El protocolo CAN (controller area network), diseñado para la industria del automóvil a mediados de la década de 1980, abordan y siguen abordando la necesidad de reducir la complejidad del cableado (peso, número y coste) para transmisión de datos en unas aplicaciones cada vez más interconectadas. Las ventajas de CAN también han sido adoptadas en otros mercados, como la automatización industrial y medicina de forma tan generalizada que cada año se suministran más de 1.000 millones de nodos CAN en todo el mundo. De forma parecida, se suministran anualmente más de 1.000 millones de microcontroladores de 8 bit. Si bien estas cifras esconden un cierto solapamiento, lo cierto es que deberían crecer considerablemente en el futuro.
CAN sigue cubriendo las necesidades de los fabricantes de coches
Las comunicaciones CAN tradicionales se basan en eventos que permitan la comunicación directa entre microcontroladores y circuitos integrados de aplicación específica (application specific integrated circuits, ASIC) en aplicaciones sin ordenador principal. La integra ción por parte de fabricantes de semiconductores se ha sumado con fuerza a la rentabilidad de CAN y a su compatibilidad con muchos sistemas para el automóvil. Desde principios de la década de 2000 los microcontroladores de 8 bit también han incorporado el protocolo CAN. Asimismo, desde hace unos años el enfoque del diseño basado en un microcontrolador de 8 bit presentado inicialmente en 2015 utiliza periféricos independientes del núcleo (Core Independent Peripherals, CIP) para que una nueva familia de microcontroladores de 8 bit pueda cubrir muchos aspectos del sistema en las aplicaciones CAN. Además de su rentabilidad, el éxito de CAN se puede atribuir a su:
- Robustez
- Transmisión fiable de datos
- Implementación bastante sencilla
No sorprende que los microcontroladores de 8 bit tengan estos mismos atributos además de su rentabilidad. Por tanto, los microcontroladores de 8 bit con CAN constituyen una combinación natural que cubre muchos requisitos de las redes en el automóvil. A lo largo de los años, CAN ha demostrado ser capaz de cumplir d iversos requisitos del sistema de control. A medida que las redes en el automóvil han ido exigiendo diferentes atributos, como soluciones activadas en el tiempo, tolerantes a fallos y de un solo hilo, así como CAN con una velocidad de transmisión flexible (CAN flexible data rate, CAN FD), se han ido ampliando sus especificaciones.
La Tabla 1 muestra muchas de las versiones de CAN que se han ido desarrollando desde su presentación inicial hace más de 30 años. Para sensores para redes y actuadores en sistemas de confort, los ingenieros de automoción han utilizado el protocolo LIN (local area network) para reducir costes.
No obstante, LIN – una red maestro-esclavo de un solo hilo – exige cambios en el hardware y el software de CAN. Entre las aplicaciones más recientes para CAN se encuentran el control de acceso, carga de baterías/gestión de baterías y equipos de diagnóstico. Estos y otros requisitos del vehículo, especialmente aquellos que necesitan datos procedentes de otro sistema de control CAN, están impulsando el uso de microcontroladores de 8 bit con CAN. La Figura 1 ilustra la sencilla incorporación de un nodo CAN con un microcontrolador de 8 bit a un bus CAN existente.
Tabla 1. Adaptaciones de CAN para cubrir diversas necesidades en el automóvil.
Cumplir los requisitos de redes de bajo coste mediante un microcontrolador de 8 bit con CAN
Si bien la conexión al bus CAN es lo mínimo que necesita el diseñador de un sistema, los periféricos añadidos que atienden en concreto otros requisitos del sistema simplifican su trabajo. Esto puede incluir la detección de un parámetro o dos para control, mover un motor, activar un solenoide o proporcionar otras funciones. El enfoque basado en CIP puede reducir la complejidad del software y ofrecer unos tiempos de respuesta más rápidos a velocidades más bajas del reloj con un consumo más bajo. Entre las grandes áreas de aplicación para los CIP de la familia PIC18 K83 de Microchip se encuentran:
- Control de formas de onda
- Electrónica analógica inteligente (incluyendo el interface del sensor)
- Sincronización y medidas
- Lógica y cálculos matemáticos
- Seguridad y supervisión
- Comunicaciones
- Bajo consumo y flexibilidad del sistema Dentro de estas categorías, entre los periféricos se encuentran los siguientes:
- Comprobación de redundancia cíclica (Cyclic Redundancy Check, CRC) con exploración de memoria para asegurar la integridad de la memoria no volátil • Acceso directo a memoria (Direct Memory Access, DMA) para permitir la transferencia de datos entre memoria y periféricos sin participación de la CPU
- Temporizador supervisor con ventana (Windowed Watchdog Timer, WWDT) para reiniciar eventos de disparo
- Un convertidor A/D de 12 bit con cálculos (ADC2) para automatizar el análisis de señal analógica para una respuesta del sistema en tiempo real • Generador de forma de onda complementaria (Complementary Waveform Generator, CWG) para conmutación síncrona de alta eficiencia en control de motores Además de trabajar con CAN 2.0B, el controlador CAN integrado es totalmente compatible con los módulos CAN anteriores (CAN 1.2 y CAN 2.0A). Entre las capacidades de los productos se encuentran la partición del acceso a memoria (Memory Access Partition, MAP) para ayudar a los diseñadores en aplicaciones de protección de datos y cargadores.
