Capa física CAN: tensiones, cableado y terminación

01Por qué CAN utiliza transmisión diferencial

Un vehículo es un entorno hostil para los datos. Las bobinas de encendido, las etapas de mando de los inyectores, los flancos de conmutación de los inversores y las corrientes del motor de arranque inyectan ruido en el mazo de cables, y durante el arranque la masa de la parte delantera de un camión puede quedar a varios voltios de la masa de la parte trasera. Una transmisión asimétrica (single-ended), que compara un único hilo con la masa local, interpretaría cada una de esas perturbaciones como datos.

El CAN de alta velocidad, especificado en ISO 11898-2, evita el problema transmitiendo cada bit como la diferencia entre dos hilos, CAN-H y CAN-L, tendidos juntos como un par trenzado. El ruido se acopla casi por igual en ambos conductores, de modo que desplaza las dos tensiones hacia arriba o hacia abajo a la vez. El receptor ignora ese desplazamiento común y evalúa solo la diferencia.

El trenzado importa tanto como el par. Cada media vuelta invierte la orientación del bucle que forman los dos hilos, de modo que un campo magnético induce tensiones opuestas en medias vueltas sucesivas y estas se cancelan en gran medida. También funciona a la inversa: al circular corrientes iguales y opuestas, los campos propios del par se anulan, y el bus permanece silencioso frente a la radio y frente a cualquier línea de sensor tendida a su lado.

02Recesivo y dominante: los dos estados del bus

CAN no excita los unos y los ceros de forma simétrica. Un 1 lógico es el estado recesivo: todos los transceptores liberan el bus y la terminación lleva ambas líneas a la misma tensión, nominalmente 2,5 V. Un 0 lógico es el estado dominante: al menos un transmisor eleva activamente CAN-H hacia 3,5 V y baja CAN-L hacia 1,5 V, lo que produce una diferencia de unos 2 V.

Como un bus liberado no puede mantener un nivel dominante, un solo transmisor dominante se impone siempre a cualquier número de transmisores recesivos. Este comportamiento de Y cableada (wired-AND) no es un efecto secundario: es la base del arbitraje no destructivo, del acuse de recibo y de la señalización de errores, todo ello descrito en Tramas CAN y arbitraje.

Umbrales del receptor y margen de ruido

Los receptores no necesitan los 2 V completos. ISO 11898-2 exige que una tensión diferencial inferior a 0,5 V se lea como recesiva y una superior a 0,9 V como dominante; la franja intermedia queda indefinida. Incluso en el extremo inferior de su tolerancia, un transmisor en buen estado ofrece 0,6 V de margen por encima del umbral dominante, y es ese margen el que absorbe la resistencia del cable, las pérdidas en los conectores y las reflexiones en un mazo de cables largo.

Por eso también una resistencia de terminación de más rara vez deja el bus fuera de servicio por completo: la menor carga hace que el nivel dominante caiga hacia el límite de 0,9 V, y la red funciona en el banco pero falla de forma intermitente en el vehículo. Los márgenes medidos dicen mucho más sobre el estado del bus que una simple comprobación de «comunica».

Rango de modo común y diferencias de potencial de masa

Cada ECU referencia su transceptor a su propia masa local, y en un vehículo esas masas nunca son idénticas. Las corrientes elevadas en los caminos de retorno de masa generan diferencias de un voltio o más entre módulos alejados, sobre todo durante el arranque. El receptor diferencial lo tolera mientras ambas líneas del bus permanezcan dentro de su rango de modo común. Las primeras ediciones de ISO 11898-2 exigían una recepción correcta entre −2 V y +7 V; la edición de 2016 amplió el requisito del receptor al intervalo de −12 V a +12 V y exige que los pines del bus soporten de −27 V a +40 V, y muchos transceptores de automoción van aún más allá.

Ese rango es generoso, pero no infinito. Las diferencias de masa, el rizado del alternador y los bucles de masa creados por una instalación descuidada lo van consumiendo. Buena parte de las recomendaciones de Buenas prácticas de instalación existe para mantener intacto este margen.

03Terminación: por qué 120 Ω en ambos extremos

Un bus CAN es una línea de transmisión. El flanco de un transceptor sube en decenas de nanosegundos, por lo que incluso unos pocos metros de cable se comportan como una línea con una impedancia característica y no como un simple hilo. Cuando un flanco alcanza un extremo sin terminar, se refleja y choca con los bits que le siguen. La solución es una resistencia de terminación en cada extremo físico de la troncal, adaptada a la impedancia nominal de 120 Ω del cable, que absorbe la onda que se propaga en lugar de reflejarla.

