de conectores
o colores de los cables que manejamos para cada uno de los sistemas
individuales de nuestro automóvil.
Introducción
El CAN-Bus de datos, de la casa Bosch, es
una solución de esa índole. Ha sido desarrollado especialmente para el uso en
automóviles y se implanta en una medida creciente en los vehículos Volkswagen y
Audi.
CAN significa
Controller Area Network (red de área de controlador) y significa, que las
unidades de control están interconectadas e intercambian datos entre sí.
CAN –BUS
CAN (acrónimo
del inglés Controller Area Network) es un protocolo de comunicaciones
desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, basado en una topología
bus para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos. Además ofrece una
solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs (unidades
centrales de proceso).
El protocolo
de comunicaciones CAN proporciona los siguientes beneficios:
Ofrece alta
inmunidad a las interferencias, habilidad para el autodiagnóstico y la
reparación de ir errores de datos.
Es un
protocolo de comunicaciones normalizado, con lo que se simplifica y economiza
la tarea de comunicar subsistemas de diferentes fabricantes sobre una red común
o bus.
El procesador
anfitrión (host) delega la carga de comunicaciones a un periférico inteligente,
por lo tanto el procesador anfitrión dispone de mayor tiempo para ejecutar sus
propias tareas.
Al ser una
red multiplexada, reduce considerablemente el cableado y elimina las conexiones
punto a punto, excepto en los enganches.
Historia y evolución del protocolo CAN
El desarrollo del protocolo CAN comenzó en 1983 en la empresa Robert
Bosch GmbH (comúnmente conocida como Bosch). El protocolo fue oficialmente
lanzado en 1986 en el congreso de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE)
en Detroit. Los primeros controladores CAN llegaron al mercado en 1987 de la
mano de Intel y Philips.1 El BMW Serie 8 de 1988 fue el primer vehículo
producido en serie que incluyó un bus CAN.
Bosch publicó posteriormente varias versiones de la especificación CAN,
siendo la última de ellas la especificación CAN 2.0, publicada en 1991. Esta
especificación consta de dos partes; la parte A para el formato estándar y la
parte B para el formato extendido. Un dispositivo CAN que usa el formato
estándar utiliza identificadores de 11 bits y es comúnmente referido como
dispositivo CAN 2.0A. Un dispositivo CAN que usa el formato extendido utiliza
identificadores de 29 bits y es comúnmente referido como dispositivo CAN 2.0B.
Los estándares CAN 2.0A/B y otros documentos de referencia relacionados con CAN
son de acceso libre a través de Bosch.
En 1993 se publicó el estándar ISO 11898 del bus CAN y ha sido a partir
de ese momento un estándar de la Organización Internacional para la
Normalización. Actualmente el bus CAN está estandarizado por las siguientes
normas:
- ISO/DIS 11898-1:2015, Part 1: Data link layer and physical signalling
- ISO 11898-2:2003, Part 2: High-speed medium access unit
- ISO 11898-3:2006. Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface
- ISO 11898-4:2004, Part 4: Time-triggered communication
- ISO 11898-5:2007, Part 5: High-speed medium access unit with low power mode
- ISO 11898-6:2013, Part 6: High-speed medium access unit with selective wake-up functionality
- ISO 16845:2004, Conformance test plan
En 2011 Bosch, en cooperación con los fabricantes de automóviles y otros
expertos del bus CAN, comenzó a desarrollar la siguiente generación del CAN: el
protocolo CAN FD (flexible data-rate). El CAN FD es compatible hacia atrás, es
decir, un controlador CAN FD es capaz de comprender un mensaje CAN clásico (o
CAN 2.0). Por el contrario, un controlador CAN clásico destruye un mensaje CAN
FD emitiendo un mensaje de error. El nuevo CAN FD es capaz de transmitir datos
más rápido que 1 Mbps (la velocidad máxima del CAN clásico). Ambos protocolos,
el CAN clásico y el CAN FD, están estandarizados en la norma ISO/DIS 11898-1.
Tipos de bus CAN
La especificación de los buses CAN esta recogida en el conjunto de
estándares ISO 11898. Dicha especificación define las dos primeras capas, la
capa física y la capa de enlace de datos, del modelo OSI de interconexión de
sistemas. En base a dichos estándares, los buses CAN se pueden clasificar en
dos tipos:
CAN de alta velocidad
ISO 11898-2, también llamado CAN de alta velocidad, usa un único bus
lineal terminado en cada extremo con sendas resistencias de 120 Ω. Es
importante que el valor de las resistencias de terminación coincida con la
impedancia característica del bus, definida en 120 Ω, para evitar reflexiones
en la línea que podrían perturbar la comunicación. Con esta configuración la
velocidad del bus es de un máximo de 1 Mbit/s.
