Comunicación de Datos en Sistemas Distribuidos
En las unidades de control, la velocidad de giro del motor es una señal crucial. Inicialmente, la información se compartía directamente entre unidades de control (UCE), lo que resultaba en un cableado extenso. El problema se agrava al aumentar la cantidad de datos compartidos, incrementando exponencialmente el número de cables.
La solución a esta problemática es la transmisión digital de información a través de vías de comunicación compartidas: las redes multiplexadas. Existen diferentes topologías para la interconexión de las UCEs en un vehículo:
- En anillo
- En estrella
- En bus
Topologías de Red
Topología en Anillo
En esta estructura, los datos se transfieren en serie de una UCE a otra. La desventaja principal es que la rotura de una línea interrumpe la comunicación en todo el sistema.
Topología en Estrella
Aquí, todas las UCEs se conectan a una unidad central. La falla de esta unidad central detiene todas las transmisiones. Además, requiere un número elevado de cables.
Topología en Bus
En esta configuración, todas las UCEs se conectan en paralelo a un mismo cable. Sus ventajas son:
- Mínimo cableado
- La falla de una UCE no interrumpe las comunicaciones
- La falla de una línea no interrumpe la comunicación entre las UCEs restantes
- Fácilmente ampliable
Física de la Transmisión de Datos
La información se transmite codificada en sistema binario (0, 1) mediante impulsos de tensión. Se asigna un valor de tensión alto al 1 y un valor bajo al 0. Estos impulsos circulan por el bus. Por ejemplo, la información de temperatura del agua del motor (90°C) se codifica en binario (10110102) y se envía a través del bus.
Cada impulso es un bit, la unidad básica de información, que puede ser 0 o 1. Un conjunto de 8 bits consecutivos forman un byte.
La velocidad de transmisión de datos se mide en baudios (bits por segundo o bps). Una velocidad de 125 kbaudios se considera baja (Low speed), mientras que una velocidad superior se considera alta (High speed).
En altas frecuencias, la transmisión se rige por la física de las ondas, considerando fenómenos como reflexión, refracción, resonancia, difracción e interferencias. Una vez establecida la red, no se deben realizar modificaciones para evitar perturbaciones. Los cables del bus se trenzan para anular las emisiones perturbadoras de sus campos magnéticos.
Red Multiplexada CAN Bus
El CAN Bus es un sistema de comunicación entre las UCEs del automóvil que utiliza la tecnología de multiplexado. Se caracteriza por una vía de comunicación común (BUS) por la que circula la información digital entre las UCEs conectadas en paralelo.
Justificación
El uso de redes CAN Bus permite:
- Reducir el número de sensores y cableado
- Abaratar costos
- Disminuir el peso y aumentar el espacio disponible
- Aumentar la fiabilidad
- Mejorar la velocidad y seguridad en el intercambio de información
- Posibilitar un mayor número y complejidad de funciones
El vehículo puede considerarse como un Sistema Electrónico Central de Control (Red Multiplexada) compuesto por las UCEs interconectadas.
En un intercambio de datos tradicional, cada dato requiere un cable. En una red multiplexada, todos los datos se transmiten por los dos cables del BUS.
Principios de la Transmisión de Datos
- Transmisión Serial: Los datos (bits) se transmiten en serie, uno tras otro, agrupados en mensajes.
- Multimaestro: Todas las UCEs tienen los mismos derechos para volcar datos al bus, sin jerarquías.
- Tiempo Real: Cada UCE envía información a la red según la recibe, poniéndola a disposición de las demás.
- Sin Dirección: Los mensajes no incluyen la dirección del destinatario. Todas las UCEs reciben todos los datos, pero solo utilizan los que necesitan.
- Identificador de Prioridad: Cada mensaje incluye un identificador de prioridad para resolver coincidencias en el volcado.
Componentes
La red CAN Bus requiere tres componentes específicos: Protocolo, Software y Hardware.
Protocolo
Conjunto de normas para la correcta transmisión e intercambio de información entre las UCEs. Define características de las UCEs, hardware, velocidades de transmisión, mensajes y el bus.
Hardware
Incluye:
- BUS: Línea común a todas las UCEs.
- Controlador: Uno por UCE.
- Transceptor: Uno por UCE.
- Terminal: Dos, uno en cada extremo de la línea.
Línea de Comunicación (BUS)
- Formada por dos cables, la vía física para la información entre las UCEs.
- La información se transmite por diferencia de tensión entre los cables (transmisión diferencial). El cable de niveles altos se denomina H (High) y el de niveles bajos L (Low).
- La transmisión diferencial es insensible a interferencias electromagnéticas.
- Los cables se trenzan para evitar influencias parásitas y anular emisiones perturbadoras.
- La longitud de los cables está limitada por la velocidad de transmisión.
- La sección de los cables suele ser de 0.6 mm2.
- La unión eléctrica de los cables H y L al bus suele estar externa a la UCE.
Terminadores
- Dos resistencias en los extremos del BUS.
- Cierran el circuito y evitan reflexiones.
- Adaptan el funcionamiento del bus a diferentes longitudes y número de centralitas.
Controlador
- Circuito integrado junto a cada UCE.
- Gestiona los mensajes entre la línea y el microprocesador de la UCE.
- Traduce datos al sistema binario y los empaqueta para el transceptor.
- Traduce datos del bus para el microprocesador.
- Trabaja con niveles bajos de tensión.
- Determina la velocidad de transmisión.
- Interviene en la sincronización entre centralitas.
Transmisor-Receptor (Transceptor)
- Circuito integrado junto a cada UCE.
- Recibe datos del controlador, los transforma y los vuelca en la línea.
- Recibe datos del bus, los transforma y los pasa al controlador.
- Acondiciona los niveles de tensión entre bus y controlador.
- No modifica la información de los mensajes.