Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (13)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÁO CÁO MÔN HỌC: THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI Đề số 08: Tìm hiểu chuẩn giao tiếp CAN Giảng viên hướng dẫn: Cô T.T.T Hà Sinh viên: Vũ Đình Long B18DCDT138 Hầu Nhật Hoa B18DCDT082 Đào Cơng Minh B18DCDT149 Nguyễn Đắc Hưng B18DCDT102 Nhóm mơn học: 02 Hà Nội, tháng năm 2022 Mục lục I Khái niệm .1 II Lịch sử phát triển III Kiến trúc CAN IV Ứng dụng CAN Sử dụng chế tạo phương tiện giao thông (thời kỳ đầu) 2 Mạng điều khiển nhúng V Cách thức hoạt động, tổ chức CAN .4 Nguyên tắc Cách truyền liệu .4 Độ xác chuẩn giao tiếp CAN .6 ID & Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field) VI Ứng dụng giao thức CAN ô tô .7 VII Ưu điểm nhược điểm chuẩn giao tiếp CAN 11 I 4 II III Khái niệm Controller Area network (CAN bus) chuẩn bus ổn định dùng cho phương tiện giao thông, đặc biệt xe CAN thiết kế để vi điều khiển thiết bị giao tiếp với mà không cần thông qua máy tính CAN giao thức hoạt động dựa gói tin (message-based protocol), ban đầu thiết kế ghép kênh (multiplex) dây điện ô tô để tiết kiệm số lượng dây dẫn, sau sử dụng rộng rãi trong hệ thống tự động hóa cơng nghiệp hay hàng không CAN cho phép module khác máy tính xe tơ nói chuyện với Nó nhóm đường dẫn với tốc độ cao cho phép liệu lệnh nén qua lại từ module khác Điều cho phép hệ thống hệ thống điều khiển điện tử hệ thống động ECU, hệ thống phanh chống bó cứng ABS, hệ thống kiểm sốt độ bám đường, hệ thống kiểm soát tay lái, hệ thống cân điện tử, hệ thống treo điện tử, hệ thống kiểm soát làm lạnh tự động, module điều khiển ánh sáng hàng chục, hàng trăm hệ thống khác… tất kết nối với điện tử Lịch sử phát triển CAN phát triển lần Robert Bosch GmbH, Đức vào năm 1986 họ Mercedes yêu cầu phát triển hệ thống liên lạc ba ECU (bộ điều khiển điện tử) xe Họ nhận thấy UART khơng cịn phù hợp tình sử dụng giao tiếp điểm – điểm Nhu cầu hệ thống liên lạc đa chủ trở nên cấp thiết Bởi vậy, mạng CAN xuất vào năm 1987 Intel chế tạo Tóm tắt lịch sử:  Năm 1983: Bắt đầu dự án phát triển mạng xe nội hãng Bosch  Năm 1986: Chính thức giới thiệu giao thức CAN  Năm 1987: Những chíp điều khiển CAN xuất nhà sản xuất linh kiện bán dẫn Intel Philips  Năm 1991: Bosch xuất thông số kỹ thuật CAN 2.0  Năm 1992: Thành lập nhóm nhà sử dụng sản xuất CAN quốc tế: Hội CAN tự động hóa (CiA) Hội CiA xuất giao thức Lớp ứng dụng CAN (CAN Application Layer, CAL) Những xe Mercedes-Benz trang bị CAN xuất  Năm 1993: Xuất tiêu chuẩn ISO 11898  Năm 1994: CiA tổ chức Hội nghị CAN quốc tế lần thứ (iCC) AllenBradley giới thiệu giao thức DeviceNet  Năm 1995: Xuất Tiêu chuẩn ISO 11898 sửa đổi (định dạng khung mở rộng) CiA xuất giao thức CANopen Trong đó: CiA (CAN in Automation): Là nhóm nhà sản xuất sử dụng giới phát triển hỗ trợ CANopen giao thức CAN lớp cao khác Đây tổ chức phi lợi nhuận thành lập từ năm 1992 để cung cấp thông tin công nghệ CAN bản, sản xuất tiếp thị Có khoảng 500 công ty thành viên tổ chức phi lợi nhuận có trụ sở đặt Nuremberg, Đức DeviceNet CANopen: hai chuẩn quy định hoạt động CAN lớp cao (Application Layer) dựa chuẩn CAN (Chuẩn CAN quy định việc thực thi giao thức lớp Liên kết liệu (Data Link Layer) lớp vật lý (Physical Layer)) IV Kiến trúc CAN CAN bus truyền thông nối tiếp (serial bus) chứa nhiều master (multi-master) để kết