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Los sistemas electrónicos y el multiplexado
Antonio Lles Yebra I.E.S. Sierra de Guara - Huesca
2
Los sistemas electrónicos de control en el
automóvil

• La implantación de sistemas automáticos de
  control en el automóvil comenzó con la aparición
  de los primeros sistemas de inyección electrónica
  de gasolina sustituyendo al carburador. Se logró
  así una dosificación exacta del combustible para
  su mejor combustión y la optimización del
  rendimiento del motor.
• Desde la gestión del motor se ha ido ampliando la
  aplicación del control electrónico y actualmente
  lo podemos encontrar en todos los sistemas del
  automóvil motor, tracción, seguridad, confort,
  comunicación,

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(No Transcript)
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ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL
ENTRADAS
PROCESO
SALIDAS
UNIDAD ELECTRÓNICA DE CONTROL
SENSORES
ACTUADORES
Información
Órdenes
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EJEMPLO SISTEMA DE INYÉCCIÓN-ENCENDIDO FIAT BRAVO

• 1. Centralita gestión motor 9. Sensor posición
  mariposa 15. Conector diagnosis 21. Bomba
  combustible
• 2,3. Relé y electroventilador 10. Sonda
  lambda 16. Electroválvula
  canister 22. Bujías encendido
• 4,5. Sensor y velocímetro 11. Conmutador
  arranque 17. Regulador ralentí
  23. Bobinas encendido
• 6. Caudalímetro 12. Sensor detonación 18.
  Cuentarrevoluciones 24. Módulo encendido
• 7. Sensor régimen motor 13. Sensor de fase motor
  19. Inyectores 25. Centralita inmovilizador
• 8. Sensor temperatura 14. Compresor clima 20.
  Relés del sistema

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SENSORES

• Constituyen las entradas de la unidad electrónica
  de control.
• Introducen la información necesaria para el
  sistema.
• Transforman una magnitud física en una señal
  eléctrica.
• Según la magnitud física que captan existen
  sensores de temperatura, caudal, presión,
  velocidad, posición, etc.
• La señal eléctrica que envían puede ser analógica
  (ej. resistencia NTC) o digital (ej.célula Hall)

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ACTUADORES

• Se conectan en las salidas de la unidad
  electrónica de control.
• Reciben las órdenes de ejecutar tareas concretas
  bajo el control del sistema.
• Transforman una corriente eléctrica de mando en
  movimiento, calor, luz, etc.
• Los actuadores pueden ser motores, electroimanes,
  bombas, lámparas, electroválvulas, resistencias,
  etc.
• La corriente eléctrica de mando puede ser
  continua de valor fijo o de valor regulable y
  también puede ser una señal PWM.

