Antecedentes, características y aplicaciones del protocolo CAN

El protocolo CAN presenta grandes ventajas cuando se emplea en pequeños sistemas de control. Como se mencionó con anterioridad, se trata de un bus de campo de alta velocidad y baja funcionalidad, esto se debe principalmente a que opera en las primeras dos capas del modelo OSI. Para implementar la capa de aplicación de dicho modelo y entender su operación en buses como DeviceNet o CANopen, es fundamental conocer el funcionamiento básico del protocolo CAN, lo cual incluye a las tramas de datos vistas

como niveles de tensión, así como la relación que existe entre las velocidades de transmisión alcanzadas y la longitud máxima del bus.

El origen del protocolo CAN hace referencia a la industria del automóvil. Con el tiempo, dicha industria demandó mayor seguridad en sus vehículos con la finalidad de satisfacer las necesidades de los usuarios finales, además, se propuso disminuir la emisión de gases tóxicos a la atmosfera. Para ayudar a resolver estos problemas, se incluyeron diversos dispositivos electrónicos y electromecánicos en la estructura del automóvil. La cantidad de dichos dispositivos fue en aumento conforme crecieron las necesidades y aplicaciones automotrices. Como ejemplo de estos dispositivos se incluyen los siguientes: frenos ABS o sistema antibloqueo (del alemán Antiblockiersystem), control de cambios, control de iluminación, aire acondicionado, bolsas de aire y cierre centralizado de puertas. Estos sistemas ayudaron a resolver la problemática planteada anteriormente: comodidad y seguridad para el usuario final y la disminución del consumo de combustible, con lo que se redujeron las emisiones toxicas al medio ambiente [7].

Los diferentes sistemas de control (incluyendo a sus sensores) debían intercambiar información para mejorar el comportamiento global del automóvil, por lo que inicialmente se implementó una interconexión punto a punto entre los diferentes sistemas. Con el paso del tiempo, la complejidad en el intercambio de información se incrementó a tal grado que sería necesaria una red con un extenso cableado y con una enorme cantidad de conectores para concretar la comunicación. Esto generó algunos problemas: costo elevado del material necesario para el sistema, gran inversión de tiempo para su producción, así como su alta complejidad y poca confiabilidad. Para solucionar estos problemas, fue necesaria la conexión de los dispositivos de campo a través de un bus serial, de esta forma nació el protocolo CAN. Este sistema de comunicación remplazó el cableado punto a punto por una red que interconectaría a todos los sistemas de control, eliminando el cableado de un procesador central hacia cada uno de los diferentes nodos.

El protocolo CAN fue desarrollado por la compañía alemana Robert Bosch GmbH a mediados de la década de 1980, dicha empresa es titular de la licencia CAN. Se trata de un avanzado sistema de bus serial, el cual soporta de manera eficiente a los sistemas de control

Estandarización Internacional (ISO) y por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). Basa su operación en la capa física y de enlace de datos del modelo ISO/OSI.

El protocolo CAN es empleado con mayor frecuencia en redes internas de automóviles así como en el sector de la automatización industrial, aunque ha encontrado lugar en otras aplicaciones tales como son: redes de control para trenes, interconexión de equipo médico, automatización de edificios, aplicaciones en redes domésticas así como en la automatización de oficinas (ofimática).

CAN es el protocolo líder para la industria del automóvil en Europa y su popularidad se ha extendido a nivel mundial. En la actualidad, el número de controladores CAN distribuidos alrededor del mundo es muy extenso, para el año 2000 se estimó una existencia de 140 millones.

A continuación se presentan las características principales del protocolo CAN:  Bus multimaestro.

 El número de nodos no se encuentra limitado por el protocolo.

 Los nodos conectados al bus no tienen una dirección específica. El destino de la información está contenido en el identificador del mensaje transmitido.

 El número de nodos se puede modificar de forma dinámica sin perturbar la comunicación de los otros nodos. Se trata de un bus plug & play.

 El protocolo CAN puede operar con la multidifusión (Multicasting) y la difusión masiva (Broadcasting) de mensajes.

 El bus CAN ofrece una alta inmunidad frente a interferencias electromagnéticas gracias a que implementa la transmisión con señales diferenciales.

