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LIN-Bus, MOST-Bus, Bluetooth
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Sistema de
multiplexado de datos MOST-Bus
Introducción
Aparte de los conocidos sistemas de CAN-Bus se implanta por primera vez en el
Audi A8 del año 2003 un sistema de bus optoelectrónico para la
transmisión de datos.
La denominación de este sistema de bus de datos surgió por la
«Media Oriented Systems Transport (MOST) Cooperation». A esta entidad
se han asociado diversos fabricantes de
automóviles, sus proveedores y empresas productoras de software, con
objeto de llevar a la práctica un sistema unitario para la transmisión
rápida de datos.
El término
«Media Oriented Systems Transport» representa una red con transporte
de datos de orientación medial. Esto, en contraste con el CAN-Bus de
datos, significa que se transmiten mensajes direccionados hacia un destinatario
específico.
Esta técnica se implanta en vehículos Audi para la transmisión
de datos en el sistema de infotenimiento (información y entretenimiento).
El sistema de infotenimiento ofrece una gran cantidad de medios vanguardistas
destinados a información y entretenimiento (ver sinóptico).
Para la realización
de un complejo sistema de infotenimiento resulta adecuada la transmisión
optoelectrónica de los datos, porque con los sistemas de CAN-Bus que
han venido
empleando hasta ahora no se pueden transmitir los datos con la suficiente rapidez
y, por tanto, tampoco en las cantidades correspondientemente necesarias.
Debido a las aplicaciones de vídeo y audio se necesitan velocidades de
transmisión del orden de muchos Mbit/s. La sola transmisión de
una señal digitalizada de TV con sonido estereofónico ya requiere
una velocidad de unos 6 Mbit/s.
El MOST-Bus permite transmitir hasta 21,2 Mbit/s. En la figura inferior se muestra
el ancho de banda que utilizan cada una señales de transmisión
de datos.
Hasta ahora,
la información de esta índole, por ejemplo de vídeo y sonido,
sólo se podía transmitir en forma de señales analógicas.
Esto requería una mayor cantidad de conductores
en el mazo de cables.
La velocidad de transmisión de datos de los sistemas de CAN-Bus está
limitada a 1 Mbit/s como máximo. Debido a ello sólo era posible
transmitir las señales de control a través de los
sistemas de CAN-Bus.
Con ayuda del
MOST-Bus optoelectrónico se establece el intercambio de datos en forma
digitalizada entre los componentes participantes.
La transmisión de datos con ayuda de ondas luminosas, aparte de suponer
una menor cantidad de cables y un menor peso, permite trabajar con una velocidad
de transmisión
sustancialmente mayor.
En comparación con las ondas de radio, las ondas luminosas tienen longitudes
muy cortas, no generan ondas electromagnéticas parásitas y son
a su vez insensibles a éstas.
Estos nexos permiten una alta velocidad de transmisión de los datos y
un alto nivel de seguridad contra fallos e interferencias.
Estructura de las unidades de control
Componentes de las unidades de control en el MOST-Bus
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Fotodiodo
Asume la función de transformar las ondas luminosas en señales
de tensión.
Estructura
El fotodiodo contiene una unión PN que se puede exponer a la luz. La
capa barrera llega casi sólo hasta la capa N, debido a la intensa impurificación
de la capa P.
En la capa P se encuentra un contacto – es el ánodo. La capa N está
aplicada a la placa base de metal – el cátodo.
Funcionamiento
Al penetrar luz o radiación infrarroja en la unión PN, su energía
constituye electrones libres y huecos. Estos generan la corriente a través
de la unión PN. Esto significa, que cuanto mayor es la cantidad de luz
que incide en el fotodiodo, tanto más intensa es la corriente que fluye
a través del fotodiodo. Este fenómeno recibe el nombre de efecto
fotoeléctrico interno.
En el sentido
inverso, el fotodiodo se conecta en serie con una resistencia.
Si aumenta la corriente a través del fotodiodo a raíz de una mayor
radiación luminosa, la caída de tensión aumenta en la resistencia.
De ese modo se transforma la señal de luz en una señal de tensión.
Conductor
optoelectrónico (LWL)
El conductor optoelectrónico (figura inferior) se encarga de que las
ondas luminosas generadas en el transmisor de una unidad de control sean conducidas
hacia el receptor de la otra unidad de
control.