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UNIDAD ELECTRÓNICA DE CONTROL
La unidad electrónica de control ( ECU,
calculador, centralita, unidad de mando, )
constituye el cerebro del sistema y está
integrada por varios bloques con misiones
específicas.
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ARQUITECTURA DE BLOQUES DE UNA U.E.C.
Reloj
Interface de entradas
Interface de salidas
Entradas
PROCESADOR
Salidas
Línea de diagnóstico
Red multiplexada
Autodiagnostico
Intersistemas
Memoria ROM
Memoria RAM
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COMPONENTES DE LA U.E.C.
Reloj Genera los pulsos de funcionamiento del
sistema.
Interface de entradas Realiza el
acondicionamiento de las señales enviadas por los
sensores. Según los tipos de señales, estas
pueden requerir conformación, amplificación,
filtrado o conversión A/D.
Procesador Siguiendo la cadencia marcada por el
reloj procesa los datos que recibe de los
sensores según los programas almacenados en
memoria. De este proceso resultan las órdenes
para el desarrollo de las operaciones de trabajo
que ejecutarán los actuadores.
Interface de salidas Transforma las señales de
salida del procesador en señales de mando con la
forma y el nivel de potencia requeridos por los
actuadores. Ello incluye conversión D/A,
conformado y amplificación.
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COMPONENTES DE LA U.E.C.
Memoria ROM Es memoria de sólo lectura y aquí
están almacenados los programas, datos y curvas
característicos, valores teóricos, etc. Pueden
ser programables (PROM, EPROM,) Memoria RAM Es
memoria de lectura y escritura y aquí se
almacenan temporalmente los datos de trabajo
durante la ejecución de un programa. Se borran
cada vez que se desconecta el sistema.
Intersistemas Permite enviar y recibir datos de
otros sistemas a través de la red multiplexada.
Incluye una interface de red y un gestor de
protocolo.
Autodiagnóstico Vigila el buen funcionamiento
del sistema, activa el modo de emergencia cuando
sea necesario, memoriza las anomalías detectadas
y permite el diálogo con un terminal de diagnosis.
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LA NUEVA CONFIGURACIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
En los circuitos actuales el elemento de control
del actuador es un relé o transistor incorporado
en la unidad de control electrónico del sistema.
En el circuito tradicional los elementos de
control (llave, pulsador,...) funcionan como
interruptores de potencia controlando
directamente la corriente que hace funcionar los
actuadores.
Los elementos de control tradicionales funcionan
ahora como emisores de señales que serán
procesadas por la unidad de control que decidirá
activar al relé o transistor correspondiente.
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LA COMPLEJIDAD DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN
LOS AUTOMÓVILES ACTUALES
La mejora en las prestaciones de los automóviles
actuales ha llevado a introducir un gran número
de sistemas controlados por la electrónica. Ello
significa un elevado número de unidades
electrónicas de control que además han de estar
comunicadas entre sí en muchas ocasiones lo que
hace enormemente compleja la instalación
eléctrica del automóvil componentes, cableado,
interconexiones,
Para simplificar la instalación los fabricantes
han recurrido a dos soluciones
LA INTEGRACIÓN
EL MULTIPLEXADO
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QUÉ ES LA INTEGRACIÓN ?
La integración consiste en agrupar varias
funciones en una sola unidad. Por ejemplo
CALCULADOR HABITÁCULO (BSI, BC, GEM,)
CALCULADOR GESTIÓN MOTOR
Incluye cierre, alarma e inmovilización,
iluminación interior y exterior, limpieza,
desempañado, señalización, optimización de
consumos, elevalunas, etc,etc.
Incluye sistemas de inyección, encendido,
antipolución, refrigeración,
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QUÉ ES EL MULTIPLEXADO ?
Es un sistema de interconexión entre componentes
electrónicos normalmente unidades de control o
sensores inteligentes que consiste en que por
una sola línea (bus) circulan diversas
informaciones en forma de señales digitales
codificadas.
0 1 0 0 1 0 1 0 0 0
1 1 0
16
POR QUÉ EL MULTIPLEXADO ?
17
Evolución histórica del cableado
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COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA
CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO
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COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORES SISTEMA
CONVENCIONAL Y SISTEMA MULTIPLEXADO
Calculador cambio automático
Calculador ayuda aparcamiento
Calculador motor
Calculador suspensión
Calculador ABS/ASR
Calculador cambio automático
Calculador ayuda aparcamiento
Calculador motor
Calculador suspensión
Calculador ABS/ASR
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Sistema convencional Un sensor para cada
calculador
21
Sistema multiplexado Un solo sensor
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LAS REDES MULTIPLEXADAS
El conjunto de calculadores interconectados y el
bus que los une recibe el nombre de red
multiplexada. En el automóvil se utilizan redes
multiplexadas de tipos diferentes siendo las
características principales que los definen las
siguientes

• El soporte de transmisión de la información.
• La magnitud física que transporta la información.
• La estructura de la red.
• Las reglas de transmisión o protocolo.

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EL SOPORTE DE TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN

• Puede ser cable, fibra óptica, ondas de
  radiofrecuencia, infrarrojos, etc. En el
  automóvil los soportes más utilizados son

