¿Qué es CAN Bus? Y para que sirve este protocolo

¿Qué es el CAN Bus?

Lo primero como siempre es dar una definición del concepto que vamos a estudiar.

CAN viene de las siglas Controller Area Network y el término Bus aunque parezca redundante hace referencia a que la topología es Bus.

El protocolo de comunicaciones CAN fue desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH ofreciendo una solución a la gestión de la gestión y operación entre varías CPUs también llamadas unidades centrales de proceso.

• Bosh se basó en una topología Bus, permitiendo la transmisión de mensajes en entornos distribuidos.

¿Qué es el Bus en el CAN?

En sistemas digitales Bus es un canal para transferir datos, ahora, si lo extrapolamos en el entorno que nos interesa o sea al automóvil, podemos decir que.

Bus es un cable que esta presente en todo nuestro automóvil, el cual esta conectando a todos los componentes eléctricos que necesitan comunicarse.

Esto tiene muchas ventajas,  ya que al ser una sola línea se reduce el numero de cables presentes en nuestro auto.

¿Por qué se usa el CAN Bus?

En el pasado los autos no contaban con el número de componentes electrónicos con los que cuentan hoy, su funcionamiento y comunicación era un poco diferente y la comunicación entre componentes se lleva a cabo de punto a punto.

Con el avance tecnológico  se fueron introduciendo e implementando componentes electrónicos en los coches y, llego el momento en que el numero de elementos eléctricos era considerable y el cableado comenzó a ser muy complejo y un verdadero problema.

Cuando el cableado se convirtió en una situación a considerar, se llego a la necesidad de desarrollar una forma que permita a los componentes comunicarse eficazmente a través de conexiones menos engorrosas.

Funcionamiento del Protocolo CAN Bus

El Protocolo CAN Bus (Controller Area Network Bus) es un estándar de comunicación ampliamente utilizado en la industria para permitir la comunicación entre nodos o dispositivos en una red.

Aquí se explica cómo funciona el Protocolo CAN Bus y se destacan las diferencias entre CAN de alta velocidad y CAN de baja velocidad:

Funcionamiento del Protocolo CAN Bus:

• Comunicación en Bus: El Protocolo CAN Bus se basa en una arquitectura de comunicación en bus, lo que significa que varios nodos o dispositivos se conectan a un solo cable de datos compartido (el "bus"). Esto permite una comunicación eficiente entre los dispositivos conectados.
• Mensaje Difusión: En lugar de una comunicación punto a punto, en CAN Bus, un nodo que desea transmitir un mensaje lo envía a la red completa. Cada nodo en la red escucha el mensaje, y solo el nodo o nodos para los que el mensaje es relevante lo procesan. Esto significa que todos los nodos tienen la oportunidad de recibir y responder a los mensajes.
• Prioridades y Arbitraje: Cada mensaje CAN tiene una identificación única (ID) que determina su prioridad. Los mensajes con ID más bajo tienen prioridad sobre los mensajes con ID más alto. Si dos nodos intentan enviar mensajes al mismo tiempo, el nodo con el mensaje de ID más bajo tiene prioridad y los otros nodos esperan y vuelven a intentar.
• Detección de Errores: CAN Bus incluye mecanismos de detección de errores para garantizar la integridad de los mensajes transmitidos. Si se detecta un error en un mensaje, se puede solicitar una retransmisión.
• Diferencia entre CAN de Alta Velocidad y CAN de Baja Velocidad:
• CAN de Alta Velocidad (HS-CAN): Se utiliza en aplicaciones de alta velocidad, como la mayoría de los sistemas de control de motor y transmisión en vehículos. Tiene una velocidad de transmisión de hasta 1 megabit por segundo (Mbps) y se utiliza para la comunicación de datos críticos que requieren una alta velocidad y precisión, como lecturas de sensores de motor.
• CAN de Baja Velocidad (LS-CAN): Se utiliza en aplicaciones de baja velocidad, como sistemas de entretenimiento y comodidad en automóviles. Tiene una velocidad de transmisión más baja, generalmente en el rango de 10 kilobits por segundo (Kbps), y se utiliza para la comunicación de datos no críticos o de menor velocidad, como el control de ventanas y sistemas de audio.

