C1 CAN HS Y FD.pptx

REDES Y PROTOCOLOS
DE COMUNICACION
AUTOMOTRIZ
REDES CAN HS Y FD

Al finalizar el CURSO, los participantes estarán en la
capacidad de:
Describir las principales características de las
diferentes REDES y PROTOCOLOS automotrices
comúnmente utilizados en los vehículos modernos,
detallando aspectos fundamentales como
diferenciación de tramas y estructura de la red,
en el manejo eficiente de la
apoyándose
información
particulares
técnica, herramientas y equipos
y siguiendo las normas de calidad y
seguridad respectivas.
REDES Y PROTOCOLOS AUTOMOTRICES

• CLASE 1
Redes y protocolos CAN HS y FD.
• Clase 2
Redes y protocolos CAN MS y LS.
• Clase 3
Redes y protocolos LIN y CAN ONE WIRE
• Clase 4
Redes y protocolos CCD, SCI , SPI
• Clase 5
Redes y protocolos MPX BEAN TOYOTA
• Clase 6
Redes y protocolos AVC LAN
• Clase 7
Redes y protocolos FLEX RAY.
• Clase 8
Redes y protocolos MOST.
22 de Octubre de 2020
29 de Octubre de 2020
05 de Noviembre de 2020
05 de Diciembre de 2020
10 de Diciembre de 2020
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CLASE 1.
REDES Y
PROTOCOLOS
CAN HS
CAN FD

PROTOCOLOS CAN HS Y FD
Al finalizar la SESION los participantes serán capaces de:
Describir las generalidades de la RED CAN,
particularmente la HS, analizando su
topología básica, trama de comunicación y
aplicaciones, y estableciendo la diferencia
fundamental del protocolo CAN FD, y su
análisis operativo.

• PARTE A
Redes y protocolos CAN HS.
• PARTE B
Topología y análisis de REDES CAN HS
• PARTE C
Redes y protocolos CAN FD.
• PARTE D
Fallos en REDES CAN HS y FD

PARTE A.
REDES Y
PROTOCOLO
CAN HS

¿Qué es el CAN Bus?
CAN viene de las siglas Controller Area Network y
el término Bus aunque parezca redundante hace
referencia a que la topología es Bus
El protocolo de comunicaciones CAN fue
desarrollado por la firma alemana Robert Bosch
GmbH ofreciendo una solución a la gestión y
operación entre varías CPUs también llamadas
unidades centrales de proceso.

¿Por qué se usa el CAN Bus?
Bueno, en el pasado los autos no
contaban con el número de
componentes electrónicos con los
que cuentan hoy, su funcionamiento
y comunicación era un poco
diferente y la comunicación entre
componentes se lleva a cabo de
punto a punto.

¿Por qué se usa el CAN Bus?
En el pasado, los vehículos llegaban a contar a
duras penas hasta casi tres módulos
electrónicos: ECM (motor), ABS (freno) y SRS
(Bolsa de Aire). Estaban conectados de una
manera compleja a través de cientos de cables
que iban por diferentes partes del vehículo. El
cableado eléctrico era confuso y a veces
desordenado lo cual era muy tedioso rastrear
una falla electrónica, aun con la ayuda de un
diagrama eléctrico, escáner y otras
herramientas.
No exista una estrecha coordinación entre los diferentes
módulos ya que cada módulo trabajaba aisladamente de los
otros.

Una de las ventajas de un sistema basado en
redes es la facilidad ir agregando cada vez más
módulos. Ahora, el cableado eléctrico es
notoriamente más simple y fácil de revisar o
detectar algún módulo o componente
defectuoso. Cientos de metros de cableado son
reemplazados por módulos electrónicos. Esto
resulta en un vehículo "inteligente" donde
muchos sensores y actuadores son utilizados
para sondear el entorno y realizar diversas
acciones. Es común disfrutar del automatismo,
el funcionamiento automático de las limpia
parabrisas cuando empieza a llover, la posición
memorizada de asientos y espejos, la pantalla
video en retroceso y una infinidad de
innovaciones.

