Trabajo Final de Máster en - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/70452/fichero/TFM_JMLC.pdf · 2.3.1 Microcontrolador 8051 44 ... 4.3.2 Soporte STK500 en Versiones Actuales

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Trabajo Final de Mster en

Electrnica, Tratamiento Digital de la Seal y

Comunicaciones

Implantacin de Nuevas Tecnologas de los

Sistemas Inteligentes de Transporte en un

Vehculo Elctrico

Autor: Jos Mara Len Coca

Tutor: Federico Jos Barrero Garca

Departamento de Ingeniera Electrnica

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2013

Trabajo Final de Mster en

Electrnica, Tratamiento Digital de la Seal y Comunicaciones

Implantacin de Nuevas Tecnologas de los Sistemas

Inteligentes de Transporte en un Vehculo Elctrico

Autor:

Jos Mara Len Coca

Tutor:

Federico Jos Barrero Garca

Profesor titular

Departamento de Ingeniera Electrnica

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2013

Trabajo Final de Mster: Implantacin de Nuevas Tecnologas de los Sistemas Inteligentes de Transporte en un Vehculo Elctrico

Autor: Jos Mara Len Coca

Tutor: Federico Jos Barrero Garca

El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo Final de Mster arriba indicado, compuesto por los

siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificacin de:

Sevilla, 2013

El Secretario del Tribunal

v

A mi prima Mara,

A mi ta Mili,

Y a mi Padre, nuevamente, Ella

estara orgullosa.

Agradecimientos

A lo largo de este ao han ocurrido muchsimas cosas, grandes retos que superar y muy poco tiempo para ello. An as, siempre es bueno pensar que todo esto no cae en saco roto y que servirn para formarme como persona y profesional. Es por ello que debo agradecerle a toda la gente que hizo posible que siguiera hacia delante, dndome consejo y ofrecindome su mano para volverme a levantar: Juanma, Juanjo, Pepe, Diego, Jose A mi familia, siempre apoyndome y facilitndome el camino. A todos mis compaeros del grupo de investigacin, hacis que parezcamos una familia y en especial a mi tutor Federico, gua en mi carrera investigativa, siempre dispuesto a poner sobre la mesa su experiencia y mostrarme las opciones existentes.

Para terminar, lo ms importante, mi Angelita, siempre seguir creyendo en nuevo un 5 de Junio.

Al final, todo va a acabar bien... Y si no acaba bien es que an no es el Final.

-Pelcula El Extico Hotel Marigold-

Resumen

Este trabajo final de mster expone la implantacin en un vehculo elctrico de las nuevas tecnologas de la informacin aplicadas a entornos vehiculares. Estas tecnologas permiten un nuevo concepto de conduccin: la conduccin cooperativa. Este nuevo paradigma tiene la capacidad potencial de evitar los accidentes y por tanto aumentar la seguridad en las carreteras. Adems de otros beneficios que permitiran una mejora y optimizacin de las infraestructuras de transporte. Para poder habilitar esta tecnologa es necesario disponer de una tecnologa de comunicacin inalmbrica que permita una comunicacin vehculo-a-vehculo y vehculo-a-infraestructura. Esta tecnologa ha sido tema de estudio durante la ltima dcada, llegando a estar al fin terminada y estandarizada bajo el nombre de WAVE (IEEE 802.11p/IEEE 1609). Por tanto este proyecto supone un trabajo de investigacin para conseguir desarrollar una plataforma demostradora de estas nuevas tecnologas vehiculares.

viii

Abstract

This final master job describes the implementation of new information technologies related with vehicular environment in an electric vehicle. These technologies provide a new driving concept: The cooperative driving. This new paradigm has been designed to have the potential capability to avoide and prevent traffic accidents enhancing the road safety. In addition to offers other benefits that allowan improvement and optimization on transportation infrastructures. In order to enable this technology is necessary to have a wireless communication technology that supports vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communications. This technology has been the subject of study in the last decade, becoming finally finmished and standardized under the name WAVE (IEEE 802.11p/IEEE 1609). So this project is a research work for developing a new vehicular technologies demonstrator platform.

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ndice

Agradecimientos vi

Resumen vii

Abstract viii

ndice ix

Siglas y Acrnimos xi

1 Introduccin 13

2 Marco tecnolgico 15 2.1 Comunicaciones Inalambricas para ITS 17

2.1.1 Bluetooth 19 2.1.2 IEEE 802.11 22 2.1.3 WAVE 24 2.1.4 Tecnologas Adaptadas por ISO CALM 28

2.2 Comunicacin Interna del Vehculo 31 2.2.1 Protocolo CAN 31 2.2.2 OBD II 42

2.3 Estudio Controlador CAN Stand Alone 44 2.3.1 Microcontrolador 8051 44 2.3.2 Controlador SJA1000 46 2.3.3 Registros Controlador CAN 48 2.3.4 Modo PeliCan. 60 2.3.5 Registros comunes 83

2.4 Proyectos ITS 89 2.4.1 Proyectos ITS Americanos 89 2.4.2 Proyectos ITS Europeos 91

3 Arquitectura y Elementos del Sistema 97 3.1 OBU 98

3.1.1 Arquitectura Base 98 3.1.2 Arquitectura del Demostrador 98 3.1.3 Mobile Router 99 3.1.4 Vehicle Host 103 3.1.5 Vehicle Gateway 105 3.1.6 Human Media Interface 107

3.2 RSU 109 3.2.1 Arquitectura Base 109 3.2.2 Arquitectura del Demostrador 110

4 Trabajo Realizado 111 4.1 Red Externa del Vehculo 112

4.1.1 Eleccin Sistema Operativo para Mobile Router 112 4.1.2 Primeros Pasos con Open-WRT 114 4.1.3 Modo GCDC 120

4.2 Integracin SmartPhone 121 4.2.1 Creacin Aplicacin Servidora 121 4.2.2 Creacin Aplicacin Cliente 122

4.3 Red Interna del Vehculo 123 4.3.1 Creacin de los Sensores/Actuadores 123 4.3.2 Soporte STK500 en Versiones Actuales de AVR-Studio 124 4.3.3 Test CAN 125

4.4 PC de Abordo 127

5 Conclusiones y Trabajo Futuro 129

Referencias 131

ndice de Figuras 133

ndice de Tablas 135

Siglas y Acrnimos

CEN European Committee for Standardization

CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization

CEPT European Conference of Postal and Telecommunications Administrations

EN European Norm

ES ETSI Standard

ESO European Standardization Organization

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FCC Federal Communications Commission

GPS Global Positioning System

ITS Intelligent Transport System

ITS-G5 ITS-G5 Set of protocols and parameters in the ETSI Standard ES 202 663

MAC Medium Access Control

NSO National Standards Organization

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

PHY Physical

STA Station

TC Technical Committee

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

WAVE Wireless Access in Vehicular Environments

WiFi Brandname of the Wi-Fi Alliance, normally used with IEEE 802.11

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access, used with IEEE 802.16

WG Work Group

WLAN Wireless Local Area Network

13 Implantacin de Nuevas Tecnologas de los Sistemas Inteligentes de Transporte en un Vehculo Elctrico

1 INTRODUCCIN

ste documento es el trabajo final de mster, TFM en adelante, en Electrnica, Tratamiento de Seal y Comunicaciones que es impartido de forma conjunta por el Departamento de Ingeniera Electrnica y el Departamento de Teora de la Seal de

la Escuela Tcnica Superior de Ingeniera (ETSI) de la Universidad de Sevilla. En el mismo se desarrolla un proyecto de investigacin y desarrollo en el cual se encuentra trabajando el propio autor, ste se engloba dentro del mbito de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) que pueden definirse brevemente como aquellos sistemas que tratan de optimizar los productos y recursos de las infraestructuras de transporte mediante el uso de las tecnologas de la informacin. El proyecto trata concretamente d e la implantacin y el desarrollo de las nuevas tecnologas de comunicaciones existentes en la industria en un vehculo elctrico, en pos de conseguir un prototipo que sirva como demostrador de dichas tecnologas. Se trata de un proyecto ambicioso, con varias partes y tecnologas diferentes a desarrollar. Su horizonte temporal, se extiende ms all de lo que se recoge en este trabajo final de mster, en el que se explicarn los mimbres, las bases, que permitirn crear la infraestructura de comunicaciones necesaria para realizar un sistema demostrador de la tecnologa ISO-CALM (Communication Access for Land Mobiles). sta tecnologa hace referencia al recin licenciado estndar de comunicaciones para entornos vehiculares, que ser explicado ms adelante en el siguiente captulo.

El proyecto se realiza en el seno del grupo de investigacin ACE-TI (Aplicaciones Cibernticas de la Electrnica a las Tecnologas de la Informacin) creado en 2006 por profesores de la ETSI, Este grupo de investigacin, compuesto por profesores y estudiantes adscritos a los departamentos de Ingeniera Electrnica e Ingeniera de Sistemas y Automtica, est compuesto por 23 investigadores agrupados en dos lneas de investigacin. Entre los miembros de este grupo, cabe destacar la presencia de 5 doctores. Actualmente el director del grupo de investigacin es el tutor de ste proyecto. Las lneas de investigacin del grupo ACE-ti se centran en los sistemas empotrados y sus aplicaciones a reas tan diversas como el procesamiento de video, el control de mquinas elctricas o las redes de sensores, y la optimizacin de los sistemas de produccin, principalmente plantas termosolares, invernadores o demanda.

E

Figura 1: Logotipo Grupo de Investigacin ACE-TI


La mejor presentacin posible para dar a conocer el trabajo que se realiza, es definir qu le rodea. ste sigue la influencia y directrices de algunos proyectos europeos ms importantes, como el CVIS, COOPERS, SAFESPOT y la iniciativa GCDC. Adems se seguirn y estudiarn los estndares IEEE 802.11p, IEEE 1609, ISO-CALM, CAN, Bluetooth, WiFi. Tambin se seguir la estela de proyectos realizados por el grupo de investigacin como son VisioWay y AudioZity.

