Asignaturas:
- Introducción
- Varias redes en un coche
- Red CAN con los nodos.
- Diferentes tipos de velocidades CAN
- señales de bus CAN
- Velocidades y niveles de voltaje.
- Estructura del mensaje de bus CAN de un identificador (estándar) de 11 bits
- Estructura del mensaje de bus CAN de un identificador (ampliado) de 28 bits
- Reconocimiento de errores mediante Bitstuffing y delimitadores CRC y ACK
- Cableado de par trenzado
- Resistencias de terminación
- Puerta de enlace
- Medición en el bus CAN
Introducción:
Los vehículos modernos están repletos de componentes electrónicos. Las unidades de control recopilan y procesan datos de sensores y actuadores de control. Diferentes ECU suelen utilizar los mismos datos: dEl sensor de posición del pedal del acelerador registra la posición del pedal del acelerador. Esta señal se envía directamente a la ECU del motor a través del cableado. La ECU del motor no es la única ECU que utiliza esta señal:
- La ECU del motor utiliza la señal del sensor de posición del pedal del acelerador para controlar la válvula del acelerador, al acelerar para enriquecer la aceleración activando los inyectores por más tiempo, ajustando el tiempo de encendido y, si es necesario. controlar la válvula de descarga o ajuste VGT del turbo;
- La ECU de la transmisión automática utiliza la posición del pedal del acelerador para determinar los tiempos de cambio de los embragues en la transmisión automática. Si se presiona ligeramente el pedal del acelerador, la transmisión automática hará cambios ascendentes a una velocidad más baja que cuando se presiona el pedal del acelerador hasta la mitad. Al presionar repentinamente el pedal del acelerador rápidamente, se producirá el “kick down” al cambiar a una marcha más baja y permitir que el motor acelere más;
- El grado de aceleración en una curva puede ser motivo para que la ECU del ESP haga intervenir al ESP reduciendo la potencia del motor y, si es necesario, aplicar el freno a una rueda que patina.
Durante la intervención del ESP, la potencia del motor disminuye al cerrar (parcialmente) la válvula del acelerador e inyectar menos combustible. Una luz indicadora también se iluminará o parpadeará en el panel de instrumentos para alertar al conductor que el ESP está funcionando.
Lo anterior muestra claramente la cooperación entre diferentes ECU. El bus CAN garantiza que las ECU se comuniquen entre sí y, por lo tanto, puedan intercambiar datos entre sí. CAN es una abreviatura de: Controller Area Network.
En la década de 80, los automóviles recibieron cada vez más accesorios y los fabricantes comenzaron a instalar dispositivos de control. Cada función tenía un cable separado. Esto resultó en un fuerte aumento en el grosor del cable y en el número de conexiones de enchufe.
Los mazos de cables gruesos tienen la desventaja de que resulta difícil ocultarlos detrás del revestimiento interior y el riesgo de fallos de funcionamiento aumenta considerablemente.
Con el bus CAN, las ECU se comunican con solo dos cables: el CAN alto y el CAN bajo. Toda la comunicación entre las ECU se realiza a través de estos dos cables. ILas dos imágenes siguientes muestran claramente que el número de cables en una puerta ya se reduce significativamente cuando se utiliza el bus CAN.
A los dos cables del bus CAN del bus CAN se pueden conectar decenas de dispositivos de control. Todos los dispositivos de control conectados pueden intercambiar datos entre sí.
La siguiente imagen muestra un vehículo con once dispositivos de control (indicados por los bloques rojos). Todos estos dispositivos de control están conectados entre sí con dos cables; un cable naranja y uno verde. Estos cables representan el CAN alto y el CAN bajo. Cada unidad de control tiene su propia función y puede comunicarse con cualquier otra unidad de control de la red mediante bus CAN. Puede encontrar más información sustancial sobre los dispositivos de control en la página dispositivos de control.
