Dibujo semestral

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Dibujo Noviembre

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Compuetas lógicas.

Circuitos digitales electrónicos. Se llaman circuitos lógicos, ya que con las entradas adecuadas establecen caminos de manipuleo lógico.

Compuerta . Es un bloque de circuiteria que produce señales de salida lógica (”1” ó “0”) si se satisfacen las condiciones de las entradas lógicas. Los nombres, circuitos digitales, circuitos de conmutación, circuitos lógicos y compuertas son usados a menudo pero sé hará referencia a los circuitos con compuertas. Tabla de verdad . Es una representación en forma tabular de todas las combinaciones posibles de las variables de entrada.

¿Qué es la Electrónica Digital? Obviamente es una ciencia que estudia las señales eléctricas, pero en este caso no son señales que varíen continuamente sino que varían en forma discreta, es decir, están bien identificados sus estados, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o Uno lógico; y a otro, estado bajo (Low) o Cero lógico.

Suponga que las señales eléctricas con que trabaja un sistema digital son 0V y 5V (este es un nivel cómodo para el diseñador de los circuitos pero podría ser cualquier otro). Puede parecer lógico que 5V será el estado alto o uno lógico, pero debemos tener en cuenta que existe la “Lógica Positiva” y la “Lógica Negativa”, veamos cada una de ellas.

Lógica Positiva: en esta notación al 1 lógico le corresponde el nivel más alto de tensión (positivo) y al 0 lógico el nivel mas bajo (negativo) ¿pero que ocurre cuando la señal no está bien definida en 0 o 1? Habrá que conocer cuales son los límites para cada tipo de señal (conocido como tensión de histéresis), en la figura 1 se puede ver con mayor claridad cada estado lógico y su nivel de tensión.

Fig.1 Diagrama lógico de la lógica positiva

Es decir que a toda tensión comprendida entre 0 y 2,5 la denominamos cero y a toda tensión comprendida entre 3,5 y 5 lo denominamos 1. entre 2,5 y 3,5 quedan los niveles que llamamos indefinidos.

Lógica Negativa: Aquí ocurre todo lo contrario, es decir, se representa al estado “1″ con los niveles más bajos de tensión y al “0″ con los niveles más altos.

Fig.2 Diagrama lógico de la lógica negativa

Por lo general se suele trabajar con lógica positiva, y así lo haremos en este curso, la forma más sencilla de representar estos estados es como se puede ver en el siguiente gráfico.

Fig.3 Forma sencilla de representación

Compuertas Lógicas

Las compuertas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados en el punto anterior. Pueden asimilarse a una calculadora, por un lado ingresas los datos, la compuerta realiza la operación lógica correspondiente a su tipo, y finalmente, muestra el resultado en algún display.

Fig.4 Aplicación de una operación lógica

Cada compuerta lógica realiza una operación aritmética o lógica diferente, que se representa mediante un símbolo de circuito. La operación que realiza (Operación lógica) tiene correspondencia con una determinada tabla, llamada “Tabla de Verdad”. A continuación vamos a analizar las diferentes operaciones lógicas una por una comenzando por la más simple.

Compuerta negadora o NOT

Se trata de un amplificador inversor, es decir, invierte el dato de entrada y lo saca sobre una salida de baja impedancia, que admite la carga de varias compuertas en paralelo, o de un display de baja impedancia; por ejemplo si se pone su entrada a 1 (nivel alto) se obtiene una salida 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada que llamaremos A. Su operación lógica genera una salida S igual a la entrada A invertida.

Fig.5 Compuerta NOT

La tabla de verdad nos indica que la salida S siempre es el estado contrario al de la entrada A. La ecuación matemática binaria indica que la salida S es siempre igual a la entrada negada lo que se representa con la rayita sobre la A.

Compuerta AND ó “Y”

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto de ambas entradas. El lector no se debe confundir porque las operaciones lógicas pueden no concordar con las aritméticas, aunque en este caso particular coincidan. Su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto.

Fig.6 Compuerta and

El nombre aclara la función. Deben estar altos A y B para que se levante S.

Una aplicación de esta compuerta puede ser un sistema de seguridad para un balancín. Para evitar que las manos del operario estén dentro de la zona de presión, se colocan dos pulsadores que ponen un uno en cada entrada. Los pulsadores están bien separados entre si. Recién cuando el operario los pulse aparece un uno en la salida que opera el relay del motor.

