Contexto



En el automóvil existen una gran cantidad de dispositivos especializados en llevar a cabo funciones de medición, actuación o control. El buen funcionamiento del vehículo depende de la acción coordenada de todos estos sistemas. A esto se debe la necesidad de comunicar cada dispositivo con el resto del vehículo.

Los sistemas electrónicos proporcionan una vasta gama de herramientas tecnológicas para llevar a cabo esta tarea. Desde los años setenta se han trabajado tecnologías de comunicación. La comunicación entre dispositivos electrónicos supone la existencia de una red de comunicación.


  • ¿Sabías que el correcto funcionamiento del vehículo depende del trabajo coordenado de múltiples subsistemas electrónicos conectados a través de una red?

Explicación

6.1 Introducción a las redes de comunicación

Una red de comunicación es un sistema cuyo propósito es interconectar dos o más dispositivos, es un sistema físico a través del cual un conjunto de dispositivos pueden intercambiar información. Se le conoce como medio de comunicación al componente físico que permite la comunicación.

El medio de comunicación puede ser:



Cable de cobre




Fibra óptica




Aire a través del cual se transmiten ondas de radio



El medio físico determina como se interconectan los dispositivos, así como el alcance de la red y otras características como la robustez ante perturbaciones.

6.2 Arquitecturas de comunicación

En topología de redes de comunicación hay dos conceptos clave. El primero es el concepto de nodo; el segundo es el concepto de conexión. Un nodo representa un punto de acceso a la red de comunicación. Típicamente, un nodo se puede asociar con un dispositivo. Sin embargo, hay dispositivos complejos que pueden requerir múltiples puntos de acceso a la red. En este caso el dispositivo está asociado con múltiples nodos. Una conexión modela la interacción entre nodos. El resultado de la conexión de múltiples nodos es un grafo que representa la topología de la red de comunicación.

Un concepto muy importante que te servirá para comprender mejor todas las topologías de red es el concepto de maestro y esclavo. Un nodo maestro es capaz de manejar la comunicación en una red. Todos los nodos que reciben pasivamente las instrucciones de un nodo maestro se identifican como nodos esclavos porque siguen las instrucciones del nodo maestro. En una red se pueden tener varios nodos maestros y esclavos. En las redes más complejas los nodos pueden cambiar papel pasando a ser de escavo a maestro y al revés.

Haz clic en el nombre de la topología para conocer más detalle.

La topología de bus lineal tiene como elemento central un cable único al cual se conectan todos los nodos, como se muestra en la figura 2. Nota que todos los nodos están conectados a una línea común (el bus lineal). Esta topología hace extremadamente sencillo agregar otros subscriptores. Si uno de los nodos falla, la información que se espera de este nodo ya no estará disponible para los demás nodos de la red. Pero los nodos restantes pueden continuar el intercambio de información. Sin embargo, una red con esta topología falla completamente si la línea principal está defectuosa, puede ser por un cable roto.

Figura 2.Topologías fundamentales de redes de comunicación Topología de bus lineal

Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.

La topología de estrella consiste de un nodo principal, conocido como hub o repetidor, al cual se conectan todos los demás nodos. Gracias a la sencillez de esta topología es muy fácil extender su capacidad, si existen conexiones disponibles. Como se mencionó anteriormente, existe un nodo central, en esta red todos los nodos se conectan a éste. Lo que significa que el rendimiento de este tipo de red está directamente ligado a la capacidad de esta computadora central. De igual forma, si el nodo central cae, la red queda deshabilitada.

Figura 3. Topologías fundamentales de redes de comunicación Topología de estrella

Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.


En el área automotriz este tipo de estructura está bajo discusión para sistemas de seguridad como los frenos.

La forma en que se está abordando el problema es hacer un sistema redundante, es decir, se tienen varios nodos centrales conectados en paralelo.

En la topología de anillo cada nodo está conectado con sus dos vecinos, esto crea un anillo cerrado. La forma en que funciona es que un nodo transmite información a uno de los vecinos; en caso de que la información no sea para este dispositivo, la información es repetida al siguiente y así sucesivamente hasta llegar a su destino final. En esta topología si un dispositivo falla, aún queda una vía para comunicar todos los demás dispositivos, en caso de fallos múltiples la comunicación se interrumpe por completo.

Figura 4. Topologías fundamentales de redes de comunicación Topología de anillo

Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.

En una topología de malla cada nodo está conectado a uno o más nodos. En el caso de una malla completa todos los dispositivos están conectados con todos. En esta red, si un nodo o conexión falla, es posible mandar la información por una ruta alterna. Por esta razón esta topología tiene un alto grado de estabilidad. Sin embargo, el costo de implementación y de transmisión de un mensaje es bastante alto.

Figura 5. Topologías fundamentales de redes de comunicación Topología de malla

Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Dryive (5ª ed.). Germany: Springer.

La representación de la topología física describe como cada nodo está interconectado por los medios de comunicación (cables, fibras, entre otras). La representación de la topología lógica describe como cada nodo está relacionado lógicamente con los demás nodos de la red. Por ejemplo, una red de computadoras puede estar conectada con un topología física tipo estrella, mientras que la conexión lógica de las mismas computadoras presenta una topología lógica tipo malla.

Cuando muchos dispositivos comparten el medio de comunicación, se hace necesario un mecanismo para asegurar que el mensaje que un dispositivo envía llegue a su destino sin alteraciones. Hay dos mecanismos que se implementan para tal propósito:

1. El direccionamiento es un mecanismo de control que se implementa enviando informaciones de control junto con la información de interés (denominada también payload). Parte de esta información de control es la dirección del nodo destino. El direccionamiento es de suma importancia ya que asegura la entrega del mensaje.