1. Unidad de control de instalación de la barra de remolque
2. Unidad de control de puerta RA
3. Unidad de control de puertas RV
4 Puerta de enlace
5. Dispositivo de control de confort
6. Unidad de control del sistema de alarma
7. Panel de instrumentos
8. Unidad de control electrónica de la columna de dirección
9. Unidad de control de puerta BT
10. Unidad de control de puerta LA
11. Unidad de control de control de distancia de estacionamiento
Con la llegada del bus CAN también es posible EOBD mas comprensivo. EOBD significa Diagnóstico Europeo a Bordo. EOBD tiene que ver con las emisiones. Varios sensores en el motor y el escape transmiten información a la ECU. Si hay valores incorrectos (debido, por ejemplo, a una mala combustión), se iluminará una MIL (Luz de indicación del motor). Esta es una señal de que es necesario leer el coche. Luego se debe conectar un probador de diagnóstico al conector OBD para leer los errores. Según la falla, la ECU ha almacenado un código de error hexadecimal, que el probador de diagnóstico muestra como un código P o una falla con texto (este último es más específico de la marca). Haga clic aquí para obtener más información sobre OBD1, OBD II y EOBD.
Varias redes en un coche:
Puede haber varias redes en un automóvil. La siguiente imagen muestra una visión general con leyenda de las unidades de control en múltiples redes de un BMW Serie 3 E90.
Las redes K-CAN, PT-CAN y F-CAN en la imagen de arriba se incluyen en el bus CAN. Las diferencias son las velocidades, los niveles de voltaje y las aplicaciones. Aunque PowerTrain-CAN y F-CAN tienen los mismos niveles de velocidad y voltaje de alta velocidad, la diferencia es que el PT-CAN se usa para el control del motor y la transmisión, y el F-CAN contiene las unidades de control del chasis.
Red CAN con los dispositivos de control.
La red de bus CAN consta de dispositivos de control que están equipados con hardware y software para recibir, procesar y enviar mensajes. Para la transferencia de datos se utilizan un cable CAN alto y un cable CAN bajo. En la imagen siguiente, CAN-High está coloreado en rojo y CAN-Low está coloreado en azul.
Los dispositivos de control (también llamados unidades de control o nodos) están conectados a estos cables. Todos los dispositivos de control pueden enviar y recibir información. Un ejemplo de red es el sistema de bus CAN en el interior del automóvil; Aquí se pueden conectar varios dispositivos de control a un sistema de bus.
Tomemos como ejemplo una cámara de marcha atrás (nodo 5) que está reequipada. Esta cámara está montada cerca del soporte o manija de la matrícula. El cableado CAN se conecta en cualquier parte del interior. La condición es que el nodo de la cámara contenga el identificador correcto (preprogramado por el fabricante) porque los demás dispositivos de control deben reconocerlo. Si la cámara está registrada en la radio compatible, la imagen es visible inmediatamente.
Después de programar el software, la radio recibe una señal de la caja de cambios de que se ha seleccionado la marcha atrás. En ese momento la radio cambia a la imagen de la cámara de marcha atrás. En el momento en que se selecciona la primera marcha (adelante), la imagen se apaga nuevamente. Todo ello gracias a la transferencia de datos del sistema de bus CAN.
Los equipos no compatibles (por ejemplo, con un identificador incorrecto) pueden causar problemas. Si envía mensajes que no son reconocidos por otros dispositivos de control, se generará un mensaje de error. Este tipo de equipo también puede garantizar que el bus CAN permanezca activo después de desconectar el encendido. Entonces el coche no entrará en “modo de suspensión”, lo que provocaría que la batería se agotara rápidamente. Entonces hay uno Consumidor clandestino.
Señales del bus CAN:
El sistema de bus CAN utiliza el principio de transmisión; un transmisor envía un mensaje al bus CAN. Cada nodo del mismo bus recibe el mensaje. Sin embargo, el remitente indica en el mensaje a qué nodos está destinado. Todos los nodos reciben el mensaje y brindan comentarios (más sobre esto más adelante). Los nodos a los que no está destinado el mensaje lo reconocen y lo ignoran.
Una señal de bus CAN consta de un voltaje CAN alto y CAN bajo. La siguiente imagen muestra CAN-alto en rojo y CAN-bajo en azul. Las señales altas y bajas son idénticas, pero se reflejan entre sí. Cuando el bus se vuelve dominante, el voltaje de CAN alto aumenta de 2,5 a 3,5 voltios y el voltaje de CAN bajo disminuye de 2,5 a 1,5 voltios. En estado recesivo (en reposo) ambos voltajes son de 2,5 voltios.
