Đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống thông tin trên ô tô sử dụng giao tiếp CANVới sự tiến bộ của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô, các yêu cầu về hiệu suất truyền động, tính an toàn và tiện nghi cũng ngày càng cao. Để đáp ứng nhu cầu đó, thì số lượng hộp điều khiển phải được tăng lên có thể lên đến hàng trăm hộp. Ngay cả hệ thống điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh đều có một hộp điều khiển riêng. Ngoài ra muốn kiểm soát độ chính xác cũng yêu cầu tăng luồng dữ liệu, hệ thống truyền lực là một ví dụ. Nếu không sử dụng hệ thống giao tiếp cho các bộ điều khiển khác nhau để sử dụng tín hiệu RPM của động cơ, tín hiệu phanh và tín hiệu bàn đạp tăng tốc, thì cần hệ thống dây điện lớn để kết nối từng bộ điều khiển với cảm biến tương ứng. Với mạng giao tiếp CAN, bộ điều khiển sẽ phát hiện tín hiệu chia sẻ dữ liệu với các bộ điều khiển khác một cách dễ dàng hơn, có thể được thiết lập chỉ với 1 hoặc 2 đường truyền, giảm thiểu được số lượng dây dẫn. Sự liên kết giữa các hộp điều khiển lại với nhau để có thể trao đổi thông tin thì yêu cầu nhanh chóng, kịp thời và chính xác và mạng giao tiếp CAN là một giải pháp tối ưu cho vấn đề đó.Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống thông tin trên ô tô bằng việc giao tiếp giữa Arduino uno R3, Module CAN MCP2515 hiển thị lên màn hình Taplo là một cách để tiếp cận và hiểu rõ hơn về mạng CAN.Từ nhừng lý do trên và nắm được xu hướng phát triển của ô tô hiện nay, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống thông trên ô tô sử dụng giao tiếp CAN” để thực hiện đồ án tốt nghiệp.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về mạng giao tiếp
Trong những ngày đầu tiên khi mới ứng dụng điện tử vào điều khiển các hộp được nối trực tiếp với nhau từng điểm một là một vì khi đó trên xe có ít hộp, vỏn vẹn chỉ được mỗi hộp động cơ có thể có thêm hộp điều khiển hộp số và đôi khi có cả hộp điều khiển phanh ABS Thế nhưng cho đến nay, một chiếc xe châu Âu bình thường trung bình có khoảng 30 hộp điều khiển khác nhau chưa kể trên một chiếc xe hạng sang thì con số đó lên đến hàng trăm hộp, tất cả hệ thống trên xe dù là nhỏ nhất: điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh đều có một hộp điều khiển riêng Tất cả các hộp này đều phải được kết nối với nhau mới có thể lấy tín hiệu của nhau ví dụ hộp điều khiển hộp số TCM lấy tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu bàn đạp ga để điều khiển sang số; tín hiệu tốc độ xe hiển thị trên đồng hồ taplo lấy từ hộp điều khiển hộp số
Nếu như vẫn sử dụng kiểu kết nối truyền thống bằng dây điện thông thường từng điểm một với nhau theo kiểu point to point thì đường dây của một chiếc xe sẽ rất phức tạp, có thể cabin xe sẽ thu lại rất nhỏ chừa không gian cho dây điện hoặc kích thước của xe sẽ tăng lên rất nhiều mới có thể chứa đầy tất cả dây điện.
Mạng giao tiếp trên ô tô và mạng giao tiếp trên phương tiện giao thông nói chung (Vehicle Bus) là hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một chiếc xe (ECM, TCM, BCM, ABS…) có thể giao tiếp trao đổi thông tin qua lại lẫn nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn để đáp ứng nhu cầu đó.
Ngày nay, tất cả các phương tiện từ ô tô con, xe tải, đầu kéo, máy công trình, máy bay, xe quân sự, thậm chí cả xe máy cũng đều sử dụng mạng giao tiếp nhằm tối ưu điều khiển và hạn chế dây dẫn
Từ điển định nghĩa về mạng là "bất kỳ sự kết hợp giống như mạng nào của các sợi, đường, tĩnh mạch, đoạn hoặc tương tự" Nói cách khác, đó là trạng thái của một số phương tiện được kết nối với nhau Giả sử rằng phương tiện này là một máy tính Sau đó, mạng máy tính được tạo ra và một môi trường trong đó nhiều máy tính được kết nối để chia sẻ thông tin Nói cách khác, mạng máy tính là một môi trường trong đó các máy tính "nói chuyện" với nhau, và chúng ta gọi quá trình này là "giao tiếp".Giao tiếp yêu cầu một quy tắc nhất định, và quy tắc này được gọi là giao thức.
