Contexto
Las exigencias del mercado de contar con gran cantidad de funciones como video, Bluetooth, sistema de navegación, sistema de audio, cámara de visión trasera, sistema de seguridad, entre otras tantas, han impulsado la innovación y creación a nuevos protocolos que soporten una alta transmisión de datos y conexión lógica de más dispositivos.
La electrónica para la industria automotriz está incorporando una amplia gama de controladores que se comunican a través de una amplia variedad de canales. Cuando se requiere trabajar con un ancho de banda mayor, los fabricantes confían en otros protocolos, como FlexRay o MOST.
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Explicación
El bus MOST (Media Oriented Systems Transport) fue específicamente diseñado para la comunicación de red de los sistemas entretenimiento en un vehículo. En adición a las funciones tradicionales de entretenimiento, como el radio o CD players, dichos sistemas también ofrecen funciones de video (DVD y TV), habilidades de guía de ruta y acceso a comunicaciones móviles. Estos sistemas se identifican también como sistemas de comunicación infotainment.
Los sistemas infotainment requieren una alta tasa de transmisión de datos y de sincronización entre la fuente y el receptor, así como entre receptores. Actualmente, puede ser encontrado en más de 35 modelos de vehículos de distintos fabricantes.
El bus MOST soporta la conexión lógica de hasta 64 dispositivos. En su versión actual, el bus MOST ofrece tasas de transferencia de datos de 24.8 MBit/s (MOST 25). Algunas versiones con tasas más altas de 50 Mbit/s (MOST 50) y 150 Mbit/s (MOST 150) ya están disponibles para modelos en desarrollo.
El sistema MOST está configurado en una topología tipo anillo, donde un dispositivo está conectado a su predecesor o sucesor en el anillo por medio de una entrada o salida, respectivamente. Uno de los dispositivos actúa como el temporizador maestro y genera marcos de datos para transferencia de información con los cuales los otros dispositivos se sincronizan.
Existen otras posibles estructuras para un sistema MOST, por ejemplo, la topología tipo estrella. Sin embargo, internamente éstas deben configurarse para formar un anillo (lógico).
Figura 1. Topología de la red MOST.
Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5th Ed.). Germany: Springer.
Originalmente, el bus MOST se definió como un agente de transmisión óptico que usa fibra óptica plástica (POF). Los cables POF usados en aplicaciones automotrices consisten de un núcleo óptico de 980 µm de grueso, protegido por una capa de 20 µm con bajo índice de refracción. Por lo tanto, en total, el conductor óptico tiene un diámetro de 1 mm.
La transferencia de datos en el bus MOST está organizada en tramas de datos, las cuales son generadas por el temporizador maestro con una tasa de transferencia fija y pasada a otros dispositivos en el anillo.
Normalmente, el temporizador maestro genera tramas de datos con un ciclo de 44.1 kHz., y en casos más raros 48 kHz. El ciclo es definido por el fabricante para satisfacer los formatos en su sistema. El tamaño de la trama de datos, por extensión, determina la velocidad del bus. En el MOST 25, el tamaño de la trama de datos es de 512 bits.
La trama de datos está compuesta por los siguientes campos:
En el caso de MOST 25, las áreas síncronas y asíncronas demandan 60 bytes de la trama. La distribución entre los canales síncronos y asíncronos está determinada por el valor del descriptor límite con una resolución de 4 bytes. El área síncrona debe tener al menos 24 bytes (6 canales estéreo). Esto significa que de 24 a 60 bytes están permitidos para el área síncrona y de 0 a 36 bytes para el área asíncrona.
Figura 2. Estructura de un frame MOST.
Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5th Ed.). Germany: Springer.
El estándar MOST define un protocolo adecuado en la capa de aplicación para la transmisión de comandos de control, información y eventos. Este protocolo hace posible abordar una función específica de una interfaz de aplicación (por ejemplo, un FBlock). Por ejemplo, es posible empezar a escuchar un CD en un CD player separado o pedir el número de canción que se escucha actualmente.
El protocolo para control de mensajes provee los siguientes elementos de un mensaje de control:
Figura 3. Elementos de un mensaje de control MOST.
Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5th Ed.). Germany: Springer.
FlexRay es un protocolo de comunicación de campo diseñado para soportar el control en lazo abierto y enlazo cerrado de sistemas automotrices. FlexRay fue inicialmente desarrollado por BMW y Chrysler en el 1999. Actualmente está mantenido por el FlexRay Consortium.
Figura 4. Evolución de los protocolos
Fuente: Fujitsu Microelectronics (2006, Jun). [En línea]. Next Generation Car Network - FlexRay. Disponible en: http://www.fujitsu.com/downloads/CN/fmc/lsi/FlexRay-EN.pdf
FlexRay se enfoca en el desarrollo de sistemas seguros, ya que implementa mecanismos de funcionamiento tolerante a fallas. Otra característica importante de FlexRay es que admite el intercambio de datos a altas velocidades.
Las aplicaciones principales de FlexRay son el control del drivetrain y el desarrollo de sistemas x-by-wire en los cuales se requiere seguridad activa.
Para garantizar el funcionamiento seguro y tolerante a fallas, FlexRay usa un acceso al medio determinístico. Es decir, un sistema de acceso al medio controlado en base a intervalos de tiempo. Por lo tanto, el funcionamiento de FlexRay se rige por ciclos de trabajo. La unidad base de cada ciclo es el minislot. Un minislot es la ventana de tiempo en la cual el mensaje FlexRay puede ser transmitido.
El ciclo de trabajo de FlexRay se divide en dos partes. La primera parte del ciclo usa un control de acceso al medio de tipo TDMA (Time Division Multiple Access).
Existe también una parte del ciclo que se deja para accesos dinámicos no determinísticos. Este espacio puede ser ocupado para la comunicación de dispositivos no críticos, por ejemplo los sistemas del vehículo relacionados con el confort del pasajero. Durante esta parte del ciclo los mensajes son priorizados por ID. Bajo este enfoque el FlexRay usa un tipo de acceso al medio flexible o FTDMA (Flexible Time Division Multiple Access).
La seguridad de FlexRay se da gracias a un sistema de canales de transmisión redundantes. FlexRay admite el equipamiento de dos canales de comunicación. El segundo canal de comunicación puede utilizarse o para respaldar la información que se envía normalmente o para aumentar el ancho de banda de transmisión. FlexRay opera a una velocidad máxima de 10 Mbit/s. También se soportan velocidades de transmisión de 2.5 y 5 Mbit/s.
La topología de una red FlexRay puede ser de varios tipos:
Figura 5. Topología tipo BUS
Fuente: FlexRay Communications System (2004-2005).[En línea] Protocol Specifications V2.1, Rev A. Disponible en: http://www.softwareresearch.net/fileadmin/src/docs/teaching/SS08/PS_VS/FlexRayCommunicationSystem.pdf
Figura 6. Topología tipo Estrella
Fuente: FlexRay Communications System (2004-2005).[En línea] Protocol Specifications V2.1, Rev A. Disponible en: http://www.softwareresearch.net/fileadmin/src/docs/teaching/SS08/PS_VS/FlexRayCommunicationSystem.pdf
Figura 7. Topología tipo estrella en cascada
Fuente: FlexRay Communications System (2004-2005).[En línea] Protocol Specifications V2.1, Rev A. Disponible en: http://www.softwareresearch.net/fileadmin/src/docs/teaching/SS08/PS_VS/FlexRayCommunicationSystem.pdf
Figura 8. Topología tipo híbrida
Fuente: FlexRay Communications System (2004-2005).[En línea] Protocol Specifications V2.1, Rev A. Disponible en: http://www.softwareresearch.net/fileadmin/src/docs/teaching/SS08/PS_VS/FlexRayCommunicationSystem.pdf
Cierre
Cada vez más, las características clave de la electrónica automotriz de hoy día se llevan a cabo en sistemas integrados, que consisten en una combinación de hardware y software complejos. Por ejemplo, los dispositivos con sensores digitales y buses están rápidamente desplazando a los viejos indicadores mecánicos en los vehículos automotrices.
Revisa a continuación el Checkpoint:
Asegúrate de comprender
Referencias