Vistas desde el bus, las dos terminaciones aparecen en paralelo:

Las terminaciones cumplen una segunda función que es fácil pasar por alto. Son la carga que convierte la corriente de salida del transmisor en la tensión diferencial dominante, y descargan la capacidad del bus al final de cada bit dominante para que el estado recesivo se restablezca con rapidez. Por eso causan problemas tanto la falta como el exceso de terminación, aunque de distinto tipo.

Terminación dividida

Muchas ECU situadas en un extremo del bus utilizan terminación dividida (split termination): dos resistencias de 60 Ω en serie entre CAN-H y CAN-L, con su punto medio conectado a masa a través de un pequeño condensador, habitualmente de 4,7 nF. En continua, el conjunto sigue midiendo 120 Ω, por lo que las reglas del ohmímetro anteriores no cambian. A alta frecuencia, el condensador ofrece al ruido en modo común un camino de baja impedancia hacia masa, lo que reduce notablemente las emisiones. Algunos transceptores añaden un pin SPLIT específico que mantiene el punto medio a 2,5 V para estabilizar aún más el nivel recesivo.

En los vehículos, las terminaciones suelen estar dentro de dos ECU situadas en extremos opuestos de un segmento, de modo que desconectar una de esas ECU durante una reparación elimina también una terminación.

04Cable, trenzado y derivaciones

ISO 11898-2 describe el medio en términos eléctricos, en lugar de prescribir una referencia de cable concreta. Los valores de referencia con los que trabajan los diseñadores de redes son los siguientes:

El apantallamiento es opcional. Los turismos utilizan de forma abrumadora par trenzado sin apantallar, mientras que las redes de vehículos pesados ofrecen ambas opciones: SAE J1939-11 especifica par trenzado apantallado y SAE J1939-15, una capa física reducida y sin apantallar. En la práctica, la calidad del trenzado es importante. Un trenzado apretado y uniforme mantiene ambos conductores igualmente expuestos a las interferencias, mientras que destrenzar el par a lo largo de un tramo largo en un conector o un empalme elimina la protección justo donde el ruido suele ser peor.

Longitud de las derivaciones

Una derivación (stub) es el ramal entre la troncal y el transceptor de un nodo. Como no está terminada, refleja energía de vuelta hacia la troncal, y esas reflexiones solo son inofensivas mientras la derivación sea corta en comparación con el tiempo de subida del flanco. Cuanto más rápidos son los bits, más estrictos son los límites:

De ello se desprenden dos consecuencias prácticas. Primera: un mazo que funciona a 250 kbit/s puede fallar cuando la misma topología se reutiliza a 500 kbit/s o con una fase de datos CAN FD, porque la longitud de derivación aceptable se reduce a medida que los flancos se hacen más rápidos. Segunda: cada dispositivo que se añade a un bus existente con un cable volante largo crea una nueva derivación. Mantenga las derivaciones añadidas tan cortas como permita la instalación y no prolongue nunca una troncal llevando un cable largo hasta un nodo lejano y de vuelta.

Las estrellas pasivas pueden funcionar a las tasas de bits del CAN clásico con un diseño cuidadoso, pero contradicen el modelo de línea de transmisión en cada flanco. Las arquitecturas que necesitan estrellas o ramales largos a las tasas de la fase de datos de CAN FD recurren a transceptores con mejora de señal, que se tratan en CAN clásico frente a CAN FD.

05Transceptores: la etapa analógica

El controlador CAN de una ECU se comunica mediante niveles lógicos en dos pines, TXD y RXD. El transceptor hace de traductor entre esos pines y el bus: excita el estado dominante, libera el bus para el recesivo y compara la tensión diferencial con los umbrales de recepción. Como el receptor está siempre activo, un transmisor relee cada bit que envía; así sabe si ha perdido el arbitraje o si un bit se ha corrompido por el camino.

Las generaciones de transceptores siguen las ediciones de ISO 11898-2:

Los transceptores de automoción añaden funciones que importan sobre el terreno: un tiempo límite de TXD dominante (TXD dominant time-out) que libera el bus si un microcontrolador bloqueado mantiene TXD a nivel bajo, de modo que un solo nodo averiado no pueda bloquear la red; control de pendiente y de simetría para limitar las emisiones; y protección contra subtensión que mantiene la salida en recesivo mientras la alimentación está fuera de rango.