nối ECU (Electronic Control Unit) node (nút mạng) đường truyền Cần hai node đường truyền CAN để giao tiếp Trên bus, node giao tiếp với dạng thiết bị PLD hay máy tính nhúng (embedded computer) (ví dụ mơ hình sử dụng CAN phương tiện giao thông) Các node kết nối với bus vật lý gồm dây xoắn với trở kháng đặc tính (characteristic impedance) 120 Ω Hệ thống bus xác định mức logic dựa sai biệt điện áp (differential signals) V Ứng dụng CAN Sử dụng chế tạo phương tiện giao thông (thời kỳ đầu) - Khi hãng xe yêu cầu phát triển hệ thống liên lạc ba ECU (bộ điều khiển điện tử) xe Họ nhận thấy UART khơng cịn phù hợp tình sử dụng giao tiếp điểm – điểm Nhu cầu hệ thống liên lạc đa chủ trở nên cấp thiết - Về mặt lý thuyết, CAN liên kết tới 2032 thiết bị (giả sử nút với mã ID) mạng Nó cung cấp tốc độ truyền thơng tốc độ cao lên đến Mbits / giây cho phép điều khiển thời gian thực Ngồi ra, tính hạn chế lỗi phát lỗi làm cho đáng tin cậy mơi trường nhiễu nghiêm trọng Mạng điều khiển nhúng - Tự động hóa cơng nghiệp, ứng dụng y tế, xây dựng tự động hóa, máy dệt, máy móc sản xuất - Tự động hóa nhà máy: việc điều khiển tự động hóa thiết bị sử dụng giao thức DeviceNet, giao thức xay dựng chuẩn CAN - Hệ thống thang máy: Các bo điều khiển thông tin với qua bus CAN tầng bo mạch 7 - Trong bệnh viện, mạng CAN sử dụng để điều khiển thiết bị phòng đèn, bảng điện tử, máy nội soi, máy Xquang, camera, máy in… (giao thức sử dụng CANOpen) VI Cách thức hoạt động, tổ chức CAN CAN sử dụng CSMA / CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Arbitration on Message Priority) Trước gửi thông điệp, nút CAN kiểm tra xem bus có bận khơng Nó sử dụng để phát khả trùng lặp Những phương thức tương tự Ethernet Tuy nhiên, mạng Ethernet phát xung đột, hai nút gửi ngừng truyền Sau đó, đợi khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên trước thử gửi lại Điều làm cho mạng Ethernet nhạy cảm với tải bus cao Có thể giải vấn đề với nguyên tắc xác định quyền ưu tiên thông minh mạng CAN Nguyên tắc Thông điệp liệu truyền từ nút bus CAN không chứa địa nút truyền nút nhận dự kiến Thay vào đó, nội dung thông điệp gắn nhãn số nhận dạng (ID) toàn mạng Tất nút khác mạng nhận thông điệp nút thực kiểm tra chấp nhận mã ID để xác định xem thông điệp có liên quan đến nút hay khơng Nếu thơng điệp có liên quan, xử lý; khơng bị bỏ qua Cách truyền liệu Chọn chế độ chế độ Data Frame, Remote Frame, Error Frame Overflow Frame Các chế độ có cách truyền liệu giống nhau, ta xét chế độ Data Frame (bit RTR = 0) Khi thiết lập CAN, ta chọn cách truyền:  chế độ CAN 2.0A – RTR= 0, IDE =  chế độ CAN 2.0B – RTR= 0, SRR = 1, IDE = 1, cấu hình thêm ID mở rộng (18 bit) Sau thiết lập, cấu hình ID cho Node, cấu hình bit DLC để chọn số liệu truyền nhịp Ta chọn chế độ Data Frame, CAN 2.0A truyền byte liệu (~DLC = 0100) 9 Khung truyền liệu Chuẩn giao tiếp CAN Khi truyền liệu, bit SOF bắt đầu, sau dựa thơng số thiết lập nhảy vào chế độ cụ thể Ở ta nhảy vào chế độ truyền Data Frame với CAN 2.0A, Node mạng lưới so sánh địa ID chúng Nếu ID giống bắt đầu nhận dừ liệu từ Node phát Khi nhận xong liệu (8 byte) tiến hành check hàng (so sánh trường CRC Node thu Node phát) Nếu cho bit ACK 0, kết thúc nhịp truyền bit kết thúc EOF Quá trình truyền hồn tất Độ xác chuẩn giao tiếp CAN đường dây CAN_H CAN_L để truyền liệu Ở đầu thu phát CAN, hình ảnh bên dưới, điều chế