Arquitectura de Redes de Comunicación en Sistemas Electrónicos Vehiculares

Introducción a las Redes de Comunicación Basadas en UCEs

La arquitectura eléctrica moderna, especialmente en sistemas complejos como los vehículos, se basa en el uso de Unidades de Control Electrónico (UCEs). Cada UCE está diseñada para controlar un sistema específico o un conjunto de funciones. Estas UCEs se interconectan a través de un canal de comunicación, que puede ser implementado mediante cables eléctricos, fibra óptica, o incluso de forma inalámbrica.

Un principio fundamental de estas redes es el multiplexado, donde toda la información se transmite a través de un mismo canal compartido. Para asegurar la correcta interpretación, cada mensaje enviado ha de ser autoexplicativo, permitiendo que la UCE receptora identifique su origen y propósito. El multiplexado es una técnica clave que contribuye a la reducción significativa del cableado en los sistemas. Además, facilita la gestión del diagnóstico de fallos a través de las UCEs.

El término “bus” se refiere al cable o medio físico utilizado para transmitir datos, destacando que por este medio no circula corriente eléctrica de alimentación, sino señales de datos. Cuando se acciona un interruptor, se genera una señal que es enviada a la UCE correspondiente. Esta UCE crea un mensaje autoexplicativo y lo transmite por la red al resto de unidades. Cada UCE en la red es capaz de identificar el origen y el destino del mensaje, activando el consumidor (actuador) si el mensaje le concierne, mientras que el resto de UCEs lo ignoran.

Ventajas del Multiplexado en Redes de UCEs

• Reducción de Cableado: Disminuye drásticamente la cantidad de cables necesarios en un sistema.
• Optimización de Sensores: La información de los sensores puede ser compartida y propagada por toda la red, reduciendo la necesidad de sensores redundantes.
• Comunicación Inter-Sistemas: Facilita la comunicación y la interacción entre diferentes sistemas, permitiendo incluso la reprogramación de las UCEs para adaptar o mejorar funcionalidades.

Clasificación de Redes de Comunicación

Según la Topología de Red

La topología describe la disposición física o lógica de los nodos (UCEs) en una red.

• Topología en Línea (Bus)

  Una unidad emite un mensaje que se propaga a lo largo del bus, pasando por todas las UCEs. Cada UCE decide si la información le afecta. Todas las UCEs se comunican entre sí y reciben el mensaje simultáneamente.

• Topología en Estrella

  Una UCE central controla las UCEs satélite. Es común en circuitos donde una UCE tiene mayor importancia que el resto.

  • Ventajas: Fácil interconexión, fácil ampliación, seguridad contra fallos (si una UCE satélite falla, no afecta al resto).
  • Inconvenientes: Mayor cableado. Si la UCE central falla, el resto de la red también se ve afectada.

• Topología en Anillo

  Es una conexión cerrada donde la transmisión de datos comienza y termina en la misma UCE. Se verifica que el mensaje no cambie durante su recorrido y tiene un sentido de transmisión definido.

• Topología en Árbol

  Este esquema se divide en secciones, donde cada subsistema puede tener su propia arquitectura y luego se interconectan entre sí. Es la topología más generalizada en sistemas complejos. Si la UCE central falla, el vehículo puede quedar inutilizado.

Según el Modo de Transmisión

• Transmisión Paralela

  Mediante conductores eléctricos, los bits se envían simultáneamente. Cada UCE tiene un reloj interno, y es crucial la sincronización para controlar el inicio y fin de los mensajes. Un cable adicional suele informar de esto. Es sensible a las interferencias, pero permite una alta velocidad de transmisión.

• Transmisión Serie

  Los bits se transmiten uno tras otro, es decir, solo uno a la vez.

Según el Medio de Transmisión

• Medios Eléctricos

  • Cable Eléctrico sin Apantallar: Sensible a interferencias electromagnéticas. Usado en redes de poca seguridad, como en algunos sistemas OBDII.
  • Cable Coaxial: Cable eléctrico diseñado para la transmisión de datos, rodeado de un dieléctrico y una malla conductora que impide las radiaciones externas, unida a masa. Todo el conjunto está forrado con un aislante.
  • Dos Cables UTP (Unshielded Twisted Pair): Sin malla protectora. Si se utiliza en una configuración en línea, se colocan dos resistencias para evitar variaciones de tensión y tensiones parásitas.
  • Dos Cables STP (Shielded Twisted Pair): Protegidos con una malla, lo que aumenta la velocidad de la red y la fiabilidad.

• Medios Ópticos (Fibra Óptica)

  Se sustituye la corriente eléctrica por haces de luz y los cables por fibra óptica. Se utiliza en sistemas de comunicación, de imagen y sonido, y en aplicaciones de seguridad. Es muy fiable y no es afectado por interferencias electromagnéticas. Es crucial el estado físico de los componentes ópticos, incluyendo:

  • Conducto óptico doblado.
  • Camisa rota o pelada.
  • Superficie de los extremos rayada o sucia.
  • Problemas de conexión con la unidad (desalineamiento, inclinación, separación).

• Medios por Radiofrecuencia

  Emplea ondas electromagnéticas (campo eléctrico y magnético perpendiculares al eje de la onda). Comúnmente usado en sensores de presión de neumáticos, mandos a distancia o Bluetooth. La principal ventaja es que está exento de cables, lo que lo hace muy difundido en las comunicaciones. Incluye sistemas para evitar interferencias.

Jerarquía en Redes de UCEs

Cuando se conectan varias UCEs, es importante establecer un orden de jerarquía. Este orden se define a menudo en función de la seguridad de los ocupantes o la criticidad de la función. Los modelos comunes incluyen:

• Maestro-Esclavo: Una UCE principal (maestro) controla y coordina a varias UCEs secundarias (esclavos).
• Multimaestro: Varias UCEs pueden actuar como maestros, compartiendo el control y la coordinación de la red.

Sincronismo en Redes de UCEs

Dado que muchas UCEs operan con un reloj interno propio, es fundamental que todas las UCEs de cada red se sincronicen para asegurar una comunicación coherente y sin errores.

Modos de Sincronización

• Protocolo NRZ (Non-Return-to-Zero)

  Cada cambio de estado (de 0 a 1 o de 1 a 0) en la señal se utiliza para sincronizar los relojes de las UCEs.

• Protocolo Manchester

  Cada bit de datos contiene al menos un cambio de tensión en su duración, lo que facilita la sincronización constante de los relojes.

• Protocolo Combinado

  Utiliza una combinación de patrones NRZ y Manchester para la sincronización.

• Campos de Sincronización (LIN)

  Dentro de cada mensaje, se incluyen campos específicos que alternan los valores 0 y 1 en un número variable, permitiendo la sincronización de las UCEs en redes como LIN (Local Interconnect Network).

• Señales VPW (Variable Pulse Width)

  Son señales binarias que utilizan dos estados de tensión y dos longitudes de pulso diferentes. Esto permite que haya un cambio de tensión entre dos señales, lo que las UCEs aprovechan para sincronizar sus tiempos internos.