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3. Redes de a bordo
3.1 Introducción
3.2 Modelo de referencia
Las redes de a bordo hoy día están tomando una importancia fundamental. Penniten reducir la complejidad de los sistemas eléctricos, facilitan el compartimiento de las infonnaciones y el intercambio de los controles entre los diversos aparatos eléctricos y electrónicos.
Las infonnaciones -con este tipo de sistema- se intercambian en un canal de transmisión único, principio que se utiliza en telefonía, aeronáutica, construcción, etc.
El equipamiento del vehículo se diferencia en base a su complejidad: • funciones de carrocería: elevalunas eléctricos, puertas, asientos,
luces • instalaciones de servICIO y confort: panel de instrumentos,
c1imatizador, radio, teléfono, etc. • sistemas de control: inyección/encendido, frenos, suspensión,
dirección asistida eléctrica, etc.
Para intercambiar los datos en un bus, deberá definirse un protocolo de comunicación que establece las reglas del proceso de transmisión de las infonnaciones; en particular: • platafonna física de la transmisión • codificación de los datos • modos de transmisión • control de las prioridades • control de los errores de transmisión
• Modelo OSI (Open System Interconnection). • Establecido por ISO (Intemational Standard Organisation) en 1971,
constituye la referencia para la definición de los protocolos de comunicación en las telecomunicaciones, la telemática y también en el sector automovilístico.
• La definición de los niveles de comunicación pennite estructurar el intercambio de los datos de fonna jerárquica entre la aplicación específica y la transmisión eléctrica en la línea física.
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Application Presentation Session
1 Nelwork +
Transport Network
+ 1 Dalalink 1- - - -.. Data link + Physical IData I J
Fig.3.1 Modelo OSI
Este modelo nace para sistemas complejos y pesados de telecomunicaciones, tales como la telefonía, la telemática y no necesariamente todos los niveles actualmente han sido implementados en el caso de los automóviles diseñados con red de datos.
El movimiento de los datos a través de los niveles de comunicación que se utilizan es bidireccional:
• APLICACIÓN En este nivel se realizan todos los controles gobernados por una centralita, tales como, por ejemplo, la inyección, el encendido, el c1imatizador, etc.
• PRESENTACIÓN En este nivel los datos se normalizan de acuerdo al estándar de presentación de los requisitos.
• SESIÓN Establece y controla el enlace (telefonía).
• TRANSPORTE Garantiza la transferencia de los datos hacia los destinatarios, controla el flujo y la integridad de la información.
• RED Controla el enrutamiento de los datos hacia el destinatario, de acuerdo a reglas y a recorridos prefijados.
• ENLACE DE DATOS Realiza el enlace con el bus y la codificación para permitir el control de los datos entre el emisor y el receptor.
• LÍNEA FÍSICA Corresponde al tipo de plataforma fisica que se utiliza para transmitir los datos con niveles eléctricos correspondientes a los estados lógicos "cero" y "uno".
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Actuator Process Sensor
node node
,- -¡---------------~l , Communlcatlon , , network , l_ --------------- _1
Controller node
Fig. 3.2 Unidad con anillo de control
3.3 Topología de la red
Las topologías de los sistemas distribuidos son de tipo bus, anillo y estrella.
("----Dc---~.
u
Network
Co . con rollar
COI con roller
Fig. 3.3 Topologías de red
Compuler ( hardware I Aud software
Compuler (
hardware I and
\ software
~I
Orive clrcullry -.. ACluator(s)
Automatlc control
Slgnal .... --l S ( ) condltlonlng en sor s
I .. l Aclualor(s) Orive circuitry
Automaltc control
ISignal I i Sensores) I condllionlng I I
•
•
•
Fig.3.4 Ejemplo de topología
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r"""·'·,·"·,·,·",·" ·,·'·"·m"." ", .•... ,.,,.,""",, .... ''''']
.~ ¡.;
*' U
~i ~ ~:
~ '. ~:
ii ~~
~i
\ I
/
System
4wheel drive
Transmission
•
•
•
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DDD D D D Bus for l/O ----------------I Door 1 I
1'- Gateway/l" .. panel ~.
"High speed" CAN bus
I Cruise ctrl I
I Climate I
I Audio ..
I ...