El punto de partida del proyecto se inici con un vehculo elctrico vaco, el modelo cross-ryder, disponible en el grupo de investigacin, sobre ste se decidieron instalar una serie de elementos que mejoraran de forma notable sus prestaciones. Al comenzar el estudio de las ltimas propuestas tecnolgicas ms actuales en la industria de la automocin, para decidir qu instalar en el vehculo, comenzaba a expandirse ms y ms el concepto de conduccin cooperativa: dicho de forma breve, comunicaciones de todos los vehculos entre ellos y con la infraestructura permitiendo el trasiego de informacin relevante, tanto para la conduccin y como para la mejora de la seguridad en la carretera. Fue entonces cuando se decidi a seguir un modelo de desarrollo y una arquitectura similares a la propuesta por el proyecto CVIS, tal y como puede verse en la Figura 2:

Todas estas entidades han de ser desarrolladas y hacerlas funcionar como una sla para conseguir el objetivo del proyecto. En ste TFM se recoge el trabajo hasta la fecha en la que an se encuentran en vas de desarrollo algunas de las entidades, comenzando a interactuar entre ellas, por ello que anteriormente se describiera como las bases del proyecto.

El TFM se organizar de la siguiente manera, primero un marco terico el cual ayude a situar tecnolgicamente el proyecto y sean explicadas algunas de las tecnologas utilizadas en el mismo. En el tercer captulo, se describe ms en profundidad los elementos utilizados, tanto hardware como software, que sern empleados en la realizacin del proyecto. El siguiente captulo, se explicar el desarrollo realizado en cada una de las partes del proyecto. El ltimo captulo expresar las conclusiones y el trabajo futuro a realizar.

Figura 2: Arquitectura Vehculo Elctrico


2 MARCO TECNOLGICO

esde finales del siglo XX y principios del XXI, la tendencia de la poblacin mundial ha ido encaminada a establecerse en zonas urbanas. En la actualidad un 50% de la poblacin, reside en ciudades. Segn estudios de Naciones Unidas [1], se estima

que sta poblacin, aumente hasta el 70%, 5,5 mil millones, en 2050.

El incremento en la poblacin urbana ha trado consigo el aumento de la movilidad, como puede verse en la Figura 3 [2]. En la mayora de los casos, no existe la infraestructura necesaria para satisfacer la demanda requerida por el nmero de vehculos, lo que acarrea graves problemas de congestin trfico y un importante aumento de la siniestralidad y la contaminacin.

El impacto directo de estos problemas en el aspecto econmico ha sido materia de estudio. Segn datos recopilados por la Fundacin Instituto Tecnolgico para la Seguridad del Automvil (FITSA), el coste acumulado de los accidentes de trfico en Espaa desde 1991 a 2002 ascendi a 108.000-150.000 millones. Actualmente supone ms de 16.000 millones de euros, alrededor de un 2% del PIB. Adems se sabe que la congestin del trfico tiene un coste econmico igualmente profundo, que puede alcanzar entre el 1 y el 3% del PIB tanto en pases desarrollados como en vas de desarrollo [3].

En materia sanitaria, la contaminacin por culpa del trfico supone un 25% del total de emisiones de CO2 en Europa. El volumen del trfico de vehculos a motor, es la principal

D

Figura 3: Transporte de Personas por Regiones del Mundo


causa de la degeneracin del aire que respiramos. La contaminacin atmosfrica afecta a nuestra salud de una manera intensa pero lenta, no siempre apreciable en cortos lapsos de tiempo. Diversas investigaciones han puesto de relieve su relacin con la aparicin y agravamiento de enfermedades respiratorias, as como de otras dolencias asociadas, como las vasculares y los cnceres. Tambin es muy clara su relacin con el incremento de las alergias que tanto merman la calidad de vida de muchas personas.

El problema es de una enorme magnitud: segn el Ministerio de Medio Ambiente 16.000 personas mueren prematuramente cada ao en el Estado espaol a causa de la contaminacin atmosfrica, segn la UE, se producen 370.000 muertes al ao por esta causa en la zona europea, ocho veces ms que los muertos en accidentes de trfico [4].

Es evidente que la expansin tradicional de las infraestructuras urbanas ha sido ineficaz, lo que ha obligado a realizar una gestin ms eficiente de los recursos mediante la implantacin de Sistemas de Trafico Inteligentes. Los ITS se pueden definir como un conjunto de aplicaciones avanzadas dentro de la tecnologa informtica, electrnica y de comunicaciones que, desde un punto de vista social, econmico y medioambiental, estn destinadas a mejorar la movilidad, seguridad y productividad del transporte, optimizando la utilizacin de las infraestructuras existentes, aumentando la eficiencia del consumo de energa y mejorando la capacidad del sistema de transportes para la disminucin de las emisiones.

Los ITS se emplean para diversas tareas, entre las que se incluyen:

Mejora de la vigilancia, videovigilancia y autovigilancia

Sistemas de seguridad avanzada intravehiculares, intervehiculares y entre vehculo e infraestructura

Mejora de las condiciones de seguridad en el transporte por carretera

Mejora de la captura de datos y servicios de monitorizacin

Mejora de la difusin de informacin

Coordinacin entre sistemas ITS

Mejora de la vialidad urbana y Gestin de determinadas mercancas y de los terminales modales

Administracin electrnica y E-movilidad

Actualmente, las ciudades, se encuentran en un periodo de comprensin y materializacin del potencial de los sistemas ITS. La implantacin de estos sistemas se debe desarrollar de una manera flexible y a largo plazo. Un aspecto clave en el desarrollo de dichos sistemas es el econmico. La inversin que requieren es grande y los pases buscan la financiacin mediante capital privado o la aplicacin directas de impuestos. La situacin actual de crisis que se vive en el mundo, ha trado consigo polticas de austeridad, por lo que la inversin en campos de investigacin y desarrollo se ha visto gravemente afectada. Esto supone un frenazo en la evolucin de los ITS. Aun as, la Unin Europea continua ofreciendo planes de accin [5] en materia de ITS que afecta al mbito del transporte por carretera y a las interfaces con otros medios de transporte. El objetivo consiste en coordinar los recursos e instrumentos disponibles existentes mediante el desarrollo de las siguientes acciones:

Un sistema europeo de informacin en tiempo real sobre trfico y desplazamientos. Se trata de dar fluidez al trfico por carretera y de poner a disposicin de todos los ciudadanos europeos una informacin comn.

Continuidad de los servicios ITS de gestin del trfico y mercancas en los corredores de transporte europeos y en las aglomeraciones urbanas mediante un marco comn.

Fomento de buenas prcticas en materia de proteccin y seguridad viaria, en particular, promoviendo el despliegue de sistemas de asistencia a la conduccin ms avanzados y sistemas ITS de seguridad y proteccin.


Integracin de los vehculos en las infraestructuras de transportes, por ejemplo, mediante una plataforma de servicios y aplicaciones ITS.

Proteccin de la seguridad de los datos de carcter personal.

Cooperacin y coordinacin eficaz de todos los sectores interesados a escala europea, en concreto por medio de la creacin de un marco jurdico.

As mismo los Estados miembros debern proporcionar acceso a aplicaciones y servicios ITS interoperables en la Comunidad Europea que incluyan:

Datos sobre el transporte por carretera.

Datos sobre el trfico.

Sistemas de proteccin y seguridad en los vehculos y en la infraestructura viaria.

Informacin entre vehculos e infraestructuras viarias.

Un ejemplo del desarrollo en Espaa es el Plan Nacional de consolidacin de los ITS de carretera en Espaa, cuya evolucin puede verse en la Figura 4 [6].

Para lograr este propsito, los vehculos deben integrar la tecnologa necesaria. En este campo la industria automovilstica ha realizado una gran inversin para conseguir fabricar vehculos inteligentes, que aumenten la seguridad y comodidad de conductores y pasajeros. En 2011 la empresa automovilstica Ford, duplic su inversin en el desarrollo de sistemas que permitan reducir la colisin entre vehculos. Estos sistemas se basan en la utilizacin de sensores y algoritmos de control para la evaluacin de las situaciones y la actuacin autnoma.

La tecnologa inalmbrica por la que se ha apostado para la realizacin de los sistemas ITS ha sido 802.11p, ms conocida como WAVE, comentada posteriormente en esta documentacin.

2.1 Comunicaciones Inalambricas para ITS

Las tecnologas de comunicacin inalmbricas estn llamadas a desempear un papel importante en el mbito de los sistemas inteligentes de transporte [7], [8], [9]. Actualmente, los entornos urbanos poseen una infraestructura dotada de gran multitud de equipos como cmaras de vigilancia y deteccin, reguladores de trfico, paneles, equipos de estimacin de parmetros de trfico, todos ellos conectados a una red Ethernet urbana, capaz de recibir toda la informacin de estos sistemas incluyendo datos en tiempo real, imgenes y video [10], [11]. Como elementos mviles de estos entornos urbanos se encuentran los vehculos y los ciudadanos, lo que da lugar a las comunicaciones vehculo-infraestructura (V2I) y vehculo-vehculo (V2V) y vehculo-persona (V2P). Cuando se

Figura 4: Nmero de Secciones de Control Puestas en Produccin por ao


quiere hacer referencia al conjunto de ellas, sin distinguir entre los protagonistas de la comunicacin, se utiliza el acrnimo V2X. En la Figura 5, se ilustran las interacciones entre los elementos que forman los entornos urbanos inteligentes.

Existen varias iniciativas europeas centradas en el desarrollo de aplicaciones y la capa middleware para infraestructuras cooperativas en entornos urbanos. Dentro del Sexto Programa marco (FP6) destacan CVIS (Cooperative Vehicle Infrastructure Systems, http://www.cvisproject.org/), SAFESPOT (Cooperative systems for Road Safety, http://www.safespot-eu.org/pages/page.php) y COOPERS (COOPerative systEms for Intelligent Road Safety, http://www.coopers-ip.eu/). Sirviendo como referencia y prueba del concepto de conduccin cooperativa para los test diseados por cuerpos de estandarizacin europeos, en pos de conseguir una arquitectura nica europea para entornos vehiculares. No obstante, estas iniciativas no profundizan en el despliegue de estas redes y en las dificultades y limitaciones referentes a entornos urbanos.

Las redes mviles Ad Hoc (MANETs) son redes inalmbricas descentralizadas con nodos mviles en las que cada uno acta como pasarela de otro, permitiendo el trasiego de mensajes sin el establecimiento de una red inalmbrica local, realizando el rol de punto de acceso y cliente a la vez [12]. Es por ello que las redes Ad Hoc encajan perfectamente en las limitaciones que presentan las redes en entornos urbanos. Cuando los nodos se corresponden con vehculos (coches, camiones, autobusesetc.) y su movimiento se restringe a las carreteras y pasos hbiles, se denominan VANET o Vehicular Ad-Hoc Network. Desde el punto de vista funcional, las redes Ad Hoc se consideran sistemas colaborativos en las que los elementos de la red colaboran para alcanzar un objetivo comn. Este modelo de comunicaciones parece adaptarse perfectamente al un entorno vehicular, pero tambin se ha querido tener en cuenta la adicin del concepto clsico de red celular en la que los nodos de comunicaciones instalados en las infraestructuras pblicas y carreteras actan como puntos de acceso. Estos puntos de acceso sirven como sumidero o fuente de datos.

