lunes, 28 de septiembre de 2015

CAN BUS

CAN-BUS 

Francisco Javier Moreno Rivas
MK5
N.C. 828815









INDICE


1.    Objetivo
2.    Introducción
3.    Historia y evolución del protocolo CAN4.    Introducción a los sistemas de comunicación del vehículo
5.    Principales características del CAN
6.    Canbus de datos7.    Ventajas del bus de datos:
8.    El principio de la transmisión de datos
9.    ¿qué componentes integran el can-bus de datos?
10. Tipos de BUSCAN
11. Capa física
12. Capa de enlace de datos
13. Tipos de implementación
14. Basic can
15. Full can
16. Serial linked i/o
17. Protocolos basados en CAN
18. Protocolo de comunicaciones can
19. Dominante20. Recesivo.
21. Topología
22. Desarrollo de un ciclo de transmisión de datos:
23. Transmisión de datos
24. Las siete secciones:
25. Funcionamiento
26. ¿cómo se genera un protocolo de datos?
27. Adjudicación del can-bus de datos
28. ¿cómo se hace la adjudicación?
29. ¿cómo se detecta la prioridad de un protocolo de datos?
30. Fuentes parásitas
31. Conclusiones
32. Bibliografía
33. RESUMEN
34. MAPA MENTAL




1.   Objetivo

Este informe tiene como objetivo dar a conocer el tema de CANBUS. Es muy importante para aquellas personas que se están desarrollando en alguna carrera de tipo automotriz ya que en la actualidad crecen continuamente las exigencias planteadas a la seguridad de conducción, el confort de marcha, el comportamiento de las emisiones de escape y el consumo de combustible. Y como a continuación veremos, cada vez se abre más camino acerca del tema.

2.   Introducción

Crecen continuamente las exigencias planteadas a la seguridad de conducción, el confort de marcha, el comportamiento de las emisiones de escape y el consumo de combustible.
Estas exigencias implican un intercambio cada vez más intenso de información entre las unidades de control.
Para mantener, a pesar de ello, claramente estructurados los sistemas eléctricos y electrónicos, evitando que ocupen demasiado espacio, se necesita una solución técnica adecuada para el intercambio de la información.

3.   Historia y evolución del protocolo CAN

El desarrollo del protocolo CAN comenzó en 1983 en la empresa Robert Bosch GmbH
(comúnmente conocida como Bosch). El protocolo fue oficialmente lanzado en 1986 en
el congreso de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) en Detroit. Los primeros
controladores CAN llegaron al mercado en 1987 de la mano de Intel y Philips. El BMW
Serie 8 de 1988 fue el primer vehículo producido en serie que incluyó un bus CAN.

Bosch publicó posteriormente varias versiones de la especificación CAN, siendo la última de ellas la especificación CAN 2.0, publicada en 1991. Esta especificación consta de dos partes; la parte A para el formato estándar y la parte B para el formato extendido. Un dispositivo CAN que usa el formato estándar utiliza identificadores de 11 bits y es comúnmente referido como dispositivo CAN 2.0A. Un dispositivo CAN que usa el formato extendido utiliza identificadores de 29 bits y es comúnmente referido como dispositivo CAN 2.0B. Los estándares CAN 2.0A/B y otros documentos de referencia relacionados con CAN son de acceso libre a través de Bosch.

En 1993 se publicó el estándar ISO 11898 del bus CAN y ha sido a partir de ese momento un estándar de la Organización Internacional para la Normalización. Actualmente el bus CAN está estandarizado por las siguientes normas:

ISO/DIS 11898-1:2015, Part 1: Data link layer and physical signalling

ISO 11898-2:2003, Part 2: High-speed medium access unit

ISO 11898-3:2006. Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface

ISO 11898-4:2004, Part 4: Time-triggered communication

ISO 11898-5:2007, Part 5: High-speed medium access unit with low power mode

ISO 11898-6:2013, Part 6: High-speed medium access unit with selective wake-up functionality

ISO 16845:2004, Conformance test plan

En 2011 Bosch, en cooperación con los fabricantes de automóviles y otros expertos del bus CAN, comenzó a desarrollar la siguiente generación del CAN: el protocolo CAN FD (flexible data-rate). El CAN FD es compatible hacia atrás, es decir, un controlador CAN FD es capaz de comprender un mensaje CAN clásico (o CAN 2.0). Por el contrario, un controlador CAN clásico destruye un mensaje CAN FD emitiendo un mensaje de error. El nuevo CAN FD es capaz de transmitir datos más rápido que 1 Mbps (la velocidad máxima del CAN clásico). Ambos protocolos, el CAN clásico y el CAN FD, están estandarizados en la norma ISO/DIS 11898-1.



4.   Introducción a los sistemas de comunicación del vehículo

CAN (Controller Area Network), es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, basado en una topología bus para la transmisión de mensajes en ambientes distribuidos, además ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs (unidades centrales de proceso).

El CAN-Bus de datos, de la casa Bosch, es una solución de esa índole.
Ha sido desarrollado especialmente para el uso en automóviles y se implanta en una medida creciente en los vehículos Volkswagen y Audi.
CAN significa Controller Area Network (red de área de controlador) y significa, que las unidades de control están interconectadas e intercambian datos entre sí.




5.   Principaes características del CAN

Transmisión de datos
¿Qué posibilidades existen actualmente en el automóvil para una adecuada transmisión de datos?

Primera posibilidad:
Cada información se intercambia a través de un cable propio.
           
Segunda posibilidad:
Toda la información se intercambia a través de dos cables como máximo, que constituyen el CAN-Bus entre las unidades de control.

La figura muestra la primera posibilidad, en la que cada información se transmite a través de un cable propio.
En total se necesitan aquí cinco cables.
Para cada información se necesita un cable propio.
Debido a ello, con cada información adicional crece también la cantidad de cables y pines en las unidades de control.
Por ese motivo, este tipo de transmisión de datos sólo es practicable con una cantidad limitada de informaciones a intercambiar
En contraste con la primera posibilidad, con el
CAN-Bus se transmite toda la información a través de dos cables.
En ambos cables bidireccionales del CAN-Bus se transmiten los mismos datos.
En el curso de este programa autodidáctico le proporcionamos más información a este respecto.





Con este tipo de transmisión de datos se transmite toda la información a través de dos cables.
Independientemente de la cantidad de unidades de control abonadas y de la cantidad de información transmitida.
Por ese motivo es conveniente transmitir los datos con un CAN-Bus cuando se intercambia una gran cantidad de información entre las unidades de control.

El CAN-Bus de datos representa un modo de transmitir los datos entre las unidades de control. Comunica las diferentes unidades de control en un sistema global interconectado.

Cuanto mayor es la cantidad de información que recibe una unidad de control acerca del estado operativo del sistema global, tanto mejor puede ajustar al conjunto sus funciones específicas.

En el área de la tracción forman un sistema global:

la unidad de control del motor,
la unidad de control para cambio automático y
la unidad de control ABS

En el área de confort constituyen un sistema global:

la unidad de control central y
las unidades de control de puertas


6.   CANBUS DE DATOS

CAN se basa en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto, o paradigma de comunicaciones de datos, que describe una relación entre un productor y uno o más consumidores. CAN es un protocolo orientado a mensajes, es decir la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión. Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos deciden aceptar o no dicho mensaje. Dentro de sus principales características se encuentran:

 

Prioridad de mensajes.

Garantía de tiempos de latencia.

Flexibilidad en la configuración.

Recepción por multidifusión (multicast) con sincronización de tiempos.

Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos.

Sistema multimaestro.

Detección y señalización de errores.