Un cable sencillo Red LIN

Dos cables trenzados Redes VAN y CAN. Por ellos
circulan dos señales invertidas.
Así se evita la radiación de parásitos y se
consigue la inmunidad frente a perturbaciones
exteriores.
Fibra óptica Red MOST. Permite muy alta
velocidad de transmisión pero es muy cara y
presenta problemas de instalación.
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LA MAGNITUD FÍSICA QUE TRANSPORTA LA INFORMACIÓN
VAN
CAN
Alta velocidad
En las redes con bus de cable la información se
transmite por variaciones de tensión eléctrica
DATA
1
0
0
1
CAN H
CAN L
DATA
LIN
CAN
Baja velocidad
En la red MOST de fibra óptica la información es
transportada por la luz que emite un LED de
longitud de onda de 650 nm (color rojo). La
codificación se hace por modulación de frecuencia.
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LA ESTRUCTURA DE LA RED
Los calculadores pueden ser maestros o esclavos
Un calculador maestro es capaz de comandar un
calculador esclavo pero no al revés.
Un calculador esclavo solo puede introducir
datos en la red a instancia de un calculador
maestro y puede recibir de un maestro órdenes
para ejecutar. Por el contrario un calculador
maestro puede intervenir en cualquier momento.
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Maestro
Maestro
Maestro
Red Maestro-Esclavos ( LIN, VAN Car, )
Red Mulimaestro-Multiesclavo ( VAN Confort )
Red Multimaestro ( CAN, VAN, )
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LAS REGLAS DE TRANSMISIÓN O PROTOCOLO

• Cada tipo de red multiplexada tiene sus reglas de
  transmisión o protocolo que especifica
  fundamentalmente

-- La velocidad de transmisión. -- La lista de
mensajes y su codificación. -- La estructura y
lista de identificadores ( valores,
periodicidades, prioridades, ) -- La estructura
de las tramas ( número de bits u octetos,
posición de campos, codificación, ) -- El modo
de emisión de tramas ( periódico, eventual,) --
Las reglas de comunicación ( respuesta en la
trama, acuse de recibo,) -- Las reglas de
diagnóstico.
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LA VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN
Expresa el caudal de bits que en cada segundo
pueden circular por la red. En consecuencia
determina también el tiempo de los pulsos de
reloj (time slot). Así, por ejemplo, una
velocidad de transmisión de 500 kbit/s determina
unos pulsos de 2 ms.

• Red LIN Velocidad muy baja 9.6 a 19.2 Kbit/s
• Red B-CAN, VAN Car Velocidad baja 50-62.5 Kbit/s
• Redes VAN Confort, CAN LS, CAN Confort Velocidad
  media-baja 100-125 Kbit/s
• Redes CAN HS, C-CAN, CAN Tracción Velocidad alta
  250-500 Kbit/s
• Red MOST Velocidad muy alta 21-24 Mbit/s

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LA ESTRUCTURA DE LAS TRAMAS

• Se llama trama a cada paquete de informaciones
  (bits) que constituye un mensaje en la red

Los datos de un mensaje no pueden introducirse
aisladamente en la red sino que es necesario
formar una trama con otras informaciones
digitales codificadas organizadas en campos para
indicar

• El inicio del mensaje
• La identificación del destinatario
• La prioridad del mensaje
• La naturaleza del mensaje
• La verificación del mensaje
• El acuse de recibo por el destinatario
• El fin del mensaje

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LA RED CAN (Controler Area Network)

• Desarrollada por Bosch para facilitar la
  transmisión de datos entre unidades electrónicas
  es la más extendida actualmente.
• Utiliza como soporte un bus formado por dos
  cables trenzados llamados Can H y Can L por los
  que circulan señales invertidas y en cuyos
  extremos se colocan resistencias para evitar los
  rebotes de señal que podrían producir errores y
  fallos en la red.
• Existen diferentes tipos de red CAN que utilizan
  velocidades de transmisión diferentes oscilando
  entre 50 y 500 Kbit/s según el tipo de red. El
  sistema CAN puede alcanzar teóricamente 1000
  Kbit/s.
• La estructura de la red CAN es del tipo
  multimaestro.
• Algunos tipos de red CAN pueden funcionar en modo
  degradado (ejCAN LS Fault Tolerant) y en otras
  una anomalía en uno de los cables provoca la
  parada de toda la red (ejCAN HS)

