Electrònica Digital i Xarxes Multiplexades en Vehicles: CAN-Bus i OBD-II

Electrònica Digital en l'Automoció

L'electrònica digital és fonamental en els vehicles moderns. Es basa en diferents sistemes de numeració:

Sistemes de Numeració Bàsics

• Sistema Digital: Utilitza una seqüència discreta de valors, per exemple: 1, 2, 3, 4, ..., 1000, 1001, ..., fins a l'infinit.
• Sistema Binari: Utilitza només dos dígits, 0 i 1. Exemples: 0, 1, 00, 01, 10, 11, 001... (molt utilitzat en centraletes electròniques).
• Sistema Hexadecimal: Té base 16 i utilitza els dígits del 0 al 9 i les lletres de la A a la F (0, 1, 2, 3, 4, ..., 9, A, B, C, D, E, F).

Aquests sistemes tenen conversions que permeten transformar valors d'un sistema a un altre. En un esquema digital, cada unitat bàsica d'informació és un bit; com més bits s'utilitzin, més precisió s'aconseguirà en la representació de la informació.

Portes Lògiques i el seu Funcionament

Les portes lògiques són circuits electrònics dissenyats per processar múltiples senyals binaris simultàniament. Manipulen la informació binària i són crucials per interpretar les dades dins de l'ECU (Unitat de Control Electrònic).

Els tipus principals de portes lògiques són:

• Porta OR: La sortida és '1' si una entrada, l'altra, o ambdues són '1'.
• Porta AND: La sortida és '1' només si totes les entrades són '1'.
• Porta XOR (OR Exclusiva): La sortida és '1' si les entrades són diferents.
• Porta NOT (Negació): Inverteix el senyal d'entrada; si entra '1', surt '0', i viceversa.
• Porta NOR: És la combinació d'una porta OR seguida d'una porta NOT.
• Porta NAND: És la combinació d'una porta AND seguida d'una porta NOT.

L'ECU: Cervell Electrònic del Vehicle

L'ECU (Unitat de Control Electrònic), comunament coneguda com a centraleta, és l'ordinador del vehicle. Ha de ser compacta, hermètica i dissenyada per suportar condicions adverses com temperatures extremes, vibracions i cops. Internament, consta d'un processador que interpreta dades, realitza càlculs complexos, disposa de memòria interna (RAM), memòria flaix (on s'emmagatzema el programari i les dades de calibratge) i gestiona les ordres als actuadors.

El seu funcionament bàsic consisteix en rebre senyals dels sensors (que poden ser analògics o digitals). L'ECU processa aquesta informació (realitzant conversions d'analògic a digital si és necessari) i, basant-se en la seva programació, envia ordres als actuadors, que executen les accions físiques corresponents (podent requerir una conversió de digital a analògic).

Xarxes Multiplexades en Vehicles Moderns

Les xarxes de comunicació en els automòbils actuals són, majoritàriament, xarxes multiplexades. Aquesta tecnologia permet transmetre múltiples senyals a través d'un nombre reduït de cables.

Avantatges Clau del Multiplexatge

• Reducció de cables: Menys pes total del vehicle i costos de fabricació més baixos.
• Menor nombre de sensors: La informació d'un sensor pot ser compartida per diverses ECUs.
• Millores en el vehicle: Facilitat per afegir noves funcionalitats sense grans modificacions materials.
• Augment de les funcions del vehicle: Permet sistemes més sofisticats i interconnectats.
• Fàcil ampliació de l'equipament: Afegir nous mòduls o funcions és més senzill.

Evolució del Cablejat Automotriu

Problemàtiques del Cablejat Tradicional

En el passat, els sistemes elèctrics dels vehicles presentaven diversos inconvenients:

• Gran quantitat de cablejat.
• Elevada complexitat a causa dels múltiples canals individuals.
• Pes considerable del conjunt de cables.
• Nombroses connexions directes al quadre d'instruments (dashboard).
• Cables de dimensions notables.
• Separació física i elèctrica complexa entre l'habitacle i el compartiment del motor.
• Cada ECU requeria els seus propis sensors dedicats.
• La instal·lació de components opcionals (extres) implicava afegir encara més cables.