Retransmisión automática de tramas erróneas

Distinción entre errores temporales y fallas permanentes de los nodos de la red, y desconexión autónoma de nodos defectuosos.

CAN fue desarrollado inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standardization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar las unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 kbit/s), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos.


7.   Ventajas del bus de datos:

·         Si el protocolo de datos ha de ser ampliado con información suplementaria solamente se necesitan modificaciones en el software.
·         Un bajo porcentaje de errores mediante una verificación continua de la información transmitida, de parte de las unidades de control, y mediante protecciones adicionales en los protocolos de datos.
·         Menos sensores y cables de señales gracias al uso múltiple de una misma señal de sensores.
·         Es posible una transmisión de datos muy rápida entre las unidades de control.
·         Más espacio disponible, mediante unidades de control más pequeñas y conectores más compactos para las unidades de control.
·         El CAN-Bus de datos está normalizado a nivel mundial. Por ese motivo, también las unidades de control de diferentes fabricantes pueden intercambiar datos


8.   El principio de la transmisión de datos

La transmisión de datos a través del CAN-Bus funciona de un modo parecido al de una conferencia telefónica.

Un abonado (unidad de control) “modula“ sus datos, introduciéndolos en la red, mientras que los demás “coescuchan“ estos datos.
Para ciertos abonados resultan interesantes estos datos, en virtud de lo cual los utilizan.

A otros abonados pueden no interesarles esos datos específicos.

9.   ¿Qué componentes integran el CAN-Bus de datos?

Consta de un controlador, un transceptor, dos elementos finales del bus y dos cables para la transmisión de datos.
Con excepción de los cables del bus, todos los componentes están alojados en las unidades de control. En el funcionamiento conocido de las unidades de control no se ha modificado nada.

Asumen las siguientes funciones:

El controlador CAN recibe del microprocesador, en la unidad de control, los datos que han de ser transmitidos.
Los acondiciona y los pasa al transceptor CAN.
Asimismo recibe los datos procedentes del transceptor CAN, los acondiciona asimismo y los pasa al microprocesador en la unidad de control.

El transceptor CAN es un transmisor y un receptor. Transforma los datos del controlador CAN en señales eléctricas y transmite éstas sobre los cables del CAN-Bus.
Asimismo recibe los datos y los transforma para el controlador CAN.
El elemento final del bus de datos es una resistencia. Evita que los datos transmitidos sean devueltos en forma de eco de los extremos de los cables y que se falsifiquen los datos.

Los cables del bus de datos funcionan de forma bidireccional y sirven para la transmisión de los datos.
Se denominan con las designaciones CAN High (señales de nivel lógico alto) y CAN-Low (señales de nivel lógico bajo).

Al trabajar con el CAN-Bus no se define el destinatario de los datos. Se transmiten a bordo del bus y generalmente los reciben y analizan todos los abonados.


10. Tipos de BUSCAN

La especificación de los buses CAN esta recogida en el conjunto de estándares ISO 11898. Dicha especificación define las dos primeras capas, la capa física y la capa de enlace de datos, del modelo OSI de interconexión de sistemas. En base a dichos estándares, los buses CAN se pueden clasificar en dos tipos:

CAN de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s).

CAN de baja velocidad tolerante a fallos (hasta 125 kbit/s).

a.    CAN de alta velocidad

ISO 11898-2, también llamado CAN de alta velocidad, usa un único bus lineal terminado en cada extremo con sendas resistencias de 120 Ω. Es importante que el valor de las resistencias de terminación coincida con la impedancia característica del bus, definida en 120 Ω, para evitar reflexiones en la línea que podrían perturbar la comunicación. Con esta configuración la velocidad del bus es de un máximo de 1 Mbit/s.

 

Bus CAN de alta velocidad. ISO 11898-2

b.    Extensiones del CAN de alta velocidad

La Organización Internacional para la Normalización (ISO) ha definido unas extensiones opcionales de la capa física del bus CAN de alta velocidad (ISO 11898-2). Dichas extensiones están descritas en sus respectivos estándares y son útiles para sistemas con requisitos específicos. También definen la compatibilidad con ISO 11898-2.

ISO 11898-5 especifica la capa física con tasas de transmisión de hasta 1 Mbit/s para sistemas que requieren bajo consumo de energía cuando no hay comunicaciones activas en el bus de datos. ISO 11898-5 representa una extensión de ISO 11898-2 y aquellas implementaciones que cumplan cualquiera de estas dos normas, es decir, los nodos CAN de alta velocidad con y sin bajo consumo de energía, son interoperables entre sí y pueden coexistir en la misma red.5

ISO 11898-6 es una extensión de ISO 11898-2 y de ISO 11898-5. Esta extensión especifica la capa física de un bus CAN de hasta 1 Mbit/s, proporcionando un método selectivo de activación de nodos (wake-up) usando tramas CAN configurables. Las implementaciones de ISO 11898-6, ISO 11898-2 e ISO 11898-5 son interoperables y se pueden usar en una misma red simultáneamente.6

c.    CAN de baja velocidad tolerante a fallos

ISO 11898-3, también llamado CAN de baja velocidad tolerante a fallos, puede utilizar un bus lineal, un bus en estrella o múltiples buses en estrella conectados por un bus lineal. El bus está terminado en cada nodo por una fracción de la resistencia de terminación total. La resistencia de terminación total debería ser un valor próximo a 100 Ω, pero no inferior a 100 Ω. Este estándar permite velocidades de hasta 125 kbit/s.

 

Bus CAN de baja velocidad tolerante a fallos. ISO 11898-3

d.    CAN FD (flexible data-rate)

En 2011 Bosch comenzó a trabajar en una evolución del CAN. En 2012 lanzó CAN FD 1.0, que ofrece un aumento de la tasa de transferencia después del arbitraje. De momento (2015), sólo se ha definido la capa de enlace de datos del CAN FD. La frecuencia se puede multiplicar hasta por 8 y el número máximo de bytes por trama aumenta, siendo posible transmitir una mayor cantidad de datos en el mismo tiempo. La especificación está recogida en el borrador de norma ISO/DIS 11898-1:2015.



11. Capa Fisica

Define los aspectos del medio físico para la transmisión de datos entre nodos de una red CAN, las características materiales y eléctricas y la transmisión del flujo de bits a través del bus.

a.    Niveles de tensión del bus

 

Niveles de tensión del bus CAN

La transmisión de señales en un bus CAN se lleva a cabo a través de dos cables trenzados. Las señales de estos cables se denominan CAN_H (CAN high) y CAN_L (CAN low) respectivamente. El bus tiene dos estados definidos: estado dominante y estado recesivo. En estado recesivo, los dos cables del bus se encuentran al mismo nivel de tensión (common-mode voltage), mientras que en estado dominante hay una diferencia de tensión entre CAN_H y CAN_L de al menos 1,5 V. La transmisión de señales en forma de tensión diferencial, en comparación con la transmisión en forma de tensiones absolutas, proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas.

La tensión en modo común puede estar, según la especificación, en cualquier punto entre -2 y 7 V. La tensión diferencial del bus (la diferencia entre CAN_H y CAN_L) en modo dominante debe estar entre 1,5 y 3 V. No se especifica, en cambio, que la tensión de modo común cuando el bus está en modo recesivo deba estar comprendida entre la tensión de CAN_L y la tensión de CAN_H cuando el bus está en modo dominante. Esto permite la conexión directa entre nodos que operen a distintas tensiones, e incluso nodos que sufran diferencia de tensión entre sus respectivas tierras.

b.    Cable y conectores

 

Conector D-sub de 9 pines (DE-9)

Los distintos nodos de un bus CAN deben estár interconectados mediante un par de cables trenzados con una impedancia característicade 120 Ω, y puede ser cable apantallado o sin apantallar. El cable trenzado proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas externas. Y si, además, está apantallado, la protección será mayor pero a cambio de un incremento en el coste del cable.

