Vehicle CAN systems

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Khoa Cơ Khí Động Lực Môn Hệ thống điện – điện tử Ô tô Đề tài Vehicle CAN systems Họ và tên SV GV PGS TS Đỗ Văn Dũng 2021 2022 Thành phố Hồ Chí Minh ..........................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH Khoa: Cơ Khí Động Lực Mơn: Hệ thống điện – điện tử Ơ tơ Đề tài: Vehicle CAN systems Họ tên SV: GV: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 2021-2022 Thành phố Hồ Chí Minh Ω Đánh giá giáo viên : …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… MỤC LỤC Phần : Giới thiệu hệ thống CAN 1.1 Khái niệm hệ thống CAN 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống CAN 1.3 Đặc điểm hệ thống CAN 1.4 Ưu điểm hệ thống CAN 1.5 Phân loại loại CAN 1.6 Định nghĩa thuật ngữ hệ thống CAN: 1.6.1 Dây đường truyền chính: 1.6.2 Dây nhánh: 1.6.3 Điện trở cực: Phần : Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống CAN 2.1 Phần cứng hệ thống CAN 9 2.2 Cấu trúc mạng CAN 11 2.3 Cách hoạt động hệ thống CAN 15 2.3.1 Nguyên tắc 16 2.3.2 ID & Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field) 17 2.3.3 Các loại CAN Frame 18 2.3.4 Data Frame (khung liệu): 18 2.3.5 Remote Frame (khung yêu cầu hay điều khiển) 19 2.3.6 Error Frame (khung lỗi): 19 2.3.7 Overflow Frame (khung báo tràn): 19 2.3.8 Các loại giao thức CAN 19 2.3.9 CAN 2.0 20 2.3.10 Giao thức CAN hỗ trợ hai định dạng Data Frame: 20 2.3.11 Cách gửi – nhận liệu hệ thống CAN 20 2.3.12 Tốc độ truyền tải liệu CAN 21 Phần 3: Những hư hỏng mạng giao tiếp CAN 23 Phần 4: Hệ thống CAN bus tương lai 25 Phần 5: Tài liệu tham khảo 26 Phần : Giới thiệu hệ thống CAN 1.1 Khái niệm hệ thống CAN - Controller Area Network (CAN CAN Bus) công nghệ mạng nối tiếp, tốc độ cao, bán song công, hai dây Ban đầu CAN thiết kế dành cho ngành công nghiệp ô tô, nhiên CAN trở thành tiêu chuẩn phổ biến tự động hóa cơng nghiệp ngành khác Hình : Hệ thống CAN xe Audi S5[1] 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống CAN CAN tạo vào năm 1984 Robert Bosch Corp với dự đoán phát triển tương lai thiết bị điện tử máy bay Mạng giao tiếp sản xuất ứng dụng ô tô vào năm 1992 số mẫu xe Mercedes-Benz Ngày nay, xe đời trang bị hệ thống Tóm tắt lịch sử phát triển hệ thống CAN : ● 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) Allen-Bradley giới thiệu giao thức DeviceNet ● Năm 1995: Xuất Tiêu chuẩn ISO 11898 sửa đổi (định dạng khung mở rộng) CiA xuất giao thức CANopen 1.3 Đặc điểm hệ thống CAN - Là công nghệ mạng nối tiếp cho giải pháp nhúng - Chỉ cần hai dây có tên CAN-H CAN-L - Hoạt động với tốc độ liệu lên đến Megabit giây - Hỗ trợ tối đa byte cho khung tin nhắn - Không hỗ trợ ID nút, ID thông báo Một ứng dụng hỗ trợ nhiều ID tin nhắn - Hỗ trợ mức độ ưu tiên tin nhắn, tức ID tin nhắn thấp mức độ ưu tiên cao - Hỗ trợ hai độ dài ID tin nhắn, 11-bit (tiêu chuẩn) 29-bit (mở rộng) - Không gặp xung đột tin nhắn (vì chúng xảy cơng nghệ nối tiếp khác) - Khơng địi hỏi khắt khe yêu cầu cáp Hệ thống dây xoắn đôi đủ 1.4 Ưu điểm hệ thống CAN ● 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 thông 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 thơng 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: thông 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 thơng điệp hay khơng ● 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 q nhiều, node tự động ngắt khỏi bus Ngồi cịn số dạng lỗi khác phát với chuẩn CAN ● 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 công Điều giúp đảm bảo tính tồn vẹn liệu bus 1.5 Phân loại loại CAN Có loại đường truyền CAN khác thường sử dụng phân loại dựa tốc độ truyền tín hiệu điển hình Đường truyền HS-CAN đường truyền tốc độ cao sử dụng để liên lạc hệ thống truyền lực, gầm số hệ thống điện thân xe Đường truyền HS-CAN dùng để gọi “Đường truyền CAN No.1” “Đường truyền CAN No.2” Nó hoạt