Para el desarrollo del LWL había que tener en cuenta los siguientes criterios:
Por ese motivo es preciso que el LWL posea las siguientes características para la transmisión de las señales luminosas:
Estructura del conductor
optoelectrónico
El conductor optoelectrónico (LWL) consta de varias capas. El núcleo
es la parte principal de un conductor optoelectrónico. Consta de polimetilmetacrilato
y constituye el conductor de luz propiamente dicho. En éste se conduce
la luz según el principio de la reflexión total y casi sin pérdidas.
La reflexión total será explicada con más detalle más
adelante.
El recubrimiento ópticamente transparente de un polímero fluorado
en torno al núcleo se necesita para conseguir la reflexión total.
La camisa negra de poliamida protege el núcleo contra la penetración
de luz del ambiente exterior.
La camisa en color es para efectos de identificación, para protección,
contra daños mecánicos y para protección contra efectos
de temperatura.
Transmisión de las ondas luminosas en el LWL
Reflexión
total
Si un rayo de luz incide con un ángulo poco pronunciado sobre una capa
limítrofe entre un material ópticamente más denso y uno
ópticamente menos denso, el rayo se refleja por completo, efectuándose
la reflexión total.
El núcleo en el LWL es el material ópticamente más denso
y el recubrimiento el ópticamente menos denso. De esa forma sucede la
reflexión total en el interior del núcleo.
Este efecto depende del ángulo en que inciden las ondas luminosas por
dentro contra la superficie limítrofe. Si este ángulo es demasiado
pronunciado, las ondas luminosas salen del núcleo, produciéndose
pérdidas de mayor importancia.
Esta situación viene dada si se procede a doblar demasiado intensamente
o incluso a plegar el LWL. El radio de dobladura del LWL no debe ser inferior
a 25 mm.
Conector
Para poder conectar
los conductores optoelectrónicos a las unidades de control se emplean
conectores ópticos especiales. El conector hembra lleva una flecha indicativa
de la dirección de flujo de las señales, que representa la entrada
(al receptor).
La carcasa del conector establece la conexión hacia la unidad de control.
La transmisión
de la luz se realiza a través de la superficie frontal del núcleo
hacia el transceptor en la unidad de control.
En la fabricación del LWL se procede a fijar manguitos finales de plástico,
por soldadura láser, en la carcasa del conector o bien se engarzan manguitos
finales de latón.
Superficie
frontal óptica
Para establecer una transmisión lo más exenta posible de pérdidas
es preciso que la superficie frontal del conductor optoelectrónico sea:
Esto sólo se puede alcanzar con ayuda de una herramienta de corte especial. La presencia de suciedad y raspaduras en la superficie de corte implica un aumento de las pérdidas (amortiguación).
Amortiguación en el bus optoelectrónico
Para poder calificar las condiciones en que se encuentra el LWL es necesario
medir la amortiguación. Si la potencia de las ondas luminosas se reduce
al efectuar la transmisión se habla de un efecto de amortiguación.
La amortiguación (A) se expresa en decibelios (dB).
El decibelio no representa una magnitud absoluta, sino más bien es la
relación de dos valores. A eso se debe que el decibelio tampoco esté
definido para magnitudes físicas especiales.
Por ejemplo, para determinar la presión sonora o el volumen del sonido
se recurre asimismo a la unidad del decibelio.
En la medición de la amortiguación, esta medida se calcula a partir
del logaritmo de la relación entre la potencia de transmisión
y la potencia de recepción.
Ejemplo:
Esto significa,
que en un LWL con una intensidad de amortiguación de 3 dB se reduce la
señal de la luz a la mitad. De esto resulta, que cuanto mayor es la intensidad
de amortiguación, tanto peor es la transmisión de las señales.
Si son varios los componentes que intervienen en la transmisión de las
señales luminosas, las intensidades de amortiguación de éstos
se pueden sumar formando una intensidad de amortiguación total, de modo
similar a como se comportan las resistencias eléctricas de componentes
conectados en serie (ver figura inferior).
Debido a que
en el MOST-Bus cada unidad de control transmite nuevas sus ondas luminosas (con
toda la intensidad), sólo se tiene en cuenta la intensidad de amortiguación
total entre dos unidades de control.