Modos de bajo consumo y despertar

Un vehículo estacionado debe reducir al mínimo su corriente de reposo, por lo que la mayoría de las ECU se apagan por completo y solo el transceptor permanece a la escucha. En modo de bajo consumo, un transceptor según ISO 11898-2:2016 puede retirar su polarización de 2,5 V y dejar que las líneas caigan a unos 0 V mientras espera un patrón de despertar (wake-up pattern), una secuencia definida de fases dominantes y recesivas. Los transceptores con despertar selectivo van más allá y decodifican tramas, de modo que solo despiertan a su ECU ante una trama de despertar concreta. Esta red parcial (partial networking) mantiene en reposo una parte del vehículo mientras otra funciona, algo importante para los balances de consumo en reposo y para los vehículos eléctricos que ejecutan funciones de carga durante horas.

Para el instalador, la consecuencia es sencilla: todo lo que quede conectado de forma permanente al bus debe dejarlo intacto mientras el vehículo está en reposo. Un dispositivo que transmite, o que mantiene las líneas alejadas de sus niveles de reposo, puede mantener despierta toda la red y descargar una batería en un fin de semana. La gestión de red y los estados de alimentación de CAN en vehículos eléctricos e híbridos tratan este aspecto en detalle.

06CEM: un bus silencioso e inmune

La compatibilidad electromagnética (CEM) funciona en ambos sentidos. Las emisiones proceden sobre todo de la asimetría: si CAN-H y CAN-L no conmutan exactamente en el mismo instante y con pendientes simétricas, la tensión en modo común salta en cada flanco y el mazo radia. La inmunidad depende de la misma simetría, para que el ruido inyectado siga siendo de modo común y el receptor lo rechace. Las medidas habituales son:

• Bobinas de modo común en las líneas del bus, que atenúan la corriente en modo común y dejan pasar la señal diferencial. Deben ser adecuadas para la tasa de bits; una bobina mal adaptada puede oscilar con los flancos de CAN FD.
• Terminación dividida con condensador en el punto medio, que deriva a masa el ruido en modo común en los extremos del bus.
• Protección ESD con capacidad baja y bien equilibrada en ambas líneas, sobre todo en buses CAN FD, donde cada picofaradio ralentiza los flancos.
• Tendido simétrico: longitudes iguales, acoplamiento estrecho y ausencia de tramos largos sin trenzar en los conectores mantienen el par equilibrado.

Su eficacia se verifica conforme a una familia consolidada de normas: CISPR 25 para emisiones, ISO 11452 para inmunidad radiada y por inyección de corriente (BCI), ISO 7637-2 e ISO 7637-3 para transitorios en líneas de alimentación y de señal, e IEC 62228-3 para los propios transceptores CAN. A nivel de vehículo, la compatibilidad electromagnética está regulada en Europa y en muchos otros mercados mediante el Reglamento n.º 10 de las Naciones Unidas.

07Modos de fallo y su huella eléctrica

El CAN de alta velocidad no es tolerante a fallos como lo es el bus de baja velocidad descrito en Tasas de bits y tipos de bus. Una sola avería de cableado puede silenciar toda una red, y algunas averías la dejan funcionando a duras penas de un modo que oculta el problema. Razonar a partir de los estados del bus hace que el comportamiento sea previsible: cualquier avería que impida que CAN-H supere a CAN-L en 0,9 V hace imposible un bit dominante, y el bus enmudece.

1. 01
   Mire antes de medir

   Inspeccione los conectores de ambos extremos del segmento y cualquier dispositivo añadido recientemente. La mayoría de las averías de la capa física son mecánicas: pines retraídos, corrosión, aislamiento desgastado por rozamiento.

2. 02
   Resistencia, sin alimentación

   Con la red en reposo o la batería desconectada, mida entre CAN-H y CAN-L (cabe esperar ≈ 60 Ω) y después cada línea respecto a masa y respecto al positivo de batería (cabe esperar una resistencia alta, del orden de kiloohmios o superior).

3. 03
   Tensiones, con el bus activo

   En un bus sin tráfico, cada línea debe estar cerca de 2,5 V respecto a masa. Con tráfico, un polímetro promedia los bits: CAN-H marca algo más de 2,5 V, CAN-L algo menos, y entre las dos suman aproximadamente 5 V.

4. 04
   Osciloscopio

   Mida CAN-H y CAN-L respecto a masa en dos canales, o utilice una sonda diferencial. Busque bits rectangulares limpios, una tensión diferencial dominante de unos 2 V, flancos simétricos y oscilaciones que se extingan mucho antes del punto de muestreo.

5. 05
   Divida y vencerá

   Si hay una avería, desconecte ECU o divida la troncal en un conector y repita las mediciones en cada mitad hasta localizar la avería.

08Preguntas frecuentes