 Ofrece una sofisticada detección de errores (verificación por redundancia cíclica o CRC).

 Cuando suceden errores permanentes en el bus, los nodos defectuosos se desconectan automáticamente.

 El medio de trasmisión más utilizado es el cable de par trenzado.

 Los mensajes tienen una longitud relativamente corta, con un máximo de 8 bytes en el campo de datos.

 Baja latencia entre la solicitud de trasmisión y su inicio real.

 El protocolo CAN opera con dos estados o niveles de bus llamados “dominante” y

“recesivo”.

 Emplea una lógica de bus invertida, lo cual implica que los “bits dominantes” que se presenten en el bus equivalen al nivel “cero” lógico del controlador CAN, y los

“bits recesivos” equivalen al nivel “uno” lógico de dicho controlador.

 El protocolo CAN puede operar con cuatro tipos de tramas diferentes: trama de datos, trama remota, trama errónea y trama de sobrecarga.

La tabla 1.3 presenta un resumen de los principales beneficios que ofrece el protocolo CAN.

Tabla 1.3: Principales beneficios que ofrece el protocolo CAN.

Beneficios Propiedades/Características

Económico

 Bus serial de dos hilos (par trenzado)  Existen muchos controladores CAN

de bajo costo debido a la producción masiva de dichos dispositivos.

Confiabilidad

 Cada nodo presente en el bus es informado de la existencia de errores  Ofrece alta inmunidad a las

interferencias electromagnéticas

Ejecución en tiempo real

 Baja latencia entre la petición de la transmisión y su inicio real

 Método de acceso al medio utilizado: Acceso Múltiple por Detección de Portadora, con Detección de

Colisiones y Arbitraje por Prioridad de Mensaje (CSMA/CD+AMP,

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration Message Priority)

 Bus multimaestro Flexibilidad

 Cada nodo CAN tiene la capacidad de acceder al bus

 La comunicación del bus no se ve afectada por nodos defectuosos Rapidez

 La tasa máxima de transmisión es de 1 [Mbps] a una longitud de bus de 40 [m]

Difusión masiva de mensajes (Broadcasting)

 Todos los nodos reciben los datos simultáneamente

Estandarización

 ISO11898. (aplicaciones de alta velocidad)

 ISO11519-2 (aplicaciones de baja velocidad)

1.5 Protocolo CAN y el estándar ISO 11898

El estándar ISO 11898 especifica las características de la tecnología del bus de comunicación serial CAN, el cual está orientado al control distribuido en tiempo real. Este documento especifica principalmente la capa física y de enlace de datos del protocolo CAN para aplicaciones automotrices. Se divide en las siguientes cinco partes:

Parte 1.- Capa de enlace de datos y señalización física: describe la capa de enlace de datos incluyendo a la subcapa de control de enlace lógico (LLC) y la subcapa para el control de acceso al medio (MAC), así como también a la subcapa de señalización física (PLS).

Parte 2.- Unidad de acceso al medio de alta velocidad: define la unidad de acceso al medio de alta velocidad (MAU) (tasas de transferencia de hasta 1 Mbps), y algunas características de la interfaz dependiente del medio (MDI), la cual comprende a la capa física del protocolo CAN. Se especifican las tasas de transferencia en relación con la longitud máxima de bus, así como los límites de la impedancia característica de la línea de transmisión.

Parte 3.- Interfaz dependiente del medio con tolerancia a fallas y baja velocidad: especifica a la interfaz dependiente del medio con tolerancia a fallas, para la configuración del intercambio de información digital entre las unidades de control electrónico de los vehículos equipados con módulos CAN, empleando tasas de transferencia desde los 40 kbps hasta los 125 kbps.

Parte 4.- Comunicación activada por tiempo: se aplica en la configuración del tiempo de activación para el intercambio de información digital entre las unidades de control electrónico (ECU) de los vehículos equipados con módulos CAN.

Parte 5.- Unidad de acceso al medio de alta velocidad en el modo de bajo consumo de energía: representa una extensión de la parte ISO 11898-2, la cual especifica nuevas funcionalidades para los sistemas que requieren un bajo consumo de energía cuando el bus de comunicación se encuentra inactivo.