Origen e historia del CAN Bus
Los orígenes del CAN son muy interesantes, pero por ahora haré un resumen de los
puntos y fechas mas importantes por los que ha pasado este protocolo:
• La empresa Robert Bosh GmbH comienza el desarrollo del CAN en 1983.
• CAN fue lanzado oficialmente en 1986 en el congreso de la Sociedad de Ingenieros
Automotrices (SAE) en Detroit.
• En 1987 llegan al mercado los primeros controladores CAN desarrollados por Intel y
Philips.
• Bosh en 1991 publica la versión del CAN 2.0 la cual se encuentra dividida en 2
partes, el formato estándar y el formato extendido.
• En el año 1993 se publica la ISO 11898 del bus can y a partir de este momento se
convierte en un estándar de la Organización Internacional para la Normalización.
• Bosh en 2011 desarrolla la versión CAN FD (Flexible data-rate) esta nueva versión es
compatible con su antecesor CAN 2.0 pero mejora la velocidad de transmisión de
datos que hasta el momento era 1 Mbps.

¿Para que sirve el CAN
Bus?
El CAN Bus sirve como
protocolo de comunicación
entre los componentes
eléctricos y electrónicos de
nuestro auto.
Este protocolo está basado en
un paradigma orientado a
mensajes entre un productor y
un consumidor.

Tipos de Bus CAN
• El estándar CAN está dentro del
ISO 11898 el cual define las
especificaciones de las dos
primeras capas, la capa física y
la capa de datos, por lo tanto,
podemos clasificar al CAN Bus
en los siguientes dos tipos:
• CAN de alta velocidad 1 Mbits/s
• CAN de baja velocidad con
tolerancia a fallos 125 kbits/s

Extensiones del CAN Bus de alta velocidad
Opcionalmente la Organización Internacional para la
Normalización (ISO) ha definido 2 extensiones
referentes a la capa física de CAN Bus de alta
velocidad las cuales describo rápidamente en los
siguientes puntos:
El ISO 11898-5, específica la capa física con una tasa
de transmisión de hasta 1 Mbits/s para sistemas de
bajo consumo de energía cuando no hay
comunicaciones activas en el bus de datos.
ISO 11898-6, específica una tasa de transmisión igual a
la 5, no obstante, proporciona un método selectivo de
activación de nodos.

El bus de datos CAN es un sistema abierto que permite una adaptación a
diferentes medios de transferencia como, por ejemplo, cables de cobre o cables
de fibra óptica.
•El diagnóstico de las unidades de control tiene lugar a través del cable K. En el
interior del vehículo el diagnóstico ya tiene lugar en parte a través del bus de
datos CAN (por ejemplo en el airbag y en la unidad de control de la puerta). En
relación a esto se habla de “cable K virtual” En los vehículos del futuro se
prescindirá en gran medida del cable K.
•Se puede realizar un diagnóstico de todo el sistema utilizando para ello
simultáneamente varias
unidades de control.

Origen e historia del CAN Bus
Los orígenes del CAN son muy interesantes, pero por ahora haré un resumen de
los puntos y fechas mas importantes por los que ha pasado este protocolo:
• La empresa Robert Bosch GmbH comienza el desarrollo del CAN en 1983.
• CAN fue lanzado oficialmente en 1986 en el congreso de la Sociedad de
Ingenieros Automotrices (SAE) en Detroit.
• En 1987 llegan al mercado los primeros controladores CAN desarrollados por
Intel y Philips.
• Bosch en 1991 publica la versión del CAN 2.0 la cual se encuentra dividida en 2
partes, el formato estándar y el formato extendido.
• En el año 1993 se publica la ISO 11898 del bus can y a partir de este momento
se convierte en un estándar de la Organización Internacional para la
Normalización.
• Bosch en 2011 desarrolla la versión CAN FD (Flexible data-rate) esta nueva
versión es compatible con su antecesor CAN 2.0 pero mejora la velocidad de
transmisión de datos que hasta el momento era 1 Mbps.

Tipo de señal:
 Eléctrica: En forma de señal eléctrica cuadrada a través de un bus de datos. (CAN, VAN, LIN, Flex Ray)
 Luminosa: Mediante fibra óptica: Infotenimiento (DVD, manos libres, radio.) Most bus.
 Ondas de radio: Bluetooth y wifi. En investigación. (se emplean en navegador o manos libres)

Protocolos de comunicación:
• Can bus: Alta velocidad de comunicación de datos.
•Lin bus: Extensión del CAN. Velocidad de transferencia
muy inferior. Ej. Climatizador
•Most bus: Sistema de transmisión de datos mediante
fibra óptica. Velocidad de transmisión de datos
más de 20 veces superior al CAN, Usos: Audio,
televisión.
•Van Bus: Utilizado por PSA, similar al CAN.
Prestaciones inferiores.
• Flex Ray: Reciente aparición, mejora al Can sobre todo
en velocidad

