Los sistemas electrónicos y el multiplexado

1. Los sistemas electrónicos y el multiplexado Antonio Lles Yebra I.E.S. Sierra de Guara - Huesca

2. Los sistemas electrónicos de control en el automóvil • La implantación de sistemas automáticos de control en el automóvil comenzó con la aparición de los primeros sistemas de inyección electrónica de gasolina sustituyendo al carburador. Se logró así una dosificación exacta del combustible para su mejor combustión y la optimización del rendimiento del motor. • Desde la gestión del motor se ha ido ampliando la aplicación del control electrónico y actualmente lo podemos encontrar en todos los sistemas del automóvil: motor, tracción, seguridad, confort, comunicación,…

4. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL ENTRADAS PROCESO SALIDAS UNIDAD ELECTRÓNICA DECONTROL SENSORES ACTUADORES Información Órdenes

5. EJEMPLO: SISTEMA DE INYÉCCIÓN-ENCENDIDO FIAT BRAVO • 1. Centralita gestión motor 9. Sensor posición mariposa 15. Conector diagnosis 21. Bomba combustible • 2,3. Relé y electroventilador 10. Sonda lambda 16. Electroválvula canister 22. Bujías encendido • 4,5. Sensor y velocímetro 11. Conmutador arranque 17. Regulador ralentí 23. Bobinas encendido • 6. Caudalímetro 12. Sensor detonación 18. Cuentarrevoluciones 24. Módulo encendido • 7. Sensor régimen motor 13. Sensor de fase motor 19. Inyectores 25. Centralita inmovilizador • 8. Sensor temperatura 14. Compresor clima 20. Relés del sistema

6. SENSORES • Constituyen las entradas de la unidad electrónica de control. • Introducen la información necesaria para el sistema. • Transforman una magnitud física en una señal eléctrica. • Según la magnitud física que captan existen sensores de temperatura, caudal, presión, velocidad, posición, etc. • La señal eléctrica que envían puede ser analógica (ej.: resistencia NTC) o digital (ej.:célula Hall)

7. ACTUADORES • Se conectan en las salidas de la unidad electrónica de control. • Reciben las órdenes de ejecutar tareas concretas bajo el control del sistema. • Transforman una corriente eléctrica de mando en movimiento, calor, luz, etc. • Los actuadores pueden ser motores, electroimanes, bombas, lámparas, electroválvulas, resistencias, etc. • La corriente eléctrica de mando puede ser continua de valor fijo o de valor regulable y también puede ser una señal PWM.

8. UNIDAD ELECTRÓNICA DE CONTROL La unidad electrónica de control ( ECU, calculador, centralita, unidad de mando, …) constituye el “cerebro” del sistema y está integrada por varios bloques con misiones específicas.

9. ARQUITECTURA DE BLOQUES DE UNA U.E.C. Reloj Interfacedeentradas Interface de salidas Entradas Salidas PROCESADOR Línea de diagnóstico Red multiplexada Intersistemas Autodiagnostico Memoria ROM Memoria RAM

10. COMPONENTES DE LA U.E.C. Reloj: Genera los pulsos de funcionamiento del sistema. Interface de entradas: Realiza el acondicionamiento de las señales enviadas por los sensores. Según los tipos de señales, estas pueden requerir conformación, amplificación, filtrado o conversión A/D. Procesador: Siguiendo la cadencia marcada por el reloj procesa los datos que recibe de los sensores según los programas almacenados en memoria. De este proceso resultan las órdenes para el desarrollo de las operaciones de trabajo que ejecutarán los actuadores. Interface de salidas: Transforma las señales de salida del procesador en señales de mando con la forma y el nivel de potencia requeridos por los actuadores. Ello incluye conversión D/A, conformado y amplificación.

11. COMPONENTES DE LA U.E.C. Memoria ROM: Es memoria de “sólo lectura” y aquí están almacenados los programas, datos y curvas característicos, valores teóricos, etc. Pueden ser programables (PROM, EPROM,…) Memoria RAM: Es memoria de “lectura y escritura” y aquí se almacenan temporalmente los datos de trabajo durante la ejecución de un programa. Se borran cada vez que se desconecta el sistema. Intersistemas: Permite enviar y recibir datos de otros sistemas a través de la red multiplexada. Incluye una interface de red y un gestor de protocolo. Autodiagnóstico: Vigila el buen funcionamiento del sistema, activa el modo de emergencia cuando sea necesario, memoriza las anomalías detectadas y permite el diálogo con un terminal de diagnosis.

12. LA NUEVA CONFIGURACIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS En los circuitos actuales el elemento de control del actuador es un relé o transistor incorporado en la unidad de control electrónico del sistema. En el circuito tradicional los elementos de control (llave, pulsador,...) funcionan como interruptores de potencia controlando directamente la corriente que hace funcionar los actuadores. Los elementos de control tradicionales funcionan ahora como emisores de señales que serán procesadas por la unidad de control que decidirá activar al relé o transistor correspondiente.