Causas de una mayor amortiguación en el bus optoelectrónico
Protección
al plegado del conductor optoelectrónico
Montando un protector al plegado (tubo ondulado o coarrugado como el que se
usa en las instalaciones eléctricas de las viviendas) se tiene la seguridad
de mantener el radio mínimo de 25 mm al tender el LWL.
Manejo inadmisible de conductores optoelectrónicos y sus componentes
Estructura anular del
MOST-Bus
Una característica
esencial del sistema del MOST-Bus es su estructura anular. Las unidades de control
transmiten los datos en una dirección a través de un conductor
optoelectrónico hacia la siguiente unidad de control, en un circuito
anular.
Esta operación continúa las veces necesarias hasta que los datos
vuelvan a ser recibidos en la unidad de control que los había enviado
primero. De esa forma se cierra el anillo.
La diagnosis del sistema de MOST-Bus se realiza a través del interfaz
de diagnosis para el bus de datos y el CAN de diagnosis.
Estados operativos del sistema de MOST-Bus
Modo desexcitado
No se realiza ningún intercambio de datos en el MOST-Bus. Los periféricos
están dispuestos en espera y sólo pueden ser activados por el
gestor del sistema por medio de un impulso
óptico de arranque.
La corriente de reposo está reducida al mínimo.
Condiciones para activar el modo desexcitado:
El sistema del MOST-Bus puede pasar al modo desexcitado, mediante una sentencia de orden jerárquicamente superior a las condiciones que anteceden, a través de:
Modo en espera (stand-by)
No ofrece ningún servicio al usuario, es decir, que causa la impresión
como si el sistema estuviera desactivado. El sistema del MOST-Bus está
activado de fondo. Sin embargo, todos los medios de salida (pantalla, amplificador
de radio, etc.) están inactivos o enmudecidos.
Este modo operativo está activado al arrancar y durante el ciclo de continuación
del sistema.
Activación del modo en espera
Activación de
corriente
Las unidades de control están a plena conexión. El intercambio
de datos se efectúa a través del MOST-Bus. Todas las funciones
están disponibles para el usuario.
Condiciones para el modo de aplicación de corriente:
Encuadre
de mensajes
El gestor del
sistema transmite los encuadres (frames) hacia la siguiente unidad de control
en el anillo con una frecuencia de trabajo de 44,1 kHz.
Frecuencia
de trabajo
La frecuencia de trabajo permite la transmisión de datos síncronos,
debido a su cronología fija.
Los datos síncronos transmiten información, por ejemplo sonido
e imágenes animadas (vídeo), que se deben transmitir siempre por
intervalos de idéntica duración.
La frecuencia de trabajo fija de 44,1 kHz equivale a la frecuencia de transmisión
en aparatos digitales de audio (reproductor CD/DVD, radio digital DAB) y permite
acoplar así estos
aparatos al MOST-Bus.
Estructura
de un encuadre (encuadre de mensajes)
Un encuadre de mensajes tiene un tamaño de 64 bytes, divididos en los
siguientes sectores (ver figura).
Campos que
forman un encuadre (mensaje)
El campo de comienzo, también llamado preámbulo, es el
que marca el comienzo de un encuadre.
Cada encuadre de un bloque tiene su propio campo de comienzo.
Un campo delimitador se utiliza para dividir de forma inequívoca el campo de comienzo con respecto a los campos de datos que le siguen.
En el campo de datos es donde el MOST-Bus transmite hasta 60 bytes de
datos útiles hacia las unidades de control.
Se distinguen dos tipos de datos:
La composición
del campo de datos es flexible. La parte correspondiente a los datos
síncronos en el campo de datos es de entre 24 y 60 bytes. La transmisión
de los datos síncronos tiene la preferencia.
Los datos asíncronos, independientemente de las direcciones de transmisores/receptores
(identificadores) y de la parte asíncrona disponible, se inscriben en
paquetes de 4 bytes (cuartetos), transmitiéndose de esa forma al receptor.
Con los dos bytes de verificación se transmite información, tal como
Los bytes de verificación
de un bloque se componen en las unidades de control para formar un encuadre
de verificación.
Un bloque consta de 16 encuadres. El encuadre de verificación contiene
datos de control y diagnosis que han de ser transmitidos de un transmisor a
un receptor. Esto recibe el nombre de transmisión de datos direccionada.
