Las comunicaciones en los automóviles

LAS COMUNICACIONES EN LOS AUTOMÓVILES. Primera generación (parte 1)
1. INTRODUCCIÓN.
Hasta hace algunos años el diagnóstico era sólo un conjunto de rutinas de los servicios técnicos de los vehículos. A lo sumo
estás rutinas consistían de inspecciones visuales que se complementaban con el análisis de algunas señales de los sistemas.
Hoy el diagnóstico se ha convertido en un verdadero reto para los ingenieros de desarrollo en las plantas fabricantes y
proveedores. Este reto incluye técnicas de medición, transferencia de información electrónica, la aplicación de Internet y de
las herramientas de la inteligencia artificial, como por ejemplo el desarrollo de procesos para el diagnóstico basado en
modelo.
Los sistemas de frenado antibloqueo ABS, tracción a las cuatro ruedas, control de la tracción TCS, son tres de las
tecnologías que mejoran la estabilidad longitudinal dinámica de los automóviles. Para el control vertical se pueden
implementar sistemas de suspensión activa y de estabilización de balanceo. En la figura 1 se ilustra un sistema de control de
estabilidad diseñado por la firma Delphi Automotive Systems, que incluye además de los sensores y actuadores, su propio
controlador con interfaz CAN (por “controller area network”).
La comunicación entre unidades electrónicas individuales es una necesidad de los automóviles modernos: los sistemas
electrónicos como el Motronic, el sistema de control de la transmisión, el control de potencia del motor, el sistema de
control de la estabilidad (ESP) y el control de tracción (TCS) están interconectados. Las velocidades de transmisión de
información son típicamente del orden de 125 kbits/s a 1 Mbit/s y debe ser suficientemente elevada para asegurar que se
mantenga la respuesta en tiempo real requerida.
2. ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN.
Los avances en los campos de la electrónica y los semiconductores han generado un incremento explosivo en el número de
sensores, componentes y sistemas electrónicos y mecatrónicos en el vehículo. Se ha tenido que responder a las necesidades
planteadas por:
Los niveles crecientes de confort en el vehículo; los mejoramientos en la seguridad activa y pasiva; la detección y
advertencia de posibles accidentes e incluso la prevención de los mismos; los accidentes tomando en cuenta la
configuración de las carreteras, el volumen de tráfico y las condiciones climáticas; la utilización óptima y, en consecuencia,
la conservación de los recursos de energía disponibles; la conformidad con la conciencia ambiental creciente a nivel
mundial;
la
protección
mejorada
contra
robo
de
los
vehículos;
la
optimización de la
conducción
y
estrategias
de
despliegue.
Figura 1. Arquitectura del sistema de amortiguación diseñado por Delphi Automotive Systems [3].
Estos requisitos ya se aplican en algunos aspectos a vehículos pequeños y compactos, en mayor grado a los vehículos de
clase media y vehículos lujosos. Como resultado, se requiere de estrategias completamente nuevas, entre las cuales se
cuentan:

El diagnóstico en el vehículo (diagnóstico de bordo, OBD) como una garantía de la operación fiable bajo un
amplio rango de condiciones y situaciones de manejo, como una fuente de información para el conductor y para los
registradores de información en caso de accidentes (cajas negras).

El diagnóstico desde fuera del vehículo (diagnóstico fuera de borda) para probar, mantener y realizar reparaciones
en el taller y para la actualización del software mediante canales de comunicación modernos como Internet.
3. REDES DE COMUNICACIÓN.
Con el fin de asegurar el intercambio de información necesario para la operación fiable y segura del vehículo y también para
el diagnóstico, muchos vehículos modernos tienen sus componentes y sistemas electrónicos interconectados mediante
estructuras de red apropiadas. Las redes de comunicación, usualmente en la forma de sistemas de bus serial facilitan la toma
y transferencia de casi toda la información de diagnóstico requerida tanto para el diagnóstico de bordo como para el de fuera
de borda.
En la mayoría de vehículos pequeños y medios ya se instala una estructura de bus serial. El bus del vehículo se conecta
directamente o mediante compuertas o pasadizos (“gateway”) con un conector estándar, el cual permite la conexión de
equipos de prueba y diagnóstico externos (para el taller, para organizaciones y talleres de reparación, para las autoridades de
autorización o certificación y para pruebas de idoneidad de funcionamiento). Este equipo puede leer información del
vehículo y también puede introducirle información actualizada.
En el pasado se usaba una sola línea de información (ISO 9141 – 2) para aplicaciones de diagnóstico puras. No obstante, la
línea de información de diagnóstico estaba activa solamente cuando una herramienta “scan” externa se conectaba al
vehículo mediante un conector de diagnóstico y se iniciaba una sesión de diagnóstico o de actualización del “software” en
las unidades electrónicas de control, UEC. Se usaba un segundo bus para transferencia de información entre las unidades
electrónicas de control (por ejemplo, la UEC de control del motor y la de control de la caja de velocidades) según lo
requerido para asegurar la operación correcta de varias funciones de control del vehículo. Este bus tenía una velocidad de
transferencia de información de 10 a 500 kBaudios.