El Protocolo CAN Bus funciona mediante la comunicación en un bus compartido, donde los mensajes se difunden a toda la red y se utilizan mecanismos de prioridad y arbitraje para gestionar la comunicación.

La diferencia clave entre CAN de alta velocidad y CAN de baja velocidad radica en la velocidad de transmisión y en las aplicaciones para las que se utilizan.

El HS-CAN se emplea en aplicaciones de alta velocidad y precisión, mientras que el LS-CAN se utiliza en aplicaciones de menor velocidad y menos críticas.

Características, Arquitectura y Topología del Protocolo CAN Bus

La arquitectura y topología del Protocolo CAN Bus se basa en una estructura de red típica que conecta varios nodos a un bus compartido.

Aquí se describen los elementos clave de esta arquitectura:

• Nodos: Los nodos son los dispositivos individuales que se conectan a la red CAN Bus. Cada nodo puede ser un sensor, actuador, unidad de control u otro dispositivo electrónico capaz de comunicarse a través del bus.
• Mensajes: La comunicación en el Protocolo CAN Bus se realiza a través de mensajes. Cada mensaje tiene un identificador único (ID) que determina su prioridad en la red. Los mensajes contienen datos que los nodos envían y reciben para llevar a cabo diversas funciones.
• Canales: El bus CAN es un único canal de comunicación compartido por todos los nodos. Todos los mensajes se transmiten a través de este único canal. Sin embargo, la identificación única de cada mensaje permite que los nodos reconozcan cuáles son relevantes para ellos y cuáles deben ser ignorados.
• Estructura de Red Típica: En una red CAN Bus típica, varios nodos se conectan a un solo bus compartido mediante cables. La estructura puede variar según la aplicación, pero generalmente se asemeja a una topología de bus lineal. Cada nodo está conectado al bus a través de terminales de bus (terminators) al principio y al final del bus para evitar reflexiones de señal.

Configuraciones de Bus Comunes:

• Bus Simple: En una configuración de bus simple, todos los nodos se conectan a un solo bus CAN principal. Esto es común en aplicaciones automotrices y muchas otras aplicaciones industriales.
• Bus en Estrella: A veces, se utiliza una configuración de bus en estrella donde los nodos se conectan a un concentrador central. El concentrador actúa como un repetidor y distribuye los mensajes a los nodos relevantes.
• Bus en Árbol: En aplicaciones más complejas, se puede usar una topología de bus en árbol. En esta configuración, varios buses CAN se conectan entre sí mediante puentes (gateways) para formar una red jerárquica.
• Bus Redundante: Para aplicaciones críticas donde la redundancia es esencial, se puede utilizar un bus CAN redundante. Esto implica tener dos buses CAN físicamente separados que operan en paralelo para garantizar la fiabilidad y la tolerancia a fallos.

La topología y la configuración específicas dependen de las necesidades de la aplicación y la arquitectura de la red.

El Protocolo CAN Bus está diseñado para ser altamente escalable y flexible, lo que lo hace adecuado para una amplia variedad de aplicaciones en la industria automotriz, la automatización industrial y otros campos.

¿Qué es la capa física en el CAN Bus?

Es un concepto que define el medio físico para comunicación y transmisión de datos entre los nodos de una red CAN.

¿Qué es la capa de enlace de datos en el CAN Bus?

La capa de enlace de datos hace referencia al método de acceso al medio y a las tramas para el envío de mensajes en el Bus.

¿Cuáles son los componentes del CAN BUS?

Ya hemos visto los puntos más importantes del protocolo CAN y sus características, ahora pasemos a revisar sus componentes y como funcionan, hablaremos de los:

• Transceptor CAN
• Elemento final del Bus de Datos
• Cables del Bus de datos
• LED CAN Bus

¿Qué es el transceptor CAN?