Compuerta OR ó “O”

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas. Aquí podemos ver que la operación aritmética no coincide con la lógica ya que la ultima condición de la tabla de verdad es 1+1=1 y en la operación aritmética seria 1+1=2. La operación lógica O es inclusiva; es decir que la salida es alta si una sola de las entradas es alta o inclusive si ambas lo son. Es decir, basta que una de las entradas sea 1 para que su salida también lo sea. Deben ser altas A “o” B o ambas al mismo tiempo, para que la salida sea alta.

Fig.7 Compuerta “Or”

Un ejemplo de uso puede ser que se desee que un motor se opere con una pequeña llave desde una oficina, o en forma local desde al lado del motor; pero no se desea que el motor se apague, si se cierran las dos llaves. La salida debe comandar al contactor del motor y las llaves de entrada deben conectar la tensión de fuente a las entradas.

Compuerta OR-EX ó XOR ó “O exclusiva”

En nuestro caso la OR Exclusiva tiene dos entradas (pero puede tener más) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre “A” por “B”invertida y “A”invertida por “B”. Todo un lío si consideramos su fórmula pero su tabla de verdad es muy sencilla y su descripción también, ya que la salida será alta solo si una de las entradas lo es, pero no lo es, si lo son las dos al mismo tiempo.

Fig.8 Compuerta XOR

Como ejemplo recurrimos al caso anterior pero donde deseamos que si la maquina se opera en forma local no pueda operarse también en forma remota.

Estas serían básicamente las compuertas más sencillas. Pero no son todas las que hay porque existen combinaciones de las compuertas básicas con compuertas negadoras que vamos a ver a continuación.

Compuertas lógicas combinadas

Al agregar una compuerta NOT a la salida de cada una de las compuertas anteriores los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas: NAND, NOR y NOR-EX. Veamos ahora sus características y cual es el símbolo que las representa.

La compuerta NAND responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo sobre su salida.

Fig.9 Compuerta NAND

Una compuerta NOR se obtiene conectando una NOT a la salida de una OR. El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica “o inclusiva” es como un “no a y/o b”. Igual que antes, solo se agrega un círculo a la compuerta OR y ya se obtiene el símbolo de una NOR.

Fig.10 Compuerta NOR

La compuerta NOR-EX, es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad en donde la columna S es la negación de la anterior. El símbolo que la representa se obtienen agregando un circulo a la salida de una OR-EX.

Fig.11 Compuerta NOR-EX

Las compuerta “buffer” sería una compuerta negadora detrás de otra negadora lo cual no parece tener sentido ya que la tabla de verdad seria una repetición de la entrada en la salida. Pero sin embargo existen y tienen un uso muy importante aclarado por su nombre que significa expansora o reforzadora. Se usan para alimentar a un conjunto de compuertas conectadas sobre su salida. El buffer en realidad no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar la señal (o refrescarla para decirlo de otra manera ya que no se incrementa su amplitud sino su capacidad de hacer circular corriente. Como puede ver en la figura 12 la señal de salida es la misma que la de entrada.

Fig.12 Compuerta buffer

Hasta aquí llegó la teoría aunque dimos algunos ejemplos prácticos. Ahora nos interesa más saber como se hacen evidentes estos estados lógicos y operaciones para lograr resultados prácticos, y en qué circuitos integrados se las puede encontrar. Pero antes debemos estudiar las distintas familias de compuertas que existen en la actualidad

FLEX RAY

FlexRay es un nuevo protocolo de comunicaciones para buses de datos en el automóvil desarrollado por el consorcio FlexRay entre 2000 y 2009. Se considera un protocolo de comunicación más avanzado que el CAN y el MOST en lo relativo al precio y a las prestaciones.

Características.

Sus características más destacadas son:

Una alta transmisión de datos (10 megabits por segundo)

Un comportamiento estimulado por factores temporales

Redundancia, seguridad y tolerancia de errores.

Las especificaciones de éste protocolo están siendo actualmente revisadas. El primer vehículo del mercado que contaba con ésta tecnología fue el BMW X5, lanzado al mercado en Enero de 2007. Este vehículo se basa en ésta tecnología para comunicar los sensores en los amortiguadores con una centralita electrónica central que sirve como reguladora. El objetivo de este sistema es una respuesta rápida a las asperezas de la carretera para lograr un conducción lo más suave posible. Se espera el uso de esta tecnología a gran escala en el 2008. La versión actual es la 3.0 (2009).