Dependiendo del tipo de aplicacin, las dos arquitecturas de comunicaciones comentadas en el prrafo anterior podran ser utilizadas en un entorno vehicular inteligente. Todo ello depender de la naturaleza de la propia aplicacin, siendo determinantes los tiempos de latencia para implementar una u otra. Por ejemplo, todas las aplicaciones relativas a la seguridad en carretera, requieren unos tiempos de latencia muy bajos y un establecimiento de la comunicacin prcticamente inexistente. Es por ello que para este tipo de comunicaciones se utilizar una comunicacin ad-hoc descentralizada. Por otro lado, si la aplicacin a implementar es del tipo de acceso a contenidos de Internet, la latencia no es un factor crtico y el establecimiento de una sesin s que es necesario. Por tanto, las comunicaciones centralizadas o celulares seran idneas para este tipo de aplicaciones. Como resultado, para conseguir los objetivos ha sido necesario establecer una arquitectura mixta para las comunicaciones que ha quedado patente en los estndares desarrollados para este tipo de entornos.

Figura 5: Entorno Urbano Inteligente

http://www.cvisproject.org/http://www.safespot-eu.org/pages/page.phphttp://www.coopers-ip.eu/


Para poder conseguir habilitar este tipo de comunicaciones ha sido necesario el desarrollo de una nueva tecnologa de comunicaciones que permita sobrepasar las dificultades que presenta este estilo de entornos. Dificultades tales como permitir comunicaciones inalmbricas continuadas a altas velocidades (250 km/h), que presenten una latencia menor a los 100ms y una frecuencia de retransmisin de paquetes de 10 Hz. Esta tecnologa es WAVE (Wireless Access in Vehicular Environmet). Pero adems de stas otras tecnologas son utilizadas en un entorno ITS como se observa en la Figura 5. stas han sido especialmente adaptadas por los cuerpos de estandarizacin para poder ser utilizadas de forma transparente en las plataformas ITS europeas y son:

CALM Sistemas Mviles 2G.

CALM Sistemas Mviles 3G.

CALM Sistemas Infrarrojos.

CALM M5 es el sistema WAVE europeo.

CALM MM.

CALM Mobile wireless broadband usando IEEE 802.16 (WiMAX).

CALM Usando tecnologas de difusin.

CALM mediante redes Satellite.

A continuacin sern explicadas las tecnologas inalmbricas las cuales manejaran en el projecto, para una mayor comprensin de las acciones realizadas.

2.1.1 Bluetooth

Bluetooth es una tecnologa de red de rea personal inalmbrica (WPAN). Son redes de corto alcance, bajo coste y bajo consumo. Estas caractersticas han sido favorables para que la tecnologa se haya extendido de forma rpida en el mbito de la interconexin de dispositivos mviles o perifricos. Opera en la banda ISM (Industrial Scientific Medical) de 2.4 GHz. Existen varias normativas y perfiles de uso que cambian sus caractersticas de transmisin. Cada revisin de la norma aporta nuevas caractersticas a ste estndar de comunicacin que muchos vean acabado:

Bluetooth v1.0 y v1.0b: Las versiones 1.0 y 1.0b han tenido muchos problemas, y los fabricantes tenan dificultades para hacer sus productos interoperables. Todo radicaba en la dependencia hardware que exiga esta versin del protocolo.

Bluetooth v1.1 (2002): Esta versin fue finalmente ratificada como un estndar IEEE 802.15.1-20022. Se consigui subsanando los errores en las especificaciones anteriores, aadiendo soporte para canales no cifrados e indicador de seal recibida (RSSI).

Bluetooth v1.2 (2005): Esta versin es compatible con USB 1.1 y mejora en ser capaz de establecer una conexin ms rpidamente, mejora las interferencias al aadir saltos de seal, un aumento en la velocidad de transmisin y por tanto una mejora en la calidad de la voz. Se defini el Host Controller Interface (HCI) el apoyo a tres hilos UART. Fue nuevamente ratificado como estndar IEEE 802.15.1-20054.

Bluetooth v2.0 + EDR (2004): Es la versin que puede considerarse como estndar al ser compatible con la versin anterior 1.2. El termino EDR (Enhanced Data Rate) "mayor velocidad de transmisin de datos" aumentando la tasa de transferencia de datos prctica es de 2,1 Mbit / s.

Bluetooth v2.1 + EDR (2007): Nuevamente es totalmente compatible con 1.2, y fue adoptada por el Bluetooth SIG ( Bluetooth Special Interest Group) el 26 de julio de 2007.5. Su principal mejora es el Secure Simple Pairing (SSP) mejorando la experiencia de emparejamiento de dispositivos Bluetooth y reduce el consumo de


energa al mejorar en la bsqueda de dispositivos.

Bluetooth v3.0 + HS (2009): Esta versin soporta velocidades de transferencia de datos terica de hasta 24 Mbit / entre s, aunque no a travs del enlace Bluetooth propiamente dicho. La conexin Bluetooth nativa se utiliza para la negociacin y el establecimiento mientras que el trfico de datos de alta velocidad se realiza mediante un enlace 802.11.

Bluetooth v4.0 (2010): Esta versin incluye varios modos de funcionamiento: Bluetooth clsico, Bluetooth de alta la velocidad y protocolos Bluetooth de bajo consumo. Bluetooth de alta velocidad se basa en Wi-Fi, y Bluetooth clsico consta de protocolos Bluetooth legado. Bluetooth baja energa (BLE) es un subconjunto de Bluetooth v4.0 con una pila de protocolo nueva para realizar enlaces sencillos.

La clasificacin de los dispositivos depender de la potencia de los mismos, Tabla 1.

Tabla 1: Clases de Transmisin Buetooth

Clase Potencia (prdida de seal) Alcance

I 100 mW (20 dBm) 100 metros

II 2,5 mW (4 dBm) 15-20 metros

III 1 mW (0 dBm) 10 metros

La comunicacin, Bluetooth se basa en un modelo maestro/esclavo. La red formada por un dispositivo y los que se encuentran a su alrededor se denominada piconet. En cada red piconet un dispositivo acta de maestro y permite conectarse a un mximo de 7 dispositivos esclavos activos o de 255 en modo de espera, Figura 6. El estndar permite que coexistan hasta un mximo de 10 redes piconet en un mismo rea de cobertura. Otra posibilidad que ofrece Bluetooth es el conexionado de 2 piconets para formar una red ms extensa, denominada scatternet.

Los pasos que llevan a cabo los dispositivos para su interconexin son:

Activacin de modo pasivo.

Figura 6: Esquema Bluetooth


Bsqueda de puntos de acceso.

Sincronizacin con los puntos de acceso.

Descubrimiento del servicio del punto de acceso.

Creacin de un canal con el punto de acceso.

Emparejamiento mediante el PIN (seguridad).

Utilizacin de la red.

La implementacin del protocolo Bluetooth ir en funcin del uso y de los recursos que disponga el dispositivo. La pila de protocolos (Figura 7), diferir en el orden donde se implementa cada capa:

Hosted (anfitrin)

Embedded (empotrado)

Fully embedded (completamente empotrado)

El estndar Bluetooth define un cierto nmero de perfiles de aplicacin (denominados perfiles Bluetooth) para definir qu tipos de servicios ofrece un dispositivo Bluetooth. Por lo tanto, cada dispositivo puede admitir mltiples perfiles. Con esto se consigue la interoperatibilidad entre varias unidades Bluetooth que cumplan los mismos perfiles. Cada dispositivo Bluetooth tiene al menos un perfil, es decir, una aplicacin para la cual se puede utilizar el dispositivo. Cuando dos dispositivos deben comunicarse entre ellos, deben tener un perfil compartido. Si por ejemplo quiere transferir un archivo desde un ordenador preparado para Bluetooth a otro, ambos ordenadores deben admitir el perfil de

Figura 7: Pila de Protocolos Bluetooth


transferencia de archivos. Todos los dispositivos Bluetooth deben soportar el perfil de acceso genrico (Generic Access Profile) como mnimo. Este perfil en particular define el descubrimiento o hallazgo de dispositivos, procedimientos de conexin y procedimientos para varios niveles de seguridad. Tambin se describen algunos requerimientos de interfaz al usuario. Otro perfil universal, aunque no es requerido, es el perfil de acceso a descubrimiento de servicios (Service Discovery Access Profile), el cual define los protocolos y parmetros asociados requeridos para acceder a los perfiles.

2.1.2 IEEE 802.11

El estndar nace en 1997. Se trata de un conjunto de normas cuyo propsito fue sustituir al

protocolo Ethernet para las zonas donde no interesase usar cableado. Desde su creacin

esta norma ha ido evolucionando y ha sido mejorada como puede verse en la Tabla 2. La

primera versin, se basaba en la misma modulacin utilizada en IR, con unas velocidades

mximas de 2Mbps. Debido a la alta frecuencia, era necesario que los dispositivos tuvieran

una visin directa para su enlace. El estndar implementa la capa fsica y la capa de enlace

sobre un canal inalmbrico, segn el modelo de capas OSI.

Tabla 2: Familia de Protocolos IEEE 802.11

Protocolo Publicacin Frecuencia Capacidad Alcance

Legacy 1997 2,4 GHz 2 Mbps 100 m

802.11a 1999 5 GHz 54 Mbps 120 m

802.11b 1999 2,4 GHz 11 Mbps 140 m

802.11g 2003 2,4 GHz 54 Mbps 140 m

802.11n 2008 2,4 GHz 300 Mbps 250 m

802.11y 2008 3,7 GHz 54 Mbps 5000m

802.11p 2009 5,9GHz 27 Mbps

Las modulaciones utilizadas por las distintas versiones del estndar pueden verse en la

Tabla 3.

