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Título: BUS CAN
J. GUISANDEZ
Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas.
Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2009-2010
RESUMEN
Los sistemas son cada vez más complejos, y aumenta el número de dispositivos a
controlar y con ello la cantidad de cables, es por esto que se decide desarrollar un
bus de campo capaz de tratar con este problema. Así fue como Bosch desarrollo el
bus can, el cual aunque inicialmente fue diseñado como un bus de campo, fue en el
automóvil donde demostró ser verdaderamente útil y ahora 28 años después de su
creación se ha convertido en el estándar que utilizan la mayoría de automóviles del
mundo debido a su fiabilidad robustez y alta inmunidad al ruido que le permiten
trabajar en entornos de transmisión difíciles ya sea por la temperatura las
vibraciones o las interferencias.
1. Introducción
Los automóviles han evolucionado mucho en los últimos años, nuevos motores, nuevos
combustibles, nuevos neumáticos, nuevos chasis, nuevos elementos de seguridad, tanto han
evolucionado que poco se parecen a los antiguos modelos salvo en que su funcionalidad es la
misma.
Pero esta evolución es aún mayor si nos fijamos en una parte del coche menos publica pero
que está presente en todas las partes del automóvil como es la electrónica, de los primeros coches
que carecían de electrónica alguna hemos pasado a coches donde la electrónica es vital haciéndola
imprescindible simplemente para poder arrancar el coche. La mayoría de los adelantos en seguridad
no tendrían ninguna utilidad si no fuese por la electrónica que los controla y regula. La electrónica
ha creado coches más seguros eficientes y cómodos.
Figura 1. Múltiples sensores del bus CAN
Pero todo este avance tiene sus inconvenientes, cuantas más funciones realiza la electrónica
mas sensores y actuadores necesitamos repartir por todo el coche, habitualmente unos 70 en un
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coche actual (Fig 1), y junto con estos sus cables correspondientes para transmitir la información y
las ordenes, acabando con kilómetros de cable en un solo coche
Por todo esto era necesaria la creación de un protocolo de comunicaciones robusto, ya que
entre sus funciones hay funciones de seguridad, y con un uso más eficiente de los cables, ya que
quitar cable significa reducir el dinero necesario para su construcción así como su peso final y su
volumen. Entonces apareció el bus CAN (Controller Area Network). Fue patentado por la firma
alemana Bosch en el año 1982 y aunque inicialmente fue diseñado como un bus de campo de
propósito general, fue en su aplicación al automóvil donde ha demostrado su valía. Aunque fue
patentado en el 82 no fue hasta 10 años después cuando por fin fue llevado a un coche, el Mercedes
clase E. En la actualidad el sistema está muy extendido estando incorporado en la mayoría de
coches nuevos.
2. Características principales.
Bus CAN es un estándar de un bus serie multimaestro que permite la conexión de varias
unidades de control electrónicas. Esto permite a todos los nodos enviar o recibir información
aunque no de modo simultaneo. La señal es enviada en formato serie con codificación NRZ y es
recibida por todos los elementos conectados al bus. Los elementos conectados pueden ser
principalmente dos sensores y actuadores, estos dispositivos no suelen estar conectados
directamente al bus sino que lo están a través de un controlador.
Si el canal esta libre cualquier dispositivo puede iniciar la transmisión, en el caso de que
varios dispositivos quieran emitir a la vez un sistema de prioridades decide quien emite primero, en
este sistema normalmente tendrán prioridad aquellas señales destinadas a la seguridad como podrían
ser las señales del ABS el ESP o el airbag y las menores prioridades están asociadas a sistemas
secundarios como puede ser la radio.
El bus CAN es capaz de proporcionar un bit rate de hasta 1Mbit/s en distancias inferiores a
40 metros, que son las que nos encontramos en un coche, al aumentar la distancia de nuestra red, se
reduce la velocidad máxima que podemos utilizar, por ejemplo para una distancia de medio
kilometro tendríamos una velocidad máxima de 128Kbit/s. En los coches por razones de seguridad
se suelen usar velocidades comprendidas entre los 128kbit/s y los 512Kbit/s [1].