Figura 1. Pueden coexistir diferentes implementaciones de CAN que aumentan la flexibilidaddel bus CAN.
El área de información del dispositivo (Device Information Area, DIA) ofrece un espacio de la memoria dedicado a la identificación del dispositivo programado en fábrica y los valores de calibración de periféricos. Dado que las comunicaciones representan un objetivo principal para los nodos CAN, los microcontroladores de 8 bit han mejorado las comunicaciones serie, como UART con soporte para protocolos asíncronos y LIN, así como interfaces de comunicación serie I2C y SPI autónomos y de mayor velocidad. La Tabla 2 muestra los 15 CIP y cómo cubren determinados requisitos del sistema. Gracias a estas estructuras integradas en el chip que no fueron ideadas o implementadas en los microcontroladores de 8 bit en el pasado, los microcontroladores actuales de 8 bit pueden funcionar de forma muy distinta a lo que esperaban muchos diseñadores y su rendimiento es muy superior al que ofrecían los microcontroladores diseñados hace más de una década. La programación de un microcontrolador de 8 bit es sencilla con CAN y resulta aún más fácil con los CIP.
Cuando ofrecen una capacidad de procesamiento suficiente, especialmente para nodos remotos, estos microcontroladores de 8 bit proporcionan una alternativa a los microcontroladores de 16 bit más caros y más difíciles de programar. Con los CIP la capacidad de procesamiento es aún mayor, lo cual permite disponer de más microcontroladores de 8 bit. Estos módulos de hardware integrados y altamente configurables manejan los sistemas embebidos y repetitivos de forma más eficiente y determinística. De hecho, debido a la naturaleza determinística de CAN, si un microcontrolador queda atrapado en un bucle, puede seguir funcionando fuera del núcleo si dispone de CIP. Con los microcontroladores de 8 bit que incorporan CAN y CIP, así como LIN, los diseñadores de redes ahora disponen de más flexibilidad y de opciones para implementar comunicaciones CAN y LIN.
De hecho, algunas aplicaciones típicas de los microcontroladores de 8 bit con LIN se han convertido en aplicaciones potenciales para CAN. Por ejemplo, si el módulo necesita acceder a otros datos de la red, como la velocidad de un vehículo, CAN puede ser una opción mejor o como mínimo una alternativa a LIN. Puede ser útil para limpiaparabrisas que puedan cambiar su velocidad en función de la velocidad del vehículo para evitar una pasarela entre CAN y LIN.
Tabla 2. Los periféricos independientes del núcleo integrados en la familia PIC18 K83 cubren diversos requisitos del sistema.
Además, es posible que los CIP a nivel de sistema eviten la necesidad de un ASIC adicional o dos, como muestra la Figura 2. Durante años se han venido utilizando los mismos CIP de PWM y generador de forma de onda complementaria para implementar una completa iluminación LED multicolor LED en los vehículos. Aquellos accionamientos se conectaban a un bus LIN porque no tenían CAN. La unión de esa funcionalidad en un microcontrolador económico de 8 bit con CAN puede aportar flexibilidad y una alternativa sencilla al diseño.
Si bien la mayoría de los microcontroladores de 8 bit del mercado se basan sobre todo en el núcleo para procesar sus funciones periféricas, existen otras posibilidades de diseño del sistema que pueden ser asumidas por los CIP sin que ello cargue significativamente a la CPU, como: interface de precisión con varios sensores, controlador de LED de alta potencia y/o un nivel razonablemente complejo de control del motor. Para determinar si estas u otras posibilidades son apropiadas para una red en concreto existen diversas herramientas de desarrollo disponibles. Por ejemplo, el MPLAB® Code Configurator (MCC) es una extensión gratuita de software que proporciona un interface gráfico para configurar determinados periféricos y funciones de la aplicación. Con esta herramienta, los ingenieros de diseño de sistemas pueden configurar fácilmente los periféricos basados en hardware en lugar de escribir y validar toda la rutina de software para realizar una tarea determinada.
Aprovechar el potencial de CAN
En aplicaciones industriales y para el automóvil, los diseñadores de sistemas disponen de varias opciones para las arquitecturas del bus. Dado que se trata de un bus ampliamente aceptado, especialmente cuando se necesita añadir detección y/o control para una red existente, un microcontrolador con funciones añadidas para abordar diferentes requisitos del sistema convierte a CAN en una excelente opción. Con sus periféricos independientes del núcleo, la familia de microcontroladores de 8 bit con CAN permite la expansión de CAN a nodos de la red más sensibles al coste. Los nuevos microcontroladores de 8 bit con CAN y CIP se dirigen a aplicaciones emergentes en redes para el automóvil que exigen una transmisión de datos flexible, económica, sencilla y fiable, así como mayores prestaciones y el soporte del sistema necesario para control de acceso, carga de baterías/ gestión de baterías y equipos de diagnóstico.