La imagen de arriba muestra un ejemplo de una medición con un osciloscopio. Se puede ver claramente que ambos voltajes son idénticos entre sí, sólo que en imagen especular. En última instancia, la diferencia de voltaje en la región activa (dominante) es de 2 voltios. Esto se refiere a la diferencia entre 1,5 y 3,5 voltios. La diferencia de 2 voltios se considera un 0 (dominante) y la diferencia de 0 voltios se considera un 1 (recesivo).
Si un nodo (de envío) quiere enviar el código binario “0 0 1 0 1 1 0 1”, aplicará los voltajes mencionados al CAN-High y CAN-Low (consulte el ejemplo anterior). El nodo receptor volverá a ver estos voltajes como un código binario y luego los convertirá a un código hexadecimal. Dicho código binario se convertirá de hexadecimal a 2D.
Para convertir binario a hexadecimal es fácil dibujar una tabla de 8 cuadros con una línea gruesa en el medio. Nombra las casillas de la derecha 1, 2, 4 y 8 (ver los números rojos en la imagen). Luego haz esto también en el lado izquierdo. Escribe los números con un 1 en el código binario encima de ellos. A la izquierda está solo el 2, a la derecha está el 8, el 4 y el 1. Suma todo lo de la derecha (13) y haz lo mismo con la izquierda (2). El hexadecimal cambia de 10 a A, 11 = B, 12 = C, 13 = D. Eso finalmente hace 2D.
Puede encontrar más información sobre la conversión de binario a (hexa)decimal y viceversa en la página Binario, Decimal y Hexadecimal. Aquí se describen en detalle ejemplos claros.
Velocidades y niveles de voltaje:
En los vehículos podemos encontrar redes de bus CAN con diferentes velocidades:
- Alta velocidad: ECU relacionadas con la propulsión, incluida la electrónica del motor, la transmisión, ABS/ESP, EBS (vehículos comerciales);
- Velocidad media o baja: electrónica interior como el cuadro de instrumentos, radio, climatizador, freno de estacionamiento, barra de remolque.
Las dos imágenes siguientes muestran las señales CAN alta y CAN baja del bus CAN de alta velocidad. En reposo, el voltaje de ambas señales es de 2,5 voltios. Para enviar un mensaje, el CAN alto aumenta de 2,5 a 3,5 voltios y el CAN bajo disminuye de 2,5 a 1,5 voltios.
A continuación puede ver nuevamente la señal del CAN de alta velocidad, que ahora se ha ampliado (50 microsegundos por división), donde el alcance de la señal anterior se configuró en 200 microsegundos por división.
En la electrónica de confort, la alta velocidad de comunicación es menos importante. Característica del bus CAN de media o baja velocidad, los niveles de tensión en reposo y al generar un mensaje son los siguientes:
- CAN-high es de 5 voltios en reposo y cae a 1 voltio;
- CAN-low es 0 voltios en reposo y sube a 4 voltios.
Durante la medición en la que las líneas cero de los canales A y B están colocadas a la misma altura, se puede observar que las tensiones se han "deslizado una dentro de la otra". Esto dificulta la lectura de la pureza de las señales altas y bajas del CAN.
Para evaluar la pureza de los mensajes, se recomienda desplazar las líneas cero. En la imagen siguiente, la línea cero del canal A se ha desplazado hacia abajo y la del canal B se ha desplazado hacia arriba. Esto significa que las señales representadas se han separado y se puede ver una progresión más clara de las tensiones.
Estructura del mensaje del bus CAN de un identificador (estándar) de 11 bits:
La estructura de un mensaje de bus CAN siempre se basa en la imagen siguiente. Hay diferencias en la estructura; por ejemplo, el campo ARB y CTRL de un identificador de 11 bits y de un identificador de 29 bits son diferentes. La siguiente información se relaciona con el identificador de 11 bits. Para su información, un identificador de 29 bits tiene espacio para más datos que los de 11 bits. Más sobre esto más adelante.