3. Hardware.
El sistema bus CAN utiliza distintos aparatos de hardware que ahora se explican
3.1 Cables.
La información circula por dos cables trenzados que unen todas las unidades de control que
forman el sistema. Esta información se trasmite por diferencia de tensión entre los dos cables, de
forma que un valor alto de tensión representa un 1 y un valor bajo de tensión representa un 0. La
combinación adecuada de unos y ceros conforman el mensaje a trasmitir.
En un cable los valores de tensión oscilan entre 0V y 2.25V, por lo que se denomina cable
Low (L) y en el otro, el cable High (H) lo hacen entre 2.75V. y 5V (Fig 2). En caso de que se
interrumpa la línea H o que se derive a masa, el sistema trabajará con la señal de Low con respecto
a masa, en el caso de que se interrumpa la línea L, el sistema trabajara con la señal High con
respecto a masa. Este hecho hace que el sistema sea muy robusto ya que permite que el sistema
siga trabajando con uno de los cables cortados o comunicados a masa, incluso con ambos
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comunicados también sería posible el funcionamiento, quedando fuera de servicio solamente
cuando ambos cables se cortan. Esto hace que el sistema resultante sea muy fiable.
Hay que tener en cuenta que el trenzado de los cables no es casual sino que sirve a un
propósito doble, primero y menos importante el trenzado del cable aumenta la resistencia mecánica
del mismo haciéndolo más resistente. La segunda y más importante razón es que el trenzado sirve
para anular los campos magnéticos reduciendo el nivel de ruido e interferencias reduciendo la
posibilidad de que la información se corrompa durante el envió de la misma a través de los cables.
Figura 2. Par trenzado
3.2 Elementos de cierre o terminadores.
Estas resistencias (Fig 3) colocadas en los extremos de bus tienen como función evitar
fenómenos de reflexión que podrían interferir con el mensaje y el correcto funcionamiento del
sistema. Estas resistencias son calculadas en función de la longitud de los cables y del número de
dispositivos conectados a la red. Por cuestiones económicas y sobre todo de seguridad estas
resistencias están alojadas en el interior de algunos de los elementos del sistema.
Figura 3. Resistencias de terminación
3.3 Controladores.
Los controladores son sistemas encargados de la comunicación entre la unidad de control y
el emisor receptor y se encargan de hacer de “interpretes” entre ambas partes posibilitando el
intercambio de información.
El controlador está incluido en cada unidad de control electrónica por lo que existirán tantos
como unidades tengamos conectadas (Fig 4), los controladores son sistemas de bajo consumo,
aunque mayor será este cuanto más rápido queramos que sea capaz de traducir la información, esto
nos lleva a que no todos los controladores son iguales sino que serán más o menos rápidos, es decir
gastaran más o menos, es decir más o menos caros según la importancia de la función a la que estén
asociados, por ejemplo aquellos relacionados con el motor los frenos o el cambio de marchas suelen
trabajar en el orden de las 500 kbaudios, mientras que en los sistemas de confort, que no son
críticos, las velocidades rondan solo los 62.5 kbaudios.
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Figura 4. Disposición de los controladores
3.4 Transmisor / Receptor.
Es el sistema que se encarga, como su propio nombre dice, de enviar y de recibir los
mensajes que circulan por el así como de acondicionar y preparar la información, ya sea para
enviarla hacia el controlador como hacia el bus (Fig 5). Esta preparación consiste en situar los
niveles de tensión de forma adecuada, amplificando la señal cuando la información se vuelca en la
línea y reduciéndola cuando es recogida de la misma y suministrada al controlador.
Este componente está presente en todos los sistemas que cuelgan del bus que consiste
básicamente en un circuito integrado que en ningún caso modifica el contenido del mensaje, al
menos no de forma intencionada [2].