Creación.

El consorcio FlexRay fue fundado en Septiembre de 2000 por BMW, Daimler AG (matriz de Mercedes), Philips y Motorola y actualmente está compuesto por los siguientes miembros:

Volkswagen

BMW

Daimler AG

General Motors

Robert Bosch GmbH

2 Capa física.
En este apartado vamos a describir los puntos más importantes y relevantes de la capa física del protocolo Flexray.

3 Arquitectura de un nodo. 
Un nodo Flexray está formado esencialmente por un microcontrolador, un periférico llamado Communication Controller, 2 transceivers y una fuente de alimentación.

 El microcontrolador es el propio de la ECU, el cual seguramente realiza otras funciones externas propias de la ECU y que cada cierto tiempo envía y recibe una trama de información al bus Flexray.

Para ello se comunica con el Communication Controller (CC), que no es más que un periférico hardware que gestiona en todo momento el protocolo. Es decir, el microcontrolador no se encarga de la pila del protocolo, si no que lo gestiona todo el CC. Así pues, el CC se comunica a su vez con los transceivers que se encargan de transformar los datos lógicos a niveles eléctricos de Bus. Flexray dispone de 2 canales de comunicación, lo que requiere un transceiver para cada canal. Entre los diferentes bloques mencionados existen líneas optativas de señalización para determinadas situaciones. Esto será explicado más adelante con más detalle. Por tanto el hardware que se espera de un nodo o ECU responde al siguiente esquema

 Estudio del nuevo bus de automoción Flexray y diseño de un prototipo ilustrativo de la tecnología

4 Topologías de red.
 Flexray permite un amplio abanico de topologías de red. El hecho de tener 2 canales independientes aporta además otro grado de libertad, pudiendo hacer para cada canal una configuración de nodos diferente. La interconexión básica entre dos nodos responde al siguiente esquema.

En el caso que conectemos más nodos podemos hacerlo de manera pasiva o de manera activa. Veamos antes de empezar a ver diferentes ejemplos de topologías otro elemento de red importante en Flexray como es el Active Star. El siguiente esquema nos da una idea

Así pues combinando estos elementos entre sí y para cada canal obtenemos una flexibilidad substancial de crear diferentes topologías de red, ya sean básicas o híbridas.

Para cada una de ellas existen algunas limitaciones que hay que cumplir para el correcto funcionamiento del bus tales como longitud máxima del bus, número máximo de stubs, número máximo de Active Stars.

Estos parámetros son típicos de todos los buses y tienen como causa principal los retardos 
que se producen en el bus.

5. Topologías básicas.

5.1 Linear passive bus

 Es la topología más básica y una de las más usadas. Se puede apreciar como es posible que un nodo se conecte a los dos canales (por ejemplo en el caso que este nodo representara una función crítica del sistema) mientras que otros nodos se conectan a uno de los dos canales. Las limitaciones más importantes a tener en cuenta en esta topología son:

Longitud del bus 24m 
Número máximo de nodos conectados al bus mediante stubs 22
 Mínima distancia entre stubs 15cm.

Estudio del nuevo bus de automoción Flexray y diseño de un prototipo ilustrativo de la tecnología Cabe recalcar que existe una variante del Passive Bus que es la Passive Star la cual tiene las mismas limitaciones que el anterior.

Eso sí se limita el uso de la Passive Star a un máximo de 1 ‘splice’ (empalme).  La idea de la Passive Star es que todos los nodos se unen en un solo punto.

5.2 Bits en el bus.

Desviación de 2 ciclos en situaciones libres de errores.

Los errores en las cercanías del centro en un ciclo de 8 se cancelan.

Los errores junto a los bordes de un ciclo de 8 pueden afectar al bit fronterizo.

En cada momento solo una centralita emite en el bus. Cada bit se mantiene en el bus durante 8 ciclos de reloj. Cada receptor contiene un búfer de los 5 últimos ciclos.

0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0

Desviación de 2 ciclos en situaciones libres de errores.

0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	1	1	1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0

Los errores en las cercanías del centro en un ciclo de 8 se cancelan.