El estándar CAN, a diferencia de otros estándares como el USB, no especifica ningún tipo de conector para el bus y por lo tanto cada aplicación puede tener un conector distinto. Sin embargo, hay varios formatos comúnmente aceptados como el conector D-sub de 9 pines, con la señal CAN_L en el pin 2 y la señal CAN_H en el pin 7.

Las propiedades de la línea de transmisión limitan el ancho de banda de los datos. Orientativamente, se aceptan los siguientes valores como límite de longitud del bus en función de la tasa de transferencia:

c.    Sincronización de bits

Todos los nodos de un bus CAN deben trabajar con la misma tasa de transferencia nominal. Dado que el bus CAN no usa una señal de reloj separada, factores como la deriva de reloj y la tolerancia de los osciladores causan que haya una diferencia entre la tasa de transferencia real de los distintos nodos. Por ello es necesario un método de sincronización entre los nodos. La sincronización es especialmente importante en la fase de arbitraje ya que durante el arbitraje cada nodo debe ser capaz de observar tanto los datos transmitidos por él como los datos transmitidos por los demás nodos.

El requisito mínimo para un bus CAN es que dos nodos, estando en sendos extremos de la red con el máximo retardo de propagación entre ellos, y cuyos controladores CAN tienen unas frecuencias de reloj en los límites opuestos de la tolerancia de frecuencia especificada, sean capaces de recibir y leer correctamente todos los mensajes transmitidos por la línea. Esto incluye que todos los nodos muestreen el valor correcto de cada bit.10

El controlador CAN espera que una transición del bus de recesivo a dominante ocurra en un determinado intervalo de tiempo. Si la transición no ocurre en el intervalo esperado, el controlador reajusta la duración del siguiente bit en consecuencia. Dicho ajuste se lleva a cabo dividiendo cada bit en intervalos o cuantos de tiempo (del latín quantum) y asignando los intervalos a los cuatro segmentos de cada bit: sincronización, propagación, segmento de fase 1 y segmento de fase 2.

 

Ejemplo de cuantificación de un bit CAN con 10 cuantos de tiempo por bit

Segmento de sincronización: es el intervalo de tiempo en el que se supone que ocurren las transiciones de recesivo a dominante.

Segmento de propagación: es el intervalo de tiempo que compensa los retardos de propagación a lo largo de la línea.

Segmentos de fase 1 y 2: Se usan para llevar a cabo la resincronización de los nodos. El segmento de fase 1 puede ser alargado o el 2 acortado para la resincronización. El punto de muestreo del bit se encuentra inmediatamente después del segmento de fase 1. El punto de muestreo se encuentra habitualmente cerca del 75 % de la duración total del bit.

La configuración de los segmentos del bit se hacen en base a la frecuencia de reloj de cada controlador CAN. Los segmentos se configuran individualmente para cada controlador en un mismo bus. A efectos prácticos, la configuración de los segmentos del bit supone un compromiso entre la tasa de transferencia y tolerancia de los osciladores.




12. Capa de enlace de datos

El protocolo CAN proporciona un acceso multimaestro al bus con una resolución determinista de las colisiones. La capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el envío de mensajes.

a.    Acceso al medio (arbitraje)

La especificación del CAN usa los términos “dominante” y “recesivo” para referirse a los bits, donde un bit dominante equivale al valor lógico 0 y un bit recesivo equivale al valor lógico 1. El estado inactivo del bus es el estado recesivo (valor lógico 1). Cuando dos nodos intentan transmitir bits diferentes se denomina colisión y el valor del bit dominante prevalece sobre el valor del bit recesivo. En ese caso el nodo que intentaba transmitir el valor recesivo detecta la colisión y pasa a modo pasivo, es decir, deja de transmitir para escuchar lo que transmite el otro nodo. Por esta razón es importante que todos los nodos estén sincronizados y muestreen todos los bits del bus simultáneamente.

El arbitraje se produce durante los primeros bits de una trama o mensaje, durante la transmisión de lo que se conoce como identificador del mensaje. Al final del proceso de arbitraje sólo debe quedar un nodo con el control del bus. Por ello cada nodo debe manejar identificadores únicos. Cuando un nodo pierde el arbitraje aplaza la transmisión de su trama para intentarlo de nuevo cuando finalice la trama actual. Conociendo los identificadores de todos las tramas que intentan ser transmitidas, se puede establecer de manera determinista el orden en el que son transmitidas. Así, una trama CAN con identificador más bajo (mayor número de bits dominantes en las primeras posiciones) tiene más prioridad que una trama con identificador más alto.

b.    Tipos de trama

Existen cuatro tipos de trama CAN:

Trama de datos (data frame)

Trama remota (remote frame)

Trama de error (error frame)

Trama de sobrecarga (overload frame)

c.    Trama de datos

Una trama de datos CAN puede ser de uno de los dos siguientes formatos:

Formato base: con identificador de 11 bits.

Formato extendido: con identificador de 29 bits.

El estándar dice que un controlador CAN debe aceptar tramas en formato base, y puede o no aceptar tramas en formato extendido. Pero en cualquier caso debe tolerar tramas en formato extendido. Es decir, que si un controlador está configurado para que sólo acepte tramas en formato base no debe lanzar un error cuando reciba una trama en formato extendido, sino que simplemente no transmitirá el mensaje al procesador central.

                                          i.    Formato base

 




Trama CAN en formato base con las tensiones eléctricas del bus y sin bits de relleno

El formato de la trama es el siguiente:

 

                                       ii.    Formato extendido


En el formato extendido los dos campos de identificador se combinan para formar el identificador de 29 bits. El formato de la trama es el siguiente:

d.    Trama remota

Generalmente los datos se transmiten como trama de datos. Sin embargo, es posible que un nodo requiera unos datos desde otro nodo. En ese caso, el primero puede enviar una trama remota para pedir el envío de algún dato. El nodo que requiere la información envía entonces una trama con una petición de transmisión remota (RTR = 1; recesivo). Las tramas remotas o de petición de transmisión remota sólo se diferencian de las tramas de datos en que las tramas remotas no tienen campo de datos.

e.    Trama de error

La trama de error es una trama especial que viola las reglas de formato de las tramas CAN. Se transmite cuando un nodo detecta un mensaje erróneo, y provoca que los demás nodos también transmitan una trama de error. Un complejo mecanismo de contadores de error integrado en el controlador asegura que un nodo no bloquee el bus con continuas tramas de error.

f.     Trama de sobrecarga

Es similar a la trama de error en cuanto a que viola el formato de las tramas CAN. Es transmitida por un nodo que se encuentra muy ocupado y el bus proporciona entonces un retardo extra entre tramas.

g.    Separación entre tramas

Las tramas de datos y remotas están separadas por al menos tres bits recesivos (1). Después de eso, si si detecta un bit dominante (0), es considerado como el inicio de una nueva trama. Las tramas de error y de sobrecarga no respetan el espaciado entre tramas.

h.    Bits de relleno (bit stuffing)

Para asegurar que hay suficientes transiciones recesivo-dominante y garantizar así la sincronización, un bit de polaridad opuesta es insertado después de cinco bits consecutivos de la misma polaridad. Esta práctica es necesaria debido a la codificación sin vuelta a cero del protocolo CAN. Los bits insertados son eliminados por el receptor.