Figura 5. Conexiones entre los elementos
4. Modelo de capas en bus CAN.
Capa de enlace de datos
– Control de enlace lógico (LLC)
• Se encarga de los filtros de los mensajes.
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• Proporciona servicios durante la transferencia de datos y durante la petición de
datos remotos.
• Decide que mensajes recibidos de MAC se aceptan.
• Proporciona medios para el restablecimiento y para notificar la sobrecarga del bus.
– Control de acceso al medio (MAC)
• Representa el núcleo del protocolo CAN.
• Presenta los mensajes recibidos a la subcapa LLC y acepta los mensajes para ser
transmitidos a dicha subcapa.
• Es responsable de la trama de mensajes, arbitraje, reconocimiento, detección de
error y señalización.
• En esta subcapa se decide que si el bus está libre para comenzar una nueva
transmisión o si la recepción acaba de comenzar.
Capa Física.
– Define que señales se transmiten. Trata la descripción del bit de cronometraje, la
codificación de bit y la sincronización.
5. Tramas utilizadas.
Las redes que funcionan bajo tecnología CAN pueden utilizar dos tipos de trama, la trama
estándar también conocida como CAN 2.0 A con un cadena de identificación de 11 bits lo que
permite tener 2048 dispositivos distintos conectados, frente a la trama extendida con denominación
CAN 2.0 B, que dispone de 29 de identificador lo que permite la conexión de 536870912
dispositivos con conexión única e inequívoca. Los controladores que funcionan con tramas
extendidas son capaces de hacerlo también con tramas estándar. Existen cuatro tipos de tramas.
5.1Trama de datos.
Esta a su vez se divide en las ya comentadas estándar y extendida.
5.1.1Trama de datos estándar CAN 2.0 A
Nombre del campo Longitud(bits) Valor
Inicio de la trama 1 1 indica el inicio de la trama.
Identificador 11 Identificador inequívoco del dispositivo.
Remote transmission request (RTR) 1 0 no es una respuesta
Identifier extension bit (IDE) 1 0 aunque es opcional
Bit reservado 1 Bit reservado que tiene que ponerse a 0
Longitud del campo de datos 4 Numero de bytes de los datos
Campo de datos 0-64 Datos que se quieren transmitir
CRC 15 Comprobación de redundancia cíclica
Delimitador crc 1 1
ACK 1 1si se transmite 0 cero si se recibe
Delimitador ACK 1 1
Final de la trama 7 Siete unos, indica el final de la trama
Tabla 1. CAN 2.0 A
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Aunque como ya se ha comentado el sistema permitiría 2048 identificadores distintos las
direcciones de la forma 111 1111 xxxx no se utilizan por seguridad por lo que el número real de
identificadores es de 2032. El uso máximo de la red con este sistema es del 59.26% es decir como
máximo el 59.26% de los bits que se envían por el bus son de la información que realmente
queremos enviar.
5.1.2Trama de datos extendida CAN 2.0 B.
Nombre del campo Longitud(bits) Valor
Inicio de la trama 1 1 indica el inicio de la trama.
Identificador A 11 Primera parte del identificador.
Subtitute remote request (SRR) 1 1 aunque es opcional
Identifier extension bit (IDE) 1 1 aunque es opcional
Identificador B 18 Segunda parte del identificador
Remote transmission request (RTR) 1 0 no es una respuesta
Bits reservados 2 Bits reservados que tienen que ponerse a 0
Longitud del campo de datos 4 Numero de bytes de los datos
Campo de datos 0-64 Datos que se quieren transmitir
CRC 15 Comprobación de redundancia cíclica
Delimitador crc 1 1
ACK 1 1si se transmite 0 cero si se recibe
Delimitador ACK 1 1
Final de la trama 7 Siete unos, indica el final de la trama
Tabla 2. CAN 2.0 B
La combinación de los dos identificadores A y B nos da una identificación de 29 bits. En
este caso el uso máximo de la red se ve un poco reducido por culpa del identificador mayor, siendo
del 50%.