tín hiệu TX thành dạng, đưa vào CAN_H CAN_L 10 Các thành phần Node Trên CAN_H CAN_L tín hiệu có dạng đối xứng với Đối xứng để làm gì, đối xứng để đương dây sai số tạo CAN_H CAN_L Khi đưa ngược lại thu phát CAN để biến đổi, đưa tín hiệu tổng hợp dây RX Tín hiệu tổng hợp dây RX hiệu CAN_H CAN_L Do sai số tạo CAN_H CAN_L nhau, nên trừ tín hiệu, sai số bị triệt tiêu Bus CAN Đó lý khiến chuẩn giao tiếp CAN truyền cực xa từ 40m -> 6km mà đảm bảo độ xác Các bit trường CRC (15bit so sánh) ACK (bit xác nhận) giúp tăng độ xác liệu 11 Mức độ ưu tiên địa Node hệ thống ID để xác định mức độ ưu tiên thông điệp Giá trị số mã ID thấp mức độ ưu tiên cao Điều cho phép phân xử hai (hoặc nhiều) nút cạnh tranh để truy cập vào bus lúc Thơng điệp có mức độ ưu tiên cao đảm bảo có quyền truy cập bus thể thơng điệp truyền Các thơng điệp có mức ưu tiên thấp tự động truyền lại chu kỳ bus chu kỳ bus cịn thơng điệp khác mà có mức ưu tiên cao chờ gửi Mỗi thơng điệp CAN có mã ID 11bit (A) 29 bit (B) ID phần nguyên tắc Arbitration Field CAN, trường nằm đầu thông điệp CAN ID xác định loại thông điệp, mức độ ưu tiên thơng điệp Các bit thơng điệp mạng CAN gửi dạng cao thấp Các bit thấp ln chiếm ưu thế, có nghĩa nút cố gắng gửi mức thấp nút khác cố gửi mức cao, kết bus mức thấp Một nút truyền lắng nghe bus truyền Một nút gửi mức cao Arbitration Field phát mức thấp biết quyền ưu tiên Nó ngừng truyền, nút khác, với thơng điệp có mức độ ưu tiên cao hơn, tiếp tục mà không bị gián đoạn Hai nút mạng khơng phép gửi thơng điệp có ID Nếu hai nút cố gắng gửi thông điệp với ID thời điểm, trường xác định quyền ưu tiên không hoạt động Thay vào đó, nút truyền phát thơng điệp bị bóp méo bên ngồi Arbitration Field Sau đó, nút sử dụng trường xử lý lỗi CAN, trường hợp này, cuối dẫn đến việc nút truyền bị tắt (chế độ tắt bus) VII Ứng dụng giao thức CAN ô tô CAN hệ thống mạng giao tiếp ô tô phổ biến Hệ thống mạng giao tiếp ô tô phát triển từ năm 1980 nhiên phải đến năm đầu kỷ 21 CAN bắt đầu thực thịnh hành xuất xe 12 Kể từ nay, ngày nhiều xe ô tô trang bị hệ thống CAN, Mỹ, đến năm 2008 tất xe ô tô chở khách xe tải nhẹ bán Mỹ trang bị mạng giao tiếp CAN chuẩn giao tiếp cho phép module khác máy tính xe tơ nói chuyện với Nó nhóm đường dẫn với tốc độ cao cho phép liệu lệnh nén qua lại từ module khác Điều cho phép hệ thống hệ thống điều khiển điện tử hệ thống động ECU, hệ thống phanh chống bó cứng ABS, hệ thống kiểm sốt độ bám đường, hệ thống kiểm soát tay lái, hệ thống cân điện tử, hệ thống treo điện tử, hệ thống kiểm soát làm lạnh tự động, module điều khiển ánh sáng hàng chục, hàng trăm hệ thống khác… tất kết nối với điện tử 13 Sơ đồ tổng quát đường truyền CAN * Các ecu cảm biến hệ thống CAN: – ECU điều khiển trượt – Cảm biến độ lệch thân xe – Cảm biến góc quay vơ lăng – Đến ECU thân xe – Cảm biến túi khí trung tâm – ECM 14 – ECU trung tâm – ECU chứng nhận – ECU điều khiển gương – ECU chân máy điều khiển chủ động – Bộ khuyếch đại điều hồ – Đồng hồ táp lơ – ECU báo khoảng cách – ECU điều khiển vị trí ghế (ghế trước trái) – AFS ECU – ECU nghiêng trượt đa * Cách thiết bị ô tô gửi – nhận liệu hệ thống CAN Trong mạng CAN, thành phần nối với mạng có quyền ngang việc truyền nhận thông tin ( multi master ), thành phần truyền nhận thơng tin mà chúng cần từ thành phần khác Tuy nhiên, thứ tự truyền tùy thuộc vào độ ưu tiên thông tin mà chúng