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Olga Weis
Última actualización Jul 16, 2024
Los vehículos modernos dependen en gran medida de los sistemas electrónicos para un funcionamiento eficiente y seguro. En el corazón de estos sistemas está el Controller Area Network (CAN) bus system, una red de comunicación robusta y eficiente. Este artículo profundiza en los fundamentos de los sistemas CAN bus, su funcionamiento y su importancia en la industria automotriz.
El acrónimo CAN significa Controller Area Network. Los CAN se utilizan para establecer comunicación entre microcontroladores en una red o bus. Los CAN son comparables a Ethernet o LAN, que proporcionan un método estándar para la comunicación entre ordenadores.
Un CAN ofrece un método simplificado para proporcionar controles electrónicos sobre los sistemas utilizados anteriormente. Implementar un CAN bus permite a los fabricantes de automóviles reducir sustancialmente la cantidad de cableado en cada automóvil.
La línea principal llamada "backbone" forma la base de un sistema CAN bus. El backbone conecta todos los microcontroladores en un vehículo y proporciona información a un controlador primario centralizado responsable de monitorear todos los sistemas electrónicos. Esta configuración simplifica la identificación de posibles fallos y la investigación y resolución de un error sin tener que consultar múltiples subsistemas distribuidos por todo el automóvil.
Un sistema CAN bus minimiza los posibles puntos de fallo y consolida la comunicación enviando datos a través de una única línea. Elimina cualquier preocupación por fallos en múltiples conexiones que causen problemas difíciles de identificar. La redundancia mejorada de un CAN bus mejora la fiabilidad permitiendo que el sistema principal siga operativo incluso si fallan los subsistemas. Esta redundancia era imposible de implementar con controladores discretos.
Una línea CAN bus se construye utilizando un par de cables trenzados que tienen una resistencia terminal de 120 ohmios en cada extremo. Un cable se designa como CAN High y el otro como CAN Low. Todos los dispositivos conectados al bus se conocen como unidades de control electrónico (ECU) o nodos.
Las ECU pueden desempeñar una variedad de roles en un sistema CAN bus automotriz. Los nodos pueden servir como unidades de control para el motor, los faros, el aire acondicionado, los airbags y otros sistemas necesarios para el funcionamiento del vehículo. Los automóviles modernos pueden tener hasta 70 ECU que necesitan transmitir y compartir datos con otros nodos.
Cada nodo consiste como mínimo en un controlador CAN y un microcontrolador integrado. Los datos digitales se convierten en mensajes en el bus por el controlador CAN. El controlador CAN acepta información, la traduce y la envía a otro controlador CAN.
El microcontrolador integrado procesa los datos y realiza tareas como encender una luz dentro del coche o bajar una ventana. Los microcontroladores pueden controlar el flujo de información al tablero en respuesta a un mensaje generado por el controlador CAN.
Estos dos diagramas ilustran cómo los nodos se comunican entre sí e intercambian datos con y sin el protocolo CAN y el sistema CAN bus.
Al utilizar el CAN bus, una sola ECU puede transmitir datos a todas las demás ECU conectadas al sistema. Esas ECU pueden revisar la información y elegir si la reciben o la ignoran.
Un CAN bus permite la comunicación utilizando dos cables: CAN Low (CAN L) y CAN High (CAN H). La capa de enlace de datos del CAN bus está descrita por la norma ISO 11898-1, mientras que la capa física está descrita por la norma ISO 11898-2.
La capa física de un CAN bus está compuesta por cables, impedancia de cables, niveles de señal eléctrica, requisitos de nodos y otros elementos necesarios para el funcionamiento de la red.
La norma ISO 11898-2 describe las especificaciones para los elementos de la capa física, como la longitud del cable, la terminación del cable y la velocidad de transmisión. A continuación, se presentan algunos ejemplos de estas especificaciones.