5.2 Trama remota.
Existen dos únicas diferencias entre una trama remota u una de datos (tabla 1y tabla 2), la
primera es que el campo RTR toma el valor uno en lugar de cero y la segunda es que no tiene
campo de datos. En el caso de que una trama remota y otra de datos con el mismo identificador se
transmitan a la vez la trama de datos tiene preferencia.
5.3 Trama de error.
La trama de error consiste únicamente de dos campos, el primero de ellos está compuesto
por la superposición de los flags de error de las diferentes estaciones, el segundo campo solamente
es el delimitador del error.
Así mismo se puede hablar de dos tipos de flags de error, primero los flag de error activo
que son trasmitidos por un nodo que ha detectado un error en la red que está en el estado de error,
error activo y después los flag de error pasivos que son trasmitidos por un nodo que ha detectado
una trama de error activa en la red que en el estado de error, error activo.
5.4 Trama de sobrecarga
La trama de sobrecarga también consiste de solo dos campos, el primero el del flag de
overload y el segundo el delimitador del overload.
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6. Funcionamiento del sistema bus CAN.
Las unidades de mando que se conectan al sistema Can-Bus son las que necesitan compartir
información, pertenezcan o no a un mismo sistema. En automoción generalmente están conectadas
a una línea las unidades de control del motor, del ABS y del cambio automático, y a otra línea (de
menor velocidad) las unidades de control relacionadas con el sistema de confort.
El sistema Can-Bus está orientado hacía el mensaje y no al destinatario. La información en
la línea es trasmitida en forma de mensajes estructurados en la que una parte del mismo es un
identificador que indica la clase de dato que contiene. Todas las unidades de control reciben el
mensaje, lo filtran y solo lo emplean las que necesitan dicho dato. Naturalmente, la totalidad de
unidades de control abonadas al sistema son capaces tanto de introducir como de recoger mensajes
de la línea. Cuando el bus está libre cualquier unidad conectada puede empezar a trasmitir un nuevo
mensaje.
En el caso de que una o varias unidades pretendan introducir un mensaje al mismo tiempo,
lo hará la que tenga una mayor prioridad. Esta prioridad viene indicada por el identificador.
El método de acceso al medio utilizado es el de 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) [3]. De
acuerdo con este método, los nodos en la red que necesitan transmitir información deben esperar a
que el bus esté libre (detección de portadora); cuando se cumple esta condición, dichos nodos
transmiten un bit de inicio (acceso múltiple). Cada nodo lee el bus bit a bit durante la transmisión de
la trama y comparan el valor transmitido con el valor recibido; mientras los valores sean idénticos,
el nodo continúa con la transmisión; si se detecta una diferencia en los valores de los bits, se lleva a
cabo el mecanismo de arbitraje [4].
El proceso de trasmisión de datos se desarrolla siguiendo un ciclo de varias fases:
Suministro de datos: Una unidad de mando recibe información de los sensores que tiene
asociados (r.p.m. del motor, velocidad, temperatura del motor, puerta abierta, etc.)
Su microprocesador pasa la información al controlador donde es gestionada y
acondicionada para a su vez ser pasada al trasmisor-receptor donde se transforma en señales
eléctricas.
Trasmisión de datos: El controlador de dicha unidad transfiere los datos y su identificador
junto con la petición de inicio de trasmisión, asumiendo la responsabilidad de que el mensaje sea
correctamente trasmitido a todas las unidades de mando asociadas. Para trasmitir el mensaje ha
tenido que encontrar el bus libre, y en caso de colisión con otra unidad de mando intentando
trasmitir simultáneamente, tener una prioridad mayor. A partir del momento en que esto ocurre, el
resto de unidades de mando se convierten en receptoras.
