Tramas CAN y arbitraje: cómo decide un bus sin maestro quién transmite

01Un bus sin maestro

Cualquier nodo de una red CAN puede empezar a transmitir siempre que el bus esté libre. No hay planificador central ni direccionamiento de receptores: una trama lleva un identificador que designa su contenido y fija su prioridad, todos los nodos reciben todas las tramas y cada uno decide localmente si esa trama le concierne. La capa de enlace de datos que lo hace posible está especificada en ISO 11898-1, cuya edición de 2024 abarca las tres generaciones del protocolo: CAN clásico, CAN FD y CAN XL.

Dos propiedades de la capa física, descritas en Capa física CAN, sostienen todo el diseño. Un bit dominante siempre se impone a uno recesivo, y cada transmisor relee el bus mientras emite. Juntas permiten que varios nodos empiecen a la vez y resuelvan el conflicto sin corromper un solo bit de la trama ganadora.

02Anatomía de una trama de datos clásica

Una trama de datos del CAN clásico en formato base transporta de 0 a 8 bytes de datos envueltos en 44 bits de sobrecarga de protocolo, seguidos de una breve pausa antes de que pueda comenzar la trama siguiente. De izquierda a derecha:

Inicio de trama e identificador

Una trama solo puede comenzar después de que el bus haya permanecido en recesivo durante el periodo de intermisión. El único bit SOF, dominante, crea un flanco de recesivo a dominante con el que cada receptor realinea su reloj de bit: es la sincronización dura (hard synchronisation). A continuación viene el identificador, empezando por el bit más significativo. En formato base tiene 11 bits, lo que da 2048 valores, de 0x000 a 0x7FF.

El identificador no es una dirección. Describe lo que contiene la trama, y su valor numérico es la prioridad de la trama: cuanto menor es el número, mayor es la prioridad. Cada identificador de datos debe tener exactamente un transmisor. Si dos nodos enviaran tramas de datos con el mismo identificador y distinto contenido, el arbitraje no podría separarlas y la colisión aparecería como errores de bit en el campo de datos.

Campo de control y longitud de los datos

El campo de control indica a los receptores cómo leer el resto de la trama. IDE distingue el formato base del extendido, el bit reservado permanece dominante en las tramas clásicas y el código de longitud de datos de cuatro bits indica el número de bytes de datos. En el CAN clásico, los códigos 0 a 8 corresponden directamente a 0 a 8 bytes; los códigos 9 a 15 son admisibles en el bus, pero siguen significando 8 bytes. CAN FD asigna nuevos significados a esos códigos superiores, como se explica en CAN clásico frente a CAN FD.

CRC, acuse de recibo y fin de trama

El transmisor calcula un CRC de 15 bits sobre todos los bits comprendidos entre el SOF y el final del campo de datos, antes del relleno. Los receptores repiten el cálculo, y cualquier discrepancia constituye un error de CRC. El polinomio generador está fijado por ISO 11898-1:

A continuación llega el único bit que el transmisor espera que escriba otro nodo. El transmisor envía la ranura ACK en recesivo, y cada receptor que ha encontrado la trama correcta hasta ese punto la fuerza a dominante. Por tanto, un ACK dominante indica al transmisor que al menos un nodo ha recibido la trama intacta, aunque no cuál ni cuántos. Una ranura ACK recesiva es un error de acuse de recibo, y el transmisor vuelve a intentarlo. Siete bits EOF recesivos cierran la trama, y les siguen tres bits de intermisión.

03Identificadores de 11 y de 29 bits

CAN 2.0B introdujo el formato extendido, con un identificador de 29 bits. Este formato divide el identificador en una parte base de 11 bits y una extensión de 18 bits, separadas por dos bits recesivos: SRR (substitute remote request, sustitución de la petición remota) e IDE, que anuncia la extensión.

Ambos formatos pueden compartir un mismo bus, y el arbitraje los trata de forma coherente. Cuando una trama base y una trama extendida comparten los 11 primeros bits de identificador, gana la trama base: su bit RTR dominante se encuentra con el bit SRR recesivo de la trama extendida, y su IDE dominante, con el IDE recesivo de esta.

Los vehículos pesados utilizan el formato de 29 bits para dar estructura al propio identificador. SAE J1939 lo divide en una prioridad, un número de grupo de parámetros y una dirección de origen, como se explica en SAE J1939 para camiones, autobuses y maquinaria.

