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 correspondiente