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 UNIDAD
ELECTRÓNICA DE CONTROL ENTRADAS PROCESO SALIDAS SENSORES
ACTUADORES 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 Reloj Interface
de entradas Interface de salidas Memoria ROM Memoria RAM
Autodiagnostico Intersistemas Entradas Salidas Red multiplexada
Línea de diagnóstico
COMPONENTES DE LA U.E.C. 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. Reloj:
Genera los pulsos de funcionamiento del sistema.
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
CALCULADOR HABITÁCULO (BSI, BC, GEM,…) 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.
¿ 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
Calculador motor Calculador suspensión Calculador ABS/ASR
COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA CONVENCIONAL Y
SISTEMA MULTIPLEXADO Calculador motor Calculador
suspensión Calculador ABS/ASR Calculador cambio
automático Calculador cambio automático Calculador
ayuda aparcamiento Calculador ayuda aparcamiento
Sistema convencional : Un sensor para cada calculador
Sistema multiplexado : Un solo sensor
LAS REDES MULTIPLEXADAS El soporte de transmisión de la
información. La magnitud física que transporta la
información. La estructura de la red. Las reglas de
transmisión o protocolo. El conjunto de calculadores
interconectados y el bus que los une recibe el nombre de red
multiplexada. En el automóvil se utilizan redes
multiplexadas de tipos diferentes siendo las
características principales que los definen las
siguientes:
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. Fibra óptica: Red MOST. Permite muy alta
velocidad de transmisión pero es muy cara y presenta
problemas de instalación. Así se evita la
radiación de parásitos y se consigue la inmunidad
frente a perturbaciones exteriores.
LA MAGNITUD FÍSICA QUE TRANSPORTA LA INFORMACIÓN
DATA DATA VAN 0 1 LIN CAN Baja velocidad CAN Alta velocidad 1 0
CAN H CAN L 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. En las redes con bus
de cable la información se transmite por variaciones de
tensión eléctrica
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 Maestro Esclavo
Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Maestro Maestro Maestro Maestro
Maestro Maestro Maestro Maestro Red Maestro-Esclavos ( LIN, VAN
Car,… ) Red Mulimaestro-Multiesclavo ( VAN Confort ) 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 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 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.
LA ESTRUCTURA DE LAS TRAMAS Se llama trama a cada paquete de
informaciones (bits) que constituye un mensaje en la red El
inicio del mensaje La identificación del destinatario La
prioridad del mensaje La naturaleza del mensaje La
verificación del mensaje El acuse de recibo por el
destinatario El fin del mensaje 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:
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)
2 – 4 ms CAN H CAN L 1 0 LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE ALTA
VELOCIDAD
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 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 datos (hasta 8 octetos, 64
bit máx.) Campo de acuse de recibo (2 bit) El receptor
confirma al emisor que ha recibido el mensaje correctamente. Bit
RTR Consulta o dato 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.
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