Estndar Modulacin

802.11 FHSS, DSSS, IR, PPM

802.11b DSSS

802.11g DSSS, OFDM

802.11a OFDM

802.11n OFDM-MIMO

802.11p OFDM


2.1.2.1 IEEE 802.11a

Se trata de la tercera revisin del estndar, tras 802.11 y 802.11b. Opera en la banda de 5GHz y permite una velocidad de enlace de 54Mbps. 802.11a utiliza OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFMD es una tcnica de transmisin multiportadora que se basa en dividir el espectro disponible en varios subcanales. El flujo de datos se divide en varios flujos de datos ms lentos que se transmiten simultaneamente en estos subcanales. OFDM tolera mejor problemas como la atenuacin selectiva en frecuencia, propagacin multitrayecto e interferencias, con tcnicas como la del barajado de chunk.

Tras realizar varios estudios, puede encontrarse en la literatura, varios proyectos que utilizan o parten de 802.11a, para conseguir desarrollar el estndar 802.11p. Los cambios a realizar para conseguir esto se limitan a modificaciones en el tiempo de guarda y en la anchura de canal.

2.1.2.2 IEEE 802.11g

Este estndar surgi como una extensin del 802.11b con el que se pretenda mejorar la capacidad de transmisin del enlace usando el mismo rango de frecuencias, es decir, la banda de 2,4 Ghz. Para ello, lo que se hizo fue introducir un segundo modo de acceso basado en OFDM usado ya en las redes 802.11a que permiti aumentar la capacidad del enlace hasta los 54 Mbps. De esta forma, al disponer de las dos tcnicas de modulacin, las usadas en 802.11b y la usada en 802.11a, este estndar poda dar servicio a dispositivos que cumpliesen la normativa 802.11b y a la vez a los nuevos dispositivos compatibles con el estndar 802.11g. Por tanto, la principal ventaja de las redes 802.11g es el aumento considerable de la capacidad de transmisin, hasta 54 MBPS. No obstante, al compartir la misma banda que 802.11b presenta las mismas desventajas.

2.1.2.3 IEEE 802.11p

Esta es la normativa central de todas las tecnologas inalmbricas estudiadas fue especficamente concebida para la comunicacin entre vehculos, siendo esta tecnologa inalmbrica la que soporta las nuevas aplicaciones y servicios de los ITS. Esta tecnologa

Figura 8: Comparacin 802.11a y 802.11p Error! No se encuentra el origen de la referencia.


trabaja en la banda de los 5.9 GHz, con un espaciado de canal variable 5 MHz, 10 MHz y 20 MHz. Esta tecnologa soporta tanto comunicaciones ad-hoc como WLAN permitiendo distintos roles a la hora de realizar la comunicacin.

En este apartado se han realizado algunos comentarios, pero ser ms adelante cuando se analice WAVE cuando se darn ms datos sobre sta.

2.1.3 WAVE

WAVE son las siglas de Wireless Access in Vehicular Environments, es decir acceso inalmbrico en entornos vehiculares. Es un estndar prcticamente recin estandarizado en su versin completa, est formado por el conjunto formado por los estndares IEEE 1609 y, como se coment anteriormente, el estndar IEEE 802.11p.

Como puede observarse esta pila de protocolos tiene dos partes bien diferenciadas, una que permite el trfico de paquetes IP y la otra que realiza un protocolo especial de mensajes llamado WAVE Small Message Protocol (WSMP). Los distintos estndares no se encargan slo de una capa si de una o varias funciones especficas. Comenzamos a describir cada uno de estos estndares:

2.1.3.1 IEEE 802.11p

es un anexo que pertenece al grupo de protocolos wifi, y cumple las funciones de capa fsica y buena parte de las funciones de capa mac. Est especialmente diseado para comunicaciones inter-vehiculares y presenta las siguientes particularidades:

o Define un modo de operacin especifico para comunicaciones vehiculares

o El transmisor emplea OFDM en la banda ISM libre de 5.9 Ghz

o Define canales de 10 y 20 MHz de ancho de banda

o Define especificaciones de frecuencia ms ajustadas para el transmisor

o Agrega requerimientos de rechazo de canales adyacentes para al receptor

o Permite comunicaciones con y sin un WBSS (WAVE Basic Service Set)

o Define un rango extendido de temperaturas en las cuales debe ser capaz de operar

2.1.3.2 IEEE 1609.4

Es una extensin al estndar IEEE 802.11p con el objetivo de lograr una operacin del

Figura 9: Pila de Protocolos WAVE


sistema en mltiples canales. Posibilita mecanismos efectivos para controlar operaciones de capas superiores (IEEE 1609.3) a travs de mltiples canales sin la necesidad de conocer datos de capa fsica. En particular se definen 2 tipos de canales,

De control (CCH Control Channel) se usa para transmitir mensajes de tipo WSM (WAVE Short Message), mensajes caractersticos del estndar de alta prioridad, principalmente orientados a aplicaciones de seguridad. Tambin en este canal es posible anunciar servicios WAVE.

De servicios (SCH Service Channel). Es un tipo de canal es donde se hacen efectivos esos servicios una vez solicitados en el CCH, soportando el manejo tanto de mensajes WSMP (WAVE Short Message Protocol) como de mensajes IP. Existen varios canales de servicio.

En general, el canal CCH es monitoreado a intervalos regulares para poder atender sin demoras mensajes de alta prioridad. Se realiza un ranurado en el tiempo en intervalos de 50 ms y se asigna a cada canal un intervalo de manera alternativa. La existencia de varios canales de servicios distintos en el espectro permite atender varios servicios simultneamente una vez que han sido apropiadamente coordinados en el canal de control. Las funcionalidades provistas por IEEE 1609.4 son las siguientes:

Channel routing: controla el ruteo de paquetes provenientes de la capa LLC a su canal designado, ya sea de control o de servicios, sin necesidad de realizar operaciones de coordinacin de canal por parte de la capa mac.

User priority: IEEE 1609.4 soporta una variedad de aplicaciones seguras y no seguras con hasta 8 niveles de prioridad predefinidos. Estos son utilizados por algoritmos de contencin a la hora de ganar el acceso al medio, siendo los de mayor prioridad los mensajes relacionados a la seguridad. Existe un buffer para cada uno de estos 8 niveles donde los paquetes son encolados. A su vez, estos buffers tienen 3 parmetros caractersticos:

o AIFS (Arbitration Inter-Frame Space) Tiempo mnimo entre que el canal esta libre y se puede comenzar a transmitir

o CW (Contention Window) Ventana para implementar un backoff aleatorio

o TXOP (Transmit Oportunity) limit Tiempo mximo durante el cual se puede transmitir luego de haber obtenido un TXOP. Si el lmite es 0 solo se podr trasmitir un MSDU.

Mediante el uso de estos parmetros, los paquetes provenientes de los diferentes buffers participan primero en un mecanismo de contencin interno para luego realizar otro externo y as ganar el acceso al medio.

Channel coordination: coordina los intervalos activos de cada canal acorde a las operaciones de sincronizacin de la capa mac para que los paquetes se transmitan en el canal adecuado. Es necesario para soportar intercambio de datos entre dispositivos que no son capaces de monitorear el canal de control a la vez que intercambian datos en canales de servicios. Cuando un dispositivo se une a una WBSS (WAVE BSS) es imprescindible la sincronizacin y la coordinacin de canal para asegurar que todos los dispositivos estn monitoreando el CCH adecuadamente, donde se transmiten los mensajes de mayor prioridad relacionados a seguridad vehicular.

MSDU data transfer: servicios de capa mac para la transferencia de datos ya sean de control o de servicio, mediante IPv6 o WSMP. Pueden enviarse tramas WSMP directamente entre dos nodos sin conexin previa en el canal de control mientras que para comunicaciones en un canal de servicio primero el proveedor del servicio debe anunciarlo en el canal de control, generando una WBSS.


2.1.3.3 IEEE 1609.3

Este protocolo se encarga de la capa de red por encima de la capa MAC. Se distinguen dos reas definidas como el plano de datos y el plano de administracin.

El plano de datos contiene los protocolos y hardware usados en la transmisin de datos, y se encarga generalmente del trfico generado o destinado a aplicaciones, aunque soporta tambin trfico entre planos de administracin de diferentes maquinas o trfico entre el plano de administracin y el de datos.

El plano de administracin en cambio lleva a cabo tareas de configuracin y mantenimiento del sistema. Sus funciones emplean servicios del plano de datos para intercambiar trfico de administracin entre dispositivos. Se definen entidades especficas de administracin para ciertas capas como son PLME (Physical Layer Management Entity) y MLME (Mac Layer Management Entity), adems de WME que es una coleccin ms general de los servicios de administracin.

Se ve entonces que el estndar IEEE 1609.3 consiste en las capas intermedias del plano de datos y la totalidad del plano de administracin y se hace cargo de los siguientes servicios:

Servicios de datos:

o LLC (Logical Link Control)

o IPv6

o UDP y TCP

o WSMP (WAVE Short Message Protocol)

Servicios de administracin:

o Mecanismos de registro para las aplicaciones

o Administracin de WBSS (WAVE Basic Service Set)

o Monitoreo del uso del canal

o Configuracin IPv6

o Monitorizacin del RCPI (Received Channel Power Indicator)

o Mantenimiento del MIB (Management Information Base)

Los dos protocolos posibles de comunicacin a nivel de red son WSMP o IPv6. WSMP (WAVE Short Message Protocol) est diseado especficamente para operaciones del entorno vehicular, siendo muy eficientes en la utilizacin del canal. Los mensajes WSM pueden ser transmitidos en cualquier canal y permite a las aplicaciones controlar directamente parmetros de capa fsica como ser el canal utilizado y la potencia de transmisin, a diferencia de IPv6 que controla estos parmetros a travs de los diferentes perfiles que define el protocolo. Las aplicaciones pueden elegir el intercambio de datos en el contexto de un WBSS o no. Si se establece un WBSS, es posible utilizar tanto WSM como IPv6 sobre algn canal de servicio (aunque el anuncio y coordinacin de una WBSS se realiza en el canal de control). El dispositivo que anuncia un WBSS y por ende los respectivos servicios asociados (pueden existir ms de un servicio asociado a un mismo WBSS) se denomina proveedor. Cualquier dispositivo que se una a ese WBSS para utilizar sus servicios se denomina usuario (pueden haber varios usuarios utilizando distintas combinaciones de servicios dentro del mismo WBSS). Al operar sin un WBSS, la aplicacin prepara mensajes WSM con una primitiva tipo request y los manda a la direccin MAC de broadcast en el CCH.