Este componente lo identificamos de primera instancia como un transmisor y un receptor y como todo componente de esta naturaleza su función principal es recibir y transmitir datos.

No obstante una de sus principales funciones es el de acondicionar toda la información enviada a los controladores.

El acondicionamiento del transceptor radica en situar los niveles de voltaje de la siguiente forma:

• Amplifica la señal cuando los datos se vuelcan en la línea.
• Reduce la señal cuando la recoge y la envía a los controladores.

¿Cuáles son los elementos finales del Bus de datos?

Estos tipos de elementos son resistencias eléctricas que están conectadas a los extremos de los cables H (Alto o High) y L (Bajo o Low), de ahí el nombre.

Estas resistencias tienen como finalidad adecuar el correcto funcionamiento del sistema según la variabilidad de la longitud de los cables y al número de unidades de control interconectadas, con este acoplamiento se evitan uno de los fenómenos que más molesta en los canales de comunicación llamado reflexión ya que pueden alterar los mensajes que viajan en el Bus.

Cada fabricante define las resistencia que van alojadas dentro de las unidades de control, regularmente por razones económicas y seguridad de funcionamiento.

Cables del Bus de datos

Los cables del Bus que ya te he mencionado anteriormente, son un par de cables trenzados por los cuales fluye la información, su comunicación es bidireccional, son conocidos como:

• Señales de nivel lógico alto o CAN-High
• Y señales de nivel lógico bajo CAN-Low

LED CAN Bus

Estos tipos de LED tienen como característica que cuando se funde una bombilla del coche, el sistema nos indica esta situación a través de un testigo, no obstante, un LED por si solo consume apenas unos cuantos miliamperes de corriente eléctrica, lo que implica que el automóvil lo puede interpretar como una luz fundida, es por esta razón que nacieron los LEDs CAN Bus para evitar este fallo.

Aquí nacen dos cuestiones importantes.

• Los LED tipo CAN Bus pueden ser instalados en autos que no los traen por defecto y funcionaran correctamente.
• Por otra parte, si pones un tipo de LED que no es CAN Bus, en un auto que si lo traía por defecto, este no funcionará como debe ser.

Esto es importante y al mismo tiempo libera cualquier duda, si compras un LED CAN Bus funcionara sin problema.

¿Cómo están hechos los LED CAN Bus?

 A grandes rasgos, están conformados por:

• Una a tres resistencias eléctricas de entre 22 a 51 Ohms
• En algunos modelos se incorpora un pequeño circuito que consume el mínimo de energía para que el Check control no lo detecte como si estuviera fundida o en corto.

Tipos de Bus CAN

El estándar CAN está dentro del ISO 11898 el cual define las especificaciones de las dos primeras capas, la capa física y la capa de datos, por lo tanto, podemos clasificar al CAN Bus en los siguientes dos tipos:

• CAN de alta velocidad 1 Mbits/s
• CAN de baja velocidad con tolerancia a fallos 125 kbits/s

CAN Bus de alta velocidad ISO 11898-2

Este tipo de CAN se caracteriza por usar un único bus lineal en los extremos con sendas resistivas de 120 ohms y en términos más técnicos se requiere que la impedancia característica del bus sea igual al valor de las resistencias (¿Qué son las resistencias?) en cada extremo. Ahora este tipo cuenta con dos extensiones dentro del estándar que así mismos cuentan con sus propios estándares que especifican su funcionamiento, tal y como se describe a continuación.

Extensiones del CAN Bus de alta velocidad

Opcionalmente la Organización Internacional para la Normalización (ISO) ha definido 2 extensiones referentes a la capa física de CAN Bus de alta velocidad las cuales describo rápidamente en los siguientes puntos:

• El ISO 11898-5, específica la capa física con una tasa de transmisión de hasta 1 Mbits/s para sistemas de bajo consumo de energía cuando no hay comunicaciones activas en el bus de datos.
• ISO 11898-6, específica una tasa de transmisión igual a la 5, no obstante, proporciona un método selectivo de activación de nodos.