Ejemplo:
El campo de estado de un encuadre contiene información sobre la
transmisión del encuadre para el receptor.
Con el campo de paridad se revisa por última vez que el encuadre esté completo. El contenido de este campo decide sobre si se ha de repetir una operación de transmisión.
Desarrollos
de funciones en el MOST-Bus
Arranque del sistema (reexcitación)
Si el MOST-Bus se encuentra en el modo desexcitado, el sistema pasa primeramente
al modo en espera, obedeciendo a las señales de reexcitación.
Si con excepción del gestor del sistema una de las unidades de control
reexcita el MOST-Bus, lo que hace es transmitir a la siguiente unidad de control
una luz con modulación especial "la luz de la UCE esclava".
A través del fotodiodo activo en el modo desexcitado, la siguiente unidad
de control en el anillo recibe "la luz de la UCE esclava" y la retransmite.
Esta operación trasciende hasta el gestor del sistema, el cual, al recibir la luz de la UCE esclava, detecta la solicitud de arrancar el sistema.
A raíz de ello, el gestor del sistema transmite otra luz modulada de
forma específica "la luz de UCE maestra" hacia la siguiente
unidad de control en el anillo. Esta luz de UCE maestra
es retransmitida por todas las unidades de control. Con la recepción
de la luz de UCE maestra en su FOT (Fiber Optical Transmitter), el gestor del
sistema reconoce que el anillo está cerrado y comienza con la transmisión
de los encuadres.
En los primeros encuadres de mensajes se exhorta a que se identifiquen las unidades de control en el MOST-Bus. Basándose en las identificaciones obtenidas, el gestor del sistema transmite el orden de precedencia actual (configuración efectiva) a todas las unidades de control en el anillo. Esto permite efectuar la transmisión de datos direccionada específicamente.
El gestor de
diagnosis compara las unidades de control inscritas (configuración efectiva)
con una lista de las unidades de control que están implantadas (configuración
teórica).
Si la configuración efectiva no concuerda con la configuración
teórica, el gestor de diagnosis efectúa las correspondientes inscripciones
en las memorias de averías.
La operación de reexcitación queda concluida y se puede llevar
a cabo la transmisión de datos.
Transmisión
de sonido y vídeo en forma de datos síncronos
Para facilitar
la comprensión se explica aquí la transmisión síncrona
de los datos tomando como ejemplo el funcionamiento al reproducir un CD de música
en el Audi A8 ´03.
El usuario selecciona la canción deseada en el CD de música a
través del panel de mandos para multimedia E380 y de la unidad de indicación
para información J685.
El panel de mandos E380 transmite a través de un cable de datos las señales
correspondientes a la unidad de control para información delante J523
– el gestor del sistema.
En los encuadres transmitidos continuamente, el gestor del sistema inserta a raíz de ello un bloque de mensaje (= 16 encuadres) con los datos de verificación:
Gestión de los datos en una transmisión síncrona
La unidad de control para información, delante J523, transmite con ayuda de un bloque dotado de los datos de verificación,
dando así a la unidad de control para paquete digital de sonido J525 "receptor de datos" la sentencia de reproducir música.
Los datos del CD de música
se conservan en el campo de datos hasta que el encuadre llegue nuevamente a
través del anillo al reproductor CD, es decir, nuevamente a la fuente
de los
datos. Sólo allí es cuando se sustituyen los datos por nuevos
y la circulación en el anillo comienza de nuevo.
Esto permite que todo periférico de salida (paquete de sonido, salidas
para audífonos) en el MOST-Bus puedan emplear los datos síncronos.
Al transmitir los correspondientes datos de verificación, el gestor del
sistema determina cuál de los aparatos es el que ha de utilizar los datos.
Canales de transmisión
La transmisión de sonido y vídeo requiere varios bytes en cada
campo de datos.
La fuente de los datos reserva una cantidad correspondiente de bytes según
el tipo de señal de que se trate. Los bytes reservados reciben el nombre
de canales. Un canal se dota con un byte de datos.
Cantidad de canales de transmisión
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Señal
|
Canales/bytes
|
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Monaural
|
2
|
|
Estereofónico
|
4
|
|
Surround
|
12
|
La reservación de estos canales permite efectuar la transmisión simultánea de datos síncronos de varios fuentes.