muốn truyền ( quy định cấu trúc tập tin truyền đi), để chống tải có nhiều thành phần truyền nhận Mỗi module gắn vào mạng lưới liệu có khả gửi nhận tín hiệu chúng có địa mạng lưới cho phép module nhận thông tin đầu vào liệu cần thiết để hoạt động Khi module truyền thông tin qua mạng lưới, thông tin mã hóa để tất module khác nhận đến từ đâu gửi thơng tin Dữ liệu gửi loạt bit kỹ thuật số bao gồm “0” “1 “ Thông số điện áp thấp tương ứng với giá trị “0”, giá trị đo điện áp cao tương ứng với “1” Thông thường điện áp thực tế hoạt động phạm vi 5-7 volt Thông thường module điều khiển cụm mô đun xe giao nhiệm vụ quản lý lưu lượng mạng Khi module thấy thơng điệp tới, nhìn vào bit dòng liệu Nếu bit “0”, ưu tiên thơng điệp khác, gọi “trội tin nhắn” Nếu bit “1” cho ưu tiên thấp gọi “lặn tin nhắn” Như vậy, thông điệp ưu tiên cao thơng qua đến địa điểm dự định thơng điệp ưu tiên thấp tạm thời bị chặn “giao thông đường truyền giảm tốc” 15 Có thể thấy mạng giao tiếp CAN giúp xe tơ bình thường trở nên “thông minh” tiện lợi nhiều VIII Ưu điểm nhược điểm chuẩn giao tiếp CAN 1, Ưu điểm Đơn giản, chi phí thấp: bus CAN có dây giúp kết nối module điều khiển với dễ dàng so sánh với cách làm truyền thống Kèm theo nhiều lợi ích việc dễ lắp đặt dễ sửa chữa, bảo trì có cố  Tạo giao thức chung để nhiều nhà cung cấp khác phát triển module điều khiển tương thích với  Tính ưu tiên thơng điệp (Prioritization of messages): thông điệp truyền từ nút (node) hay trạm (station) bus CAN có mức ưu tiên Khi nhiều thơng điệp truyền bus lúc thơng điệp có mức ưu tiên cao truyền Cá thông điệp có mức ưu tiên thấp tạm dừng truyền lại bus rảnh Việc xác định mức ưu tiên thông điệp dựa cấu tạo (cấu trúc) thông điệp chế phân xử quy định chuẩn chuẩn CAN  Cấu hình linh hoạt: cho phép thiết lập cấu hình thời gian bit, thời gian đồng bộ, độ dài liệu truyền, liệu nhận, …  Nhận liệu đa điểm với đồng thời gian: thơng điệp nhận nhiều node khác bus lúc Tất node bus thấy thơng điệp truyền bus, tùy vào cấu hình node mà node định có chấp nhận thông điệp hay không   Nhiều master (multimaster) Phát báo hiệu lỗi: Mỗi thơng điệp có kèm theo mã CRC (Cyclic Redundancy Code) để thực kiểm tra lỗi Nếu lỗi xuất hiện, node nhận bỏ qua thông điệp lỗi truyền khung báo lỗi (error frame) lên bus CAN Mỗi node bus có đếm quản lý lỗi truyền nhận riêng để xác định trạng thái lỗi Nếu lỗi xuất nhiều, node tự động ngắt khỏi bus Ngồi cịn số dạng lỗi khác phát với chuẩn CAN  16 Tự động truyền lại thông điệp bị lỗi bus rảnh: Một thông điệp truyền bus bị lỗi khơng mà node truyền thơng điệp giữ lại tự động phát lại thông điệp bus CAN rảnh thành cơng Điều giúp đảm bảo tính toàn vẹn liệu bus  2, Nhược điểm Khó tiếp cận hơn, phức tạp chuẩn giao tiếp khác I2C, SPI, UART… 17 ... đặc biệt xe CAN thiết kế để vi điều khiển thiết bị giao tiếp với mà khơng cần thơng qua máy tính CAN giao thức hoạt động dựa gói tin (message-based protocol), ban đầu thiết kế ghép kênh (multiplex)... giao thức lớp Liên kết liệu (Data Link Layer) lớp vật lý (Physical Layer)) IV Kiến trúc CAN CAN bus truyền thơng nối tiếp (serial bus) chứa nhiều master (multi-master) để kết nối ECU (Electronic... vi? ??c điều khiển tự động hóa thiết bị sử dụng giao thức DeviceNet, giao thức xay dựng chuẩn CAN - Hệ thống thang máy: Các bo điều khiển thông tin với qua bus CAN tầng bo mạch 7 - Trong bệnh vi? ??n,