Todos los campos de la trama son rellenados a excepción del delimitador CRC, el acuse de recibo ACK, y el fin de trama. Cuando un nodo detecta seis bits consecutivos iguales en un campo susceptible de ser rellenado lo considera un error y emite un error activo. Un error activo consiste en seis bits consecutivos dominantes y viola la regla de relleno de bits.

La regla de los bits de relleno implica que una trama puede ser más larga de lo esperado si se suman los bits teóricos de cada campo de la trama.

 

Trama CAN antes y después de la adición de bits de relleno (en morado)



13. Tipos de implementación

Teniendo en cuenta los elementos básicos que conforman el bus CAN, existen tres tipos de implementación donde la comunicación es igual para todas. La diferencia radica en los filtros de aceptación, en la capacidad de almacenamiento de las tramas, en la responsabilidad que asume el microcontrolador o el controlador CAN, etc., es decir, en el hardware del nodo.

Las tres implementaciones incorporan un microcontrolador, ya que este componente representa una herramienta de hardware ideal para el desarrollo de aplicaciones con conexión CAN. Las tres distintas implementaciones son:

14. Basic CAN

En esta implementación existe un vínculo muy fuerte entre el controlador CAN y su microcontrolador asociado. El microcontrolador será interrumpido para tratar cada mensaje CAN que reciba. Aquí, el controlador CAN está restringido a un único buffer de mensajes. El microcontrolador es quién lleva el peso de las tareas haciendo así que el controlador CAN sea más simple y por tanto más barato. Este método es bueno para nodos encargados de manejar informaciones esporádicas, disminuyendo la ocupación del bus. Es la arquitectura más simple.

15. Full CAN

En este caso, el controlador CAN tiene varios buffers. Además tiene la capacidad para filtrar los tipos de mensaje que desee y puede transmitir y recibir mensajes sin ayuda del microcontrolador. En definitiva, el controlador le reduce la carga al microcontrolador. También se pueden habilitar interrupciones en el microcontrolador para notificarle la llegada de un mensaje. Este tipo de arquitectura consiste en un microcontrolador que incluya, no sólo sus características propias sino además un módulo CAN con las características de un microcontrolador CAN. El transceiver se sitúa de manera separada.

16. Serial Linked I/O

Los dispositivos Link Input/Output (SLIOS) son dispositivos de bajo coste y baja inteligencia. Son controladores sin capacidad de programación. Son interfaces pre configuradas que requieren de un nodo CAN programable para controlarlo y son usados para salidas y entradas lejanas del bus. Son dispositivos esclavos físicamente direccionados con jumpers o con switches DIP.

17. Protocolos basados en CAN

Los estándares del bus CAN sólo especifican las dos primeras capas, la capa física y la capa de enlace de datos, según el modelo OSI. Puesto que CAN no incluye tareas de capas superiores tales como direccionamiento, control de acceso, transporte de bloques de datos mayores que una trama, etc., han ido surgiendo protocolos en capas superiores basados en CAN, sobre todo en la capa de aplicación.

Cabe mencionar los siguientes:

·         ARINC 825 (para la aviación)

·         CANaerospace (para la aviación)

·         CAN Kingdom

·         CANopen (para automatización industrial)

·         CCP / XCP

·         DeviceNet (para automatización industrial)

·         EnergyBus (para vehículos eléctricos)

·         GMLAN (de General Motors)

·         ISO 15765-4

·         ISO 11783 o ISOBUS (para la agricultura)

·         ISO 14229

·         SAE J1939 (para vehículos pesados)

·         ISO 11992 (para trailers pesados)

·         MilCAN

·         NMEA 2000 (para la industria marina)

·         OSEK

·         RV-C (para vehículos recreacionales)

·         SafetyBUS p (para la automatización industrial)

·         SmartCraft

·         Smart Distributed System (SDS)

·         VSCP (para la automatización de edificios)


18. Protocolo de comunicaciones CAN

CAN fue desarrollado, inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standarization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbps), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar la unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 Kbps), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos. CAN es un protocolo de comunicaciones serie que soporta control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad y multiplexación. El establecimiento de una red CAN para interconectar los dispositivos electrónicos internos de un vehículo tiene la finalidad de sustituir o eliminar el cableado. Las ECUs, sensores, sistemas antideslizantes, etc. se conectan mediante una red CAN a velocidades de transferencia de datos de hasta 1 Mbps.

De todas las características eléctricas que define la capa física, es importante conocer los denominados niveles lógicos del bus.
Al tratarse de un bus diferencial, éste está formado por dos señales y la diferencia que existe entre estas dos señales determinan el estado del bus. Por tanto, el CAN dispone de dos niveles lógicos.
Normalmente en los sistemas digitales de dos niveles se conocen estos dos estados por nivel alto y nivel bajo, sin embargo en este caso se denominan nivel dominante y nivel recesivo:

19. Dominante.

La tensión diferencial entre los pines de comunicación (CAN_H - CAN_L) ha de ser del orden de 2 V. Para conseguir esto es necesario que CAN_H tenga 3,5 V y CAN_L sea de 1,5 V (nominales). De hecho, si el voltaje de la línea CAN_H es al menos 0,9 V mayor que CAN_L, entonces ya se detectará la condición de bit dominante.

20. Recesivo.

La tensión diferencial entre los pines de comunicación (CAN_H - CAN_L) ha de ser del orden de 0 V. Para conseguir esto es necesario que CAN_H y CAN_L tengan 2,5 V (nominales). Aunque realmente el bus detectará una condición de recesivo si el voltaje de la línea CAN_H no es más alto que el voltaje de la línea CAN_L más 0,5 V.

21. TOPOLOGIA



22. Desarrollo de un ciclo de transmisión de datos:

Proveer datos
La unidad de control provee los datos al controlador CAN, para su transmisión.

Transmitir datos
El transceptor CAN recibe los datos del controlador CAN, los transforma en señales eléctricas y los transmite.

Recibir datos
Todas las demás unidades de control que están interconectadas a través del CAN-Bus se transforman en receptores.

Revisar datos
Las unidades de control revisan si necesitan los datos recibidos para la ejecución de sus funciones o si no los necesitan.

Adoptar datos
Si se trata de datos importantes, la unidad de control en cuestión los adopta y procesa; si no son importantes, los desprecia.


23. Transmisión de datos
¿Qué transmite el CAN-Bus de datos?
En intervalos de tiempo breves transmite un protocolo de enlace de datos entre las unidades de control.
Está compuesto por siete secciones.

Protocolo de enlace de datos:
Consta de un gran número de bits enlazados.
La cantidad de bits de un protocolo depende del tamaño del campo de datos.
En la figura se muestra la estructura de un protocolo de enlace de datos. Es idéntico en ambos cables del bus.
Para simplificar las explicaciones, en el curso de este programa autodidáctico se muestra en las figuras un solo cable del bus de datos.


24. Las siete secciones:

El campo de comienzo del datagrama marca el comienzo del protocolo de enlace de los datos. En el cable CAN-High se transmite un bit con aprox. 5 voltios (en función del sistema) y en el cable CAN-Low se transmite un bit con aprox. 0 voltios.



En el campo de estado se define la prioridad del protocolo. Si p. ej. hay dos unidades de control que intentan transmitir simultáneamente su protocolo de datos, se concede la preferencia al protocolo de prioridad superior.


En el campo de control
Se especifica la cantidad de información que está contenida en el campo de datos. De esa forma, cada receptor puede revisar si ha recibido la información completa.


En el campo de datos se transmite la información para las demás unidades de control.


El campo de aseguramiento sirve para detectar fallos en la transmisión.


En el campo de confirmación los receptores señalizan al transmisor, que han recibido correctamente el protocolo de enlace de datos. Si detectan cualquier fallo, informan de inmediato al transmisor. A raíz de ello, el transmisor repite su transmisión.