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LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE ALTA VELOCIDAD
1
0
CAN H
CAN L
2 - 4 ms
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LAS SEÑALES EN LA RED CAN DE BAJA VELOCIDAD
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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN
Comienzo de trama (1bit) Sincroniza los relojes
Campo de acuse de recibo (2 bit) El receptor
confirma al emisor que ha recibido el mensaje
correctamente.
Campo de estado (11 bit). Define el destino y la
prioridad del mensaje
Campo de datos (hasta 8 octetos, 64 bit máx.)
Bit RTR Consulta o dato
Campo de comando (6bit) Se especifica la cantidad
de información contenida en el campo de datos
para que el receptor verifique que ha recibido la
información completa.
Campo de verificación (16 bit) Asegura que el
mensaje no tiene fallos de transmisión
Fin de trama (7bit)
Separación de tramas Al terminar una trama es
obligatorio dejar un espacio de 3 bit antes de
empezar la siguiente.
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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA CAN
TRAMA CAN EN EL OSCILOSCOPIO
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COLISIÓN Y ARBITRAJE
Cuando un calculador se dispone a emitir un
mensaje, escucha la red para comprobar si está
libre. En caso contrario espera el código de fin
de trama (7 bits a 1), deja 3 bits libres y
comienza a emitir. Si otro calculador comienza
también a emitir en ese instante el campo
identificador servirá de arbitraje siendo
preferente la emisión de un 0 (dominante) sobre
la de un 1 (recesivo) cuya transmisión quedará
suspendida.
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LAS RESISTENCIAS DE TERMINACIÓN
Para evitar las señales rebotadas al final del
bus las redes CAN colocan una resistencia de 120W
en cada extremo. La red B-CAN incorpora
resistencias en cada calculador.
Las resistencias de fin de línea pueden servir
además para comprobar la continuidad del bus. Un
óhmetro conectado entre los cables CanH y CanL
marcará 60W.
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LA INTERFASE DEL MULTIPLEXADO
Para poder poner en comunicación al procesador
con la red todo calculador CAN necesita una
interfase de multiplexado que consta de un
controlador de protocolo y una interfase de línea.
El controlador de protocolo en modo de emisión
recibe los datos del procesador y los codifica
según el protocolo CAN añadiendo los campos
necesarios para completar la trama. Trabajando en
modo de recepción recibe la trama y extrae los
datos para el procesador.
La interfase de línea está formada por la
interfase de emisión y la interfase de recepción.
La interfase de emisión convierte la trama
binaria en los niveles de tensión propios de cada
cable del bus. La interfase de recepción consta
de un amplificador diferencial que compara las
tensiones en los dos cables del bus y efectúa la
conversión a una señal lógica.
La recepción diferencial anula los parásitos
inducidos en el bus
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LA RED VAN (Vehicle Area Network)

• Desarrollada por PSA y Renault para sistemas de
  carrocería y confort.
• Utiliza como soporte para transmitir la
  información un bus formado por un par de cables
  de cobre trenzados de 0,6 mm2 llamados DATA y
  DATA/ que portan señales invertidas de 0 y 5v.
• Existen diferentes tipos de red VAN cuyas
  velocidades de transmisión oscilan entre 62.5 y
  125 kbits/s. según el tipo de red (VAN Car. o VAN
  Confort).
• Las redes VAN pueden tener diferentes tipos de
  estructura pudiendo ser Maestro-Esclavos,
  Multimaestro-Multiesclavo o Multimaestro.
• La red VAN es tolerante a las averías del bus y
  puede funcionar en modo degradado.

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LAS SEÑALES EN LA RED VAN
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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA VAN
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LA RED LIN (Local Interconnet Network)

• Desarrollada por un consorcio auspiciado por
  Motorola y en el que se integraron Audi, BMW,
  DaimlerChrysler, Volvo, Volkswagen, Communication
  Tecnologies AB y Valeo.
• La red LIN es una subred local que cablea los
  diferentes componentes de una función. Por lo
  tanto no es una red de comunicación entre
  sistemas sino entre los diferentes componentes
  (centralita, sensores, actuadores,) de un mismo
  sistema.
• Por ello la estructura de la red LIN es del tipo
  Maestro-Esclavos.
• Utiliza como bus de comunicación un solo cable de
  cobre de 0,35 mm.2 No requiere protección
  especial contra los parásitos dado su carácter
  local y su elevada tolerancia en los niveles de
  tensión que definen cada estado.
• La velocidad de transmisión de datos es de 9,6 a
  19,2 kbits/s.
• La red LIN no puede funcionar en modo avería.

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LAS SEÑALES EN LA RED LIN
1
0
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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA LIN
SBF
SF
IF
DF1
DF2
CF
1 Synch Break Field Pausa de sincronización.
Indica el comienzo del mensaje. Contiene 13 bits
(mínimo) a 0.
2 Límite de sincronización
Indica el comienzo de la sincronización. Contiene
1 bit (mínimo) a 1.