2.1.3.4 IEEE 1609.2

Ya sea debido al carcter crtico que pueden tener los mensajes relacionados a la seguridad vehicular, o simplemente para mantener la confidencialidad de la informacin difundida,


es necesario contar con mecanismos que aseguren el intercambio seguro y confiable de mensajes entre las diferentes entidades. Sumando adems que las pruebas realizadas en los proyectos ITS anteriores era una de las mayores carencias del sistema. Es por ello que define los servicios usados para proteger los mensajes de ataques tales como acceso a la informacin por personas no autorizadas, alteracin de los mensajes, o repeticin de los mismos, entre otros. Se definen funciones de seguridad tanto para la capa de red como para la capa de aplicacin. Aparte de los servicios tpicos de seguridad como son la confidencialidad, autenticidad e integridad, el sistema WAVE impone que se provean mecanismo para mantener el anonimato del usuario final, ya que informacin propia puede llegar a ser difundida, y tambin porque se puede llegar a tener en memoria informacin de otros usuarios. Para cumplir con estos requisitos, el estndar utiliza ampliamente los mecanismos conocidos de criptografa como ser: algoritmos simtricos, algoritmos asimtricos, funciones hash, y certificados y autorizaciones digitales. La utilizacin de cada uno de ellos depende de los requerimientos y restricciones de cada situacin en particular, ya que, por ejemplo, existe un compromiso entre velocidad de codificacin-decodificacin y nivel de seguridad, que determina que un algoritmo sea mejor que otro segn la situacin.

2.1.3.5 Capas superiores

Sobre esta pila, se han comenzado a estandarizar nuevos protocolos de la suite de 1609 que realizan aplicaciones especficas como por ejemplo el IEEE 1609.11 que realiza todo lo necesario para establecer mecanismos de pago electrnico sobre WAVE.

2.1.3.6 Situacin de WAVE

Para comprender mejor el concepto de WAVE y poder marcar su rea de aplicacin hay que definir dos conceptos previamente:

OBU (On Board Unit) hace referencia a la entidad embarcada, a la plataforma capaz de dar soporte a los servicios ITS sobre WAVE en movilidad.

RSU (Roadside Unit) hace referencia a la entidad fija situada en la infraestructura que provee de acceso a red e informacin a la entidad embarcada mediante WAVE.

Por tanto WAVE puede identificarse como aquella tecnologa inalmbrica que permite comunicaciones V2V y V2I de vehculos en movimiento. En la queda retratado el mbito de aplicacin de los sistemas WAVE:

Otro aspecto interesante a tratar al hablar de WAVE es la banda asociada dentro del espectro de comunicaciones. Tanto en Europa como en Estados Unidos se estn acercando las posturas lo mximo posible para conseguir realizar dispositivos lo ms parejos posibles para poder ser utilizados en ambas regiones, an as las bandas dedicadas a los sistemas

Figura 10: Ejemplo de un Sistema WAVE y sus Componentes


de transporte siguien siendo un poco diferentes, dejando sin servicio a algunos canales:

Comentar que en Europa WAVE se ha estandarizado bajo el nombre ISO CALM-M5 (hace referencia a la banda de los 5GHz) o bajo el nombre ITS-G5. Existe cierto problema con la tecnologa DSRC CEN, utilizada sobre todo para el pago electrnico en carreteras de peaje. sta funciona en la banda de los 5.8GHz y existen problemas de interferencias entre ellas.

Para esta tecnologa se han definido una serie de aplicaciones de seguridad en la carretera especficas, ya que es la nica capaz de cumplir los requisitos de:

latencia menor a 100 ms

frecuencia de 10 Hz

A alta velocidad

En situaciones de corto alcance, prximas

Todas estas han sido recogidas en un catlogo de uso para la seguridad vial, puede ser consultado en el ANEXO 1.

2.1.4 Tecnologas Adaptadas por ISO CALM

La arquitectura CALM (Communication Access for Land Mobiles) resultante del proyecto europeo CVIS (explicado ms adelante) proporciona la comunicacin I2I, V2I y V2V. CALM est basado en IPv6 y proporciona un conjunto de protocolos y parmetros estandarizados para las comunicaciones inalmbricas de medio y largo alcance de alta velocidad. Adems, constituye una capa de alto nivel que define reglas que rigen sobre protocolos y tecnologas inalmbricas ad-hoc ya existentes y/o desarrolladas.

Los mtodos de transmisin usados por CALM que quedarn recogidos a continuacin son:

WiMax

Sistemas celulares

Comunicacin Infrarroja

DSRC CEN

CALM M5.

Figura 11: Distribucin Frecuencial reservada a ITS


Esta arquitectura es capaz de determinar en todo momento qu tecnologa inalmbrica est disponible en una cierta localizacin y decidir cul utilizar para una comunicacin ptima. Por otra parte siempre garantiza varios canales de comunicacin de forma simultnea, de esta forma los vehculos y la infraestructura pueden mantener una comunicacin de forma continua, incluso si por algn motivo algn canal individual no se encuentra disponible. Este hecho es muy importante para aplicaciones relacionadas con la seguridad. Aun no existe una solucin satisfactoria para algunos aspectos relevantes de las comunicaciones vehiculares como puede ser el acceso inalmbrico simultneo por parte de un alto nmero de vehculos, ubicacin y redistribucin de frecuencias, identificacin de Gateway e infraestructuras disponibles o mecanismos de priorizacin en la transmisin de datos. A continuacin se analizan con ms detenimiento algunas de las tecnologas ms destacables recogidas por CALM.

2.1.4.1 CALM WiMax

Se trata de una tecnologa bastante parecida a la WiFi, solo que WiMax puede cubrir zonas de hasta 50 Km. Se velocidad de transmisin de datos oscila entre 1 y 75 Mbps y opera entre las bandas de 2.5 a 5.8 GHz con y sin licencia de operacin. A pesar de que aun esta en desarrollo se espera que pueda dar servicio a redes vehiculares a velocidades entre 20 km/h y 200km/h con el objetivo de satisfacer comunicaciones I2V, V2I, I2I y hasta V2V.

2.1.4.2 CALM 2G

Bajo la ISO 21212 incluye las redes mviles GSM de segunda genaracion (2G) o de segunda generacin extendida (2.5G). Emplean la tecnologa de servicio general de paquetes va radio o GPRS (Global Packet Radio Service) para la comunicacin V2I y viceversa. Cabe destacar su rango de alcance alrededor de los 10 km, su velocidad para la transmisin de datos, entre 80 y 384 kbps, y su banda de operacin, entre 0.8 a 1.9 GHz.

2.1.4.3 CALM 3G

Bajo la ISO 21213 que es similar a la anterior con la diferencia de que se trata de redes UMTS, es decir, de tercera generacin (3G) o de tercera generacin extendida (3.5G).

Figura 12: Arquitectura de ISO CALM


Ambas redes emplean la tecnologa para el acceso de paquetes de alta velocidad HSPA (High Speed Packet Access) para los mismos escenarios de la tecnologa 2G. Cabe destacar el aumento de ancho de banda que pasa a ser de hasta 7.2 Mbps con alcances que oscilan entre los 10-35 km operando en el rango de 0.8, 1.9, 2.1 GHz.

Es importante hacer mencin dentro de las redes mviles a la tecnologa LTE (Long Term Evolution) que postula como la cuarta generacin (4G) y que actualmente se estudiando su integracin al estndar CALM.

2.1.4.4 CALM-IR

Bajo la ISO 21214 es utilizado principalmente para las comunicaciones entre los mismos vehculos o entre el vehculo y la infraestructura. Esta tecnologa es utilizada con frecuencia en los sistemas de peaje automtico en los pases asiticos tales como Japn. Entre sus caractersticas destacamos su ancho de banda entre 1Mbps hasta 128 Mbps, su tiempo de enlace entre 1 a 10 ms y su funcionamiento para distancias de 10 m, 100 m o 1 km.

2.1.4.5 CALM DSRC

El DSRC (Dedicated Short Range Communication) CEN es una tecnologa que pretende ser un complemento a las redes de mviles al proveer velocidades de transferencia muy altas en circunstancias en las que es importante minimizar la latencia del enlace de comunicaciones en zonas relativamente pequeas. Una de las condiciones ms importantes para lograr estos propsitos es minimizar la latencia.

DSRC tiene dos usos principales:

Seguridad vial: sistema de alertas de emergencia para vehculos, prevencin de colisiones en intersecciones, alertas de aproximacin de vehculos de emergencias, inspecciones de seguridad de vehculos, sealizacin de prioridad de vehculos, etc.

Transacciones comerciales e informacin de viaje: pago automtico de servicios como autovas parkings, etc. Informacin en ruta sobre trfico, restaurantes, etc.

2.1.4.6 CALM M5

Se encuentra en la ISO 21215, est orientado a satisfacer las comunicaciones entre vehculos, es decir, contribuir a la formacin de redes vehiculares o VANETs. CALM M5 es muy cercano a las tecnologas de la iniciativa WAVE, es decir, IEEE 802.11p y la familia de estndares IEEE 1609.X. Dicha iniciativa ofrece velocidades promedio de 6 a 27 Mbps, rango de alcance de un 1km y latencias bajas de 200s y opera en los 5.9GHz.


2.2 Comunicacin Interna del Vehculo

La red interna de comunicaciones que se quiere montar en el vehculo est basada en el protocolo de comunicaciones CAN, para su realizacin se seguir la siguiente arquitectura:

El bus CAN (Controller Area Network), el cual es un bus serie creado para la transmisin de mensajes en entornos distribuidos. Se ha elegido este protocolo porque est presente en la industria automovilstica desde 1992, por lo que est sobradamente justificado su uso en este proyecto. El otro protocolo que se usar en el proyecto es OBD (On Board Diagnostic). Este sistema de diagnosis permite localizar los errores producidos en el vehculo, ahorrando tiempo en la localizacin y reparacin de averas. En caso de fallo, este protocolo es el encargado de almacenar toda la informacin referida a dicho fallo, as como avisar al conductor del mal funcionamiento. Como medio fsico, utiliza el bus CAN y se comunica con el exterior mediante un conector estandarizado. Desde 2008 todos los vehculos llevan incorporado un sistema OBD.