CAN de baja velocidad

Este tipo de CAN también se encuentra estandarizado dentro del ISO 11898-3 conocido como CAN de baja velocidad tolerante a fallas, y puede utilizar las siguientes topologías de bus:

• Bus lineal
• Un bus en estrella
• Múltiples buses en estrella conectados por un bus lineal

La resistencia en las terminales debe ser mayor a 100 Ohms permitiendo una velocidad de transmisión de hasta 125 kbits/s

Estándares y Versiones del Protocolo CAN Bus

Los estándares y versiones del Protocolo CAN Bus incluyen varias variantes y extensiones para adaptarse a diferentes necesidades y aplicaciones.

Algunas de las versiones más comunes son:

• CAN 2.0A (Control Area Network 2.0A): Esta es una de las versiones iniciales del Protocolo CAN Bus. Utiliza un identificador de mensaje de 11 bits y es ampliamente utilizado en aplicaciones automotrices y de control industrial.
• CAN 2.0B (Control Area Network 2.0B): Es una extensión de CAN 2.0A que utiliza un identificador de mensaje de 29 bits en lugar de 11 bits. Esto permite una mayor cantidad de IDs únicos y, por lo tanto, es adecuado para aplicaciones con una mayor cantidad de nodos o mensajes.
• CAN FD (Flexible Data-Rate): CAN FD es una extensión del Protocolo CAN Bus que se diseñó para permitir tasas de transferencia de datos más altas y flexibilidad en la longitud de los datos. Puede ser particularmente útil en aplicaciones que requieren una comunicación de alta velocidad y una carga de datos variable.
• CANopen: CANopen es un protocolo de comunicación de alto nivel basado en el Protocolo CAN Bus. Está diseñado específicamente para aplicaciones de automatización industrial y control de dispositivos. Define un conjunto de objetos y servicios estándar para facilitar la interoperabilidad entre dispositivos CANopen de diferentes fabricantes.
• J1939: Este estándar se basa en CAN 2.0B y se utiliza principalmente en la industria automotriz y de vehículos pesados. J1939 define un conjunto de parámetros y mensajes estándar para la comunicación entre vehículos y sistemas de control, como motores diésel, transmisiones y sistemas de frenos.
• CAN XL: Esta es una futura extensión de CAN FD que tiene como objetivo proporcionar tasas de transferencia aún más altas y mayor flexibilidad. CAN XL permitirá aplicaciones de alta velocidad y alta seguridad, como vehículos autónomos y sistemas avanzados de asistencia al conductor.

Es importante tener en cuenta que la elección de la versión o variante del Protocolo CAN Bus depende de las necesidades específicas de la aplicación. Algunas aplicaciones pueden requerir una mayor velocidad de transmisión, mientras que otras pueden depender de la compatibilidad con estándares industriales específicos. La elección adecuada del estándar y la versión es esencial para garantizar una comunicación eficiente y confiable en una red CAN Bus.

Herramientas y Equipos de Diagnóstico compatibles con el Protocolo CAN Bus

Las herramientas y equipos de diagnóstico compatibles con el Protocolo CAN Bus son esenciales para la detección y resolución de problemas en sistemas de comunicación CAN. Aquí hay una lista de dispositivos y software utilizados en este contexto:

Dispositivos de análisis CAN Bus:

Escáneres OBD-II: Estos escáneres de diagnóstico se conectan al puerto OBD-II de un vehículo y pueden leer códigos de error, datos en tiempo real y proporcionar información sobre la salud del sistema CAN Bus.

• Analizadores de bus CAN: Estos dispositivos se utilizan para monitorear y analizar el tráfico en un bus CAN en tiempo real. Pueden capturar y decodificar mensajes CAN para su análisis.
• Adaptadores CAN a USB: Convierten la señal CAN en una interfaz USB que se puede conectar a una computadora para monitorear y analizar datos CAN.
• Osciloscopios: Un osciloscopio digital con una sonda CAN puede mostrar señales eléctricas en un bus CAN, lo que ayuda a diagnosticar problemas eléctricos en la red.
• Analizadores de lógica: Estos dispositivos pueden utilizarse para examinar la secuencia temporal de las señales en el bus CAN y detectar problemas de temporización.