PARTE B.
ESTRUCTURA Y
TOPOLOGIA DE
REDES Y
PROTOCOLOS
CAN

TOPOLOGIA DE CONEXIÓN DE
MODULOS
Las unidades de control se encuentran
todo el vehículo e
por una
diseminadas en
interconectadas
multiplexada, de
RED
acuerdo a varias
configuraciones que le fabricante desea
disponer para la mejor efectividad del
manejo de información del sistema.
Existen varias formas de agrupas los
módulos en una RED:
 En Anillo
 En Estrella
 Tipo BUS.
 Daisy Chain

RED TIPO ANILLO
En la RED tipo anillo la
información sigue un camino
circular hasta que llega al
MODULO a la que va dirigida.
Un Error en algún módulo
afecta a toda la RED. La red
más utilizada en vehículos con
estructura en anillo es la Red
de Fibra óptica MOST.

RED TIPO ESTRELLA
En la RED Tipo ESTRELLA todas las
unidades de control están unidas a un
módulo principal, siendo esta la que
gestiona toda la información. Un error
en este módulo principal afecta a toda
la red

TIPO DAISY CHAIN
Es una sucesión de enlaces tal que un dispositivo
A es conectado a un dispositivo B, el mismo
dispositivo B a un dispositivo C, este dispositivo C
a uno D y así sucesivamente.
Las conexione no forman redes ( en el ejemplo
anterior, el dispositivo C, no puede ser
directamente conectado al dispositivo A) estas no
hacen retorno de lazo desde el ultimo dispositivo
al primero, La cadena margarita o Daisy Chain se
puede usar en fuentes de potencia, señales
analógicas, datos digitales o combinaciones

ESTRUCTURA DE LA RED
1 Contolador CAN.
2 Transceptor CAN.
3Elementos finales del Bus de
datos del bus de datos.
4 Cables del Bus de datos

Evita que los datos transmitidos
sean devueltos en forma de eco
de los extremos de los cables y
que se falsifiquen los datos

PARTE C.
REDES Y
PROTOCOLO
CAN FD

¿Por qué CAN FD?
El protocolo CAN existe desde 1986 y es
popular: prácticamente cualquier máquina
que se mueve utiliza CAN en la actualidad,
ya sean automóviles, camiones, barcos,
aviones o robots.
Pero con el auge de la tecnología moderna,
el protocolo CAN "clásico" (término oficial
utilizado en ISO 11898-1: 2015) se ve
afectado:
Un aumento en la funcionalidad del
vehículo está impulsando una explosión de
datos, para el futuro

Las redes están cada vez más limitadas por el ancho
de banda de 1 Mbit / s
Para hacer frente, los fabricantes de equipos
originales crean soluciones alternativas complejas y
costosas
CAN FD resuelve estos problemas, haciéndolo
preparado Específicamente, la CAN clásica lucha con
una sobrecarga sustancial (> 50%) ya que cada
trama de datos CAN solo puede contener 8 bytes de
datos.
Además, la velocidad de la red está limitada a 1
Mbit / s, lo que restringe la implementación de
funciones de producción de datos.

CAN FD - La idea básica
Debido a los requisitos de ancho de banda de la industria automotriz, era necesario mejorar el protocolo de capa
de enlace de datos CAN.
En 2011, Bosch inició el desarrollo de CAN FD (velocidad de datos flexible) en estrecha colaboración con los
fabricantes de automóviles y otros expertos en CAN.
El protocolo mejorado supera los límites de CAN: puede transmitir datos más rápido que con 1 Mbit /s y la carga
útil (campo de datos) ahora tiene una longitud de hasta 64 bytes y ya no está limitada a 8 bytes. En general, la
idea es simple: cuando solo un nodo está transmitiendo, la tasa de bits se puede aumentar, porque no es
necesario sincronizar ningún nodo.
Por supuesto, antes de la transmisión del bit de ranura ACK, los nodos deben volver a sincronizarse

Las tramas de datos CAN FD se pueden
transmitir con dos velocidades de bits
diferentes: en la fase de arbitraje, la
velocidad de bits depende de la topología
de la red y está limitada a 1 Mbit / s; en la
fase de datos, la tasa de bits está limitada
por las características del transceptor
El uso de una relación de 1: 8 para las tasas
de bits en la fase de arbitraje y datos
conduce a
aproximadamente
un rendimiento
seis veces mayor
considerando que las tramas CAN FD usan
más bits en el encabezado (campo de
control) y en el campo CRC.