La estructura del mensaje ahora se resume de forma sencilla y se describe en detalle más adelante:
SOF:
Cada mensaje CAN comienza con un SOF (inicio de trama). Cuando un nodo quiere enviar un mensaje, se colocará un bit dominante en el bus. El bus CAN siempre es recesivo en reposo (un 1, por lo que tanto CAN-High como CAN-Low son 2 voltios). El bit dominante (un 0) indica que otros nodos deben esperar para enviar un mensaje hasta que se haya publicado el mensaje completo. Sólo después del IFS (Interframe Space) se le permite al siguiente nodo enviar su mensaje. Aunque sea un mensaje importante, no se puede pasar por alto.
Cuando 2 nodos quieren enviar un mensaje al mismo tiempo (que no conocen entre sí) y, por lo tanto, juntos hacen que el bus sea dominante al colocar un 0, el ARB (arbitraje) determina qué mensaje tiene prioridad.
De aquí en adelante, cada parte del mensaje del bus CAN que se analice tendrá esa parte agregada a esta imagen gris. De esa manera trato de mantener una visión general. El mensaje comenzó con el SOF.
BRA:
El campo de arbitraje de un identificador de 11 bits consta de 2 partes; el identificador y el bit RTR.
Identificador:
Supongamos que 2 nodos simultáneamente hacen que el bus CAN sea dominante, entonces el nodo con el mensaje menos importante esperará hasta que se haya publicado el mensaje importante (hasta después del IFS). El identificador del mensaje contiene una serie de unos y ceros. El programador asigna deliberadamente estos números a un mensaje. El identificador con un 0 en el mensaje (dominante) tiene mayor prioridad que el que tiene un 1 en el mensaje (recesivo). El mensaje con 0 continuará y el mensaje con 1 tendrá que esperar.
Ambos identificadores comienzan a publicar un mensaje de 11 bits. Con el SOF se coloca el bit dominante. Entonces los primeros 5 bits de ambos identificadores son iguales (0 1 1 0 1). El sexto bit es un 6 para el identificador número 2 y un 0 para el primer identificador. El dominante domina, por lo que el identificador 1 crea el mensaje CAN final.
El identificador 1 colocó un 6 como bit 1. El nodo que envía el identificador solo reconoce que 0 nodos están enviando un mensaje al mismo tiempo cuando otro nodo coloca un 2 en el bus. En este punto, el identificador 1 deja de transmitir y ahora se comporta como receptor. Aunque inicialmente se pretendía que el mensaje que comenzaba con 0 1 1 0 1 fuera el mensaje que este nodo quería enviar, ahora lo tratará como el mensaje recibido. Luego, el nodo escucha el mensaje completo y determina si debe hacer algo con él.
La imagen gris del SOF ahora se amplía con el ARB, que consta de 2 partes, a saber, el identificador y el bit RTR:
Bit RTR:
El último bit del identificador de 11 bits se denomina RTR; este es un bit de solicitud de transmisión remota. Este bit RTR indica si se trata de una trama de datos o de una trama remota.
0 = marco de datos
1 = marco remoto
Un marco de datos contiene datos que se envían a los nodos que necesitan la información. Un nodo también puede solicitar información; por ejemplo, cuál es la temperatura del refrigerante en un momento determinado. Luego, el nodo establecerá un 1 como bit RTR porque está solicitando los datos.
CONTROL:
El campo de control consta del IDE (extensión de identificador), un bit R y el DLC. El bit IDE indica si es un identificador estándar (11 bits) o extendido (29 bits):
0 = Identificador estándar (11 bits)
1 = Identificador extendido (29 bits)
El bit R está reservado para el futuro y ahora siempre es recesivo.
Luego viene el DLC: una red de bus CAN puede enviar un máximo de 8 bytes. Hay 1 bits en 8 byte, por lo que se pueden enviar un total de 64 bits según el protocolo estándar. El campo de control indica cuántos datos se envían. No tendría sentido enviar un mensaje grande con todos los campos de datos vacíos para un bit de confirmación (1 para activado o 0 para desactivado). El número de bytes se indica en el DLC (Código de longitud de datos) correspondiente. El DLC es una función del software de programación y, por tanto, es un valor predeterminado por el programador.
Supongamos que se indica 1 byte en el DLC y luego se envían 8 bits. Para mensajes de confirmación cortos esto es suficiente.
Para mensajes muy extensos, el DLC contendrá un valor de hasta 8 bytes de datos.