04Arbitraje bit a bit, paso a paso

Cuando el bus queda libre, todos los nodos con una trama pendiente pueden empezar en el mismo SOF. Cada transmisor envía entonces su identificador bit a bit mientras supervisa el bus. Mientras el nivel del bus coincida con lo que ha enviado, continúa. Un nodo que envía recesivo y lee dominante ha perdido: otro nodo está enviando un identificador menor. Deja de transmitir de inmediato, recibe el resto de la trama como cualquier otro nodo y vuelve a intentarlo la próxima vez que el bus quede libre.

En el proceso no se pierde nada. La trama ganadora nunca se corrompe, porque los nodos perdedores solo han aportado bits recesivos que el nivel dominante ha sobrescrito. Por eso el arbitraje CAN se denomina no destructivo, y por eso la trama pendiente de mayor prioridad obtiene siempre el bus, sin más retraso que el de la trama que ya está en curso.

El nodo C se retira en el bit 9 y el nodo B en el bit 3, mientras que el nodo A completa su trama sin haberse dado cuenta de la contienda. B y C vuelven a participar en cuanto el bus queda libre de nuevo. B arbitra entonces frente a cualquier otra trama pendiente y, salvo que esté esperando un identificador menor, es el siguiente en transmitir.

Qué asegura el arbitraje y qué no

• La prioridad es estricta. Siempre gana el identificador pendiente más bajo. En un bus muy cargado, una trama de baja prioridad puede retrasarse indefinidamente, por lo que las prioridades deben reflejar los plazos reales.
• Una transmisión en curso no se interrumpe. Una trama urgente que queda lista un bit después de que haya empezado otra debe esperar a que esta termine: hasta 135 tiempos de bit en una trama de formato base con 8 bytes de datos, es decir, 270 µs a 500 kbit/s.
• Las tramas de datos se imponen a las tramas remotas con el mismo identificador, porque el bit RTR de la trama de datos es dominante.
• El arbitraje necesita un viaje de ida y vuelta dentro de un bit. Cada nodo debe ver el nivel combinado del bus antes de muestrear, lo que vincula la longitud máxima del bus a la tasa de bits. CAN FD sortea este límite pasando a una tasa más rápida solo después del arbitraje; consulte Tasas de bits y tipos de bus.

Tramas remotas

Una trama remota es una trama de datos sin datos, enviada con el bit RTR en recesivo, que pide al propietario de un identificador que transmita. Sigue existiendo en la norma, pero es poco habitual en los vehículos modernos. La mayoría de las redes transmiten de forma cíclica o cuando se produce un cambio, las recomendaciones de CANopen desaconsejan las tramas remotas, J1939 utiliza en su lugar un mensaje de petición específico, y CAN FD eliminó por completo las tramas remotas al sustituir la posición RTR por el bit RRS, siempre dominante.

05Relleno de bits y longitud de la trama

CAN utiliza una codificación sin retorno a cero (NRZ): una larga secuencia de bits idénticos no produce flancos, y sin flancos los receptores no pueden mantener alineados sus relojes. El relleno de bits (bit stuffing) resuelve este problema. Tras cinco bits consecutivos del mismo nivel, el transmisor inserta un bit de nivel opuesto, que los receptores vuelven a eliminar. El relleno se aplica desde el SOF hasta el final de la secuencia CRC; los delimitadores, el campo ACK y el EOF nunca llevan relleno.

El relleno tiene dos consecuencias. Asegura un flanco de recesivo a dominante al menos cada 10 bits, lo que acota la deriva de reloj que deben absorber los receptores. Y hace que seis bits idénticos consecutivos no estén permitidos dentro de una trama, que es precisamente la propiedad que aprovechan los indicadores de error. El precio es una longitud de trama que depende de los datos. Para una trama con n bytes de datos, el peor caso es:

Ejemplo resuelto: carga del bus

La carga del bus es la fracción del tiempo durante la que el bus está ocupado. Tomemos una red del grupo motopropulsor a 500 kbit/s que transporta 15 tramas cada 10 ms y 40 tramas cada 100 ms, todas en formato base con 8 bytes de datos:

1. 01
   Tramas por segundo

   15 × 100 + 40 × 10 = 1900 tramas por segundo.

2. 02
   Bits por trama

   Sin relleno, cada trama ocupa 111 tiempos de bit, intermisión incluida; en el peor caso, 135.

