Transcript Sistemas electrónicos y multiplexado

Antonio Lles Yebra
I.E.S. Sierra de Guara - Huesca
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,…
ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL
ENTRADAS
PROCESO
SALIDAS
UNIDAD
ELECTRÓNICA
SENSORES
ACTUADORES
DE CONTROL
Información
Órdenes
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
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)
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.
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.
ARQUITECTURA DE BLOQUES DE UNA U.E.C.
PROCESADOR
Intersistemas
Interface
de
salidas
Autodiagnostico
Memoria
ROM
Memoria
RAM
Salidas
Interface
de
entradas
Línea de
diagnóstico
Red
multiplexada
Entradas
Reloj
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.
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.
LA NUEVA CONFIGURACIÓN DE LOS
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
En el circuito tradicional los
elementos de control (llave,
pulsador,...) funcionan como
interruptores de potencia
controlando directamente la
corriente que hace funcionar los
actuadores.
En los circuitos
actuales el
elemento de control
del actuador es un
relé o transistor
incorporado en la
unidad de control
electrónico del
sistema.
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.
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
¿ QUÉ ES LA INTEGRACIÓN ?
La integración consiste en agrupar varias funciones en una sola unidad.
Por ejemplo:
CALCULADOR GESTIÓN
MOTOR
Incluye sistemas
de inyección,
encendido,
antipolución,
refrigeración,…
Incluye: cierre,
alarma e
inmovilización,
iluminación
interior y
exterior,
limpieza,
desempañado,
señalización,
optimización de
consumos,
elevalunas,
etc,etc.
CALCULADOR
HABITÁCULO
(BSI, BC, GEM,…)
¿ 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
¿ POR QUÉ EL MULTIPLEXADO ?
Evolución histórica del cableado
COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES
SISTEMA CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO
COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES
SISTEMA CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO
Calculador
cambio
automático
Calculador
motor
Calculador
suspensión
Calculador
motor
Calculador
cambio
automático
Calculador
ayuda
aparcamiento
Calculador
ABS/ASR
Calculador
ayuda
aparcamiento
Calculador
suspensión
Calculador
ABS/ASR
Sistema convencional :
Un sensor para cada calculador
Sistema multiplexado :
Un solo sensor
LAS REDES MULTIPLEXADAS
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:
• 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 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.
LA MAGNITUD FÍSICA QUE TRANSPORTA LA
INFORMACIÓN
VAN
DATA
1 0
DATA
LIN
CAN
En las redes
con bus de
cable la
información
se transmite
por
variaciones
de tensión
eléctrica
1
0
Alta velocidad
CAN H
CAN L
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.
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
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Red Maestro-Esclavos
( LIN, VAN Car,… )
Maestro
Maestro
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Red MulimaestroMultiesclavo ( VAN Confort )
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Red Multimaestro
( CAN, VAN,… )
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.
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
LA ESTRUCTURA DE LAS TRAMAS
Se llama trama a cada paquete de informaciones (bits) que
constituye un mensaje en la red
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:
• 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 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)
LAS SEÑALES EN LA RED CAN
DE ALTA VELOCIDAD
1
0
CAN H
CAN L
2 - 4 ms
LAS SEÑALES EN LA RED CAN
DE BAJA VELOCIDAD
ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN
Comienzo de
trama (1bit)
Sincroniza los
relojes
Campo de estado (11 bit).
Define el destino y la
prioridad del mensaje Bit RTR
Consulta
o dato
Campo de datos
(hasta 8 octetos,
64 bit máx.)
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 acuse de recibo (2 bit)
El receptor confirma al emisor que
ha recibido el mensaje
correctamente.
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.
ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN
TRAMA CAN EN EL OSCILOSCOPIO
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.
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.
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
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.
LAS SEÑALES EN LA RED VAN
ESTRUCTURA DE UNA TRAMA VAN
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 los parásitos 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.
LAS SEÑALES EN LA RED LIN
1
0
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.
FUNCIONAMIENTO DE LA RED LIN
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.
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 descodificando 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).
ESTRUCTURA DE UNA TRAMA MOST
Campo de datos
que contiene propiamente
la información a transmitir
( 480 bits )
Campo de comienzo
o preámbulo ( 4 bits )
Campo de estado
que contiene información
sobre la transmisión de la
trama al receptor ( 7 bits )
Campo delimitador
que separa el
preámbulo de los
datos ( 4 bits )
Campo de paridad
revisa por última vez si la trama
está completa o se ha de repetir
la transmisión ( 1 bit )
1º y 2º bytes de verificación
contienen los datos de control y
diagnosis ( 8 + 8 bits )
EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE REDES
MULTIPLEXADAS
• La implantación de redes multiplexadas 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.
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.
FIAT PUNTO
1 red CAN con 5 nodos
RENAULT SCENIC
1 red CAN hasta 15 calculadores
OPEL CORSA
1 red CAN V
1 red CAN E
A15. Calculador habitáculo
XD. Conector de diagnóstico
A84. Calculador gestión motor
A112. Calculador transmisión
automática o robotizada
A38. Calculador ABS ESP
A37. Calculador ABS
P3. Instrumentación
XX. Otros calculadores
SEAT IBIZA
1 red CAN de motor
1 red CAN de confort
ALFA 147
1 red B-CAN
1 red C-CAN
Red B-CAN
Red C-CAN
ALFA 147
Red B-CAN de 50 kbit/s
Estructura de la red B-CAN
Red C-CAN de 500 kbit/s
Estructura de la red C-CAN
VW PASSAT
1 red CAN Propulsión
1 red CAN Confort
CITROEN C4
1 red CAN
alta velocidad
2 redes CAN
baja velocidad
CITROEN C5
1 red CAN Mecánica
2 redes VAN Carrocería
1 red VAN Confort
TOYOTA LAND CRUISER
1 red CAN 2 redes BEAN 1 red AVC-LAN
TOYOTA
LAND
CRUISER
AUDI
A4
Red CAN Propulsión
Red CAN Confort
Red CAN Info/ocio
Redes LIN volante
multifunción y sensor
de lluvia y luminosidad
Red LIN faros