¿Qué es CAN FD?
El protocolo CAN FD fue desarrollado previamente por Bosch (con expertos de la industria) y lanzado en 2012. Se mejoró
mediante la estandarización y ahora se encuentra en ISO 11898-1: 2015.
La versión original de Bosch CAN FD (no ISO CAN FD) es incompatible con ISO CAN FD.
CAN FD ofrece cuatro beneficios principales
# 1 Mayor longitud
CAN FD admite hasta 64 bytes de
datos por trama de datos frente a
8 bytes de datos para CAN
clásica. Esto reduce la sobrecarga
del protocolo y conduce a una
eficiencia mejorada del
protocolo.
# 2 Mayor velocidad
CAN FD admite tasas de bits duales: la tasa
de bits nominal (arbitraje) limitada a 1 Mbit /
s como en CAN clásico, y la tasa de bits de
datos, que depende de la topología /
transceptores de la red. En la práctica, se
pueden alcanzar velocidades de bits de datos
de hasta 5 Mbit / s.

# 3 Mejor confiabilidad
CAN FD utiliza una verificación de
redundancia cíclica mejorada (CRC) y el
"contador de bits de relleno protegido",
que reducen el riesgo de errores no
detectados. Esto es por ejemplo vital en
aplicaciones críticas para la seguridad
como vehículos y automatización
industrial.
#4 Smooth transition
CAN FD and Classical CAN only ECUs
can be mixed under certain
conditions. This allows for a gradual
introduction of CAN FD nodes, greatly
reducing costs and complexity for
OEMs
En la práctica, CAN FD puede mejorar el ancho de banda de la red entre 3 y 8 veces en
comparación con el CAN clásico, creando una solución simple para el aumento de datos

¿Cómo funciona CAN FD?
Entonces, CAN FD parece bastante simple: acelerar
la transmisión de datos y empaquetar más datos en
cada mensaje, ¿verdad?
En la práctica, sin embargo, no es tan sencillo. A
continuación, se describen los principales desafíos
que tuvo que resolver la solución CAN FD.
Dos desafíos clave
Antes de mirar el marco de datos CAN FD, es clave
comprender dos partes centrales de la CAN clásica
que queremos mantener:

# 1 Evite retrasos críticos en mensajes
¿Por qué no empaquetar las tramas CAN
clásicas con 64 bytes de datos?
Hacerlo reduciría los gastos generales y
simplificaría la interpretación del mensaje. Sin
embargo, si la tasa de bits no cambia, esto
también bloquearía el bus CAN durante más
tiempo, lo que podría retrasar las tramas de
datos de mayor prioridad de misión crítica.

# 2 Mantenga longitudes prácticas de cables
CAN
Por lo tanto, se necesita más velocidad para
enviar más datos por mensaje.
Pero, ¿por qué no acelerar todo el mensaje CAN
(en lugar de solo la fase de datos)?
Esto se debe al “arbitraje”: si más de 2 nodos
transmiten datos simultáneamente, el arbitraje
determina qué nodo tiene prioridad. El
"ganador" continúa enviando (sin demora),
mientras que los otros nodos "retroceden"
durante la transmisión de datos.

CAN FD: algunos detalles del protocolo
Para distinguir entre tramas de datos clásicas y
tramas de datos CAN FD, se utiliza uno de los
bits anteriormente reservados. Este bit se
denomina bit FDF (trama FD).
Si es de valor recesivo, la siguiente secuencia de
bits se interpreta como una trama de datos CAN
FD.
Si tiene un valor dominante, es un dato clásico
o un marco remoto.
En el bit BRS (cambio de tasa de bits) recién
introducido, se aplica la segunda tasa de bits,
cuando es de valor recesivo (r). Si es de valor
dominante (d), la configuración del tiempo de
bits de la fase de arbitraje también se utiliza en
la fase de datos.
SOF = inicio de trama,
CRC = verificación de redundancia cíclica,
ACK = reconocimiento,
EOF = fin de trama,
IMF = campo de interrupción

