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El automóvil es un sistema complejo que principalmente tiene partes
mecánicas impulsadas por combustible. Sin embargo, en los últimos
años el incremento de los equipos eléctricos/electrónicos
dentro del auto ha sido una tendencia dominante. Originando que el sistema
computarizado de los vehículos haya evolucionado de una computadora
que controla todo, a un conjunto de computadoras cada una con su propia
área de trabajo. Esto implica cambiar la forma en que una computadora
se comunica con cada una de las otras para compartir información de
los procesos que están controlando. La solución la ofrece CAN,
el protocolo que permite a los fabricantes implementar en forma rápida
y eficiente la interoperabilidad de las computadoras.
CAN es un protocolo de comunicaciones basada en una arquitectura de bus para
transferencia de mensajes en un ambiente distribuido; logrando que los sistemas
basados en este protocolo cuenten con tasas de transmisión elevadas
(hasta 1 Mbps) y con gran confiabilidad. Así como la disminución
del cableado en los arneses utilizados en la construcción del
vehículo, la mejora en la funcionabilidad, desempeño y funciones
de diagnostico de las unidades de control electrónico (ECUs o computadoras
dedicadas). Otras fortalezas del bus CAN son su arquitectura multimaestro
capaz de proveer características de respuesta en tiempo real y tolerancia
a fallas en la recepción de mensajes y mal funcionamiento de los nodos.
El intercambio de información en el bus CAN se hace de una manera
inteligente gracias a su forma de arbitrear, es decir, todos los nodos de
la red son considerados maestros y cada uno puede enviar mensajes en cualquier
momento. Cada mensaje tiene una sección de identificador, este
identificador determina la prioridad en el mensaje. Los identificadores con
valor más pequeño tienen la más alta prioridad. Aunque
varios mensajes sean enviados al mismo tiempo, este sistema de prioridad
provocará que un mensaje permanezca en el bus y no que todos sean
destruidos.
Otra característica interesante de este bus es que esta diseñado
para trabajar en ambientes hostiles, donde existe interferencias (como en
los automóviles, o ambientes industriales) gracias a que es un bus
diferencial. Bus diferencial se refiere a que el bus esta formado por dos
señales y el estado del bus se determina mediante la diferencia de
estas dos señales, provocando una mayor confiabilidad en la
información presente en el bus.
Una de las principales razones por las cuales el bus CAN ha sido tan difundido
en el área industrial es por su resistencia al ruido electrónico
(interferencia electromagnética). En la capa física de este
protocolo esta definido que el bus del mismo debe ser diferencial; es decir,
la información transmitida y/o recibida es interpretada mediante una
resta o diferencia de dos señales existentes. Al afectar el ruido
electrónico a estas dos señales, las afecta a ambas en la misma
proporción; manteniendo una diferencia semejante a el caso donde el
ruido no estuviera presente. Haciendo este protocolo inmune a la interferencia
electromagnética (EMC). Esto es muy importante porque tanto en el
área automotriz como industrial la existencia de motores es inevitable
y por consecuente el ruido eléctrico.
En resumen, los principios básicos de la red CAN son: el bus se forma
de dos señales (CAN H y CAN L), todos los nodos de la red son maestros,
es decir, es una red multimaestros, gracias al diseño del bus éste
puede ser empleado en ambientes donde la interferencia electromagnética
es densa. Una característica importante es su arbitraje inteligente,
el cual provoca que cuando dos mensajes se presentan en el bus, uno prevalece
en el mismo y el otro espera su turno. Es un bus asíncrono por lo
tanto sus mensajes empiezan con un bit de inicio y terminan con un bit de
paro. Entre estos dos bits existen el campo de identificador, datos, CRC
(manera de checar posibles errores) y otros bits de propósito especial.
En esta tesis se verá como estás características son
implementadas en los módulos CAN de algunos microcontroladores.
El protocolo se originó para ser usado en el área automotriz,
su eficiencia logro que se extendiera en el ámbito industrial. Y
según algunas predicciones este protocolo será tan usado como
el protocolo RS232 en alguna época. Los fabricantes de autos empezaron
implementando CAN en el año 2003 y continuarán ampliándolo
a todos sus vehículos, se estima una aplicación impresionante
para el año 2008. La normatividad entorno a CAN también será
obligatoria en los nuevos programas estatales de Emisiones, Inspección
y Mantenimiento, y podría ser retomada para los programas ya existentes.