Con el campo de fin del datagrama finaliza el protocolo de datos. Es la última oportunidad posible para dar un aviso de error, que conduzca a una repetición.

25. Funcionamiento

26. ¿Cómo se genera un protocolo de datos?
El protocolo de datos consta de varios bits enlazados.
Cada bit puede adoptar cada vez un solo estado o bien los valores “0“ ó “1“.

He aquí un ejemplo que explica la forma como se genera un estado operativo con los valores “0“ó“1“:

El interruptor de la luz sirve para encender o apagar la luz. Eso significa, que puede adoptar dos diferentes estados

Estado del interruptor de luz con el valor “1“
·         Contactos cerrados
·         Lámpara encendida

Estado del interruptor de luz con el valor “0“
·         Contactos abiertos
·         Lámpara apagada

En el caso del CAN-Bus de datos, esto funciona básicamente de la misma forma.
El transceptor también puede generar dos diferentes estados operativos de un bit.

Estado del bit con el valor “1“
·         Transceptor abierto; conecta 5 voltios en el área de confort (área de tracción aprox. 2,5 voltios)
·         Tensión en el cable del bus de datos: aprox. 5 voltios en el área de confort (aprox. 2,5 voltios en el área de la tracción)
           
Estado del bit con el valor “0“
·         Transceptor cerrado; conecta a masa
·         Tensión en el cable del bus de datos: aprox. 0 voltios


En la tabla siguiente se muestra la forma en que se puede transmitir información por medio de dos bits enlazados.

Con dos bits se obtienen cuatro diferentes variantes.
A cada variante se le puede asignar una información específica, con carácter formal para todas las unidades de control.

Explicación:

Si se transmite el primer bit con 0 voltios y el segundo también con 0 voltios, la información en la tabla significa “El elevaluna se encuentra en movimiento“ o bien “La temperatura del líquido refrigerante es de 10 °C“.


La tabla inferior muestra la forma como aumenta la cantidad de información con cada bit adicional.


Cuanto mayor es el número de bits enlazados, tanta más información pueden transmitir.
Con cada bit adicional se duplica la cantidad de la posible información.
27. Adjudicación del CAN-Bus de datos

Si varias unidades de control pretenden transmitir simultáneamente su protocolo de datos, es preciso decidir cuál de ellos se transmite primero.
El protocolo con la prioridad superior se transmite primero.
Así p. ej., el protocolo de datos de la unidad de control para ABS/EDS es, por motivos de seguridad, más importante que el protocolo de la unidad de control para cambio automático, si los motivos están referidos al confort de la conducción.

28. ¿Cómo se hace la adjudicación?

Cada bit tiene un valor, al cual se le asigna una validación. Puede ser de validación superior o inferior.


29. ¿Cómo se detecta la prioridad de un protocolo de datos?

Cada protocolo de datos tiene asignado un código de once bits en el campo de estado, en función de su prioridad.
En la tabla siguiente se muestran las prioridades de tres protocolos de datos.



Las tres unidades de control empiezan simultáneamente con la transmisión de su protocolo de datos. Al mismo tiempo comparan los bits, de uno en uno, en el cable del bus.
Si una unidad de control transmite un bit de validación inferior y detecta uno de validación superior, interrumpe la transmisión y se transforma en receptor.

Ejemplo:

Primer bit:
- La unidad de control para ABS/EDS transmite un bit de validación superior.
- La unidad de control para Motronic transmite asimismo un bit de validación superior.
- La unidad de control para cambio automático transmite un bit de validación inferior y detecta un bit de validación superior en el cable del bus de datos. Con ello pierde la adjudicación y se transforma en receptor.

Segundo bit:
- La unidad de control para ABS/EDS transmite un bit de validación superior.
- La unidad de control para Motronic transmite un bit de validación inferior y detecta un bit de validación superior en el cable del bus de datos. Con ello pierde su adjudicación y se transforma en receptor.

Tercer bit:
- La unidad de control para ABS/EDS tiene la máxima prioridad y obtiene por tanto la adjudicación del bus. Sigue transmitiendo su protocolo de datos hasta el final.
Después de que la unidad de control para
ABS/EDS ha transmitido su protocolo de datos hasta el final, las demás vuelven a hacer el intento de transmitir su propio protocolo de datos.

30. Fuentes parásitas

En el vehículo son fuentes parásitas los componentes en cuyo funcionamiento se producen chispas o se abren o cierran circuitos de corriente.
Otras fuentes parásitas son por ejemplo teléfonos móviles y radioemisoras, o sea, todo aquello que genera ondas electromagnéticas.
Estas ondas electromagnéticas pueden influir en la transmisión de datos o incluso la pueden falsificar.

Para evitar influencias parásitas sobre la transmisión de datos se procede a retorcer conjuntamente los dos alambres del bus de datos.
De esa forma se evitan al mismo tiempo emisiones perturbadoras procedentes del propio cable del bus de datos.
Las tensiones en ambos cables se encuentran respectivamente contrapuestas.

Eso significa lo siguiente:
Si uno de los cables del bus tiene aplicada una tensión de aprox. 0 voltios, el otro tiene una de
aprox. 5 voltios y viceversa.
En virtud de ello, la suma de tensiones es constante en cualquier momento y se anulan mutuamente los efectos electromagnéticos de campo de ambos cables del bus.
El cable del bus está protegido contra la penetración de emisiones parásitas y tiene un comportamiento casi neutro hacia fuera.

31. Conclusiones

La principal ventaja que representa este protocolo es que permite compartir una gran cantidad de información entre las unidades de control presentes en el sistema, lo que provoca una reducción importante tanto del número de sensores utilizados como de la cantidad de cables que componen la instalación eléctrica, tema de suma importancia considerando las dimensiones que se manejan dentro de un automóvil. De esta forma, aumentan considerablemente las funciones presentes en los sistemas del automóvil donde se emplea el CAN-BUS sin aumentar los costes.
Los sistemas de seguridad que incorpora el Can-Bus permiten que las probabilidades de fallo en el proceso de comunicación sean muy bajas, pero sigue siendo posible que cables, contactos y las propias unidades de mando presenten alguna disfunción. Sin embargo, una unidad de mando averiada abonada al Can-Bus en ningún caso impide que el sistema trabaje con normalidad, no será posible llevar a cabo las funciones que implican el uso de información que proporciona la unidad averiada, pero sí todas las demás.

32. BIBIOGRAFIA

·         www.can-cia.org/can/
·         www.can-cia.org/can/protocol/history/history.html
·         www.serconet.com/usr/laureanog/HPV1B_31.HTM
·         www.semiconductors.bosch.de/de/20/can/index.asp
·         www.can.bosch.com
·         www.canbus.galeon.com/electronica/canbus.htm
·         www.ihs.com.es/
               
  
      33. RESUMEN

Principales características del CAN

Transmisión de datos
¿Qué posibilidades existen actualmente en el automóvil para una adecuada transmisión de datos?
 Primera posibilidad:
Cada información se intercambia a través de un cable propio.
 Segunda posibilidad:
Toda la información se intercambia a través de dos cables como máximo, que constituyen el CAN-Bus entre las unidades de control.
El CAN-Bus de datos representa un modo de transmitir los datos entre las unidades de control. Comunica las diferentes unidades de control en un sistema global interconectado.
Cuanto mayor es la cantidad de información que recibe una unidad de control acerca del estado operativo del sistema global, tanto mejor puede ajustar al conjunto sus funciones específicas.