0	0	0	1	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0

6. Errores de transmisión. 
En un único ciclo pueden afectar los resultados de los bits fronterizos, pero no en el centro de un ciclo de 8 bits.

Muestreo de bits

El valor del bit se muestrea en el centro de una región de 8 bits. Los errores se desplazan a los ciclos extremos, y el reloj se sincroniza frecuentemente para evitar desfases.

7. Estructura.

Toda la comunicación se envía en estructuras soporte (o frames). Un mensaje consiste en bytes , empaquetados de la siguiente forma:

Señal de inicio de transmisión (Transmission Start Signal, TSS) - bit 0

Señal de inicio de la estructura (Frame Start Signal, FSS) - bit 1

 veces:

Señal de inicio de byte 0 (BSS0) - bit 1

Señal de inicio de byte 1 (BSS1) - bit 0

0-ésimo bit del i- byte

1. bit del i-ésimo byte

2. bit del i-ésimo byte

...

7. bit del i-ésimo byte

Señal de fin de la estructura (FES) - bit 0

Señal de fin de la transmisión (TES) - bit 1

Si no hay ningún mensaje en el bus, el valor es igual a 1 (voltaje alto), de forma que cada receptor sabe que la comunicación comienza cuando el voltaje cambia a 0.

El receptor sabe si el mensaje es completo comprobando que o BSS0 (1) o FES (0) han sido recibidos.

Hay que destacar que un ciclo de 8 por bit no tiene nada que ver con bytes. Se necesitan 80 ciclos para transmitir un solo byte, 16 para BSS0 y BSS1 así como 64 para sus bits. Igualmente, BSS0 siempre tiene el valor 0 y BSS1 el valor 1

Dibujo octubre

Dibujo

Red Automotriz CAN-BUS

Las exigencias planteadas a la seguridad de conducción, el confort de marcha, el comportamiento de las emisiones de escape y el consumo de combustible crecen continuamente. Estas exigencias implican un intercambio cada vez más intenso de información entre las unidades de control.

Para mantener, a pesar de ello, claramente estructurados los sistemas eléctricos y electrónicos, evitando que ocupen demasiado espacio, se necesita una solución técnica adecuada para el intercambio de la información.

CAN significa Controller Area Network (red de área de controlador) y significa, que las unidades de control están interconectadas e intercambian datos entre sí.

El CAN- BUS de datos representa una manera de transmisión de datos entre las unidades de control.

Indice.
Funcionamiento.
Ventajas.
Componentes dentro de la red CAN-BUS.
Topología.
Formato de mensaje.
Diagnóstico.
Resumen.

Ventajas.
Ventajas del bus CAN: menos sensores (el mismo sensor da la misma información para varios sistemas electrónicos), menor cantidad de cables de señal, lo que supone menor peso global del vehículo, menos conexiones entre las unidades de control y mejor rendimiento y más eficaz de los componentes, aunque esta tecnología es transitoria, ya que la fibra óptica se empieza a imponer y las conexiones via bluetooth son el futuro en el automóvil.

Funcionamiento.

La transferencia de datos a través del CAN-BUS  de datos funciona similar a una conferencia telefónica. Una unidad de control modula sus datos introduciendolos a la red, mientras que las demás coescuchan estos datos. A alguna unidad de control pueden parecerle útiles estos datos y utilizarlos mientras que a otras puede que no. 

Las velocidades de transmisión típicas están entre aprox. 125 kBit/s y 1Mbit/s (ejemplo: la unidad de control del motor y la unidad de control de bomba en la regulación electrónica diesel comunican entre si a 500 kBit/s). Las velocidades de transmisión deben ser tan altas para poder garantizar el comportamiento de tiempo real requerido. 
Prioridad

El identificador determina junto al contenido de datos simultáneamente la prioridad (preferencia) del mensaje al realizar la emisión. Una señal que varia rápidamente (ejemplo: el numero de revoluciones del motor) debe transmitirse también con gran rapidez, y recibe por lo tanto una prioridad mayor que una señal que varia relativamente lenta (ejemplo: temperatura del motor).

Asignación de bus.

Cuando esta libre el bus puede comenzar cualquier estación a transmitir su mensaje. Si comienzan a emitir varias estaciones simultáneamente, se impone el mensaje de mayor prioridad, sin que se produzca una perdida de tiempo o de bit. Los emisores con mensajes de menor prioridad se convierten automáticamente en receptores y repiten su intento de emisión, en cuanto esta libre otra vez el bus.