El ejemplo se ha vuelto a ampliar. Se han agregado el IDE, R y DLC.
DATOS:
Los datos finales que deben enviarse se colocan en el campo de datos. El tamaño depende del valor del DLC (Código de longitud de datos). Ya se ha indicado que el DLC tiene un máximo de 8 bytes. Cada byte consta de 8 bits, por lo que en total el campo de datos puede constar de 64 bits.
CDN:
La verificación de redundancia cíclica consiste en un cálculo matemático que se envía junto con el mensaje. El nodo emisor calcula el mensaje CAN total hasta el momento; SOF, ARB, CTRL y DATOS. Entonces el CRC es el cálculo. Cuando el nodo receptor haya recibido el mensaje hasta el CRC inclusive, realizará el cálculo matemático hasta los DATOS y lo comparará con el cálculo en el CRC. Si este no coincide (por un bit malo/fallo) el mensaje no se acepta y se solicita enviar el mensaje nuevamente (con un número máximo determinado de intentos). El ejemplo se ha ampliado para incluir la CDN.
RECONOCIMIENTO:
El campo Acuse de recibo sirve para confirmar la recepción. Cuando el remitente ha enviado el mensaje al CRC, se inserta una especie de pausa; el transmisor hace que el bus sea recesivo (con un 0) y espera hasta que uno o más nodos hagan que el bus sea dominante (1). No importa si uno o más nodos recibieron el mensaje, porque si un nodo lo recibió, se envió con éxito. Una vez que el bus se vuelve dominante con un 1, se reanuda la transmisión del mensaje.
FEO:
El final del cuadro consta de 7 bits recesivos (1 1 1 1 1 1 1). Esta es una señal para todas las unidades de control de que el mensaje ha finalizado.
SFI:
Para evitar interrupciones, siempre se utiliza un espacio entre cuadros después del EOF. El IFS consta de 11 bits recesivos. Todos los nodos esperan a que pasen estos 11 bits recesivos antes de enviar un mensaje. Después de estos 11 bits recesivos, por ejemplo, 2 nodos pueden enviar un mensaje al mismo tiempo. Luego se vuelve a examinar el ARB (arbitraje) para determinar qué mensaje tiene la mayor prioridad. Entonces todo el ciclo comienza de nuevo.
Estructura del mensaje del bus CAN de un identificador (ampliado) de 28 bits:
El identificador de 11 bits se diseñó en una época en la que los automóviles aún no tenían tantos dispositivos de control (nodos). Los programadores pronto descubrieron que el identificador de 11 bits no les bastaba. Esto sólo tiene (2^11) = 2048 posibilidades. De estas, quedan 2032 combinaciones únicas del código binario. Los coches modernos utilizan ahora muchos más códigos gracias al identificador ampliado de 28 bits. Esto se llama identificador extendido.
Esto significa que son posibles no menos de (2^29) = 536870912 combinaciones. Esto es más que suficiente para el futuro.
Varias cosas cambiarán en el mensaje del bus CAN. Ambos identificadores (estándar y ampliado) se utilizan indistintamente. Por tanto, el mensaje CAN indica a qué especie se refiere, tras lo cual sigue un mensaje largo.
Se utiliza la base del identificador de 11 bits y también sirve como preparación antes de la lectura completa; ahora sólo se indican los cambios que sufre el mensaje cuando es un identificador de 29 bits.
El SOF (Inicio de fotograma) sigue siendo el mismo. El nodo emisor lo vuelve dominante cuando comienza a enviar un mensaje.
A esto le siguen el ARB y el CTRL donde radican las diferencias.
BRA:
Durante el arbitraje, primero se muestra un identificador estándar de 11 bits (es decir, parte de los 29 bits). El bit RTR se mueve (como ocurre con los 11 bits) al final del ARB. El RTR ahora es reemplazado por el SRR: (Solicitud Remota Sustituta). Este bit siempre es recesivo (1) para un identificador extendido.
Después del bit SRR viene el bit IDE, que se encuentra en el identificador de 11 bits en CTRL (campo de control). Esto ahora se elimina del campo de control y se coloca detrás del bit SRR en el identificador extendido.
Para mayor claridad, las imágenes a continuación muestran los identificadores estándar (11 bits) y extendido (29 bits).