I Door 2 I
1 .. ·
Fig.3.5 Topología con bus
nodes
• • •
"Lo~ speed" CAN bus
• • •
La topología y el protocolo se eligen en base a los siguientes requisitos: • disponibilidad de los circuitos integrados que gobiernan la
transmisión de los datos • fiabilidad de la transmisión de los datos con controles especiales • velocidad compatible con las exigencias de los procesos en tiempo
real • flexibilidad en la configuración, considerando que un mismo modelo
de vehículo se declina en decenas de variantes de acuerdo al tipo de equipamiento
• coste compatible con el sector automovilístico.
Red Master-Slave • el control de la aplicación se concentra en la unidad Master y las
demás unidades Slave controlan las funciones periféricas • las unidades Slave no pueden transmitir mensajes.
Red Multi-Master • todas las unidades están habilitadas para controlar la propIa
aplicación, así como para transmitir y recibir datos en la red • en este caso, el protocolo considera el nivel de prioridad de los
mensajes (tramas) y el control de los conflictos en la línea fisica de transmisión
• una red puede estar compuesta de forma mixta con partes MultiMaster y Master-Slave
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3.4 Panorámica de los protocolos
FEATURE UART(ALDL) AFRLIATION GM APPLICATION ~FI . &
DIAGNOSTlC S
M!:DIA WIRE
BIT EN' NRZ MEDIA A M~~K/
8-bit CS DETECTION
H 16 BITS LENGTH
DATA LENG'I t1 0 - 85 tn II:!>
OV Vanable IN-MFSSAf. c: NO RESPONSE BIT RATE !l192 bis
MAXIMUM BUS Not Spedtlea LENGTH
M~~~M 10
--> N )! YE SU :EP/WAK EUP N(
l' ¡w AVAl . t YES CO!:>. LOW
La transmisión de los datos en el vehículo se divide en tres niveles de prestaciones:
Protocolos CLASE A • Se utilizan para la transmisión de los datos tipo ON-OFF, tales como
las luces y las puertas que no precisan procesos complejos de altas velocidades.
• El coste del nodo debe ser bajo y la velocidad de transmisión es inferior a 10 Kb/s.
BUS NAME
S1NEBUS E&C 12(: SAE J1708 CCO ACP BEAN UN DELCO GM PH1UPS TMC - ATA CHRYS[FR FORD TOYOTA Motorola AUDIO GENERAL CONTROL & G L& AUDIO BODY CONTROL SMART
DIAGNOSTl DIAGNOSTlCS CONTROL & DIAGNOSTlCS SENSORS CS
SIt!C;;I:.E SINGLE WIRE 1~~~t:U 1~~~t:D SINGI:e- W1RE '~iIkt:D SINGLE WIRE SINGLE WIRE WIRE SAM PWM AM NRZ NRZ NRZ NRZ NR¿
M~/ CON I t:1'I11UI'I ~~;;:/ ~J:I MASTER, CON I t:N flON MtC;J:f SLAVE NONE PARI1Y ACK bit 8-bit CS 8-DitCS 8-6ífCS -a=ort: CRC 8-bit es
2 BITS 11 - 12 BITS 16 BITS 8 BITS 12 - 24 25 BlIS BITsfBYTE BITS
10 - 18 bits 1-8BITS S BYTf:5 6 - 12 1-11 BYTES 8 BYTES BYTES
75 % Variable 45% Vanable 16.7% 25 % 28 % 2 BYTES NO NO NO NO NO NO NO
6~&~z 1000 bis 1 - 100 Kbi;; 9600 78U3OTs 9600 bis 10 Kb/s 20 Kbfs
10 METERS 20 METERS Not Not Not Spedfied 40 METERS Not 40 METERS Specífied Soecified Soecified
10 6 20 20 16
NO VES ES YES VE! YES NO NO NO O NO NC NO NO yes ES YES VE: VES (?) NO
LOW LOW MEDIUM LOW LOW LOW LOW
Fig. 3.6 Protocolos Clase A
Protocolos CLASE B • La mayoría de los sistemas con transmisión de datos utilizan estos
protocolos sin particulares condiciones críticas de tiempo; los procesos por lo general son periódicos y se realizan en base a la evolución de los sensores.
• La velocidad de transmisión está comprendida entre 10 y 125 Kb/s. • El estándar más difundido en el mundo utiliza esta clase de
protocolo y es el CAN (Control Area Network). • En particular, ISO 11898 (lOO Kb/s) para automóviles y 11939 (250
Kb/s) para vehículos pesados (autobuses, camiones).