Solucions Actuals: Sistemes Multiplexats

Actualment, gràcies al multiplexatge:

• S'instal·len múltiples ECUs, cadascuna especialitzada en un sistema concret (motor, frens, confort, etc.).
• Totes les ECUs es connecten a un o pocs canals de comunicació compartits (busos de dades).
• S'utilitzen cables molt més prims i lleugers.
• La gestió integral del sistema i la diagnosi d'avaries es realitzen de manera centralitzada a través de l'ECU principal i programari especialitzat.

Sistema CAN-Bus: Comunicació i Senyals

El CAN-Bus (Controller Area Network) és un protocol estàndard de comunicació sèrie àmpliament utilitzat en automoció. Els missatges es transmeten en format digital (bits 0 i 1).

Per al correcte funcionament del bus, és crucial la presència de resistències de terminació. Generalment, s'utilitzen dues resistències de 120 ohms cadascuna, situades als extrems del bus, resultant en una resistència total equivalent de 60 ohms quan es mesura entre els cables CAN High i CAN Low amb el sistema desconnectat.

Transmissió de Dades i Nivells de Tensió

Els nivells de tensió típics per als senyals en un CAN-Bus són:

• CAN High (CAN-H): En estat recessiu (bit '1') al voltant de 2,5V; en estat dominant (bit '0') puja a uns 3,5V.
• CAN Low (CAN-L): En estat recessiu (bit '1') al voltant de 2,5V; en estat dominant (bit '0') baixa a uns 1,5V.

La transmissió dels bits es realitza de la següent manera:

• Bit '1' (estat recessiu): Es transmet quan tant CAN-H com CAN-L estan a aproximadament 2,5V (diferència de potencial propera a 0V).
• Bit '0' (estat dominant): Es transmet quan CAN-H puja a aproximadament 3,5V i CAN-L baixa a aproximadament 1,5V (diferència de potencial d'uns 2V).

Errors Comuns en CAN-Bus i Diagnòstic

Una fallada en el sistema CAN-Bus pot manifestar-se amb diversos símptomes:

• Encesa de múltiples llums d'advertència al quadre d'instruments.
• Activació del mode d'emergència del vehicle (limitació de prestacions).
• Fallada de funcionament d'elements controlats electrònicament com eixugaparabrises, llums, intermitents, sistemes de confort, etc.

L'oscil·loscopi és una eina fonamental per a l'anàlisi i diagnòstic precís dels senyals del CAN-Bus, permetent visualitzar la forma d'ona dels senyals i identificar problemes com curtcircuits, circuits oberts, interferències o nivells de tensió incorrectes.

Diagnòstic a Bord: Connector OBD-II

L'OBD-II (On-Board Diagnostics II) és un sistema estandarditzat de diagnòstic a bord present en la majoria de vehicles fabricats des de finals dels anys 90. Proporciona accés a dades del motor i altres sistemes, així com als codis d'error (DTCs).

Configuració de Pins Essencials OBD-II

El connector OBD-II té 16 pins. Alguns dels més importants per a la comunicació i alimentació són:

• Pin 4: Massa del xassís (negatiu).
• Pin 5: Massa del senyal (negatiu).
• Pin 6: CAN High (per a protocols basats en J-2284).
• Pin 7: Línia K (per a protocols ISO 9141-2 i ISO 14230-4 KWP2000).
• Pin 14: CAN Low (per a protocols basats en J-2284).
• Pin 15: Línia L (opcional, per a protocols ISO 9141-2 i ISO 14230-4 KWP2000).
• Pin 16: Alimentació positiva (+12V) de la bateria del vehicle.