13. LA COMPLEJIDAD DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN LOS AUTOMÓVILES ACTUALES La mejora en las prestaciones de los automóviles actuales ha llevado a introducir un gran número de sistemas controlados por la electrónica. Ello significa un elevado número de unidades electrónicas de control que además han de estar comunicadas entre sí en muchas ocasiones lo que hace enormemente compleja la instalación eléctrica del automóvil: componentes, cableado, interconexiones,… Para simplificar la instalación los fabricantes han recurrido a dos soluciones LA INTEGRACIÓN EL MULTIPLEXADO

14. ¿ QUÉ ES LA INTEGRACIÓN ? La integración consiste en agrupar varias funciones en una sola unidad. Por ejemplo: CALCULADOR HABITÁCULO (BSI, BC, GEM,…) CALCULADOR GESTIÓN MOTOR Incluye: cierre, alarma e inmovilización, iluminación interior y exterior, limpieza, desempañado, señalización, optimización de consumos, elevalunas, etc,etc. Incluye sistemas de inyección, encendido, antipolución, refrigeración,…

15. ¿ QUÉ ES EL MULTIPLEXADO ? Es un sistema de interconexión entre componentes electrónicos – normalmente unidades de control o sensores inteligentes – que consiste en que por una sola línea (bus) circulan diversas informaciones en forma de señales digitales codificadas. 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0

16. ¿ POR QUÉ EL MULTIPLEXADO ?

17. Evolución histórica del cableado

18. COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO

19. COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO Calculador cambio automático Calculador ayuda aparcamiento Calculador motor Calculador suspensión Calculador ABS/ASR Calculador cambio automático Calculador ayuda aparcamiento Calculador motor Calculador suspensión Calculador ABS/ASR

20. Sistema convencional : Un sensor para cada calculador

21. Sistema multiplexado : Un solo sensor

22. LAS REDES MULTIPLEXADAS • El soporte de transmisión de la información. • La magnitud física que transporta la información. • La estructura de la red. • Las reglas de transmisión o protocolo. El conjunto de calculadores interconectados y el bus que los une recibe el nombre de red multiplexada. En el automóvil se utilizan redes multiplexadas de tipos diferentes siendo las características principales que los definen las siguientes:

23. EL SOPORTE DE TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN Puede ser cable, fibra óptica, ondas de radiofrecuencia, infrarrojos, etc. En el automóvil los soportes más utilizados son: Un cable sencillo: Red LIN Dos cables trenzados: Redes VAN y CAN. Por ellos circulan dos señales invertidas. Así se evita la radiación de parásitos y se consigue la inmunidad frente a perturbaciones exteriores. Fibra óptica: Red MOST. Permite muy alta velocidad de transmisión pero es muy cara y presenta problemas de instalación.

24. LA MAGNITUD FÍSICA QUE TRANSPORTA LA INFORMACIÓN VAN CAN En las redes con bus de cable la información se transmite por variaciones de tensión eléctrica Alta velocidad DATA 1 0 1 0 CAN H CAN L DATA LIN CAN Baja velocidad En la red MOST de fibra óptica la información es transportada por la luz que emite un LED de longitud de onda de 650 nm (color rojo). La codificación se hace por modulación de frecuencia.

25. LA ESTRUCTURA DE LA RED Los calculadores pueden ser maestros o esclavos: Un calculador maestro es capaz de comandar un calculador esclavo pero no al revés. Un calculador esclavo solo puede introducir datos en la red a instancia de un calculador maestro y puede recibir de un maestro órdenes para ejecutar. Por el contrario un calculador maestro puede intervenir en cualquier momento. Maestro Maestro Maestro Maestro Maestro Maestro Maestro Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Maestro Maestro Maestro Red Maestro-Esclavos ( LIN, VAN Car,… ) Red Mulimaestro-Multiesclavo ( VAN Confort ) Red Multimaestro ( CAN, VAN,… )

26. LAS REGLAS DE TRANSMISIÓN O PROTOCOLO Cada tipo de red multiplexada tiene sus reglas de transmisión o protocolo que especifica fundamentalmente: -- La velocidad de transmisión. -- La lista de mensajes y su codificación. -- La estructura y lista de identificadores ( valores, periodicidades, prioridades,… ) -- La estructura de las tramas ( número de bits u octetos, posición de campos, codificación,… ) -- El modo de emisión de tramas ( periódico, eventual,…) -- Las reglas de comunicación ( respuesta en la trama, acuse de recibo,…) -- Las reglas de diagnóstico.