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FEATURE AFFILlATION
APPLlCATION
TRANSMISSION MEDIA
BIT ENCODING
MEDIA ACCES5 ERROR
DETECTION HEADER LENGTH
DATA FIELD LENGTH
MESSAGE OVERHEAD IN-MI~S_SAGE RESPONSE
BIT RATE
MAXIMU_M BUS LENGTH
MAXIMUM NODES
1.1 NEEDED? SLEEP/WAKEUP
H/W AVAIL? COST
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BUS NAME SIN.GLE-WIRE CAN 2.0 J1850 SAE J 1939
CAN (SWC) ISO 11898 ISO 11519-4 ISO 11519-2 ISO 11992
J2284 SAE/ISO BOSCH/SAEJISO GM FORO CHRYSLER TMC - ATA
OIAGNOSTICS CONTROL & GENERAL & GENERAL & GENERAL & CONTROL & OIAGNOSTICS DIAGN05TICS DIAGNOSTICS DIAGN05TICS DIAGNOSTlCS
SINGLEWIRE TWISTED PAIR SINGLEWIRE TWISTED PAIR SINGLEWIRE TWISTED PAIR
NRZ-5 NRZ-5 VPW PWM VPW NRZ-5 MSb first MSb first MSb first MSb first MSb first MSb first
CONTENTION CONTENTION c,ONTENTION CONTENTION CONTENTION CONTENTION CRC CRC CRC CRC CRC CRC
11 BITS 11 or 29 BITS 32 BITS 32 BITS_ 8 BITS 29 BITS 0-8 BYTES 0-8 BYTES 0-8 BYTES 0-8 BYTES 0-10 BYTE 8 BYTES
9.9% 9.9 %·22 % 33.3% 33.3 % 8.3 % 9.9 % - 22 %
NO NO optional Optional Optional NO Nonnallv NO Nonnallv VES Nonnall'l. VES
33.33 Kb/s 10 Kb/s to 1 Mb/s 10.4 K bIs 41.6 K bIs 10.4 K bis 250 Kb/s 83.33 Kbls
30 MI: I I:K::S Not ~ecifjed 35 MEI.I:K::S 3_5. ME'I t:K::S 3.5 ME-I t:K::S 40 METERS 40 (Typical) (5 Melers for sean (5 Meters for (5 Meters for
1001) sean 1001) sean 1001\ 16 NotSpecified 32 32 32 30 FOR STP
32 (T voicall 10 FOR UTP YI::~ YI::~ YI::!:> YI::~ YI::~ YE!:> VES NO VES NO NO NO NO YE~ VES VES VES VES
LOW MEDIUM LOW LOW LOW MEOIUM
Fig. 3. 7 Protocolos clase B
Protocolos CLASE C • Se utilizan para sistemas de seguridad con imperativos de tiempo
real tales como, por ejemplo, el control de los frenos. • La velocidad de transmisión está incluida entre 125 Kb/s y 1 Mb/s.
BUS NAME CAN 2.0 SAE J1939
ISO 11898 ISO 11519-2 ISO 11992
FEATURE J2284 J1939
AFFILlATION B05CHISAE/ISO TMC-ATA APPLICA TION CONTROL & CONTROL &
DIAGNOSTICS DIAGNOSTICS TRANSMISSION MEDIA TWISTED PAIR TWISTED PAIR
BIT ENCODING NRZ-5 NRZ-5 MSb filSt MSb filSt
MJ:;.LlIA A \.;uN I ~N IIUN \.;uN I ~N IluN ERROR eRe eRC
DETECTION HEADER LENGTH 11 or 29 BITS 29 BITS
DATA FIELD LENGTH 0-8 BYTES MOST ARE 8 BYTES 11 or 29-bit 10 29-bit ID
MESSAGE OVERH~D 9 .9 'Yo - "l2 % 9.9 ",o - 22 % IN-MESSAGE NO NO RESPONSE BIT RATE 1 Mbls 250 Kbls
MAXIMUMBUS NOI~ifj~ 40 M~rERS LENGTH 40 ical
MAXIMUM NULl~::; Not ~iT1E1<l 32 rt voicall JO w;g~;=b~~~I~m~6l:~PAIK
¡J NEEDED? VES VES SLEEPIWAKEUP NO NO
HIW AVAIL? Yl;..S_ YES \.;OS·, Mt:uIUM Mt:uIUM
Fig. 3.8 Protocolos clase e -11 -
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FEATURE J2480 AFFILlATION SAE
APPLlCATION 0~~~~T~~5 TRANSMISSION TWISll:O
MEDIA PAIR BIT ENCODING NRZ
Ml:ulAA ISLAV~ ERROR CRC
DETECTION HEADER LENGTH
DATA~!!=LD LENGTH
ME_S_SA_GE OVERHEAO IN-MESSA(3E RESPONSE BIT RATE
MAXIMUM BUS LENGTH
MAXIMUM NODES
IJ NEEDED? VES S~;~I VES
WAKEUP H/W AVAIL? VES
COST LOW