3. 03
   Carga

   1900 × 111 = 210.900 bit/s, es decir, el 42 % de 500 kbit/s. Con relleno en el peor caso: 1900 × 135 = 256.500 bit/s, es decir, el 51 %.

4. 04
   Interpretación

   El tráfico real queda entre ambas cifras. Como las tramas de menor prioridad hacen cola detrás de todas las que tienen por encima, la latencia en la parte baja de la escala de prioridades aumenta bruscamente a medida que crece la carga. Por eso los diseñadores de redes mantienen un margen holgado y verifican los tiempos de respuesta en el peor caso, no los típicos.

06Cinco maneras de descubrir un error

Cada nodo comprueba cada trama, incluidas las que envía él mismo. ISO 11898-1 define cinco tipos de error:

Un nodo que advierte un error no se limita a descartar la trama en silencio. Transmite un indicador de error (error flag): seis bits dominantes que infringen deliberadamente la regla de relleno, de modo que todos los demás nodos adviertan también un error. Un error local se convierte en global, todos los nodos descartan la trama a la vez y el transmisor la repite automáticamente. Salvo excepciones muy poco frecuentes relacionadas con el último bit de la trama, o todos los nodos aceptan una trama o no la acepta ninguno.

En el bus, una trama de error consiste en el indicador de error seguido de un delimitador de error recesivo de ocho bits. Como los demás nodos responden con sus propios indicadores, la parte dominante puede alargarse de seis a doce bits. Un error de CRC solo se señaliza después del delimitador de ACK, de modo que la trama está visiblemente completa antes de ser rechazada.

07Contadores de errores, error pasivo y estado bus-off

Un nodo que destruye tramas una y otra vez porque su propio transceptor o su cableado están averiados no debe poder bloquear la red. El confinamiento de fallos (fault confinement) de CAN dota a cada nodo de dos contadores: un contador de errores de transmisión (TEC) y un contador de errores de recepción (REC). Los errores los incrementan, las tramas correctas los reducen, y sus valores determinan el estado del nodo:

• Un transmisor que advierte un error suma 8 a su TEC; cada transmisión correcta resta 1.
• Un receptor que advierte un error suma por lo general 1 a su REC, y 8 en casos concretos, como un bit dominante inmediatamente después de su propio indicador de error; cada recepción correcta resta 1.
• El balance es, por tanto, de ocho a uno: un transmisor que falla con más frecuencia que, aproximadamente, una trama de cada nueve asciende de forma constante hacia el estado bus-off.
• Un nodo en estado bus-off solo puede volver a incorporarse tras observar 128 apariciones de 11 bits recesivos consecutivos, y se reinicia con ambos contadores a cero.

Los contadores explican también por qué las averías de la capa física se manifiestan como síntomas intermitentes. Un nodo que pierde una trama de cada cien recupera sus contadores entre un error y otro, y nunca abandona el estado de error activo. Un nodo con una conexión peor sube a error pasivo y después a bus-off, desaparece, se recupera y reaparece, y cada desaparición suele quedar registrada por las demás ECU como una avería por pérdida de comunicación.

08Cómo se ven las tramas en un osciloscopio

Un osciloscopio de dos canales conectado a CAN-H y CAN-L, o una sola sonda diferencial, muestra las estructuras descritas sin necesidad de decodificar el protocolo:

• Inicio de trama: el primer bit dominante tras un largo reposo en recesivo. Dispare con el flanco ascendente de CAN-H, con un tiempo mínimo de reposo previo cuando el osciloscopio ofrezca esa opción.
• Anchura de bit: el impulso más estrecho de una trama equivale a un tiempo de bit, 2 µs a 500 kbit/s. El relleno asegura que ninguna secuencia dentro de la trama supere cinco bits idénticos.
• Ranura de acuse de recibo: un único bit dominante cerca del final de la trama, a menudo con una amplitud ligeramente distinta, porque lo excita un receptor y no el transmisor.
• Fin de trama: al menos once bits recesivos (delimitador de ACK, siete bits EOF y tres bits de intermisión) antes de que pueda aparecer el siguiente SOF.
• Indicadores de error: seis o más bits dominantes seguidos. El tráfico válido no puede contenerlos, así que cada una de estas secuencias demuestra que algún nodo ha advertido un error.

Estas comprobaciones visuales complementan las mediciones de resistencia y tensión de Diagnóstico en campo. Indican si las tramas se completan y reciben acuse de recibo, lo que a menudo basta para decidir si una avería es eléctrica o se encuentra en otra parte.

09Preguntas frecuentes