Existen diferentes formas de direccionamiento:

  • Por subscripción
  • Por mensaje
  • Por transmisión
  • Con el método de direccionamiento por subscripción la información se intercambia con base en la dirección de los nodos. El mensaje enviado por el transmisor contiene la información que se desea transmitir, además de la dirección del nodo destino. Todos los nodos receptores comparan su dirección con la dirección de envío, y sólo el receptor con la dirección correcta evalúa el mensaje. La mayoría de los sistemas convencionales de comunicación operan bajo este principio.
  • El método de direccionamiento por mensaje consiste en el direccionamiento del mensaje en lugar del nodo. Dependiendo del contenido del mensaje se le asigna un identificador que ha sido predefinido para ese tipo de mensaje. En este enfoque el dispositivo transmisor no necesita saber nada sobre el destino del mensaje, ya que cada nodo de manera individual decide si procesar o no el mensaje.
  • Las características de una transmisión también pueden utilizarse para identificar un mensaje. Esto es el principio de funcionamiento del método de direccionamiento por transmisión. Si un mensaje es siempre transmitido en una determinada ventana de tiempo, puede ser identificado en base a su posición. Normalmente este método se combina con alguno de los dos anteriores.

2. El método de acceso al medio se enfoca en establecer las reglas para que dos nodos no envíen al mismo tiempo información en el medio, ya que esta situación generaría la alteración de la misma información.

Existen dos categorías de métodos de acceso al medio:

Métodos determinísticos: en estos casos el acceso al medio está determinado por ciertas características de tiempo dependientes de la red, por lo que sólo un nodo puede transmitir a la vez.


Métodos casuales: en estos casos cualquier nodo puede intentar transmitir si el medio parece estar libre.

En el primer método los derechos de acceso al medio son determinados antes de intentar la comunicación. Por ello se puede asegurar que sólo un subscriptor está usando el medio. Las colisiones de mensajes se evitarán si todos los subscriptores usan este método.

En el método casual todos los nodos pueden intentar simultáneamente utilizar el bus en cuanto parezca estar libre. La sincronización del acceso al bus es, por lo tanto, al azar. Existe un riesgo de colisión de mensajes utilizando este método. Esto se resuelve repitiendo las transmisiones al detectar que una colisión se ha generado.

La administración de una red de comunicación es una tarea compleja. Por ello es oportuno dividir las tareas en conjuntos de operaciones más sencillas. Un modelo de referencia universalmente aceptado para esta división lógica de operaciones es el modelo OSI. El acrónimo OSI quiere decir Open System Interconnection (Ribbens, 2012).

El modelo de referencia OSI provee las bases para describir y comparar múltiples protocolos de comunicación. Fue desarrollado por la ISO (International Standardization Organization) y adoptado por la IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers).

El modelo OSI de ISO es un conjunto de reglas (protocolo). Se trata de un estándar público que determina las reglas de comunicación entre dos o más dispositivos.

El modelo OSI define siete capas. En cada capa se lleva a cabo una tarea específica de comunicación. Las capas superiores del modelo definen funciones generales que están soportadas por funciones siempre más específicas de las capas inferiores. Por lo tanto, resulta que la capa 1 de la pila OSI se dedica a funciones básicas como la conversión de la información en señales eléctricas y la capa 7 de la pila OSI se dedica a funciones avanzadas como la interfaz con el usuario.

Figura 6. Modelo OSI. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive

Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.


La tarea de transmisión de datos está distribuida entre áreas funcionales (capas) organizadas. No todas las capas del modelo OSI son necesarias en un sistema de comunicación. Los protocolos de red en el área automotriz normalmente están divididos en:

Haz clic en el nombre de cada capa para conocer más detalle.

Los parámetros eléctricos y de procedimiento de la conexión física entre los nodos de la red están definidos en la capa de red.

Los niveles de la señal son parte de la definición de la capa física. En las tecnologías digitales la información se representa por secuencias de dos estados binarios (bit), 0 y 1. Los estados binarios pueden ser representados de varias maneras. Por ejemplo, la interfaz serial en la computadora personal utiliza niveles de +12V y -12V, y en el caso del bus CAN-B utiliza voltajes de 0V y 5V. Dentro de la especificación de la capa física se encuentra la forma en que se transmiten los mensajes de información como flujo de señales eléctricas.

Las unidades de control sólo pueden interconectarse e intercambiar datos si hablan el mismo lenguaje. Este lenguaje determina las reglas que serán utilizadas para intercambiar información entre los nodos individuales de la red. La capa de comunicación acepta datos de la capa de aplicación, los prepara para su transmisión y los reenvía a la capa física. Las principales características de esta capa son:

  • Formato del mensaje
  • Control de acceso al medio
  • Direccionamiento
  • Detección y manejo de colisiones
  • Sincronización de nodos de red
  • Cálculo del checksum

Esta capa consiste en la aplicación que procesa y provee la información. La capa de aplicación es la única capa que es afectada por el usuario.

Cierre



Es importante conocer los conceptos fundamentales relacionados con las redes de comunicación automotriz. El enfoque que se maneja es visualizar el vehículo como un conjunto de ECU interconectadas por una o múltiples redes de comunicación.

Revisa a continuación el Checkpoint:

Asegúrate de comprender

  • Por qué se desarrollaron las redes de dispositivos en el automóvil.
  • El concepto de maestro y esclavo en el contexto de las redes de comunicación.
  • Cuáles son los protocolos más utilizados en el automóvil.

Referencias