Se procesan nuevas categorías de protocolos para cumplir con los siguientes controles: • Diagnóstico de los sistemas anticontaminación • Control de los sistemas de seguridad • Control de los sistemas "móvil media" • Control de los sistemas con actuación eléctrica tipo "drive by wire"
Protocolos para el "diagnóstico de los sistemas anticontaminación" • Se utilizan para cumplir con las nonnativas OBD Il, OBD III Y E
OBD, estándar para el control de los sistemas anticontaminación del vehículo
• Los protocolos que se utilizan hoy día se indican en la siguiente fig. 3.9
BU5 NAME
J1850 150/015 9141 KEYWOROXX 15015765 ISO 11519-4 150/0159141-2
ISO GM FORO CHRYSLER WORLD Various .E.MISSIONS D?l~~~tl~5 O?A~;~tl~S GENERAL~. DIAGII!()~T1CS DIAGNOSTICS
OIAGNOSTICS DIAGNOSTICS ONLY TWISTED PAIR SINGL~WIRE TWISTED PAIR SINGLEWIRE SINGLE WIRE 1-WIRE
NRZ VPW PWM VPW NRZ NRZ M5b first MSb first MSb first (strt, 70, P, stop)
LSb first I t:~ I t:KJ ~LA VE CON I t:N IluN CONTENTION \.,;uN I t:N IluN I t:~ I t:KJ~LAVt: MA~. H=:_KJ
SLAVE CRe eRe eRe CRe PARITY (odd) x-bit CS
32 BITS 32 BITS 8 BITS No! Specified 16 BITS
0-8 BYI t:~ 0-8 By IE~ 0-10 BYTE Not ~pecified 0·85 BYTES
33.3% 33.3% 8.3% Variable Variable
uptional uptional Optional NO NO Normallv NO NormallvYES NormallvYES
10.4 K bis 41 .6 K bis 10.4 K bis <10.4 Kb/s 5 bis - 10.4 Kb/s
35 METE~S 35 METERS 35 METERS Limited by total Not Specified (5 Meters,rr (5 Meters Ir sean (5 Me ters for impedance to
sean tool tool sean tool) ground 32 32 32 Limited by total 10
impedance to qround
VES VES VES VES VES VES NO NO NO NO
VES VES VES VES VES LOW l.QW LOW LOW LOW
Fig. 3.9 Protocolos estándar de emisiones contaminadoras
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Para los protocolos de los sistemas de seguridad, en particular "airbag":
FEATURE C:' 'US PLANET OSI SI I~ !:IUIt: AFf-ILlATION ,Inn, l-Terrnc Phllios BMW Bree, "" APPLlCATION .., c¡ A-,roaa iroaQ T,~, ú::nl,1\ :tI")N 2-Wire 2-WIRE 2-WIRE ~ 'VI"~ 23~0~~t 23'v)'1~~.9r -vv I"(t
BIT ~l> RTZ MFf ~r ~F!': !':
Mtl~}J~ MtC:v~RJ Mt0[J~ ~IV~KI MtC:v~RJ M:;S~0'~ 8-bit CRC
D 11 11' N
"'F LE N iTH 1 BYTE DATI E.D I ji H 24 - 39 BITS
20-2 0% -:ACK NC NO NO NO NO NO
!T R) rE 500 Kb/s 3~2~5K~~;S lJ1K¡fb~s -S-Kb7S + 250 Kb/s
MAXIMIJM,BUS TBD TBD TBO TOO Tao TSO I ilH
MAXIMI JM N t rE u 11 N( ) NC
::iLt:1 IW 11 r IC NC HI AVAIL YES y VES VES VES :l
~U;:)I LOW L V LOW LOW LOW LOW
Fig. 3. 10 Protocolos para sistemas de seguridad
- Protocolos para el control de los sistemas "móvil media":
BUS NAME
o2e o2e FEATURE IOB-C IOB-M MOST CODoer ODtical MML USB IEEE 1394
AFFILlATION SAE SAE Philips PHILIPS PHILlPS DELCO IEEE APPLlCATION Aftermarket Aftennarket Stream STREAMDATA STREAM DATA STREAMDATA PCDEVICES PC
Entertainment Entertainment Data & & CONTROL & CONTROL & CONTROL DEVICES Control
TRAN~M_I:sSION 2-Wire IBD ' Oplical TWISTED PAIR ' OPiTCAL <:JPTfCAL SHI,t:.!-p~p ~HIE~.!:l~P MEDIA FISER TWISTED TWISTED