động tốc độ khoảng 500 kbps Các điện trở cực cho đường truyền CAN No.1 đặt ECU trung tâm CAN No.2 J/C Điện trở đường truyền CAN No.2 đo từ giắc DLC3 Đường truyền MS-CAN đường truyền tốc độ trung bình sử dụng để liên lạc hệ thống điện thân xe Đường truyền MS-CAN gọi “Đường truyền CAN MS” Nó hoạt động tốc độ khoảng 250 kbps Các điện trở cực cho đường truyền MS-CAN đặt ECU thân xe ECU chứng nhận Điện trở đường truyền CAN MS đo từ giắc DLC3 Việc thông tin liên lạc mạng thực qua ECU thân xe (cho đường truyền CAN MS) hay ECU trung tâm (cho đường truyền CAN No.2), có vai trò ECU trung tâm Sơ đồ mạng CAN tốc độ trung bình MS CAN[2] 1.6 Định nghĩa thuật ngữ hệ thống CAN: 1.6.1 Dây đường truyền chính: Dây đường truyền dây điện nối hai điện trở cực đường truyền (dây truyền liệu) Đây đường truyền hệ thống thông tin liên lạc CAN 1.6.2 Dây nhánh: Dây nhánh dây điện mà chia từ dây đường truyền đến ECU hay cảm biến 1.6.3 Điện trở cực: Hai điện trở 120 Ω lắp song song qua hai đầu dây đường truyền CAN Chúng gọi điện trở cực Những điện trở cho phép bù lại thay đổi điện áp dây đường truyền CAN, cần phải lắp hai điện trở Do hai điện trở lắp song song, việc đo điện trở hai dây đường truyền CAN phải chế tạo có số khoảng 60 Ω Phần : Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống CAN 2.1 Phần cứng hệ thống CAN -Phần cứng hệ thống CAN gồm nhiều loại chip vi xử lý, chẳng hạn xử lý ARM Cortex-M3, cung cấp giao diện Ethernet, I / O kỹ thuật số, I / O tương tự, USB, UARTS Và cuối không phần quan trọng Mạng Khu vực Bộ điều khiển Tuy nhiên, điều khơng có nghĩa bạn sử dụng chip “nguyên trạng” kết nối với mạng, cảm biến, v.v Tất giao diện yêu cầu 10 số loại “trình điều khiển phần cứng” Trong trường hợp công nghệ nối tiếp RS232 CAN, bạn cần thu phát tương ứng Trong trường hợp cụ thể điều khiển CAN bus, cần trình điều khiển đường truyền (bộ thu phát) để chuyển đổi tín hiệu TTL điều khiển sang mức CAN thực tế, mức điện áp vi sai Việc sử dụng điện áp chênh lệch góp phần vào độ tin cậy rộng lớn CAN Trạng thái tín hiệu thực tế, lặn trội, dựa điện áp chênh lệch CAN-H CAN-L (2V thời gian bit trội; 0V thời gian bit lặn) Sơ đồ phần cứng hệ thống thống[3] Các ecu cảm biến hệ thống thông tin liên lạc CAN: – ECU điều khiển trượt – Cảm biến độ lệch thân xe – Cảm biến góc quay vơ lăng – Đến ECU thân xe 11 – Cảm biến túi khí trung tâm – ECM – ECU trung tâm – ECU chứng nhận – ECU điều khiển gương – ECU chân máy điều khiển chủ động – Bộ khuyếch đại điều hoà – Đồng hồ táp lô – ECU báo khoảng cách – ECU điều khiển vị trí ghế (ghế trước trái) – AFS ECU – ECU nghiêng trượt đa 2.2 Cấu trúc mạng CAN Cấu trúc mạng CAN gồm thành phần • Dây cáp gồm hai dây riêng biệt gọi CAN_H (CAN Hight) CAN_L ( CAN Low) • Điện trở đầu cuối đường dây 120Ω • Node (Station): thành phần kết nối đến bus CAN thông qua dây CAN_H CAN_L Các nút bo mạch module điều khiển 12 Cấu trúc mạng CANCA4] [5] 13 Minh họa mạng CAN xe sử dụng chip Motorola - nguồn: www.mi.fu-berlin.de Cấu trúc node (station) mạng CAN • Mỗi nút CAN u cầu có micro-controller- MCU kết nối với điều khiển CAN-controller Bộ điêu khiển CAN kết nối với CAN – Transceiver thông qua đường liệu nối tiếp Tx đường vào liệu nối tiếp Rx Đường Vref điện áp tham khảo cung cấp mức điện áp định danh = 0.5 x Vcc • Micro-controller - MCU thực thi tính điều khiển Node Thực cấu hình hoạt động cho CAN controller, phân phối liệu nhận từ CAN controller, lấy liệu nhận từ Can controller để sử dụng cho hoạt động Node 14 • CAN controller thực thi xử lí truyền nhận liệu, báo lỗi tính tốn thời gian bit theo chuẩn CAN quy định; phát liệu cần truyền dạng số (logic 0/1) chân Tx; nhận liệu dạng số qua chân Rx CAN controller chip độc lập ngoại vi tích hợp bên vi điều khiển • CAN transceiver hoạt động chuyển đổi từ tín hiệu số (logic 0/1) Tx thành tín hiệu tương tự bus CAN ngược lại Tín hiệu bus CAN