Software de monitoreo y depuración:

• CANDOBD: Es un software de código abierto utilizado para monitorear y analizar datos en tiempo real en un bus CAN. Puede registrar y decodificar mensajes CAN.
• Wireshark: Si bien es ampliamente conocido como un analizador de protocolo de red, Wireshark también es capaz de capturar y decodificar tráfico CAN utilizando adaptadores CAN a USB.
• Vector CANalyzer: Una herramienta de análisis CAN líder en la industria que permite la simulación, el registro y el análisis exhaustivo de redes CAN.
• PEAK-System PCAN-Explorer: Proporciona capacidades de monitoreo y diagnóstico para redes CAN. Permite la visualización de mensajes CAN, la generación de mensajes y la simulación.
• National Instruments LabVIEW: Puede ser utilizado con módulos y tarjetas de adquisición de datos CAN para desarrollar aplicaciones personalizadas de monitoreo y control CAN.

Estas herramientas y equipos son esenciales para los ingenieros y técnicos que trabajan con sistemas basados en el Protocolo CAN Bus, ya que permiten la detección y resolución de problemas, la depuración de comunicaciones y el análisis de datos en tiempo real en una red CAN.

Conclusiones y Recomendaciones Finales del protocolo CAN Bus

Conclusiones del Protocolo CAN Bus:

• Importancia en la Industria: El Protocolo CAN Bus se ha convertido en el estándar de facto para la comunicación en redes en la industria automotriz, así como en diversas aplicaciones industriales y de automatización.
• Fiabilidad y Robustez: La principal fortaleza del CAN Bus es su capacidad para proporcionar comunicaciones fiables en entornos ruidosos y exigentes, lo que lo hace ideal para aplicaciones críticas.
• Versatilidad: El Protocolo CAN Bus es altamente versátil y se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde automóviles y camiones hasta equipos médicos y maquinaria industrial.
• Eficiencia de Costos: Es una solución eficiente en costos para la comunicación entre múltiples dispositivos, ya que permite la conexión de numerosos nodos en una sola red.
• Detección de Errores: El CAN Bus incluye mecanismos de detección y corrección de errores, lo que garantiza una alta integridad de datos.

Recomendaciones Finales:

• Diseño Robusto: Al implementar el Protocolo CAN Bus en sistemas críticos, es esencial diseñar redes robustas con cables y conectores de alta calidad para minimizar la posibilidad de fallos.
• Seguridad: En aplicaciones donde la seguridad es primordial, se deben utilizar mecanismos de encriptación y autenticación para evitar intrusiones no autorizadas.
• Mantenimiento Regular: Realizar un mantenimiento regular de la red CAN Bus para detectar y solucionar problemas antes de que afecten el rendimiento.
• Capacitación: Proporcionar capacitación adecuada al personal que trabaja con sistemas basados en CAN Bus para garantizar un uso efectivo y seguro.
• Respaldo y Redundancia: En aplicaciones críticas, considere la implementación de sistemas de respaldo y redundancia para garantizar la continuidad de las operaciones en caso de fallos.
• Evaluación de Compatibilidad: Antes de agregar nuevos dispositivos a una red CAN Bus existente, asegúrese de que sean compatibles y no interfieran con la operación normal de la red.
• Actualizaciones de Firmware: Mantenga actualizados los dispositivos y nodos CAN Bus con las últimas actualizaciones de firmware y software para garantizar el rendimiento óptimo.

El Protocolo CAN Bus es una tecnología sólida y versátil que desempeña un papel fundamental en una amplia gama de aplicaciones.

Sin embargo, su implementación exitosa requiere una planificación cuidadosa, mantenimiento regular y atención a la seguridad y la integridad de los datos en todo momento.