Transmisión de datos para imagen, texto y funciones en forma de datos
asíncronos
Los datos para:
se transmiten como datos asíncronos.
Las fuentes de datos asíncronos
los transmiten en intervalos irregulares. A estos efectos, cada fuente almacena
sus datos asíncronos en una memoria intermedia. La fuente de datos espera
ahora hasta que reciba un bloque de mensaje con la dirección del receptor.
En este bloque de mensaje, la fuente inscribe los datos en los bytes libres
de los campos de datos.
Esto se realiza por paquetes (cuartetos) de 4 bytes cada uno. El receptor lee
los paquetes de datos en los campos y analiza la información.
Los datos asíncronos permanecen en los campos hasta que el bloque del
mensaje llegue nuevamente hasta la fuente de los datos. La fuente de datos extrae
los datos de los campos y los sustituye en caso dado por nuevos.
Diagnosis
Gestor de diagnosis
Aparte del gestor del sistema, el MOST-Bus dispone también de un gestor
de diagnosis. Es el encargado de diagnosticar roturas en el anillo y de transmitir
los datos de diagnosis de las unidades de control en el MOST-Bus hacia el comprobador
de diagnósticos.
En el Audi A8 ´03 el interfaz de diagnosis para el bus de datos J533 es
el que lleva a cabo estas funciones de diagnosis.
Fallo del sistema
Si la transmisión de los datos está interrumpida en cualquier
sitio del MOST-Bus, este fenómeno recibe el nombre de fractura del anillo,
debido a la estructura anular que se le ha dado.
Una fractura del anillo puede tener las causas siguientes:
Diagnosis de fracturas
del anillo
Conductor para la diagnosis de fracturas en el anillo En virtud de que deja
de ser posible la transmisión de los datos en el MOST-Bus si existe una
fractura del anillo, la diagnosis de este tipo de fracturas se efectúa
con ayuda de un cable de diagnosis.
El cable de diagnosis está conectado a través de una conexión
cableada central con cada unidad de control del MOST-Bus. Para localizar una
fractura en el anillo es preciso llevar a cabo un ciclo de diagnosis de fractura.
La diagnosis de fractura del anillo es parte integrante de la diagnosis de actuadores
del gestor de diagnosis.
Efectos en caso de una fractura del anillo:
Después de iniciarse la diagnosis de fracturas en el anillo, el gestor de diagnosis transmite un impulso a través del cable para diagnósticos hacia las unidades de control. Respondiendo a este impulso, todas las unidades de control transmiten señales luminosas con ayuda de su unidad transmisora en el FOT.
Durante esa operación, todas las unidades de control verifican:
Cada unidad de control en
el MOST-Bus responde tras un intervalo de tiempo definido en su software.
Con ayuda del intervalo de tiempo que transcurre desde que se inicia la diagnosis
de fracturas en el anillo y el momento en que llega la respuesta de la unidad
de control, el gestor de
diagnosis detecta qué unidad de control es la que ha transmitido la respuesta.
Contenido de la respuesta
Las unidades de control en el MOST-Bus transmiten dos informaciones tras el
inicio de la diagnosis de fracturas en el anillo:
Con ayuda de esta información, el gestor de diagnosis detecta:
Diagnosis de fractura
en el anillo con amortiguación aumentada
La diagnosis de
fracturas en el anillo sólo permite reconocer una interrupción
de la transmisión de datos.
En la diagnosis de actuadores por parte del gestor de diagnosis está
integrada adicionalmente una diagnosis de fractura del anillo con potencia luminosa
reducida, para reconocer una eventual amortiguación más intensa.
La secuencia de operaciones para la diagnosis de fractura en el anillo con potencia
reducida viene a equivaler a la descrita más arriba.
Sin embargo, las unidades
de control conectan sus diodos luminosos en el FOT con una amortiguación
de 3 dB, es decir, con una potencia luminosa reducida a la mitad.
Si el conductor optoelectrónico (LWL) tiene una mayor amortiguación,
la señal luminosa llega demasiado debilitada hasta el receptor. En este
caso el receptor da aviso de que el LWL no es correcto ópticamente. De
esta forma, el gestor de diagnosis detecta el sitio de la avería y pone
un aviso correspondiente en el programa de localización de averías
asistida por parte del tester para diagnósticos.
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