🔹 Cada extremo del CAN bus necesita estar terminado con una resistencia de 120 Ohmios del CAN bus
🔹 Los nodos CAN requieren conexiones utilizando dos cables con velocidades de transmisión de hasta 1 Mbit/s (CAN) o 5 Mbit/s (CAN FD)
🔹 La longitud del cable para un CAN Bus puede ser de 40 metros a 1 Mbit/s o 500 metros a 125 Kbit/s
Se pueden implementar varios tipos diferentes de redes con un CAN bus.
🔹 El CAN bus de baja velocidad también se llama CAN tolerante a fallos.
🔹 Cada nodo tiene una terminación CAN
🔹 El CAN bus de baja velocidad soporta velocidades de transmisión de entre 40 y 125 Kbit/s
🔹 La comunicación puede continuar incluso si hay un fallo en uno de los cables
🔹 La llamada simple es una característica de un CAN bus de alta velocidad
🔹 Este tipo de red es la que más utilizan los fabricantes de automóviles de hoy en día
🔹 Soporta velocidades de transmisión de entre 40 Kbit/s y 1 Mbit/s
🔹 El CAN bus de alta velocidad forma la base de los protocolos de capa superior como CANopen, j1939 y OBD2
🔹 Un LIN bus es una alternativa de bajo costo que emplea menos arneses
🔹 En un LIN bus se utilizan nodos menos costosos
🔹 La red proporciona funcionalidad para cerraduras de puertas y aire acondicionado
🔹 La configuración de la red se compone típicamente de un maestro LIN bus que actúa como puerta de enlace para hasta 16 nodos esclavos
🔹 Los CAN FD se implementan en vehículos de alto rendimiento
🔹 El protocolo CAN FD es una extensión del protocolo CAN original y fue lanzado por Bosch en 2012 para abordar la necesidad de aumentar las velocidades de transferencia de datos
🔹 Automotive Ethernet soporta velocidades de transferencia de datos más altas que un CAN bus
🔹 Esta red no tiene las características de seguridad de CAN y CAN FD
🔹 La industria automotriz está adoptando esta red y se implementará en los coches y camiones modernos
🔹 Automotive Ethernet soporta el ancho de banda aumentado necesario para implementar sistemas como cámaras a bordo, Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS), un sistema de gestión de flotas y otras características que requieren una transferencia de datos de alta velocidad
La implementación de la tecnología CAN bus permite a los fabricantes de automóviles desplegar protocolos de diagnóstico a bordo. Estos protocolos ofrecen códigos de problemas estandarizados que los mecánicos pueden interpretar fácilmente para resolver problemas. Los puertos de datos en el CAN bus se utilizan para introducir actualizaciones de software en los sistemas y ordenadores de a bordo.
Algunos protocolos populares utilizados para proporcionar funciones automotrices avanzadas incluyen:
🔹 Diagnóstico a bordo OBD-II (OBD, ISO 15765) proporciona a los mecánicos características de diagnóstico e informes para ahorrar tiempo en la identificación de problemas del vehículo
🔹 J1939 es la red estándar para vehículos pesados como camiones y autobuses
🔹 CAN FD extiende la capa de enlace de datos CAN original y permite una carga útil aumentada de 8 a 64 bytes. También puede proporcionar mayores velocidades de bits según el transceptor CAN empleado
🔹 CANopen se implementa en aplicaciones que presentan controles integrados como instalaciones de automatización industrial
El protocolo CAN bus seguirá siendo importante en los próximos años. Sin embargo, las siguientes tendencias principales lo influirán directamente:
🔹 El creciente uso de vehículos autónomos/coches autónomos
🔹 La creciente necesidad de funciones más avanzadas en los vehículos
🔹 El desarrollo de tecnologías en la nube más avanzadas, como los sistemas de gestión de flotas basados en la nube
🔹 El aumento de la integración de Internet de las cosas (IoT) y vehículos conectados
También vale la pena mencionar que se prevé que la mejora de la tecnología de vehículo a red (V2N) y la computación en la nube causarán un rápido crecimiento de la telemática. Este crecimiento también incluye dispositivos IoT como los registradores CAN IoT.