PAIR PAIR BII t:NcuDING NRZ TBD BiPhase PWM BiPhase NRZ NKL NRZ MEDIA ACCESS TOKEN- TBD MASTERJ MASTERJ MASTERJ MASTER! CONTENTIO CONTENTIO
SLOT SLAVE SLAVE SLAVE S LAVE N N ERROR 15-bit CRC CRC Parity CRC CO(~RE C~lllNG CRC CRC
DETEC~ ootional L jlH 11 BITS 1 BYTE
DATALEN TH 8 BYTES 1 - 200+ BYTES
MESSAGE - 32 BITS 5 - 10 % 25 % 25 - 30 % OVERHEAD
IN-Mt:::>::>AGt: ALK. 1 AC,K BIT NO BIT RATE 250 Kb/s High 25 Mb/s 29,8 kb/s 12 Mb/s 110 Mbis 12 Mb/s 98 - 393
Mb/s MAXIMUM BUS TBD TBD Infinite 150 METERS NO L1MIT 10 METERS 72 METERS
LENGTH MAXIMUM NoDES 16 24 50 24 16 127 16
u NEEDEO? VES VES VES VES VES VES VES VES SLEEP/WAKEUP VES VES VES NO NO
HiW AVAIL? NO NO VES VES VES NO VES VES COST LOW HIGH HIGH HIGH HIGH HiGH MEDIUM MEDIUM
Fig. 3. 11 Protocolos tipo "móvil media"
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FEATURE . AFF ILlATION APPLlCATION
TRANSMISSION ~Al=nlA
BIT ENCOOING . MEóiA Ar.r.F:SS
ERROR DETECTION
I-4l=l\.nl=q LENGTH DATA FIELD LENGTH ME~~·"'~¡:: ov : ... n IN-MF~~I\.~~ ACK.
i* . . . . . ; :: II;¡E:iiu:~ Mt . . :"". " .. ~.
~ . :J;lES
u <:::11= IvfAKEUP
H/\I\ 1\. \/ A 11 .? COST
• Los protocolos tipo "drive by wire" están destinados a las aplicaciones como frenado eléctrico, válvula mariposa motorizada, dirección asistida eléctrica, etc.
• La velocidad de transmisión está incluida entre 1 Mb/s y 10Mb/s. • La alta velocidad implica la utilización de la fibra óptica que permite
una inmunidad superior a las interferencias electromagnéticas.
BUS N4MI=
TTP =.;c.;
. . cAJíld& SI Üti.iü U-VI ¡::IIJIIJ 1\. BMW BMW &DC
CONTROL & X-by WIRE X-by-WIRE DIAGNOSTICS Not Specified 2-WIRE or
3-WIRE Not rl
TIME OIVISION MAS'rERI SLAVE 16-bit CRC
1t:HIt: 16 tly rES
18.75 % VES NO
Not~
Not S",,,,,-,",,,,-, TBD
Not ~ , :S NO o J'lQ
NO -'tl:~ I~U LOW
Fig. 3.12 Protocolos para aplicaciones "drive by wire"
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3. Redes de a bordo
3.5 Implementación hardware
1
2 TXO TX1
TxD
3
CAN L
1 5 RT
CAN L
El protocolo de comunicación permite intercambiar datos en tiempo real con comprobación de la integridad de los datos transmitidos. El protocolo corrige, a diferencia de los sistemas realizados con cableado tradicional, los errores de transmisión introducidos por las radiaciones electromagnéticas.
Cada estación de la red de comunicación consta de los siguientes componentes: 1. Microcontrolador con el software dedicado para la aplicación 2. Controlador de red para la gestión del protocolo 3. Circuitos de interfaz de la línea física 4. Línea física bifilar (bus) con transmisión en modo diferencial para
minimizar las interferencias en modo común 5. Resistencias de terminación
1
2 RXO RX1 TXO TX1 RXO RX1
+5V +5V RxD Ref TxD RxD Ref
Vcc Vcc
:~ 100nF 3 :~ 100nF
GND GND CAN H
-::~ CAN L CAN H -==
CAN H ------1---- CAN H
1 4 4 RT 5
---L---- CAN L
Fig.3. 13 Estaciones de la red de datos
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