La electrónica digital en el automóvil. Introducción. Puertas lógicas. Multiplexado.

Multiplexores

Un Multiplexor es un circuito combinacional al que entran varios canales de datos, y sólo uno de ellos, el que hallamos seleccionado, es el que aparece por la salida. Es decir, que es un circuito que nos permite SELECCIONAR que datos pasan a través de dicho componente.

Vamos a ver un ejemplo NO electrónico. Imaginemos que hay dos tuberías (canales de datos) por el que circulan distintos fluidos (datos). Una transporta agua para regar y la otra agua potable.

Estas tuberías llegan a una granja, en la cual hay una única manguera por la que va a salir el agua (bien potable o bien para regar), según lo que seleccione el granjero posicionando la llave de paso en una u otra posición. En la figura se muestra un esquema. Las posiciones son la 0 para el agua potable y 1 para el agua de regar.

Moviendo la llave de paso, el granjero puede seleccionar si lo que quiere que salga por la manguera es agua potable, para dar de beber al ganado, o agua para regar los cultivos. Según cómo se posicione esta llave de paso, en la posición 0 ó en la 1, seleccionamos una tubería u otra.

Pero ¿por qué sólo dos tuberías? Porque es un ejemplo. A la granja podrían llegar 4 tuberías.

En este caso el granjero tendría una llave de paso con 4 posiciones, como se muestra en la figura. Esta llave se podría poner en 4 posiciones distintas para dar paso a la tubería 0, 1, 2 ó 3. Obsérvese que sólo pasa una de las tuberías en cada momento, ¡y sólo una!. Hasta que el granjero no vuelva a cambiar la llave de paso no se seleccionará otra tubería.

Con este ejemplo es muy fácil entender la idea de multiplexor. Es como una llave de paso, que sólo conecta uno de los canales de datos de entrada con el canal de datos de salida.

Ahora en vez de en tuberías, podemos pensar en canales de datos, y tener un esquema como el que se muestra en la figura en la que hay 4 canales de datos, y sólo uno de ellos es seleccionado por el multiplexor para llegar a la salida. En general, en un multiplexor tenemos dos tipos de entradas:

Entradas de datos: (Las tuberías en el ejemplo).

Entrada de selección: Indica cuál de las entradas se ha seleccionado (posición de la llave de paso).

En la actualidad, la red de comunicación VAN, LIN CAN… del automóvil, se basan es este principio.

HISTORIA DEL MULTIPLEXADO EN EL AUTOMOVIL.

(téngase en cuenta que el artículo cuenta con 25 años de antigüedad aproximadamente)

El multiplexado de datos en automóviles fue introducido por vez primera por General Motors en el año 1979 aplicado a los sistemas de gestión de motor. Desde esa fecha, se han desarrollado muchos protocolos propios dentro de la industria del automóvil, entre los que pueden mencionarse las firmas de automóviles VW, BMW, Chrysler, Ford y General Motors, entre otras.

El propósito del multiplexado es sustituir los numerosos mazos de cables que componen una instalación eléctrica de un automóvil por un sistema mucho más económico, simple e infalible Esto es posible gracias a la informática y la peculiar “arquitectura” de los ordenadores que son la clave para el desarrollo de las conexiones a través de un sistema multiplexado.

Todos sabemos que la electrónica juega un importante papel en el moderno automóvil y no hay duda de que en un futuro no muy lejano desempeñará todavía más un papel mayor ya que el número de dispositivos electrónicos que incorpora un vehículo se incrementa día a día.

Las ventajas de la introducción de la electrónica en el automóvil han permitido la sustitución de un buen número de sistemas mecánicos haciendo posible la introducción de sistemas de control más completos, complejos y precisos. Y a medida que se va afianzando el uso de elementos de este tipo, surgen tanto de fabricantes como de suministradores y usuarios nuevas demandas para unidades de control electrónico.

Actualmente los fabricantes de componentes y equipos electrónicos para el automóvil, diseñan y distribuyen las Unidades de Control Electrónico como elementos autónomos. Cada unidad de este tipo se cablea independientemente al juego de sensores y actuadores que tiene asociado, no existiendo ningún tipo de conexión entre unidades. Por otro lado, se ha comprobado que la causa principal de fallos en la electrónica de un automóvil tiene su origen en el cableado entre unidades de control y sensores y actuadores: las estadísticas hablan de mas de un 50 % de averías de este tipo. La clave no está en la calidad de las conexiones sino en el elevado número de ellas que hace que la fiabilidad total se resienta. Así pues, una reducción en el cableado y una mejor distribución del mismo permitiría disminuir los tiempos de montaje, mejoraría la fiabilidad de los sistemas electrónicos (menos conexiones), facilitaría el mantenimiento y añadiría flexibilidad; y todo esto sin duda influiría positivamente sobre los costes de producción. Varios fabricantes de automóviles y de equipos y componentes se hallan inmersos en la concepción y desarrollo de un sistema completo que integre y comunique dichos elementos (las unidades de control con los sensores y actuadores) de un modo más eficiente y fiable: tal sistema es lo que se conoce como un bus digital de comunicaciones tipo multiplexado, ya empleado en los ordenadores, y que permite la transferencia de información entre unidades de control y puede por otra parte incorporar requisitos para trabajar en tiempo real habida cuenta de la necesidad de que los tiempos de repuesta sean del orden de varios milisegundos.