Recepción del mensaje: Cuando la totalidad de las unidades de mando reciben el mensaje,
verifican el identificador para determinar si el mensaje va a ser utilizado por ellas. Las unidades de
mando que necesiten los datos del mensaje lo procesan, si no lo necesitan, el mensaje es ignorado.
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Figura 6. Funcionamiento bus CAN
El sistema Can-Bus dispone de mecanismos para detectar errores en la trasmisión de
mensajes, de forma que todos los receptores realizan un chequeo del mensaje analizando una parte
del mismo, llamado campo CRC. Otros mecanismos de control se aplican en las unidades emisoras
que monitorizan el nivel del bus, la presencia de campos de formato fijo en el mensaje (verificación
de la trama), análisis estadísticos por parte de las unidades de mando de sus propios fallos etc.
Estas medidas hacen que las probabilidades de error en la emisión y recepción de mensajes
sean muy bajas, por lo que es un sistema extraordinariamente seguro.
El planteamiento del Can-Bus, como puede deducirse, permite disminuir notablemente el
cableado en el automóvil, puesto que si una unidad de mando dispone de una información, como
por ejemplo, la temperatura del motor, esta puede ser utilizada por el resto de unidades de mando
sin que sea necesario que cada una de ellas reciba la información de dicho sensor.
Otra ventaja obvia es que las funciones pueden ser repartidas entre distintas unidades de
mando, y que incrementar las funciones de las mismas no presupone un coste adicional excesivo.
Los sistemas de seguridad que incorpora el Can-Bus permiten que las probabilidades de
fallo en el proceso de comunicación sean muy bajas, pero sigue siendo posible que cables, contactos
y las propias unidades de mando presenten alguna disfunción.
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Para el análisis de una avería, se debe tener presente que una unidad de mando averiada
abonada al Can-Bus en ningún caso impide que el sistema trabaje con normalidad. Lógicamente no
será posible llevar a cabo las funciones que implican el uso de información que proporciona la
unidad averiada, pero sí todas las demás.
Por ejemplo, si quedase fuera de servicio la unidad de mando de una puerta, no funcionaría
el cierre eléctrico ni se podrían accionar el del resto de las puertas.
En el supuesto que la avería se presentara en los cables del bus, sería posible accionar
eléctricamente la cerradura de dicha puerta, pero no las demás. Recuérdese que esto solo ocurriría si
los dos cables se cortan o se cortocircuitan a masa.
También es posible localizar fallos en el Can-Bus consultando el sistema de auto diagnosis
del vehículo, donde se podrá averiguar desde el estado de funcionamiento del sistema hasta las
unidades de mando asociadas al mismo, pero necesariamente se ha de disponer del equipo de
chequeo apropiado.
Otra alternativa es emplear el programa informático CANAlyzer (Vector Informatik
GmbH) con el ordenador con la conexión adecuada. Este programa permite visualizar el tráfico de
datos en el Can-Bus, indica el contenido de los mensajes y realiza la estadística de mensajes,
rendimiento y fallos.
Los tipos de error que se pueden dar en la red son los siguientes:
Error CRC. Si al menos un nodo no recibe correctamente el mensaje, éste genera la trama
de error y el mensaje es reenviado.
Error de ACK. El nodo transmisor comprueba si el flag ACK, enviado como recesivo,
contiene un bit dominante. Este bit dominante reconocerá que al menos un nodo ha recibido
correctamente el mensaje.
Error de forma. Si cualquier nodo detecta un bit dominante en uno de los cuatro segmentos
del mensaje: Final de trama, espacio entre tramas, delimitador ACK o delimitador CRC, el
protocolo CAN define esto como una violación de la forma.
Error de bit. Si un trasmisor envía un bit dominante y detecta un bit recesivo (o viceversa)
cuando monitorea el nivel del bus actual y lo compara con el bit enviado. Se excluye el bit ACK y
el arbitraje.
Error de stuff. Los nodos receptores se sincronizan con la transición. Si hay más de 5 bits de
la misma polaridad, CAN pone un bit de polaridad opuesta (stuffing bit). Si se detectan 6 bits con la
misma polaridad se produce un error de stuff.