CANBUS DE DATOS

CAN se basa en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto, o paradigma de comunicaciones de datos, que describe una relación entre un productor y uno o más consumidores. CAN es un protocolo orientado a mensajes, es decir la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión. Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos deciden aceptar o no dicho mensaje. Dentro de sus principales características se encuentran:
Prioridad de mensajes.
Garantía de tiempos de latencia.
Flexibilidad en la configuración.
Recepción por multidifusión (multicast) con sincronización de tiempos.
Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos.
Sistema multimaestro.
Detección y señalización de errores.
Retransmisión automática de tramas erróneas
Distinción entre errores temporales y fallas permanentes de los nodos de la red, y desconexión autónoma de nodos defectuosos.
CAN fue desarrollado inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standardization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar las unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 kbit/s), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos.

Ventajas del bus de datos:

Si el protocolo de datos ha de ser ampliado con información suplementaria solamente se necesitan modificaciones en el software.
Un bajo porcentaje de errores mediante una verificación continua de la información transmitida, de parte de las unidades de control, y mediante protecciones adicionales en los protocolos de datos.
Menos sensores y cables de señales gracias al uso múltiple de una misma señal de sensores.
Es posible una transmisión de datos muy rápida entre las unidades de control.
Más espacio disponible, mediante unidades de control más pequeñas y conectores más compactos para las unidades de control.
El CAN-Bus de datos está normalizado a nivel mundial. Por ese motivo, también las unidades de control de diferentes fabricantes pueden intercambiar datos.

El principio de la transmisión de datos

La transmisión de datos a través del CAN-Bus funciona de un modo parecido al de una conferencia telefónica.
Un abonado (unidad de control) “modula“ sus datos, introduciéndolos en la red, mientras que los demás “coescuchan“ estos datos.
Para ciertos abonados resultan interesantes estos datos, en virtud de lo cual los utilizan.
A otros abonados pueden no interesarles esos datos específicos.

¿Qué componentes integran el CAN-Bus de datos?

Consta de un controlador, un transceptor, dos elementos finales del bus y dos cables para la transmisión de datos.
Con excepción de los cables del bus, todos los componentes están alojados en las unidades de control. En el funcionamiento conocido de las unidades de control no se ha modificado nada.
Asumen las siguientes funciones:
El controlador CAN recibe del microprocesador, en la unidad de control, los datos que han de ser transmitidos.
Los acondiciona y los pasa al transceptor CAN.
Asimismo recibe los datos procedentes del transceptor CAN, los acondiciona asimismo y los pasa al microprocesador en la unidad de control.
El transceptor CAN es un transmisor y un receptor. Transforma los datos del controlador CAN en señales eléctricas y transmite éstas sobre los cables del CAN-Bus.
Asimismo recibe los datos y los transforma para el controlador CAN.
El elemento final del bus de datos es una resistencia. Evita que los datos transmitidos sean devueltos en forma de eco de los extremos de los cables y que se falsifiquen los datos.

Los cables del bus de datos funcionan de forma bidireccional y sirven para la transmisión de los datos.
Se denominan con las designaciones CAN High (señales de nivel lógico alto) y CAN-Low (señales de nivel lógico bajo).
Al trabajar con el CAN-Bus no se define el destinatario de los datos. Se transmiten a bordo del bus y generalmente los reciben y analizan todos los abonados.

Tipos de BUSCAN

La especificación de los buses CAN esta recogida en el conjunto de estándares ISO 11898. Dicha especificación define las dos primeras capas, la capa física y la capa de enlace de datos, del modelo OSI de interconexión de sistemas. En base a dichos estándares, los buses CAN se pueden clasificar en dos tipos:
CAN de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s).
CAN de baja velocidad tolerante a fallos (hasta 125 kbit/s).
CAN de alta velocidad
ISO 11898-2, también llamado CAN de alta velocidad, usa un único bus lineal terminado en cada extremo con sendas resistencias de 120 Ω. Es importante que el valor de las resistencias de terminación coincida con la impedancia característica del bus, definida en 120 Ω, para evitar reflexiones en la línea que podrían perturbar la comunicación. Con esta configuración la velocidad del bus es de un máximo de 1 Mbit/s.
Bus CAN de alta velocidad. ISO 11898-2
Extensiones del CAN de alta velocidad
La Organización Internacional para la Normalización (ISO) ha definido unas extensiones opcionales de la capa física del bus CAN de alta velocidad (ISO 11898-2). Dichas extensiones están descritas en sus respectivos estándares y son útiles para sistemas con requisitos específicos. También definen la compatibilidad con ISO 11898-2.
ISO 11898-5 especifica la capa física con tasas de transmisión de hasta 1 Mbit/s para sistemas que requieren bajo consumo de energía cuando no hay comunicaciones activas en el bus de datos. ISO 11898-5 representa una extensión de ISO 11898-2 y aquellas implementaciones que cumplan cualquiera de estas dos normas, es decir, los nodos CAN de alta velocidad con y sin bajo consumo de energía, son interoperables entre sí y pueden coexistir en la misma red.5
ISO 11898-6 es una extensión de ISO 11898-2 y de ISO 11898-5. Esta extensión especifica la capa física de un bus CAN de hasta 1 Mbit/s, proporcionando un método selectivo de activación de nodos (wake-up) usando tramas CAN configurables. Las implementaciones de ISO 11898-6, ISO 11898-2 e ISO 11898-5 son interoperables y se pueden usar en una misma red simultáneamente.6
CAN de baja velocidad tolerante a fallos
ISO 11898-3, también llamado CAN de baja velocidad tolerante a fallos, puede utilizar un bus lineal, un bus en estrella o múltiples buses en estrella conectados por un bus lineal. El bus está terminado en cada nodo por una fracción de la resistencia de terminación total. La resistencia de terminación total debería ser un valor próximo a 100 Ω, pero no inferior a 100 Ω. Este estándar permite velocidades de hasta 125 kbit/s.
Bus CAN de baja velocidad tolerante a fallos. ISO 11898-3
CAN FD (flexible data-rate)
En 2011 Bosch comenzó a trabajar en una evolución del CAN. En 2012 lanzó CAN FD 1.0, que ofrece un aumento de la tasa de transferencia después del arbitraje. De momento (2015), sólo se ha definido la capa de enlace de datos del CAN FD. La frecuencia se puede multiplicar hasta por 8 y el número máximo de bytes por trama aumenta, siendo posible transmitir una mayor cantidad de datos en el mismo tiempo.4 La especificación está recogida en el borrador de norma ISO/DIS 11898-1:2015.