El bit IDE significa Extensión de Identificador. El bit IDE determina si es un identificador estándar o extendido.
IDE 0 = Estándar (ID de 11 bits)
IDE 1 = Extendido (ID de 29 bits)
Después del bit IDE viene el resto del identificador extendido. Los 11 y 18 bits juntos suman 29. Estos no se pueden colocar como un todo en el mensaje, porque entonces el protocolo CAN ya no es correcto. Básicamente, el bit IDE ahora indica que el mensaje se ha dividido en dos.
CONTROL:
Por lo tanto, se ha cambiado el campo de control para el identificador extendido. El bit IDE se ha movido al ARB.
El bit IDE se reemplaza por un bit R (de repuesto). Esto es recesivo por defecto. A esto le sigue un bit R y el DLC (código de longitud de datos), que indica de cuántos bytes constará el mensaje.
Una vez más, se muestran los campos de control de los identificadores de 11 y 29 bits.
Reconocimiento de errores usando Bitstuffing y delimitadores CRC y ACK:
Relleno de bits:
Para mantener una sincronización óptima entre los nodos emisores y receptores, se aplica relleno de bits. El relleno de bits significa que después de 5 bits idénticos se agrega un bit opuesto. No cambia el valor de bit en el mensaje enviado originalmente, pero se agrega un bit.
El receptor lo reconoce. Después de 5 bits idénticos, el receptor borrará el sexto bit (ver imagen a continuación).
Se envía el mensaje original de solo unos, pero el remitente agrega un 6 cada 0 bits. La longitud del mensaje aumenta debido a los ceros (pero esta longitud no cuenta para el DLC (código de longitud de datos). El receptor filtra los bits opuestos (los ceros) y luego lee el mensaje nuevamente solo con unos.
Delimitadores CRC y ACK:
Los delimitadores se colocan después del campo CRC y del campo ACK. Este es un bit con un valor conocido tanto para el remitente como para el receptor. Si se produce un error en el mensaje, este valor será diferente. Luego, el receptor recibe un valor de bit diferente al esperado y marca el mensaje como erróneo. El remitente reenviará el mensaje.
Cableado de par trenzado:
Como cableado para el bus CAN se utilizan cables de par trenzado. Luego, los cables CAN-High y CAN-Low se tuercen juntos como se muestra en la imagen. De esta forma se evitan interferencias del exterior; Si una inducción de unas décimas de voltio llega a un cable, también llegará al otro. Sin embargo, la diferencia de voltaje entre CAN alto y bajo sigue siendo la misma. De esta forma se soluciona la avería y las ECU no se ven afectadas.
Resistencias de terminación:
Las resistencias terminales se utilizan en todas las redes de bus CAN de alta velocidad. Estos suelen estar integrados en los nodos al final de la línea de bus CAN (cable) o en el cableado. Cada una de estas resistencias tiene una resistencia de 120 Ω (Ohm). La resistencia de reemplazo se mide como 60 Ω al medir la resistencia en los cables.
Estas resistencias terminales sirven para la supresión de interferencias; Si no estuvieran ahí, se produciría la reflexión. La señal de tensión viaja a través del cable del bus CAN, llega al final y rebota. Esto último se evita. El voltaje se registra en la resistencia. La reflexión podría hacer que las señales de voltaje reboten, afectando los mensajes enviados y provocando posteriormente un mal funcionamiento de los dispositivos de control.
Puerta:
El coche está equipado con una red de dispositivos de control (nodos). La puerta de enlace conecta varias redes de bus CAN (como el interior, el motor/transmisión y el chasis), el bus MOST y el bus LIN, permitiendo que todas las redes se comuniquen entre sí. De hecho, es un cruce entre todas las redes. Las diferencias de velocidad no son importantes con una puerta de enlace. Haga clic aquí para ir a la página donde se describe el funcionamiento y funciones del Gateway.
Medición en el bus CAN:
A menudo se pregunta si es posible medir el bus CAN. Eso es ciertamente posible. Se puede realizar un diagnóstico midiendo los niveles de voltaje en los cables y verificando la visualización de voltaje en el osciloscopio. Cómo se pueden tomar las medidas se describe en la página. medición en el sistema de bus CAN.
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