El controlador de protocolo CAN FD también debe
admitir tramas CAN clásicas.
Ambos protocolos CAN (Clásico y CAN FD) están
estandarizados internacionalmente en ISO 11898-
1: 2015.
Las tramas de datos CAN FD con identificadores
de 11 bits utilizan el FBFF (formato de trama base
FD) y aquellas con identificadores de 29 bits
utilizan el FEFF (formato de trama ampliado FD).
El protocolo CAN FD no admite marcos de datos
solicitados de forma remota
RRS = sustitución de solicitud remota,
SRR = solicitud remota de sustitución,
IDE = extensión de identificador,
FDF = formato de velocidad de datos flexible, d = dominante, r = recesivo, r0 = reservado

Solución: el marco CAN FD
El protocolo CAN FD introduce un
marco de datos CAN ajustado
para habilitar bytes de datos
adicionales y velocidades de bits
flexibles.
A continuación, comparamos una
trama CAN clásica de 11 bits con
una trama CAN FD de 11 bits
(también se admiten 29 bits):

Eficiencia de datos y gastos generales de CAN FD frente a CAN
Como es evidente, la funcionalidad adicional de CAN FD agrega muchos bits adicionales en comparación con la CAN
clásica: ¿cómo puede esto conducir a una menor sobrecarga?
La respuesta es que no, vea la visualización a continuación de CAN clásico frente a CAN FD para 3 bytes de datos. De
hecho, la eficiencia de CAN FD no supera la CAN clásica hasta cruzar 8 bytes de datos. Sin embargo, al avanzar hacia
64 bytes de datos, la eficiencia puede ir desde ~ 50% hasta ~ 90% (más sobre esto a continuación).

Ejemplos: aplicaciones CAN FD
En resumen, CAN FD permite que un sistema maneje más datos a un ritmo más rápido.
Esto es vital para una serie de casos de uso cada vez más relevantes:
Vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos y los híbridos utilizan nuevos conceptos
de tren motriz que requieren velocidades de bits mucho más
altas. La complejidad adicional proviene de las nuevas unidades
de control relacionadas con el inversor CC / CC, la batería, el
cargador, el extensor de rango, etc. Para 2025 se espera que la
tasa de bits requerida exceda CAN, y con el aumento explosivo
de los vehículos eléctricos, esto puede ser la punta de lanza de
el despliegue de CAN FD

ECU intermitente
El software para vehículos es cada vez más
complejo. Como tal, realizar actualizaciones
de ECU a través de, por ejemplo el puerto
OBD2 puede tardar horas hoy. Con CAN FD,
estos procesos se pueden hacer> 4 veces más
rápidos. Este caso de uso ha sido uno de los
impulsores originales detrás de la demanda
de CAN FD por parte de los fabricantes de
equipos originales de automóviles.
Robótica
Varias aplicaciones se basan en un comportamiento
sincronizado en el tiempo, p. Ej. brazos robóticos con múltiples
ejes. Dichos dispositivos a menudo usan CANopen y requieren
que cada controlador envíe múltiples tramas CAN (PDO)
sincronizadas en el tiempo (sin interrupción de las tramas de
mayor prioridad). Al cambiar a CAN FD, los datos se pueden
enviar en un solo cuadro para mayor eficiencia.

Camiones y autobuses
Los camiones y autobuses utilizan autobuses CAN largos (10-20
metros). Como resultado, dependen de velocidades de bits
lentas (250 kbit / so 500 kbit / s según J1939-14). Aquí, se
espera que el próximo protocolo J1939 FD permita una mejora
significativa en las características de los vehículos comerciales,
incl. p.ej. ADAS.
ADAS y conducción segura
Cada vez más, se están introduciendo sistemas
avanzados de asistencia al conductor (ADAS)
en turismos y vehículos comerciales. Esto
presiona la carga del bus de CAN clásica, sin
embargo, ADAS es clave para mejorar la
seguridad. Aquí, CAN FD será clave para
mejorar la conducción segura en un futuro
próximo.

Bus CAN seguro
Como se muestra en los recientes ataques de piratas
informáticos CAN, el CAN clásico es vulnerable. Si los piratas
informáticos obtienen acceso al bus CAN (por ejemplo, por
aire), podrían, por ejemplo, apagar funciones críticas. La
autenticación CAN FD a través del módulo Secure Onboard
Comunicación (SecOC) puede ser un controlador de
implementación clave

PARTE D.
FALLOS EN REDES Y
PROTOCOLOS CAN
ANALIZADOS CON
LABSCOPE

CAN H & L EN
CORTO CIRCUITO
ENTRE SI

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