2.2.1 Protocolo CAN

La especificacin CAN (versin 2.0) de Bosch fue sometida a la estandarizacin internacional a comienzos de los 90. Concretamente en Noviembre de 1993, despus de diversos conflictos polticos, se public el estndar ISO 11898, que defina adems una capa fsica para velocidades de hasta 1 Mbps. Paralelamente, un formato de CAN tolerante a fallos se incluy en la ISO 11519-2. En 1995, el estndar se ampli con la descripcin del identificador CAN de 29 bits. Desafortunadamente, todas las especificaciones y estandarizaciones publicadas acerca de CAN contenan errores o estaban incompletas. Para evitar incompatibilidades, Bosch se cercior, y sigue hacindolo, de que todos los microcontroladores CAN cumplen con el modelo de referencia que ellos definieron.

Las especificaciones CAN han sido revisadas y estandarizadas con el tiempo en diferentes secciones:

La norma ISO 11898-1 describe la capa de transmisin de datos CAN, la ISO 11898-2 la capa fsica CAN no tolerante a fallos.

La ISO 11898-3 la capa fsica CAN tolerante a fallos.

Los estndares de ISO 11992 (referente a la interfaz para camiones y remolques).

ISO 11783 (referente a la maquinaria agrcola y forestal) definen los perfiles del uso

Figura 13: Arquitectura de la Red Interna del Vehculo


de CAN basados en el US-protocol J1939.

A modo de ejemplo, en la siguiente figura se puede ver una arquitectura tpica del bus de comunicaciones internas de un vehculo:

A continuacin se explicar el protocolo CAN capa a capa segn la pila OSI.

2.2.1.1 Capa Fsica

La capa fsica de CAN, es responsable de la transferencia de bits entre los distintos nodos que componen la red. Define aspectos como niveles de seal, codificacin, sincronizacin y tiempos en que los bits se transfieren al bus. En la especificacin original de CAN, la capa fsica no fue definida, permitiendo diferentes opciones para la eleccin del medio y niveles elctricos de transmisin. Las caractersticas de las seales elctricas en el bus, fueron establecidas ms tarde por el ISO 11898 para las aplicaciones de alta velocidad (hasta 1Mbps) destinadas para controlar el motor e interconectar las unidades de control electrnico (ECU) y, por el estndar ISO 11519 para las aplicaciones de baja velocidad (hasta 125 Kbps) tolerante a fallos dedicada a la comunicacin de los dispositivos electrnicos internos como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos.

Estndar 11519 (baja velocidad): Los nodos conectados en este bus interpretan dos niveles lgicos denominados dominante y recesivo:

o Dominante: la tensin diferencial (CAN_H - CAN_L) es del orden de 2V, con CAN_H = 3.5V y CAN_L = 1.5V (nominales).

o Recesivo: la tensin diferencial (CAN_H - CAN_L) es del orden de 5V, con CAN_H = 0V y CAN_L = 5V (nominales).

Figura 14: Esquema de comunicaciones internas de SEAT Altea basado en Bus CAN


A diferencia del bus de alta velocidad, el bus de baja velocidad requiere dos resistencias en cada transceptor: RTH para la seal CAN_H y RTL para la seal CAN_L. Esta configuracin permite al transceptor de bus de baja velocidad (fault-tolerant) detectar fallas en la red. La suma de todas las resistencias en paralelo, debe estar en el rango de 100-500.

Estandar 11898 (alta velocidad):

Figura 15: Niveles de los Buses en Baja Velocidad

Figura 16: Colocacin del bus en Baja Velocidad

Figura 17: Niveles de los buses en Alta Velocidad


Los nodos conectados en este bus interpretan los siguientes niveles lgicos:

o Dominante: la tensin diferencial (CAN_H - CAN_L) es del orden de 2V, con CAN_H = 3.5V y CAN_L = 1.5V (nominales).

o Recesivo: la tensin diferencial (CAN_H - CAN_L) es del orden de 0V, con CAN_H = CAN_L = 2.5V (nominales).

El par de cables trenzados (CAN_H y CAN_L) constituyen una transmisin de lnea. Si dicha transmisin de lnea no est configurada con los valores correctos, cada trama transferida causa una reflexin que puede originar fallos de comunicacin. Como la comunicacin en el bus CAN fluye en ambos sentidos, ambos extremos de red deben de estar cerrados mediante una resistencia de 120. Ambas resistencias deberan poder disipar 0.25W de potencia.

A continuacin se muestran los buses y las velocidades dependiendo de su naturaleza, todo depender de la prioridad de los nodos que estn incluidos:

Tabla 3: Velocidades CAN Segn Bus

Bus Velocidad mxima

Nodos

Traccin Alta (1Mbps) Motor (ECU), ABS, Direccin, Cambio, Airbag

Confort Baja (125Kbps) Cierre centralizado, Alarma, Climatizador

Infotenimiento Baja (125Kbps) Radio, Pantalla

Cuadro de instrumentos

Baja (125Kbps) Cuadro de instrumentos

Diagnosis Media (500Kbps)

Baja (125Kbps)

Motor (ECU), Cambio automtico

Figura 18: Configuracin del bus en Alta Velocidad


Formato de codificacin y sincronizacin de datos

La codificacin de bits se realiza por el mtodo NRZ (Non-Return-to Zero) que se caracteriza por que el nivel de seal puede permanecer constante durante largos periodos de tiempo y habr que tomar medidas para asegurarse de que el intervalo mximo permitido entre dos seales no es superado. Esto es importante para la sincronizacin (Bit Timing). Este tipo de codificacin requiere poco ancho de banda para transmitir, pero en cambio, no puede garantizar la sincronizacin de la trama transmitida. Para resolver esta falta de sincronismo se emplea la tcnica del bit stuffing: cada 5 bits consecutivos con el mismo estado lgico en una trama (excepto del delimitador de final de trama y el espacio entre tramas), se inserta un bit de diferente polaridad, no perdindose as la sincronizacin. Por otro lado este bit extra debe ser eliminado por el receptor de la trama, que slo lo utilizar para sincronizar la transmisin. No hay flanco de subida ni de bajada para cada bit, durante el tiempo de bit hay bits dominantes (0) y recesivos (1) y disminuye la frecuencia de seal respecto a otras codificaciones.

2.2.1.2 Capa de Enlace de Datos

Esta capa es la responsable de controlar el flujo de informacin entre los nodos de la red. Es decir, se encarga de la transmisin de los bits en frames o tramas de informacin, se ocupa de que los mensajes lleguen al destino sin errores, controla las secuencias de transmisin, los acuses de recibo y si en determinado caso no se recibe un mensaje correctamente se encarga de retransmitirlo. Se puede dividir esta capa en dos subcapas que se ocupan de diferentes tareas:

Subcapa LLC (Control de Enlace Lgico)

La subcapa LLC describe la parte alta de la capa de enlace de datos y define las tareas independientes del mtodo de acceso al medio, asimismo proporciona dos tipos de servicios de transmisin sin conexin al usuario de la capa LLC (LLC user):

o Servicio de transmisin de datos sin reconocimiento: proporciona, al usuario LLC, los medios para intercambiar unidades de datos de servicio de enlace (LSDU, Link Service Data Units) sin establecer una conexin de enlace de datos. La transmisin de datos puede ser punto a punto, multidifusin o difusin.

o Servicio de peticin de datos remota sin reconocimiento: proporciona, al usuario LLC, los medios para solicitar que un nodo remoto transmita sus LDSUs sin establecer una conexin de enlace de datos.

De acuerdo con los tipos de servicios, se definen dos formatos de tramas, de datos LLC y remota LLC. Ambos formatos definen identificadores de 11 bits (estndar) y de 29 bits (extendida).

Las funciones de la subcapa LLC son las siguientes:

o Filtrar mensajes (frame acceptance filtering): el identificador de una trama no indica la direccin destino pero define el contenido del mensaje, y mediante esta funcin todo receptor activo en la red determina si el mensaje es relevante o no para sus propsitos.

o Notificar sobrecarga (overload notification): si las condiciones internas de un receptor requieren un retraso en la transmisin de la siguiente trama de datos o remota, la subcapa LLC transmite una trama de sobrecarga. Solamente se pueden generar dos tramas de sobrecarga como mximo.

o Proceso de recuperacin (recovery management): la subcapa LLC proporciona la capacidad de retransmisin automtica de tramas cuando una trama pierde el arbitraje o presenta errores durante su transmisin, dicho servicio se confirma al usuario hasta que la transmisin se completa con xito.


Subcapa MAC (Control de Acceso al Medio):

Esta subcapa representa el ncleo del protocolo CAN. Por un lado presenta los mensajes recibidos a la subcapa LLC y acepta los mensajes para ser transmitidos a dicha subcapa y por otro lado es responsable del mecanismo de arbitraje de acceso al medio.

Unas de las caractersticas que distingue a CAN con respecto a otras normas, es su tcnica de acceso al medio denominada como CSMA/CD+CR o "Carrier Sense, Multiple Access/Collision Detection + Collision Resolution" (Acceso Mltiple con deteccin de portadora, deteccin de colisin ms Resolucin de colisin). Cada nodo debe vigilar el bus en un periodo sin actividad antes de enviar un mensaje (Carrier Sense) y adems, una vez que ocurre el periodo sin actividad cada nodo tiene la misma oportunidad de enviar un mensaje (Multiple Access). En caso de que dos nodos comiencen a transmitir al unsono se detectar la colisin.

El mtodo de acceso al medio utilizado en bus CAN aade una caracterstica adicional: la resolucin de colisin. En la tcnica CSMA/CD utilizada en redes Ethernet ante colisin de varias tramas, todas se pierden. CAN resuelve la colisin con la supervivencia de una de las tramas que chocan en el bus. Adems la trama superviviente es aquella a la que se ha identificado como de mayor prioridad. La resolucin de colisin se basa en una topologa elctrica que aplica una funcin lgica determinista a cada bit, que se resuelve con la prioridad del nivel definido como bit de tipo dominante. Definiendo el bit dominante como equivalente al valor lgico '0' y bit recesivo al nivel lgico '1' se trata de una funcin AND de todos los bits transmitidos simultneamente. Cada transmisor escucha continuamente el valor presente en el bus, y se retira cuando ese valor no coincide con el que dicho transmisor ha forzado. Mientras hay coincidencia la transmisin continua, finalmente el mensaje con identificador de mxima prioridad sobrevive. Los dems nodos reintentarn la transmisin lo antes posible.

