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Sistemas electronicos y el multiplexado

Enviado por Pablo Turmero





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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,…

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

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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

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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)

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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¿ 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.

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¿ 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

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¿ POR QUÉ EL MULTIPLEXADO ?

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Evolución histórica del cableado

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COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO

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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

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Sistema convencional : Un sensor para cada calculador

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Sistema multiplexado : Un solo sensor

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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:

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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.

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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

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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,… )

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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.

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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.

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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:

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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)

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

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LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE BAJA VELOCIDAD

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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.

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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN TRAMA CAN EN EL OSCILOSCOPIO

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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.

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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.

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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

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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.

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LAS SEÑALES EN LA RED VAN

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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA VAN

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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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