Componentes de la Red CAN-BUS.

Dentro de la red de CAN podemos encontrar los siguientes dispositivos:

Controlador CAN.

Recibe los datos que han de ser transmitidos desde el microprocesador, los acondiciona y los pasa al transceptor Can y visceversa.

Transceptor CAN.

transforma los datos del controlador CAN en señales eléctricas y los manda a través del cable CAN-BUS. Así mismo recibe los datos y los transforma para el controlador CAN.

Elemento final de bus de datos.

Es una resistencia la cual evita que los datos sean devueltos en forma de eco de los extremos de los cables y que se falsifiquen datos.

Cables de bus de datos.

Funcionan de forma bidireccional y sirven para la transmisión de datos. Se denominan CAN-High (señales de nivel lógico alto, puede variar entre 2.25V a 5V) y Can-Low (señales de valor lógico bajo que puede varias entre 0V y 2.25V)
Cabe mencionar que estos cables se encuentran trenzados entre sí con la finalidad de evitar cualquier campo magnético que pudiera generarse y posibles emisiones parasitarias.

Topología.
La topología empleda en CAN-BUS es, valga la redundancia, la topología de bus.
Esto quiere decir que tenemos 1 solo cable que recorre todo el automovil en el cual las unidades se control se comunican entre sí.

Formato de mensaje
Para la transmisión en el bus se crea un marco de datos (Data Frame), cuya longitud abarca como máximo 130 bit (formato estándar) o 150 bit (formato ampliado). De esta forma queda asegurado que el tiempo de espera hasta la siguiente transmisión, posiblemente muy urgente, se mantenga siempre corto. El "Data Frame" consta de siete campos sucesivos:

• "Start of Frame" marca de comienzo de un mensaje y sincroniza todas las estaciones.
• "Arbitration Field" consta del identificador del mensaje y un bit de control adicional. Durante la transmisión de este campo, el emisor comprueba en cada bit si todavía esta autorizado para emitir o si esta emitiendo otra estación de mayor prioridad. El bit de control decide si el mensaje se trata de un "Data Frame" o de un "Remote Frame".
• "Control Field" contiene el código sobre la cantidad de bytes de datos en el "Data Field".
• "Data Field" dispone de un contenido de información entre 0 y 8 bytes. Un mensaje de longitud 0 puede emplearse para la sincronización de procesos distribuidos.
• "CRC Field" contiene una palabra de protección de marco para el reconocimiento de posibles anomalías de transmisión producidas.
• "Ack Field" contiene una señal de confirmación de todos los receptores que han recibido el mensaje sin fallos.
• "End of Frame" marca el final del mensaje.

Diagnostico integrado
El sistema bus CAN dispone de una serie de mecanismos de control para el reconocimiento de anomalías. Pertenece aquí por ejemplo: la señal de seguridad en el "Data Frame" y el "Monitoring", en la que cada emisor recibe otra vez su propio mensaje, pudiendo reconocer entonces posibles divergencias.
Si una estación registra una anomalía, emite entonces un "flag de error", que detiene la transmisión en curso. De esta forma se impide que otras estaciones reciban el mensaje erróneo.

En caso de una estación defectuosa podría ocurrir sin embargo que todos los mensajes, es decir también los mensajes sin errores, sean interrumpidos con un flag de error. Para evitar esto, el sistema bus CAN esta equipado con un mecanismo que puede distinguir entre anomalias ocasionales y anomalias permanentes y pueden localizar fallos de estación. Esto se produce mediante una evaluación estadística de las situaciones de error.

Resumen.
La red CAN-BUS vino a optimizar la manera de funcionamiento de un auto, ya que permite una mejor comunicación y aprovechamiento de las señales de acuerdo a las necesidades del sistema. Así mismo facilita el diagnostico de fallas en un auto, sin embargo esta red podría ser obsoleta en algunos años gracias a la emergente red llamada FlexRay

Referencias.
http://www.tecnomovil.com/Cursos-formacion/CAN-BUS/Curso-CAN-BUS.htm
http://www.aficionadosalamecanica.net/canbus.htm
http://eltallerdecyper.blogspot.mx

Dibujo

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