Capa Física

Define los aspectos del medio físico para la transmisión de datos entre nodos de una red CAN, las características materiales y eléctricas y la transmisión del flujo de bits a través del bus.
Niveles de tensión del bus
Niveles de tensión del bus CAN
La transmisión de señales en un bus CAN se lleva a cabo a través de dos cables trenzados. Las señales de estos cables se denominan CAN_H (CAN high) y CAN_L (CAN low) respectivamente. El bus tiene dos estados definidos: estado dominante y estado recesivo. En estado recesivo, los dos cables del bus se encuentran al mismo nivel de tensión (common-mode voltage), mientras que en estado dominante hay una diferencia de tensión entre CAN_H y CAN_L de al menos 1,5 V. La transmisión de señales en forma de tensión diferencial, en comparación con la transmisión en forma de tensiones absolutas, proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas.
La tensión en modo común puede estar, según la especificación, en cualquier punto entre -2 y 7 V. La tensión diferencial del bus (la diferencia entre CAN_H y CAN_L) en modo dominante debe estar entre 1,5 y 3 V. No se especifica, en cambio, que la tensión de modo común cuando el bus está en modo recesivo deba estar comprendida entre la tensión de CAN_L y la tensión de CAN_H cuando el bus está en modo dominante. Esto permite la conexión directa entre nodos que operen a distintas tensiones, e incluso nodos que sufran diferencia de tensión entre sus respectivas tierras.7 8
Cable y conectores
Conector D-sub de 9 pines (DE-9)
Los distintos nodos de un bus CAN deben estár interconectados mediante un par de cables trenzados con una impedancia característicade 120 Ω, y puede ser cable apantallado o sin apantallar. El cable trenzado proporciona protección frente a interferencias electromagnéticas externas. Y si, además, está apantallado, la protección será mayor pero a cambio de un incremento en el coste del cable.
El estándar CAN, a diferencia de otros estándares como el USB, no especifica ningún tipo de conector para el bus y por lo tanto cada aplicación puede tener un conector distinto. Sin embargo, hay varios formatos comúnmente aceptados como el conector D-sub de 9 pines, con la señal CAN_L en el pin 2 y la señal CAN_H en el pin 7.
Las propiedades de la línea de transmisión limitan el ancho de banda de los datos. Orientativamente, se aceptan los siguientes valores como límite de longitud del bus en función de la tasa de transferencia:9
Sincronización de bits
Todos los nodos de un bus CAN deben trabajar con la misma tasa de transferencia nominal. Dado que el bus CAN no usa una señal de reloj separada, factores como la deriva de reloj y la tolerancia de los osciladores causan que haya una diferencia entre la tasa de transferencia real de los distintos nodos. Por ello es necesario un método de sincronización entre los nodos. La sincronización es especialmente importante en la fase de arbitraje ya que durante el arbitraje cada nodo debe ser capaz de observar tanto los datos transmitidos por él como los datos transmitidos por los demás nodos.
El requisito mínimo para un bus CAN es que dos nodos, estando en sendos extremos de la red con el máximo retardo de propagación entre ellos, y cuyos controladores CAN tienen unas frecuencias de reloj en los límites opuestos de la tolerancia de frecuencia especificada, sean capaces de recibir y leer correctamente todos los mensajes transmitidos por la línea. Esto incluye que todos los nodos muestreen el valor correcto de cada bit.10
El controlador CAN espera que una transición del bus de recesivo a dominante ocurra en un determinado intervalo de tiempo. Si la transición no ocurre en el intervalo esperado, el controlador reajusta la duración del siguiente bit en consecuencia. Dicho ajuste se lleva a cabo dividiendo cada bit en intervalos o cuantos de tiempo (del latín quantum) y asignando los intervalos a los cuatro segmentos de cada bit: sincronización, propagación, segmento de fase 1 y segmento de fase 2.

Capa de enlace de datos

El protocolo CAN proporciona un acceso multimaestro al bus con una resolución determinista de las colisiones. La capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el envío de mensajes.
Acceso al medio (arbitraje)
La especificación del CAN usa los términos “dominante” y “recesivo” para referirse a los bits, donde un bit dominante equivale al valor lógico 0 y un bit recesivo equivale al valor lógico 1. El estado inactivo del bus es el estado recesivo (valor lógico 1). Cuando dos nodos intentan transmitir bits diferentes se denomina colisión y el valor del bit dominante prevalece sobre el valor del bit recesivo. En ese caso el nodo que intentaba transmitir el valor recesivo detecta la colisión y pasa a modo pasivo, es decir, deja de transmitir para escuchar lo que transmite el otro nodo. Por esta razón es importante que todos los nodos estén sincronizados y muestreen todos los bits del bus simultáneamente.
El arbitraje se produce durante los primeros bits de una trama o mensaje, durante la transmisión de lo que se conoce como identificador del mensaje. Al final del proceso de arbitraje sólo debe quedar un nodo con el control del bus. Por ello cada nodo debe manejar identificadores únicos. Cuando un nodo pierde el arbitraje aplaza la transmisión de su trama para intentarlo de nuevo cuando finalice la trama actual. Conociendo los identificadores de todos las tramas que intentan ser transmitidas, se puede establecer de manera determinista el orden en el que son transmitidas. Así, una trama CAN con identificador más bajo (mayor número de bits dominantes en las primeras posiciones) tiene más prioridad que una trama con identificador más alto.
Tipos de trama
Existen cuatro tipos de trama CAN:
Trama de datos (data frame)
Trama remota (remote frame)
Trama de error (error frame)
Trama de sobrecarga (overload frame)
Trama de datos
Una trama de datos CAN puede ser de uno de los dos siguientes formatos:
Formato base: con identificador de 11 bits.
Formato extendido: con identificador de 29 bits.
El estándar dice que un controlador CAN debe aceptar tramas en formato base, y puede o no aceptar tramas en formato extendido. Pero en cualquier caso debe tolerar tramas en formato extendido. Es decir, que si un controlador está configurado para que sólo acepte tramas en formato base no debe lanzar un error cuando reciba una trama en formato extendido, sino que simplemente no transmitirá el mensaje al procesador central.
Formato base
Trama CAN en formato base con las tensiones eléctricas del bus y sin bits de relleno
El formato de la trama es el siguiente:

Formato extendido

En el formato extendido los dos campos de identificador se combinan para formar el identificador de 29 bits. El formato de la trama es el siguiente:
Trama remota
Generalmente los datos se transmiten como trama de datos. Sin embargo, es posible que un nodo requiera unos datos desde otro nodo. En ese caso, el primero puede enviar una trama remota para pedir el envío de algún dato. El nodo que requiere la información envía entonces una trama con una petición de transmisión remota (RTR = 1; recesivo). Las tramas remotas o de petición de transmisión remota sólo se diferencian de las tramas de datos en que las tramas remotas no tienen campo de datos.
Trama de error
La trama de error es una trama especial que viola las reglas de formato de las tramas CAN. Se transmite cuando un nodo detecta un mensaje erróneo, y provoca que los demás nodos también transmitan una trama de error. Un complejo mecanismo de contadores de error integrado en el controlador asegura que un nodo no bloquee el bus con continuas tramas de error.
Trama de sobrecarga
Es similar a la trama de error en cuanto a que viola el formato de las tramas CAN. Es transmitida por un nodo que se encuentra muy ocupado y el bus proporciona entonces un retardo extra entre tramas.
Separación entre tramas
Las tramas de datos y remotas están separadas por al menos tres bits recesivos (1). Después de eso, si si detecta un bit dominante (0), es considerado como el inicio de una nueva trama. Las tramas de error y de sobrecarga no respetan el espaciado entre tramas.
Bits de relleno (bit stuffing)
Para asegurar que hay suficientes transiciones recesivo-dominante y garantizar así la sincronización, un bit de polaridad opuesta es insertado después de cinco bits consecutivos de la misma polaridad. Esta práctica es necesaria debido a la codificación sin vuelta a cero del protocolo CAN. Los bits insertados son eliminados por el receptor.
Todos los campos de la trama son rellenados a excepción del delimitador CRC, el acuse de recibo ACK, y el fin de trama. Cuando un nodo detecta seis bits consecutivos iguales en un campo susceptible de ser rellenado lo considera un error y emite un error activo. Un error activo consiste en seis bits consecutivos dominantes y viola la regla de relleno de bits.
La regla de los bits de relleno implica que una trama puede ser más larga de lo esperado si se suman los bits teóricos de cada campo de la trama.

Trama CAN antes y después de la adición de bits de relleno (en morado)

Tipos de implementación

Teniendo en cuenta los elementos básicos que conforman el bus CAN, existen tres tipos de implementación donde la comunicación es igual para todas. La diferencia radica en los filtros de aceptación, en la capacidad de almacenamiento de las tramas, en la responsabilidad que asume el microcontrolador o el controlador CAN, etc., es decir, en el hardware del nodo.