El protocolo para red de área de controlador, CAN emergió como el estándar global que dio lugar a que la información de
diagnóstico fuera transferida a través del bus de la UEC, en lugar de ser transferida de manera separada. Este bus de
vehículo también se conecta al centro de información del conductor en el tablero, haciendo disponible toda la información
necesaria en una forma adecuada, sin distraer al conductor de su función principal: controlar el vehículo.
En una red de vehículo típica se integra un número de buses con requerimientos técnicos, estructuras y velocidades
diferentes de las áreas de la telemática, la multimedia y otras aplicaciones. En el futuro, dependiendo de la velocidad de
transferencia de información, se espera que los buses se basen en los principios de transferencia de transmisión ópticos. Los
buses telemáticos también implementarán transferencia de información sin cable a la infraestructura del camino, las
autopistas o la región. Esto puede ir tan lejos como incluir estructuras de información en red como intranets o Internet (ver
figura 2).
Figura 2. Sistemas de comunicación en el automóvil
Es probable que se cree un número adicional de redes “sub bus” para sensores y actuadores. Existen pasadizos (“gateways”)
entre las redes para compartir información a través de las “fronteras”. Las funciones de control del vehículo se agrupan en
una red redundante para satisfacer el criterio de tolerancia a las fallas (“fault tolerant criteria”).
Los nuevos microcontroladores para automóviles tienen más silicio dedicado a las capacidades de comunicación que a las
de la CPU. Ya están disponibles microcontroladores como el M68HC912DG128 con dos módulos controladores de red de
área (CAN) independientes, junto con otros varios sistemas de comunicaciones sincrónicos y asincrónicos. Estas interfaces
de comunicaciones son tan autónomas como se puede, de manera que la CPU no necesita dedicar mucho de su capacidad al
manejo de las comunicaciones.
4. REQUISITOS LEGALES Y ESTÁNDARES RELACIONADOS.
Hasta hace algunos años cada vehículo y fabricante de vehículos tenía su propio protocolo de comunicación para transferir
información a través del conector de diagnóstico y también tenía sus propio dispositivos “plug and socket” y los probadores
específicos de la compañía.
La situación ha cambiado de manera radical. Hoy los siguientes equipos y procedimientos están estandarizados y
estipulados por los acuerdos internacionales sobre normalización: el conector de diagnóstico, su funcionamiento mecánico y
su asignación de pines; los protocolos a utilizar; las rutinas de diagnóstico; los códigos de servicio; los requerimientos
técnicos para la unidad de diagnóstico; y las estipulaciones mínimas para el acceso de información fiable a prueba de
manipulación. La tabla 1 presenta los estándares SAE e ISO que han sido diseñados para los vehículos de pasajeros y que
son estipulados por la legislación.
Gracias al proceso de harmonización intensivo entre los comités de estandarización de la ISO y la SAE, fue posible hacer
que el contenido técnico de los estándares de la tabla 1 prácticamente fueran idénticos. Como resultado, en los Estados
Unidos la SAE toma en cuenta este hecho dándole a sus documentos un número de dos partes. Por ejemplo, para el conector
de diagnóstico, el número es SAE J 1962/ISO 15031 – 3. Para los protocolos de información se han dejado abiertas cuatro
posibilidades diferentes, por parte de los legisladores, como se muestra en la tabla 2.
La tecnología del ISO 9141 – 2 técnicamente está desactualizada y se instala en muy pocos de los vehículos nuevos. Se
espera que este protocolo sea reemplazado por soluciones más modernas como es el protocolo de diagnóstico con CAN,
por ejemplo, el ISO 15765-4.
En los Estados Unidos la CARB y la EPA ya han aceptado un nuevo protocolo para los vehículos de carga medianos, el J
1939 – 73, el cual fue obtenido en el Comité de Autobuses y Camiones de la SAE. Este protocolo se basa en el bus CAN y
en el ISO 11898. En Europa la tendencia es a aceptar el protocolo ISO 15765 como estándar tanto para los vehículos de
carga como para los de pasajeros. Se han alcanzado acuerdos para asegurar la compatibilidad total de este protocolo con las
redes J 1939.
Con respecto al conector de diagnóstico, todavía no se ha tomado una decisión. En los Estados Unidos el conector de
diagnóstico para el sector de vehículos comerciales ya ha sido definido por el J 1939-13. En Europa, no obstante, se hacen
esfuerzos para aplicar el mismo conector para los vehículos pesados, ya que se ha demostrado su viabilidad para el sector de
vehículos de pasajeros (ISO 15031-3/SAE J1962, ver tabla 1).