27. LA VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN Expresa el caudal de bits que en cada segundo pueden circular por la red. En consecuencia determina también el tiempo de los pulsos de reloj (time slot). Así, por ejemplo, una velocidad de transmisión de 500 kbit/s determina unos pulsos de 2 ms. • Red LIN: Velocidad muy baja 9.6 a 19.2 Kbit/s • Red B-CAN, VAN Car: Velocidad baja 50-62.5 Kbit/s • Redes VAN Confort, CAN LS, CAN Confort: Velocidad media-baja 100-125 Kbit/s • Redes CAN HS, C-CAN, CAN Tracción: Velocidad alta 250-500 Kbit/s • Red MOST: Velocidad muy alta 21-24 Mbit/s

28. Se llama trama a cada paquete de informaciones (bits) que constituye un mensaje en la red El inicio del mensaje La identificación del destinatario La prioridad del mensaje La naturaleza del mensaje La verificación del mensaje El acuse de recibo por el destinatario El fin del mensaje LA ESTRUCTURA DE LAS TRAMAS Los datos de un mensaje no pueden introducirse aisladamente en la red sino que es necesario formar una trama con otras informaciones digitales codificadas organizadas en campos para indicar:

29. LA RED CAN (Controler Area Network) • Desarrollada por Bosch para facilitar la transmisión de datos entre unidades electrónicas es la más extendida actualmente. • Utiliza como soporte un bus formado por dos cables trenzados llamados Can H y Can L por los que circulan señales invertidas y en cuyos extremos se colocan resistencias para evitar los rebotes de señal que podrían producir errores y fallos en la red. • Existen diferentes tipos de red CAN que utilizan velocidades de transmisión diferentes oscilando entre 50 y 500 Kbit/s según el tipo de red. El sistema CAN puede alcanzar teóricamente 1000 Kbit/s. • La estructura de la red CAN es del tipo multimaestro. • Algunos tipos de red CAN pueden funcionar en modo degradado (ej:CAN LS Fault Tolerant) y en otras una anomalía en uno de los cables provoca la parada de toda la red (ej:CAN HS)

30. LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE ALTA VELOCIDAD 1 0 CAN H CAN L 2 - 4 ms

31. LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE BAJA VELOCIDAD

32. ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN Comienzo de trama (1bit) Sincroniza los relojes Campo de acuse de recibo (2 bit) El receptor confirma al emisor que ha recibido el mensaje correctamente. Campo de estado (11 bit). Define el destino y la prioridad del mensaje Campo de datos (hasta 8 octetos, 64 bit máx.) Bit RTR Consulta o dato Campo de comando (6bit) Se especifica la cantidad de información contenida en el campo de datos para que el receptor verifique que ha recibido la información completa. Campo de verificación (16 bit) Asegura que el mensaje no tiene fallos de transmisión Fin de trama (7bit) Separación de tramas: Al terminar una trama es obligatorio dejar un espacio de 3 bit antes de empezar la siguiente.

33. ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN TRAMA CAN EN EL OSCILOSCOPIO

34. COLISIÓN Y ARBITRAJE Cuando un calculador se dispone a emitir un mensaje, “escucha” la red para comprobar si está libre. En caso contrario espera el código de fin de trama (7 bits a 1), deja 3 bits libres y comienza a emitir. Si otro calculador comienza también a emitir en ese instante el campo identificador servirá de arbitraje siendo preferente la emisión de un 0 (dominante) sobre la de un 1 (recesivo) cuya transmisión quedará suspendida.

35. LAS RESISTENCIAS DE TERMINACIÓN Para evitar las señales rebotadas al final del bus las redes CAN colocan una resistencia de 120W en cada extremo. La red B-CAN incorpora resistencias en cada calculador. Las resistencias de fin de línea pueden servir además para comprobar la continuidad del bus. Un óhmetro conectado entre los cables CanH y CanL marcará 60W.

36. LA INTERFASE DEL MULTIPLEXADO Para poder poner en comunicación al procesador con la red todo calculador CAN necesita una interfase de multiplexado que consta de un controlador de protocolo y una interfase de línea. El controlador de protocolo en modo de emisión recibe los datos del procesador y los codifica según el protocolo CAN añadiendo los campos necesarios para completar la trama. Trabajando en modo de recepción recibe la trama y extrae los datos para el procesador. La interfase de línea está formada por la interfase de emisión y la interfase de recepción. La interfase de emisión convierte la trama binaria en los niveles de tensión propios de cada cable del bus. La interfase de recepción consta de un amplificador diferencial que compara las tensiones en los dos cables del bus y efectúa la conversión a una señal lógica. La recepción diferencial anula los parásitos inducidos en el bus

37. LA RED VAN (Vehicle Area Network) • Desarrollada por PSA y Renault para sistemas de carrocería y confort. • Utiliza como soporte para transmitir la información un bus formado por un par de cables de cobre trenzados de 0,6 mm2 llamados DATA y DATA/ que portan señales invertidas de 0 y 5v. • Existen diferentes tipos de red VAN cuyas velocidades de transmisión oscilan entre 62.5 y 125 kbits/s. según el tipo de red (VAN Car. o VAN Confort). • Las redes VAN pueden tener diferentes tipos de estructura pudiendo ser Maestro-Esclavos, Multimaestro-Multiesclavo o Multimaestro. • La red VAN es tolerante a las averías del bus y puede funcionar en modo degradado.