Las tres implementaciones incorporan un microcontrolador, ya que este componente representa una herramienta de hardware ideal para el desarrollo de aplicaciones con conexión CAN. Las tres distintas implementaciones son:

Basic CAN

En esta implementación existe un vínculo muy fuerte entre el controlador CAN y su microcontrolador asociado. El microcontrolador será interrumpido para tratar cada mensaje CAN que reciba. Aquí, el controlador CAN está restringido a un único buffer de mensajes. El microcontrolador es quién lleva el peso de las tareas haciendo así que el controlador CAN sea más simple y por tanto más barato. Este método es bueno para nodos encargados de manejar informaciones esporádicas, disminuyendo la ocupación del bus. Es la arquitectura más simple.

Full CAN

En este caso, el controlador CAN tiene varios buffers. Además tiene la capacidad para filtrar los tipos de mensaje que desee y puede transmitir y recibir mensajes sin ayuda del microcontrolador. En definitiva, el controlador le reduce la carga al microcontrolador. También se pueden habilitar interrupciones en el microcontrolador para notificarle la llegada de un mensaje. Este tipo de arquitectura consiste en un microcontrolador que incluya, no sólo sus características propias sino además un módulo CAN con las características de un microcontrolador CAN. El transceiver se sitúa de manera separada.

Serial Linked I/O

Los dispositivos Link Input/Output (SLIOS) son dispositivos de bajo coste y baja inteligencia. Son controladores sin capacidad de programación. Son interfaces pre configuradas que requieren de un nodo CAN programable para controlarlo y son usados para salidas y entradas lejanas del bus. Son dispositivos esclavos físicamente direccionados con jumpers o con switches DIP.


Protocolos basados en CAN

Los estándares del bus CAN sólo especifican las dos primeras capas, la capa física y la capa de enlace de datos, según el modelo OSI. Puesto que CAN no incluye tareas de capas superiores tales como direccionamiento, control de acceso, transporte de bloques de datos mayores que una trama, etc., han ido surgiendo protocolos en capas superiores basados en CAN, sobre todo en la capa de aplicación.
Cabe mencionar los siguientes:
ARINC 825 (para la aviación)
CANaerospace (para la aviación)
CANopen (para automatización industrial)
CCP / XCP
DeviceNet (para automatización industrial)
EnergyBus (para vehículos eléctricos)

Protocolo de comunicaciones CAN

CAN fue desarrollado, inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standarization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbps), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar la unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 Kbps), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos. CAN es un protocolo de comunicaciones serie que soporta control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad y multiplexación. El establecimiento de una red CAN para interconectar los dispositivos electrónicos internos de un vehículo tiene la finalidad de sustituir o eliminar el cableado. Las ECUs, sensores, sistemas antideslizantes, etc. se conectan mediante una red CAN a velocidades de transferencia de datos de hasta 1 Mbps.

De todas las características eléctricas que define la capa física, es importante conocer los denominados niveles lógicos del bus.
Al tratarse de un bus diferencial, éste está formado por dos señales y la diferencia que existe entre estas dos señales determinan el estado del bus. Por tanto, el CAN dispone de dos niveles lógicos.
Normalmente en los sistemas digitales de dos niveles se conocen estos dos estados por nivel alto y nivel bajo, sin embargo en este caso se denominan nivel dominante y nivel recesivo:

Dominante.

La tensión diferencial entre los pines de comunicación (CAN_H - CAN_L) ha de ser del orden de 2 V. Para conseguir esto es necesario que CAN_H tenga 3,5 V y CAN_L sea de 1,5 V (nominales). De hecho, si el voltaje de la línea CAN_H es al menos 0,9 V mayor que CAN_L, entonces ya se detectará la condición de bit dominante.

Recesivo.

La tensión diferencial entre los pines de comunicación (CAN_H - CAN_L) ha de ser del orden de 0 V. Para conseguir esto es necesario que CAN_H y CAN_L tengan 2,5 V (nominales). Aunque realmente el bus detectará una condición de recesivo si el voltaje de la línea CAN_H no es más alto que el voltaje de la línea CAN_L más 0,5 V.

TOPOLOGIA

Desarrollo de un ciclo de transmisión de datos:
Proveer datos
La unidad de control provee los datos al controlador CAN, para su transmisión.
Transmitir datos
El transceptor CAN recibe los datos del controlador CAN, los transforma en señales eléctricas y los transmite.
Recibir datos
Todas las demás unidades de control que están interconectadas a través del CAN-Bus se transforman en receptores.
Revisar datos
Las unidades de control revisan si necesitan los datos recibidos para la ejecución de sus funciones o si no los necesitan.
Adoptar datos
Si se trata de datos importantes, la unidad de control en cuestión los adopta y procesa; si no son importantes, los desprecia.

Transmisión de datos

¿Qué transmite el CAN-Bus de datos?
En intervalos de tiempo breves transmite un protocolo de enlace de datos entre las unidades de control.
Está compuesto por siete secciones.
Protocolo de enlace de datos:
Consta de un gran número de bits enlazados.
La cantidad de bits de un protocolo depende del tamaño del campo de datos.
En la figura se muestra la estructura de un protocolo de enlace de datos. Es idéntico en ambos cables del bus.
Para simplificar las explicaciones, en el curso de este programa autodidáctico se muestra en las figuras un solo cable del bus de datos.
Las siete secciones:
El campo de comienzo del datagrama marca el comienzo del protocolo de enlace de los datos. En el cable CAN-High se transmite un bit con aprox. 5 voltios (en función del sistema) y en el cable CAN-Low se transmite un bit con aprox. 0 voltios.
En el campo de estado se define la prioridad del protocolo. Si p. ej. hay dos unidades de control que intentan transmitir simultáneamente su protocolo de datos, se concede la preferencia al protocolo de prioridad superior.
En el campo de control
Se especifica la cantidad de información que está contenida en el campo de datos. De esa forma, cada receptor puede revisar si ha recibido la información completa.
En el campo de datos se transmite la información para las demás unidades de control.
El campo de aseguramiento sirve para detectar fallos en la transmisión.
En el campo de confirmación los receptores señalizan al transmisor, que han recibido correctamente el protocolo de enlace de datos. Si detectan cualquier fallo, informan de inmediato al transmisor. A raíz de ello, el transmisor repite su transmisión.
Con el campo de fin del datagrama finaliza el protocolo de datos. Es la última oportunidad posible para dar un aviso de error, que conduzca a una repetición.

Funcionamiento

¿Cómo se genera un protocolo de datos?
El protocolo de datos consta de varios bits enlazados.
Cada bit puede adoptar cada vez un solo estado o bien los valores “0“ ó “1“.
Fuentes parásitas
En el vehículo son fuentes parásitas los componentes en cuyo funcionamiento se producen chispas o se abren o cierran circuitos de corriente.
Otras fuentes parásitas son por ejemplo teléfonos móviles y radioemisoras, o sea, todo aquello que genera ondas electromagnéticas.
Estas ondas electromagnéticas pueden influir en la transmisión de datos o incluso la pueden falsificar.
Para evitar influencias parásitas sobre la transmisión de datos se procede a retorcer conjuntamente los dos alambres del bus de datos.
De esa forma se evitan al mismo tiempo emisiones perturbadoras procedentes del propio cable del bus de datos.
Las tensiones en ambos cables se encuentran respectivamente contrapuestas.


34. MAPA MENTAL







1 comentario:

  1. Gracias por la información,muy interesante,encontre esta informacion buscando el porque en la toma de scaner que tiene 16 pines solamente le llegan cuatro cables,esto en un camion Jac (chino) y creo que es por que el sistema es can bus.

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