Es actualmente el medio más eficaz y económico para la interconexión de los diferentes elementos electrónicos de un automóvil, definiendose como sistemas digitales de comunicación de bajo coste.

Ventajas del multiplexado

La incorporación en un automóvil del sistema de Bus multiplexado aporta entre otras las siguientes ventajas:

– Evita la instalación redundante de sensores. Los valores medidos por algunos sensores, por ejemplo temperaturas, pueden ser compartidos por varias unidades de control a través del Bus. Por tanto, la instalación múltiple de sensores resulta en este caso innecesario. De esta manera los sensores y actuadores pueden ser cableados a la unidad de control más próxima,  accediendo a ellos el resto de las unidades a través del Bus. El efecto inmediato que se obtiene de esta manera es un ahorro significativo de cableado.

 Posibilita la coordinación y cooperación entre unidades de control: en las soluciones aplicadas en la actualidad, al operar autónomamente las diferentes unidades de control, se pueden generar conflictos de operación entre las mismas  cuando actúan sobre un mismo parámetro de funcionamiento, mientras que el sistema de comunicaciones el intercambio de datos entre las diferentes unidades de control se consigue la coordinación y sincronización de los diferentes lazos de control y por tanto se evita este tipo de problemas.

 Facilita las labores de diagnóstico: mediante la conexión al Bus de un dispositivo externo que incorpore la lógica adecuada, se puede obtener de forma simple e inmediata todo tipo de información sobre el estado de funcionamiento del vehículo.

– Con dicha información se puede elaborar un amplio rango de diagnósticos. Este aspecto resulta de especial utilidad tanto en mantenimiento como en control de calidad. Por otra parte, algunos tests de diagnóstico sencillos podrían ir implementados en una unidad de control interna al vehículo mostrando los resultados de los mismos al conductor indicadores.

Aplicaciones potenciales Las aplicaciones actuales y potenciales de los Buses multiplexados son muy diversas, pudiéndose afirmar que cualquier elemento electrónico del automóvil es susceptible de ser conectado a un sistema de este tipo. La configuración típica de un vehículo multiplexado puede consistir en una unidad central dotada de display y de teclado que haga las veces de consola del vehículo. A dicha unidad irán conectados varios Buses con unas características de velocidad acordes con los requisitos de tiempo real de los elementos conectados. Los elementos electrónicos de confort y carrocería normalmente irán conectados a Buses de menor velocidad, mientras que los elementos que afectan directamente a la conducción (tracción y seguridad) así como los de información y comunicaciones irán conectados a Buses de alta velocidad, al ser más exigentes sus requisitos de tiempos de respuesta. Sin embargo, tal como se ha comentado en el punto anterior, el grado actual de implantación de estos sistemas es todavía bajo, estando presente solamente en vehículos de gama alta. A pesar de esto, estos vehículos, por lo general de alto contenido electrónico, sacan un partido significativo a sus sistemas multiplexados de comunicaciones.

Utilización y costes.-

La utilización del sistema de conexión a través de Buses multiplexados cobra una mayor importancia al analizar los datos de un estudio que asegura que el volumen del mercado de la electrónica para el automóvil se ha incrementado un 75% en el periodo 1995-2000. Dicho estudio prevé también que el contenido electrónico medio de los coches construidos en Norteamérica se incremente, de 1500 dólares por coche en 1994, a más de 2400 dólares en el 2005. Se espera también que para estas fechas las aplicaciones de confort y navegación sean tan importantes o más que las ya habituales de control de motor, tracción o frenos. Resulta evidente que a medida que aumente la cantidad de electrónica en el automóvil aumentará también la necesidad y el grado de implantación de los Buses multiplexados.

A pesar de que hoy en día sólo son aplicados en automóviles de gama alta, un estudio de la Siemens determina que para el año 2004 el 20% de los coches fabricados en Europa dispondrá de un sistema de comunicaciones de este tipo.

Con estos datos es lógico pensar que la tecnología de multiplexado en el automóvil va a experimentar un desarrollo significativo en los próximos años.

Ejercicio:

Diseña una un circuito con dos puertas de dos entradas cada una. En su salida se debe obtener la función: X = A+B+C

A modo de ejemplo se muestran dos fotografías en las que se dan pistas sobre la topología del circuito. En el formulario adjunta dos fotos y/o un vídeo del funcionamiento del circuito