Se ha de tener en cuenta que la especificacin CAN de Bosh no establece cmo se ha de traducir cada nivel de bit (dominante o recesivo) a variable fsica. Cuando se utiliza par trenzado segn ISO 11898 el nivel dominante es una tensin diferencial positiva en el bus, el nivel recesivo es ausencia de tensin, o cierto valor negativo, (los transceptores no generan corriente sobre las resistencias de carga del bus). Esta tcnica aporta la combinacin de dos factores muy deseados en aplicaciones industriales distribuidas: la posibilidad de fijar con determinismo la latencia en la transmisin de mensajes entre nodos y el funcionamiento en modo multimaestro sin necesidad de gestin del arbitraje, es decir control de acceso al medio, desde las capas de software de protocolo. La prioridad queda as determinada por el contenido del mensaje, en CAN es un campo determinado, el identificador de mensaje, el que determina la prioridad.

En un bus nico, un identificador de mensaje ha de ser asignado a un solo nodo concreto, es decir, se ha de evitar que dos nodos puedan iniciar la transmisin simultnea de mensajes con el mismo identificador y datos diferentes. El protocolo CAN establece que cada mensaje es nico en el sistema, de manera que por ejemplo, si en un automvil existe la variable presin de aceite, esta variable ha de ser transmitida por un nodo concreto, con un identificador concreto, con una longitud fija concreta y coherente con la codificacin de la informacin en el campo de datos.

En la siguiente figura se ve un ejemplo de arbitraje en un bus CAN.


Tramas

El protocolo CAN est basado en mensajes, no en direcciones. El nodo emisor transmite el

mensaje a todos los nodos de la red sin especificar un destino y todos ellos escuchan el

mensaje para luego filtrarlo segn le interese o no. Existen distintos tipos de tramas

predefinidas por CAN para la gestin de la transferencia de mensajes:

o Trama de datos: se utiliza normalmente para poner informacin en el bus y

la pueden recibir algunos o todos los nodos.

o Trama de informacin remota: puede ser utilizada por un nodo para

solicitar la transmisin de una trama de datos con la informacin asociada

a un identificador dado. El nodo que disponga de la informacin definida

por el identificador la transmitir en una trama de datos.

o Trama de error: se generan cuando algn nodo detecta algn error

definido.

o Trama de sobrecarga: se generan cuando algn nodo necesita ms tiempo

para procesar los mensajes recibidos.

o Espaciado entre tramas: las tramas de datos (y de interrogacin remota) se

separan entre s por una secuencia predefinida que se denomina espaciado

inter-trama.

Figura 19: Arbitraje del Bus CAN


o Bus en reposo: En los intervalos de inactividad se mantiene constantemente

el nivel recesivo del bus.

En un bus CAN los nodos transmiten la informacin espontneamente con tramas de

datos, bien sea por un proceso cclico o activado ante eventos en el nodo. La trama de

interrogacin remota slo se suele utilizar para deteccin de presencia de nodos o para

puesta al da de informacin en un nodo recin incorporado a la red. Los mensajes pueden

entrar en colisin en el bus, el de identificador de mayor prioridad sobrevivir y los dems

son retransmitidos lo antes posible.

Anlisis de las tramas:

Trama de Datos: Es la utilizada por un nodo normalmente para poner informacin

en el bus. Puede incluir entre 0 y 8 bytes de informacin til. Los mensajes de datos

consisten en celdas que envan datos y aaden informacin definida por las

especificaciones CAN:

o Inicio de trama (SOF): el inicio de trama es una celda de un slo bit siempre

dominante que indica el inicio del mensaje, sirve para la sincronizacin con

otros nodos.

o Celda de Arbitraje (Arbitration Field): es la celda que concede prioridad a

unos mensajes o a otros:

o En formato estndar tendr 11 bits seguidos del bit RTR (Remote

Transmisin Request) que en este caso ser dominante.

o En formato extendido sern 11 bits de identificador base y 18 de extendido.

El bit SRR substituye al RTR y ser recesivo. La trama en formato estndar

prevalece sobre la extendida.

Figura 20: Formato de la trama de datos


o Celda de control (Control Field): el campo de control est formado por dos

bits reservados para uso futuro y cuatro bits adicionales que indican el

nmero de bytes de datos. En realidad el primero de estos bits (IDE) se

utiliza para indicar si la trama es de CAN Estndar (IDE dominante) o

Extendido (IDE recesivo). el segundo bit (RB0) es siempre recesivo. Los

cuatro bits de cdigo de longitud (DLC) indican en binario el nmero de

bytes de datos en el mensaje (0 a 8).

o Celda de Datos (Data Field): es el campo de datos de 0 a 8 bytes.

o CRC (Cdigo de redundancia cclica): tras comprobar este cdigo se podr

comprobar si se han producido errores.

o Celda de reconocimiento (ACK): es un campo de 2 bits que indica si el

mensaje ha sido recibido correctamente. El nodo transmisor pone este bit

como recesivo y cualquier nodo que reciba el mensaje lo pone como

dominante para indicar que el mensaje ha sido recibido.

o Fin de trama (EOF): consiste en 7 bits recesivos sucesivos e indica el final de

la trama.

o Espaciado entre tramas (IFS): consta de un mnimo de 3 bits recesivos.

Trama Remota: Los nodos tienen habilidad para requerir informacin a otros

nodos. Un nodo pide una informacin a los otros y el nodo que tiene dicha

informacin enva una comunicacin con la respuesta que puede ser recibida

adems por otros nodos si estn interesados.

Figura 21: Formatos de Tramas Normal y Extendida

Figura 22: Formato de Trama Remota


En este tipo de mensajes se enva una trama con el identificador del nodo requerido, a

diferencia con los mensajes de datos, el bit RTR toma valor recesivo y no hay campo de

datos. En caso de que se enve un mensaje de datos y de peticin remota con el mismo

identificador, el de datos ganar el acceso al bus puesto que el RTR lleva valor dominante.

Trama de Error: Las tramas de error son generadas por cualquier nodo que detecta

un error. Se basan en el valor de dos campos:

o Indicador de error ("Error Flag"): es distinto segn el estado de error del

nodo que detecta el error.

o Delimitador de error (Error Delimeter): consta de 8 bits recesivos

consecutivos y permite a los nodos reiniciar la comunicacin limpiamente

tras el error.

Si un nodo en estado de error "Activo" detecta un error en el bus interrumpe la

comunicacin del mensaje en proceso generando un "Indicador de error activo" que

consiste en una secuencia de 6 bits dominantes sucesivos. Esta secuencia rompe la regla de

relleno de bits y provocar la generacin de tramas de error en otros nodos. Por tanto el

indicador de error puede extenderse entre 6 y 12 bits dominantes sucesivos. Finalmente se

recibe el campo de delimitacin de error formado por los 8 bits recesivos. Entonces la

comunicacin se reinicia y el nodo que haba sido interrumpido reintenta la transmisin

del mensaje.

Si un nodo en estado de error "Pasivo" detecta un error, el nodo transmite un "Indicador de

error pasivo" seguido, de nuevo, por el campo delimitador de error. El indicador de error

de tipo pasivo consiste en 6 bits recesivos seguidos y, por tanto, la trama de error para un

nodo pasivo es una secuencia de 14 bits recesivos. De aqu se deduce que la transmisin de

Figura 23: Formato de la Trama de Error


una trama de error de tipo pasivo no afectar a ningn nodo en la red, excepto cuando el

error es detectado por el propio nodo que est transmitiendo. En ese caso los dems nodos

detectarn una violacin de las reglas de relleno y transmitirn a su vez tramas de error.

Tras sealar un error por medio de la trama de error apropiada cada nodo transmite bits

recesivos hasta que recibe un bit tambin recesivo, luego transmite 7 bits recesivos

consecutivos antes de finalizar el tratamiento de error.

La regla de relleno de bits, consiste en que cada cinco bits de igual valor se introduce uno

de valor inverso tal y como se ve en la figura siguiente:

Trama de Sobrecarga: Una trama de sobrecarga tiene el mismo formato que una

trama de error activo. Sin embargo, la trama de sobrecarga slo puede generarse

durante el espacio entre tramas. De esta forma se diferencia de una trama de error,

que slo puede ser transmitida durante la transmisin de un mensaje.

Figura 24: Relleno de Bits

Figura 25: Formato de la Trama de Sobrecarga


La trama de sobrecarga consta de dos campos, el Indicador de Sobrecarga, y el

delimitador.

El indicador de sobrecarga consta de 6 bits dominantes que pueden ser seguidos

por los generados por otros nodos, dando lugar a un mximo de 12 bits

dominantes.

El delimitador es de 8 bits recesivos.

Una trama de sobrecarga puede ser generada por cualquier nodo que debido a sus

condiciones internas no est en condiciones de iniciar la recepcin de un nuevo mensaje.

De esta forma retrasa el inicio de transmisin de un nuevo mensaje. Un nodo puede

generar como mximo 2 tramas de sobrecarga consecutivas para retrasar un mensaje.

Otra razn para iniciar la transmisin de una trama de sobrecarga es la deteccin por

cualquier nodo de un bit dominante en los 3 bits de "intermission".

Espacio entre Tramas: El espacio entre tramas separa una trama (de cualquier tipo)

de la siguiente trama de datos o interrogacin remota. El espacio entre tramas ha

de constar de, al menos, 3 bits recesivos. Esta secuencia de bits se denomina

"intermission". Una vez transcurrida esta secuencia un nodo en estado de error

activo puede iniciar una nueva transmisin o el bus permanecer en reposo

(manteniendo constante el nivel recesivo del bus). Para un nodo en estado error

pasivo la situacin es diferente, deber esperar una secuencia adicional de 8 bits

recesivos antes de poder iniciar una transmisin. De esta forma se asegura una

ventaja en inicio de transmisin a los nodos en estado activo frente a los nodos en

estado pasivo.

2.2.2 OBD II

Durante los aos 70 y principios de los 80 algunos fabricantes empezaron a usar componentes electrnicos de control y diagnstico de errores en sus automviles. Al principio fue solo para conocer y controlar las emisiones del vehculo y adaptarlas a los estndares exigidos, pero con el paso del tiempo estos sistemas fueron volvindose cada vez ms sofisticados. Para reducir la contaminacin del aire, la "California Air Resources Board" (CARB) determin en 1988 que todos los automviles a gasolina contaran con OBD (On Board Diagnostics), para que controlara los lmites mximos de emisiones. Medidas ms estrictas en los lmites de emisiones en 1996 llev a la creacin del estndar OBD II (On Board Diagnostic Second Generation). Este sistema permite diagnosticar los errores que se producen en el vehculo sin necesidad de desmontar partes para descubrir la procedencia de dicho error. A diferencia de otros sistemas desarrollados antes de 1996, OBD II se caracteriza por ser un sistema estandarizado, que permite, de manera fcil, ver que errores se han producido en un vehculo cualquiera utilizando una nica codificacin y claro est, un conector estandarizado.