Extensiones del CAN de alta velocidad
La Organización Internacional para la Normalización (ISO) ha definido
unas extensiones opcionales de la capa física del bus CAN de alta velocidad
(ISO 11898-2). Dichas extensiones están descritas en sus respectivos estándares
y son útiles para sistemas con requisitos específicos. También definen la
compatibilidad con ISO 11898-2.
ISO 11898-5 especifica la capa física con tasas de transmisión de hasta 1
Mbit/s para sistemas que requieren bajo consumo de energía cuando no hay
comunicaciones activas en el bus de datos. ISO 11898-5 representa una extensión
de ISO 11898-2 y aquellas implementaciones que cumplan cualquiera de estas dos
normas, es decir, los nodos CAN de alta velocidad con y sin bajo consumo de
energía, son interoperables entre sí y pueden coexistir en la misma red.
ISO 11898-6 es una extensión de ISO 11898-2 y de ISO 11898-5. Esta
extensión especifica la capa física de un bus CAN de hasta 1 Mbit/s,
proporcionando un método selectivo de activación de nodos (wake-up) usando
tramas CAN configurables. Las implementaciones de ISO 11898-6, ISO 11898-2 e
ISO 11898-5 son interoperables y se pueden usar en una misma red
simultáneamente.
CAN de baja velocidad tolerante a fallos
ISO 11898-3, también llamado CAN de baja velocidad tolerante a fallos,
puede utilizar un bus lineal, un bus en estrella o múltiples buses en estrella
conectados por un bus lineal. El bus está terminado en cada nodo por una
fracción de la resistencia de terminación total. La resistencia de terminación
total debería ser un valor próximo a 100 Ω, pero no inferior a 100 Ω. Este
estándar permite velocidades de hasta 125 kbit/s.
CAN FD (flexible data-rate)
En 2011 Bosch comenzó a trabajar en una evolución del CAN. En 2012 lanzó
CAN FD 1.0, que ofrece un aumento de la tasa de transferencia después del
arbitraje. De momento (2015), sólo se ha definido la capa de enlace de datos
del CAN FD. La frecuencia se puede multiplicar hasta por 8 y el número máximo
de bytes por trama aumenta, siendo posible transmitir una mayor cantidad de
datos en el mismo tiempo.4 La especificación está recogida en el borrador de
norma ISO/DIS 11898-1:2015.
Características CAN-BUS.
1.- Los sistemas de
bus aumentan la flexibilidad en caso de modificaciones. Los cambios de software
como, por ejemplo, las actualizaciones, pueden realizarse con comodidad y sin
gran coste.
2.- Asimismo, por
su configuración modular, un sistema de bus es flexible y ampliable.
3.- Gracias al
optimizado intercambio de la información, puede prescindirse de mini-unidades
de control individuales. En una misma unidad de control pueden reunirse varias
funciones. Un ejemplo es la unidad de control central del sistema de confort.
4.- Los buses
ofrecen una opción simplificada de diagnóstico, porque los componentes
correspondientes están integrados en un sistema general. Los fallos pueden
detectarse desde un puesto central.
5.- Con la
protección de los protocolos de datos se consiguen unos menores coeficientes de
fallos.
Lógica y códigos
Sistema
binario
La
información puede codificarse a través de una secuencia de bits. Tomemos como
ejemplo el número 97.
Lógica positiva / negativa
La
transmisión binaria de datos puede explicarse con ayuda de un sencillo
circuito. El interruptor determina así, con su posición, si fluye la corriente.
La lámpara actúa como indicador.
Sistema hexadecimal
La
información que se transmite o almacena en los aparatos técnicos son datos
binarios. Si se leyese y representase esta información, aparecería un patrón de
ceros y unos. Como esta representación es bastante confusa, se usa con
frecuencia en la tecnología otra más compacta. Se la conoce como representación
hexadecimal.
Topologías de Red
Por topología
se entiende, en general, el tipo de interconexión. Por topología física se
entiende la disposición de los nodos de la red
y las conexiones. La topología lógica se refiere al flujo de datos entre
los aparatos.
Topología en
bus
Ventajas:
-Fallo de un
ordenador no afecta el funcionamiento de la red.
-Menor coste
de cableado.
-Fácilmente
ampliable
-No se
precisan más aparatos para la transmisión.