En algunas plantas automotrices existe una producción diaria de 800
unidades, de las cuales 10 a la semana presentan problemas en la
configuración de los cerebros, provocando que en algunos casos se
vuelvan a desmontar los autos, produciendo muchas pérdidas
económicas, tanto por el tiempo desperdiciado, como por no poder vender
las unidades. Por tal motivo es importante hacer aplicaciones con este tipo
de nueva tecnología. Esta tesis esta orientada a este tema con la
intención de que cada vez se hagan más aplicaciones o
investigaciones sobre este tema y ayudar al ramo automotriz a generar un
diagnostico eficiente y rápido.
Circuitos abiertos o cortos circuitos presentes en las líneas de
comunicación que recorren el vehículo son considerados una
de las mayores causas de fallas en los sistemas de comunicación. Un
problema que enfrenta este protocolo son los posibles cortos de las dos
señales a tierra o a fuente. Originando que la confiabilidad de la
información presente en el bus disminuya. Los más avanzados
transceivers tienen la capacidad de monitorear el bus para lograr detectar
cualquiera de las dos anomalías anteriormente mencionadas. Sin embargo,
son muy costosos y difíciles de conseguir. El primer intento de la
elaboración de este proyecto fue conseguir uno de estos transceivers,
pero la dificultad de lo mismo obligo a buscar en el diseño propio
para satisfacer esta necesidad. Por lo tanto esta tesis se propone hacer
el monitoreo del bus para detectar algún corto en el mismo.
Basándose en que usando un poco de ingenio se pueden lograr circuitos
baratos con elemento fáciles de conseguir. En esta tesis se presenta
un circuito detector de cortos en el bus que dará la pauta para generar
un mensaje de notificación en la interfaz del mismo proyecto. Avisando
cual es la anomalía presente; esto último es una ventaja sobre
los transceivers más modernos, porque estos últimos indican
la presencia de anomalías en el bus, pero no son capaces de avisar
cual es el corto presente.
Esta tesis se enfoca principalmente al manejo de las capas: físicas
y de enlace de datos del bus CAN. Con la intención de que futuras
generaciones tengan ideas sobre este protocolo y al enfrentarse a protocolos
orientados a la capa de aplicación del bus CAN como Devicenet en el
área industrial o KWP2000 en el área automotriz se tenga una
noción profunda sobre los fundamentos del protocolo base.
Un aporte más de este proyecto es la interfaz realizada en Visual
Basic 6. la misma promueve una tendencia muy moderna como lo es el monitoreo
remoto. Es decir, la interfaz cuenta con un sistema cliente-servidor, el
cual emplea el protocolo TCP/IP para entablar comunicación. Por tal
motivo, un usuario podría monitorear un sistema CAN sin la necesidad
de estar físicamente cerca del proceso o aplicación. Una inquietud
importante se viene a la mente al pensar que pasaría si el usuario
remoto requiere ciertas condiciones especiales o la conexión del sistema
con la tarjeta de adquisición diseñada en este proyecto. Para
resolver este problema, la interfaz cuenta con un chat personalizado entre
el cliente y el servidor. Mediante el cual el usuario remoto estrenaría
sus necesidades al usuario local para así poder lograr un monitoreo
adecuado.
Pues bien, en esta tesis se presenta la manera de diseñar una tarjeta
de adquisición de datos de una red CAN con el objeto de facilitar
el monitoreo de los buses para los técnicos que trabajan en la industria
automotriz. Con este sistema los técnicos pueden hacer pruebas cuando
se requiera la implementación de nuevas funciones o para el depuramiento
de otras. Una faceta importante del proyecto es su conectividad. Ya que su
interfaz permite una comunicación cliente - servidor mediante el protocolo
TCP/IP. Con lo cual se puede lograr una supervisión de las redes CAN
de manera remota. Con estas herramientas se busca minimizar los tiempos de
detección de errores en las líneas de producción automotriz
y por lo tanto incrementar la productividad.
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