38. LAS SEÑALES EN LA RED VAN

39. ESTRUCTURA DE UNA TRAMA VAN

40. LA RED LIN (Local Interconnet Network) • Desarrollada por un consorcio auspiciado por Motorola y en el que se integraron Audi, BMW, DaimlerChrysler, Volvo, Volkswagen, Communication Tecnologies AB y Valeo. • La red LIN es una subred local que cablea los diferentes componentes de una función. Por lo tanto no es una red de comunicación entre sistemas sino entre los diferentes componentes (centralita, sensores, actuadores,…) de un mismo sistema. • Por ello la estructura de la red LIN es del tipo Maestro-Esclavos. • Utiliza como bus de comunicación un solo cable de cobre de 0,35 mm.2 No requiere protección especial contra losparásitos dado su carácter local y su elevada tolerancia en los niveles de tensión que definen cada estado. • La velocidad de transmisión de datos es de 9,6 a 19,2 kbits/s. • La red LIN no puede funcionar en modo avería.

41. LAS SEÑALES EN LA RED LIN 1 0

42. ESTRUCTURA DE UNA TRAMA LIN SBF SF IF DF1 DF2 CF 1 Synch Break Field: Pausa de sincronización. Indica el comienzo del mensaje. Contiene 13 bits (mínimo) a 0. 2: Límite de sincronización: Indica el comienzo de la sincronización. Contiene 1 bit (mínimo) a 1. 3 Synchro Field: Sincroniza los relojes. Contiene 10 bits alternos. 4 Identifier Field: Identifica el tipo de mensaje, a quién va dirigido y si es mandato o petición de dato. Contiene 10 bits. 5 Data field:Contiene las órdenes o datos a transmitir en paquetes de 10 bits 6 Checksum Field: Campo de control de datos. Contiene 10 bits.

43. FUNCIONAMIENTO DE LA RED LIN

44. LA RED MOST (Media Oriented Systems Transport) • Es una red multiplexada utilizada en los sistemas de información y entretenimiento. • Utiliza un bus de fibra óptica por el que circula la luz emitida por un LED con una longitud de onda de 650 nm (luz roja). • La velocidad de transmisión es muy alta: 21 Mbits/s. • Sus componentes se conectan según una estructura anular.

45. LA COMUNICACIÓN EN LA RED MOST 1 El transceptor MOST pone en comunicación la unidad de control con la unidad de transmisión y recepción, codificando y descodifi-cando el protocolo MOST. 2 FOT o unidad de transmisión y recepción, consta de un diodo LED que convierte las señales eléctricas en luminosas y un fotodiodo que realiza la función inversa. 3 Las señales luminosas recorren el anillo de fibra óptica LWL. 4 La unidad de mando a la que le corresponda recoge la información del anillo (recepción) o la envía (transmisión).

46. ESTRUCTURA DE UNA TRAMA MOST Campo de estado que contiene información sobre la transmisión de la trama al receptor ( 7 bits ) Campo de paridad revisa por última vez si la trama está completa o se ha de repetir la transmisión ( 1 bit ) Campo de datos que contiene propiamente la información a transmitir ( 480 bits ) Campo de comienzo o preámbulo ( 4 bits ) 1º y 2º bytes de verificación contienen los datos de control y diagnosis ( 8 + 8 bits ) Campo delimitador que separa el preámbulo de los datos ( 4 bits )

47. EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE REDES MULTIPLEXADAS • La implantación de redesmultiplexadas en los vehículos actuales es muy variable en cuanto a número y clase de redes existentes y al número de nodos de que consta cada red. • A continuación se mostrarán ejemplos sobre diferentes modelos de algunos fabricantes que muestran diferentes configuraciones de redes con sus nodos. • Cuando un mismo vehículo implementa tipos de redes diferentes debe haber un calculador que incluya un componente llamado pasarela (gateway) para comunicar unas redes con otras.

48. LA PASARELA ( GATEWAY ) Sirve para comunicar redes diferentes entre sí. Para ello debe transformar los mensajes extrayendo los datos de una red emisora que puedan interesar a otra red receptora y elaborar una trama nueva según el protocolo de esta última.

49. FIAT PUNTO1 red CAN con 5 nodos

50. RENAULT SCENIC1 red CAN hasta 15 calculadores