Inconvenientes:
-Una avería
en el cable principal provoca la caída de toda la red.
-Varios
intercomunicadores no pueden enviar al mismo tiempo.
-Menor
aprovechamiento por el riesgo de colisión.
Métodos de direccionamientos
Los
intercomunicadores intercambian mensajes enviando y recibiendo noticias. En
tecnología se llama “método de direccionamiento” a la manera de dirigirse a los
intercomunicadores.
Multicast
Caracteristicas:
-El emisor
envía su mensaje a todos los receptores.
- Los
receptores deciden, según el contenido de la noticia, si el mensaje les
concierne.
-Cualquier
intercomunicador puede ser emisor y receptor.
-Método
orientado al contenido.
Ventajas:
- El emisor no tiene que administrar las
direcciones de los receptores.
-Pueden
transportarse a la vez grandes volúmenes de datos a varios receptores.
-Una
misma noticia solo tiene que transmitirse una vez.
-
La red se amplía sin dificultad con nuevos emisores y receptores (buena
escalabilidad).
-El
ancho de banda depende sólo del volumen de información y no del número de
intercomunicadores.
Inconvenientes:
-Fuerte
dependencia de la topología de red.
-Requiere
un costoso protocolo de datos.
El CAN Bus de datos
El CAN Bus de
datos representa un modo de transmitir los datos entre las unidades de control.
Comunica las diferentes unidades de control en un sistema global
interconectado.
En este tipo
de transmisión la información se transmite a través de dos cables.
Independientemente de la cantidad de unidades de control abonadas y de la
cantidad de información transmitida.
Transmisión de datos en el pasado
Transmisión de datos en serie con CAN
Ventajas:
•
Cableado muy simplificado
•
Transmisión rápida de datos
entre las unidades de control
•
Ahorro de espacio gracias a
unidades de control con conectores pequeños.
•
Escasa cuota de averías gracias
a una comprobación constante de los mensajes enviados a través de las unidades
de control.
•
Está normalizado a escala
mundial. Por tanto puede intercambiar datos con unidades de control de
diferentes fabricantes.
Cables de datos
Al efectuar
tareas de reparación, ambos cables de bus deben tener la misma longitud. Al
entrelazar los cables de Can baja y alta, se debe mantener una longitud de
trenzado (por vuelta) de 20 mm. Al realizar esta operación, no debe resultar
ningún elemento conductor (por ejemplo, en contactos o conectores de
soldadura), de más de 50 mm sin entrelazado de cables.
Una longitud
de trenzado correcta permite evitar los siguientes efectos secundarios:
-
Diafonía
(entre dos circuitos existe diafonía cuando parte de las señales presentes en uno de ellos,
considerado perturbador, aparece en el otro, considerado perturbador).
-
Autoinducción
-
Reflexiones de señal al final del bus
Los distintos
nodos de un bus CAN deben estár interconectados mediante un par de cables
trenzados con una impedancia característica de 120 Ω, y puede ser cable
apantallado o sin apantallar. El cable trenzado proporciona protección frente a
interferencias electromagnéticas externas. Y si, además, está apantallado, la
protección será mayor pero a cambio de un incremento en el coste del cable.
El estándar
CAN, a diferencia de otros estándares como el USB, no especifica ningún tipo de
conector para el bus y por lo tanto cada aplicación puede tener un conector
distinto. Sin embargo, hay varios formatos comúnmente aceptados como el
conector D-sub de 9 pines, con la señal CAN_L en el pin 2 y la señal CAN_H en
el pin 7.
Las
propiedades de la línea de transmisión limitan el ancho de banda de los datos.
Orientativamente, se aceptan los siguientes valores como límite de longitud del
bus en función de la tasa de transferencia:9.
Resumen o conclusión
CAN, o CAN
Bus, es la forma abreviada de Controller Area Network 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. 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.
Este sistema
emplea dos cables en los cuales viajan dos señales exactamente iguales en
amplitud y frecuencia pero completamente inversas en voltaje los módulos con
estos dos pulsos identifica el mensaje, pero también tiene opciones de mantener
la red activa aunque falle uno de los cables de comunicación.
Al mismo
tiempo, CAN proporcionó a los fabricantes de herramientas de diagnóstico una
manera de acelerar las comunicaciones entre el vehículo y su herramienta. El
diagnóstico se ve muy beneficiado ya que la mayor velocidad de comunicación les
permitirá en el futuro, a través de su herramienta de escaneado, ver datos casi
en tiempo real, tal como ahora ven datos de sensores con sus scanners.
Mapa mental
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