Los fabricantes pondrán en Internet (en un formato estandarizado para que la búsqueda sea rápida y exacta), a disposición
de los reparadores independientes, la información requerida para las operaciones de diagnóstico y reparación, lo que trae
entre otros los siguientes servicios: los editores continuarán sirviendo a quienes demanden copias en papel; los fabricantes
de herramientas de diagnóstico proveerán la información sobre sus herramientas; emergerán los portales de información de
reparación, dando información de varios fabricantes y agregando valor a través de guías y la venta de herramientas
apropiadas; se pagará un valor razonable y no discriminatorio por la información de reparación y prevalecerán las reglas de
derechos de copias.
Tabla 1. Lista de los documentos ISO y SAE correspondientes (sin incluir los estándares que estipulan los protocolos de
información)
Documento SAE
Documento ISO
Título del documento ISO
J 1930
15031 – 2
Términos, definiciones, abreviaturas y acrónimos
J 1962
15031 – 3
Conector de diagnóstico y circuitos eléctricos relacionados:
especificaciones y uso
J 1978
15031 – 4
Equipo de prueba externo
J 1979
15031 – 5
Servicios de diagnóstico relativos a las emisiones
J 2012
15031 – 6
Definición de códigos de servicio de diagnóstico
J 2186
15031 - 7
Seguridad del enlace de datos
Documento SAE
J1850
Tabla 2. Estándares para los protocolos de comunicación de información
Documento ISO
Título del documento ISO
9141 – 2
Requerimientos de la CARB para el intercambio de la
información digital
11519 – 4
Interfaz de red de comunicación de información Clase B
14230 – 4
Protocolo de palabreas clave 2000 – requisitos para los sistemas
relativos a las emisiones
15765 - 4
Diagnóstico basados en CAN – requisitos para los sistemas
relativos a las emisiones
5. VEHÍCULOS INTELIGENTES.
La SAE ha identificado las áreas funcionales de los vehículos inteligentes que constituyen los candidatos básicos para el
desarrollo: vehículo básico, seguridad activa y pasiva, e información y entretenimiento. Algunos de los componentes
principales para las tres categorías se muestran en la figura 3.
Los sistemas del vehículo inteligente jugarán un papel importante en el sostenimiento del carro de pasajeros como una
alternativa de transporte viable en muchas partes del mundo y contribuirán significativamente también al costo del vehículo
en el futuro, con más electrónica introducida para propósitos de control y comunicaciones.
Los vehículos con sistemas en su categoría funcional básica pueden no ser considerados verdaderos vehículos inteligentes,
aunque sirven de fundamento a los VI. Los sistemas que mejoran las funciones del vehículo básico como son los de
arranque, parada, conducción y control de la energía son la fundación para los sistemas en las otras dos categorías. Ellos
incluyen las características de confort y comodidades como pantallas de despliegue y acomodaciones adaptativas y
tecnologías de control del chasis para perfeccionamiento de la estabilidad y características de suspensión / dirección.
Figura 3. Principales componentes de los vehículos inteligentes [4].
5. CONCLUSIONES
La globalización de la industria automotriz en los últimos 15 años, los esfuerzos políticos para establecer el mínimo de
requisitos para el ambiente (como la Conferencia de Kyoto, Japón) y la estrecha colaboración de las autoridades legales
nacionales y regionales han dado lugar a un conjunto de regulaciones que técnicamente son casi idénticas en todo el mundo.
Especialmente en el campo de las emisiones de los vehículos, las regulaciones correspondientes en los Estados Unidos,
Europa, Japón son bastante idénticas, como lo son los requisitos para el diagnóstico de bordo, OBD, con todas las
regulaciones referentes a los estándares técnicos nacionales o internacionales.
Los fabricantes de unidades de diagnóstico están trabajando intensamente dentro de los comités de estandarización hacia la
definición de los requerimientos técnicos que se deben aplicar a sus vehículos. Como resultado, la última generación de
probadores (testeres) cumple ya en su totalidad con los estándares legislativos discutidos hasta este momento. Los
fabricantes también están bien equipados para el futuro, sea que una extensión de los requerimientos OBD entre en efecto o
no.
6. BIBLIOGRAFÍA.
[1] BREMER, W. On and Off – Board Diagnostics: The Role of Legislation and Standardization. SAE Warrandale, 2000.
[2] BOSCH Automotive Handbook, 4a edición. Robert Bosch GmbH. Stuttgart, 1996.
[3] Revista Automotive Engineering, pg 22 - 34. Tecnipublicaciones. Madrid, noviembre 2001.
[4] JOST, K. SAE and Intelligent Vehicles. Automotive Engineering International, octubre 1998. SAE. Warrandale.