En Europa se introdujo el OBD ajustndose al OBD-II americano. Desde 1996 el OBD II es un requisito legal para automviles nuevos en Estados Unidos. En base a esta regla americana se impuso en los noventa la inclusin de sistemas de diagnstico tambin para los automviles destinados al mercado europeo. Segn la Directiva 98/69EG, los automviles a gasolina del ao 2000 en adelante, los disel de 2003 en adelante, y los


camiones de 2005 en adelante tienen que estar provistos de un OBD. La interfaz estndar del OBD-II no solamente es utilizada por el fabricante para sus funciones avanzadas de diagnstico sino tambin por aquellos que van ms all de lo que la ley exige.

La siguiente etapa planeada es el OBD-III, en el que los propios automviles se comunican con las autoridades si se produce un empeoramiento de las emisiones de gases nocivos mientras est en marcha. Si esto sucede, se pedir a travs de una tarjeta indicativa, que se corrijan los defectos.

Actualmente se emplean los estndares que se emplean son:

OBD-II en Estados Unidos.

EOBD en Europa.

JOBD en Japn.

2.2.2.1 Funciones OBD II

Todos los vehculos actuales, disponen de una o varias ECU (Engine Control Unit), que se encargan de gestionar ciertos parmetros del motor del vehculo para asegurar su correcto funcionamiento. Las relaciones entre estos parmetros deben mantenerse acotadas, dependiendo de las condiciones externas varan ciertos rangos, en caso contrario es que se est produciendo algn mal funcionamiento en nuestro vehculo.

Los parmetros principales que dictan como debe estar funcionando nuestro motor, y si verifican si todo funcionando correctamente son:

Velocidad

Carga

Temperatura del motor

Consumo de combustible

Temperatura ambiente

Caudal de aire

Emisiones

Para conocerlos, los automviles actuales, incorporan una gran cantidad de sensores, que permiten a la ECU conocer cules son las condiciones externas, y decidir cmo actuar sobre el motor. En caso de que alguno de los parmetros se salga de los rangos marcados, el sistema OBD II, es el encargado de almacenar esta informacin, y avisar al conductor de que algo sufre un mal funcionamiento, sealizando con un indicador luminoso que es recomendable ir al taller a revisar que error se ha producido.

Una vez el vehculo llega al taller, el equipo de mecnicos, puede acceder a la informacin almacenada por el OBD II, ver que error era el que se haba producido, y arreglarlo en caso de necesidad sin tener que hacer mltiples pruebas para descubrir la procedencia del error.

Algunas de las funciones especficas de control que puede desempear OBD II segn el tipo de motor son las siguientes:

Control en los motores de gasolina

o Vigilancia del rendimiento del catalizador.

o Diagnstico de envejecimiento de sondas lambda.

o Prueba de tensin de sondas lambda.

o Sistema de aire secundario (si el vehculo lo incorpora).

o Sistema de recuperacin de vapores de combustible (cnister).


o Prueba de diagnstico de fugas.

o Sistema de alimentacin de combustible.

o Fallos de la combustin.

o Control del sistema de gestin electrnica.

o Sensores y actuadores del sistema electrnico que intervienen en la gestin del motor o estn relacionados con las emisiones de escape

Control en los motores disel

o Fallos de la combustin.

o Regulacin del comienzo de la inyeccin.

o Regulacin de la presin de sobrealimentacin.

o Recirculacin de gases de escape.

o Funcionamiento del sistema de comunicacin entre unidades de mando, por ejemplo el Can-Bus.

o Control del sistema de gestin electrnica.

o Sensores y actuadores del sistema electrnico que intervienen en la gestin del motor o estn relacionados con las emisiones de escape.

o Control de la contaminacin

Uno de los aspectos ms importantes que permite controlar OBD II es la contaminacin que produce el vehculo. El estado actual de la tcnica no permite, o sera muy caro, realizar la medida directa de los gases CO (monxido de carbono), HC (hidrocarburos) y NOx (xidos ntricos), por lo que este control lo realiza la ECU de manera indirecta, detectando los niveles de contaminacin a partir del anlisis del funcionamiento de los componentes adecuados y del correcto desarrollo de las diversas funciones del equipo de inyeccin que intervengan en la combustin. En los vehculos con OBD II se incorpora una segunda sonda lambda que se instala detrs del catalizador para verificar el funcionamiento del mismo y de la sonda lambda anterior al catalizador. En el caso de que sta presente envejecimiento o est defectuosa, no es posible la correccin de la mezcla con precisin, lo que deriva en un aumento de la contaminacin y afecta al rendimiento del motor. Para verificar el estado de funcionamiento del sistema de regulacin lambda, el OBD II analiza el estado de envejecimiento de la sonda, la tensin que generan y el estado de funcionamiento de los elementos calefactores. El envejecimiento de la sonda se determina en funcin de la velocidad de reaccin de la misma, que es mayor cuanto ms deteriorada se encuentre.

2.3 Estudio Controlador CAN Stand Alone

Tras la eleccin de los dispositivos que se ver ms adelante fue necesario aprender el funcionamiento de un controlador CAN que funcionase por si solo, para ello se realiz un estudio del microcontrolador 8051 de Intel ncleo que se usa para construir un controlador CAN SJA1000, referencia de Bocsh en todos sus diseos.

2.3.1 Microcontrolador 8051

El microcontrolador 8051 fue desarrollado por Intel en 1980, su familia fue conocida como los MCS 051, principalmente pensado para dispositivos empotrados, este controlador ha sido muy utilizado en varios diseos y en particular en el desarrollo de las entidades de bus CAN. La popularidad de este microcontrolador es tal que su ncleo reside en ms de 100 microcontroladores de ms de 20 fabricantes independientes como Atmel, Dallas Semiconductor, Philips, Winbond, entre otros. Llegando a imponerse como un estndar de facto y a acuar el trmino compatible con 8051. Histricamente, la primera tirada naci con unas caractersticas muy modestas en comparacin con los nuevos microcontroladores


existentes de la poca, pero la razn principal de su xito fue una configuracin hbilmente elegida que satisfaca las necesidades de un gran nmero de usuarios y adems permita al mismo tiempo constantes expansiones.

Destacar de la Figura 26 (b) que el 8051 posee una arquitectura Harvard, con reas de memoria separadas para datos e instrucciones. Su juego de instrucciones es CISC (Complex Intrusction Set Computer). Posee un bus de datos interno de 8-bit de anchura y un bus de direcciones interno de 16-bit. Cuenta con los siguientes registros implementados: SFR(Special Function Register), PSW (Processor Status Word), A (Accumulator), B register, SP (Stack Pointer) y registros para la entrada/salida serie, temporizadores, puertos y manejo de interrupciones. stos pueden observarse, al igual que una vista ms detallada de la arquitectura interna en la Figura 27.

Figura 26: (a) PinOut 8051 (b) Bloques Bsicos 8051

Figura 27: Arquitectura Interna 8051


Prestando ahora atencin en la Figura 26 (a) el microcontrolador dispone de 40 pines de los cuales sern utilizados los siguientes al configurar la entidad para trabajar con CAN (Tabla 4):

Tabla 4: Pines correspondientes a las seales usadas por la entidad CAN

PIN USO

Reset Realiza el reset del dispositivo

RXD Lnea de comunicacin serie para recepcin, sncrona o asncrona

TXD Lnea de comunicacin serie para transmisin, sncrona o asncrona

WR Habilitacin de la seal de escritura

RD Habilitacin de la seal de lectura

X1 y X2

Pines dnde se conectar el reloj del sistema

P0.X Puerto de entrada/salida configurado para acceder a los registros

ALE Seal que sirve para demultiplexar direcciones y datos en el puerto de salida configurado

A continuacin se muestra en la Figura 28 el diagrama funcional de la entidad CAN, el cual sin tener un manual de referencia que muestre cmo funciona aporta poca luz al trabajo con este tipo de controlador. Es por ello que dado que el ms usado es el controlador CAN SJA1000 ser el utilizado para analizar y entender el funcionamiento de la entidad.

2.3.2 Controlador SJA1000

La major manera de presentar a este componente es observar su diagrama de bloques y posteriormente analizar sus entradas y salidas:

Figura 28: Diagrama Funcional Entidad CAN


Tabla 5: Seales del controlador SJA1000

SIMBOLO PIN DESCRIPCIN

AD7-AD0 2,1, 28-23 Bus multiplexado de datos y direcciones

ALE/AS 3 Address Lach Enable (modo Intel), AS (modo motorola)

4 Chip Select, un valor bajo permite el acceso al SJA1000

/E 5 Seal de lectura (modo Intel), Seal de Encendido (motorla)

6 Seal de escritura

CLKOUT 7 Reloj de salida tras configurarlo con el CDR

VSS1 8 Tierra

XTAL1 9 Entrada del oscilador externo

XTAL2 10 Salida del amplificador del oscilador, al aire si es externo

MODE 11 Valor alto (intel), un valor bajo (Motorola)

VDD3 12 Fuente de 5V para la salida del driver

Figura 29: Esquema de Bloques SJA1000


TX0 13 Salida de la salida del driver 0 CAN al bus fsico

TX1 14 Salida de la salida del driver 1 CAN al bus fsico

VSS3 15 Tierra para la salida del driver

16 Interrupcin de salida

17 Entrada de reset hardware

VDD2 18 5V para la entrada del comparador

RX0,RX1 19,20 Entrada del bus CAN fsico a los comparadores del SJA1000

VSS2 21 Tierra para el comparador de entrada

VDD1 22 5V para los circuitos lgicos

A continuacin se explican los registros del controlador CAN SJA1000, pero su funcionamiento y anlisis puede extenderse a cualquier controlador CAN verificado por Bosch.

2.3.3 Registros Controlador CAN

Este apartado es uno de los ms extensos de la documentacin, pero fue necesario su realizacin para comprender el funcionamiento y manejar los registros de la entidad que en definitiva permitirn testar y utilizar las entidades CAN.

Como se sabe, el controlador CAN presenta dos modos de funcionamiento, BasicCAN el cual trabaja con tramas estndar y el modo PeliCAN que trabaja tanto con tramas estndar como extendidas adems de emplear muchos ms registros y tener un nmero mayor de funcionalidades.

Por tanto, el mapeo de los registros ser diferent

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