7. Conclusiones.
Con todo lo dicho anteriormente podemos ver que el sistema CAN es un sistema necesario
para el desarrollo de los coches actuales y futuros, el sistema ha demostrado ser estable y robusto
siendo adecuado para realizar funciones de seguridad como ya se hace, en el futuro inmediato no
parece que sea necesario el desarrollo de un nuevo sistema puesto que este cumple todas las
funciones necesarias, ya que es capaz de gestionar un número suficiente de dispositivos.
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coche actual (Fig 1), y junto con estos sus cables correspondientes para transmitir la información y
las ordenes, acabando con kilómetros de cable en un solo coche
Por todo esto era necesaria la creación de un protocolo de comunicaciones robusto, ya que
entre sus funciones hay funciones de seguridad, y con un uso más eficiente de los cables, ya que
quitar cable significa reducir el dinero necesario para su construcción así como su peso final y su
volumen. Entonces apareció el bus CAN (Controller Area Network). Fue patentado por la firma
alemana Bosch en el año 1982 y aunque inicialmente fue diseñado como un bus de campo de
propósito general, fue en su aplicación al automóvil donde ha demostrado su valía. Aunque fue
patentado en el 82 no fue hasta 10 años después cuando por fin fue llevado a un coche, el Mercedes
clase E. En la actualidad el sistema está muy extendido estando incorporado en la mayoría de
coches nuevos.
2. Características principales.
Bus CAN es un estándar de un bus serie multimaestro que permite la conexión de varias
unidades de control electrónicas. Esto permite a todos los nodos enviar o recibir información
aunque no de modo simultaneo. La señal es enviada en formato serie con codificación NRZ y es
recibida por todos los elementos conectados al bus. Los elementos conectados pueden ser
principalmente dos sensores y actuadores, estos dispositivos no suelen estar conectados
directamente al bus sino que lo están a través de un controlador.
Si el canal esta libre cualquier dispositivo puede iniciar la transmisión, en el caso de que
varios dispositivos quieran emitir a la vez un sistema de prioridades decide quien emite primero, en
este sistema normalmente tendrán prioridad aquellas señales destinadas a la seguridad como podrían
ser las señales del ABS el ESP o el airbag y las menores prioridades están asociadas a sistemas
secundarios como puede ser la radio.
El bus CAN es capaz de proporcionar un bit rate de hasta 1Mbit/s en distancias inferiores a
40 metros, que son las que nos encontramos en un coche, al aumentar la distancia de nuestra red, se
reduce la velocidad máxima que podemos utilizar, por ejemplo para una distancia de medio
kilometro tendríamos una velocidad máxima de 128Kbit/s. En los coches por razones de seguridad
se suelen usar velocidades comprendidas entre los 128kbit/s y los 512Kbit/s [1].
3. Hardware.
El sistema bus CAN utiliza distintos aparatos de hardware que ahora se explican
3.1 Cables.
La información circula por dos cables trenzados que unen todas las unidades de control que
forman el sistema. Esta información se trasmite por diferencia de tensión entre los dos cables, de
forma que un valor alto de tensión representa un 1 y un valor bajo de tensión representa un 0. La
combinación adecuada de unos y ceros conforman el mensaje a trasmitir.
En un cable los valores de tensión oscilan entre 0V y 2.25V, por lo que se denomina cable
Low (L) y en el otro, el cable High (H) lo hacen entre 2.75V. y 5V (Fig 2). En caso de que se
interrumpa la línea H o que se derive a masa, el sistema trabajará con la señal de Low con respecto
a masa, en el caso de que se interrumpa la línea L, el sistema trabajara con la señal High con
respecto a masa. Este hecho hace que el sistema sea muy robusto ya que permite que el sistema
siga trabajando con uno de los cables cortados o comunicados a masa, incluso con ambos](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)