CAN transceiver chuyển đổi qua lại tín hiệu số tương tự Trong giao thức CAN qui định sau: • Mức dominant/mức trội/mức ưu mức logic • Mức recessive/mức lặn/mức ẩn mức logic CAN có qui định bus CAN hoạt động theo chế AND-wire, logic logic truyền từ CAN controller qua CAN transceiver đến bus CAN bus CAN thể mức điện áp biểu diễn cho bit (bit trội) Mức áp bus CAN tầm từ -2V CAN_L đến +7V CAN_H sử dụng phổ biến 0V CAN_L +5V CAN_H dùng tốc độ cao 1Mbit/s Đường CAN_H có mức áp +5V trạng thái nghỉ sụt áp +3.5V hoạt động Lúc này, mức +3.5V qui định mức ‘dominant’ +2.5V qui định mức ‘recessive’ Đường CAN_L có mức điện áp 0V trạng thái nghỉ 15 tăng lên +1.5V hoạt động Lúc này, mức +1.5V qui định mức ‘dominant’ +2.5V qui định mức ‘recessive’ Trạng thái bus dựa vào sai lệch điện áp CAN_L CAN_H Cụ thể, sai lệch điện áp thấp điện áp ngưỡng tối thiểu mức recessive (mức 1) thường +0.5V Nếu sai lệch điện áp cao ngưỡng tối thiểu mức dominant ( mức 0), thường +0.9V Nếu sai lệch điện áp rơi vào khoảng từ 0.5V đến 0.9V khơng thể phân biệt mức logic gây sai liệu Tín hiệu bus CANCA6] 2.3 Cách hoạt động hệ thống CAN Như nêu trước đó, CAN mạng ngang hàng Điều có nghĩa khơng có master điều khiển nút riêng lẻ có quyền truy cập để đọc ghi liệu CAN bus Khi nút CAN sẵn sàng để 16 truyền liệu, kiểm tra xem bus có bận hay khơng sau cần ghi khung CAN lên mạng Các khung CAN truyền không chứa địa nút truyền (các) nút nhận dự kiến Thay vào đó, ID trọng tài toàn mạng gắn nhãn khung Tất nút mạng CAN nhận khung CAN và, tùy thuộc vào ID trọng tài khung truyền đó, nút CAN mạng định có chấp nhận khung hay khơng Nếu nhiều nút cố gắng truyền thông báo lên xe bt CAN lúc, nút có mức ưu tiên cao (ID trọng tài thấp nhất) tự động nhận quyền truy cập xe buýt Các nút có mức độ ưu tiên thấp phải đợi bus khả dụng trước cố gắng truyền lại Bằng cách này, bạn triển khai mạng CAN để đảm bảo giao tiếp xác định nút CAN Trên chia sẻ nguyên lý lý hoạt động mạng giao tiếp CAN xe tơ mà bạn tham khảo để hiểu mạng giao tiếp xe ô tô 2.3.1 Nguyên tắc hông 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 thơng điệp có liên quan đến nút hay khơng Nếu thơng điệp có liên quan, xử lý; khơng bị bỏ qua 17 2.3.2 ID & Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field) 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 Thông điệp có mức độ ưu tiên cao đảm bảo có quyền truy cập bus thể thông điệp truyền Các thông điệp có mức ưu tiên thấp tự động truyền lại chu kỳ bus chu kỳ bus thơng điệp khác mà có mức ưu tiên cao chờ gửi Mỗi thông điệp CAN có mã ID 11 bit (A) 29 bit (B) ID phần nguyên tắc Arbitration Field CAN, trường nằm đầu thông điệp CAN ID xác định loại thông điệp, ức độ ưu tiên thông điệp Các bit thơng điệp mạng CAN gửi dạng cao thấp Các bit thấp 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 không phép gửi thơng điệp có ID Nếu hai nút cố gắng gửi thông điệp với ID thời điểm, 18 trường xác định quyền ưu tiên khơng 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) 2.3.3 Các loại CAN Frame Dữ liệu CAN truyền dạng Frame (khung) Có loại Frame khác nhau, là: 2.3.4 Data Frame (khung liệu): khung mang liệu từ truyền liệu đến nhận liệu Khung có vùng để mang byte liệu Data frame ( khung liệu)[7] 19 ... hệ thống CAN 1.1 Khái niệm hệ thống CAN 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống CAN 1.3 Đặc điểm hệ thống CAN 1.4 Ưu điểm hệ thống CAN 1.5 Phân loại loại CAN 1.6 Định nghĩa thuật ngữ hệ thống CAN: 1.6.1... mạng CAN Cấu trúc mạng CAN gồm thành phần • Dây cáp gồm hai dây riêng biệt gọi CAN_ H (CAN Hight) CAN_ L ( CAN Low) • Điện trở đầu cuối đường dây 120Ω • Node (Station): thành phần kết nối đến bus CAN. .. logic CAN có qui định bus CAN hoạt động theo chế AND-wire, logic logic truyền từ CAN controller qua CAN transceiver đến bus CAN bus CAN thể mức điện áp biểu diễn cho bit (bit trội) Mức áp bus CAN