3 Synchro Field Sincroniza los
relojes. Contiene 10 bits alternos.
4 Identifier Field Identifica el tipo de
mensaje, a quién va dirigido y si es mandato o
petición de dato. Contiene 10 bits.
5 Data
fieldContiene las órdenes o datos a transmitir
en paquetes de 10 bits
6 Checksum
Field Campo de control de datos. Contiene 10
bits.
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FUNCIONAMIENTO DE LA RED LIN
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LA RED MOST (Media Oriented Systems Transport)

• Es una red multiplexada utilizada en los sistemas
  de información y entretenimiento.
• Utiliza un bus de fibra óptica por el que circula
  la luz emitida por un LED con una longitud de
  onda de 650 nm (luz roja).
• La velocidad de transmisión es muy alta 21
  Mbits/s.
• Sus componentes se conectan según una estructura
  anular.

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LA COMUNICACIÓN EN LA RED MOST
1 El transceptor MOST pone en comunicación la
unidad de control con la unidad de transmisión y
recepción, codificando y descodifi-cando el
protocolo MOST. 2 FOT o unidad de transmisión y
recepción, consta de un diodo LED que convierte
las señales eléctricas en luminosas y un
fotodiodo que realiza la función inversa.

3 Las señales luminosas recorren el anillo de
fibra óptica LWL. 4 La unidad de mando a la
que le corresponda recoge la información del
anillo (recepción) o la envía (transmisión).
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ESTRUCTURA DE UNA TRAMA MOST
Campo de estado que contiene información
sobre la transmisión de la trama al receptor ( 7
bits )
Campo de paridad revisa por última
vez si la trama está completa o se ha de repetir
la transmisión ( 1 bit )
Campo de datos que contiene
propiamente la información a transmitir
( 480 bits )
Campo de comienzo o preámbulo ( 4 bits )
1º y 2º bytes de verificación contienen
los datos de control y diagnosis ( 8 8 bits )
Campo delimitador que separa el preámbulo de los
datos ( 4 bits )
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EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE REDES MULTIPLEXADAS

• La implantación de redes multiplexadas en los
  vehículos actuales es muy variable en cuanto a
  número y clase de redes existentes y al número de
  nodos de que consta cada red.
• A continuación se mostrarán ejemplos sobre
  diferentes modelos de algunos fabricantes que
  muestran diferentes configuraciones de redes con
  sus nodos.
• Cuando un mismo vehículo implementa tipos de
  redes diferentes debe haber un calculador que
  incluya un componente llamado pasarela (gateway)
  para comunicar unas redes con otras.

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LA PASARELA ( GATEWAY )

• Sirve para comunicar redes diferentes entre sí.
  Para ello debe transformar los mensajes
  extrayendo los datos de una red emisora que
  puedan interesar a otra red receptora y elaborar
  una trama nueva según el protocolo de esta última.

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FIAT PUNTO1 red CAN con 5 nodos
50
RENAULT SCENIC1 red CAN hasta 15 calculadores
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OPEL CORSA1 red CAN V1 red CAN E
A15. Calculador habitáculo XD. Conector de
diagnóstico A84. Calculador gestión motor A112.
Calculador transmisión automática o
robotizada A38. Calculador ABS ESP A37.
Calculador ABS P3. Instrumentación XX. Otros
calculadores
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SEAT IBIZA1 red CAN de motor1 red CAN de confort
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ALFA 1471 red B-CAN1 red C-CAN
Red B-CAN
Red C-CAN
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ALFA 147
Red B-CAN de 50 kbit/s
Estructura de la red B-CAN
Red C-CAN de 500 kbit/s
Estructura de la red C-CAN
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VW PASSAT1 red CAN Propulsión1 red CAN Confort
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CITROEN C4
1 red CAN
alta velocidad 2 redes CAN baja velocidad
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CITROEN C51 red CAN Mecánica2 redes VAN
Carrocería1 red VAN Confort
58
TOYOTA LAND CRUISER
1 red CAN 2 redes BEAN
1 red AVC-LAN
59
TOYOTA LAND CRUISER
60
AUDI A4
Red CAN Propulsión
Red CAN Confort
Red CAN Info/ocio
Redes LIN volante multifunción y sensor de lluvia
y luminosidad
Red LIN faros