Mạng giao tiếp có ưu điểm là chỉ sử dụng rất ít dây dẫn (1 hoặc 2 dây) nhưng dữ liệu truyền tải cực kỳ nhiều và tốc độ truyển tải cực kỳ nhanh, mỗi hộp điều khiển đều biết được tất cả thông tin của tất cả các hộp khác, chỉ có điều là thông tin nào cần cho nó thì nó sẽ đón nhận, còn lại thông tin gì không cần thiết nó sẽ bỏ qua một bên Hai sợi dây xoắn lại với nhau là hai dây mạng giao tiếp cụ thể là mạng CAN.
CAN là hệ thống mạng giao tiếp trên ô tô phổ biến nhất hiện nay Hệ thống mạng giao tiếp trên ô tô được phát triển từ những năm 1980 tuy nhiên phải đến những năm đầu thế kỷ 21 thì CAN mới bắt đầu thực sự thịnh hành và xuất hiện trong các xe mới.
Kể từ đó cho đến nay, ngày càng nhiều xe ô tô đã được trang bị hệ thống CAN, và ở
Mỹ, đến năm 2008 khi hầu như tất cả các xe ô tô chở khách và xe tải nhẹ bán ra tại Mỹ được trang bị mạng giao tiếp này.
Không chỉ có mạng CAN, nhiều mạng giao tiếp khác cũng lần lượt ra đời tùy theo mục đích sử dụng trên xe với tốc độ truyền và hệ thống sử dụng.
2.1.1 Khái niệm về mạng truyền thông
Mạng truyền thông ra đời là quá trình tổng hợp từ các tiến bộ trong kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin Mạng truyền thông công nghiệp nói chung và mạng truyền thông trong ngành công nghiệp ô tô nói riêng là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để nối các thiết bị công nghiệp, các thiết bị trong một hoặc nhiều hệ thống
2.1.2 Ưu điểm của mạng truyền thông
Thiết lập hệ thống đơn giản hóa: Cho phép tham gia và kiểm soát hiệu quả nhiều chức năng kiểm soát Mạng truyền thông thực chất là một dạng đặc biệt của máy tính, so với mạng máy tính thông thường có những điểm giống và khác như sau:
- Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai lĩnh vực.
- Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trên ô tô được xem là một phần trong mô hình phân cấp công nghiệp.
- Yêu cầu về tính thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong ô tô cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính đòi hỏi tính bảo mật cao
- Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau.
- Sự khác nhau trong phạm vi ứng dụng dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về kỹ thuật cũng như trong kinh tế.
- Giảm trọng lượng: Giảm số lượng kết nối dây tín hiệu cần thiết cho mỗi bộ điều khiển.
- Độ tin cậy của hệ thống: Giảm đáng kể các khớp nối (đầu nối) với việc giảm hệ thống dây điện.
2.1.3 Đặc điểm của mạng truyền thông trên ô tô
Mạng truyền thông ứng dụng trong ô tô có phạm vi áp dụng, tốc độ và giao thức hoạt động khác nhau tùy thuộc vào loại mạng truyền thông và các yếu tố này phải được áp dụng một cách thích hợp để đạt được hiệu suất tối ưu.
Nếu mạng truyền thông trên xe được cấu hình hoàn toàn bằng mạng truyền thông tốc độ cao (ví dụ: CAN), thì các bộ điều khiển có truyền dữ liệu nhỏ và không yêu cầu tốc độ cao (gạt nước, khóa cửa, v.v.) không thể tận dụng hết khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao Ngược lại, nếu mạng truyền thông trên xe được cấu hình hoàn toàn bằng mạng truyền thông tốc độ thấp (ví dụ: B-CAN), thì triệu chứng nghẽn cổ chai có thể xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu cho bộ điều khiển cho động cơ và đường truyền, đòi hỏi khối lượng lớn truyền dữ liệu trong thời gian gần thực- thời gian Điều này sẽ làm giảm hiệu suất và giảm độ an toàn của ổ đĩa Ngoài ra, ngay cả khi toàn bộ mạng được cấu hình với tốc độ truyền thích hợp, nếu trên 60 bộ điều khiển được cấu hình trong một mạng duy nhất, thì sẽ xảy ra quá tải khối lượng dữ liệu và có thể gây ra lỗi đường truyền.
Theo đó, các kiểu truyền dữ liệu cần được phân loại thành các đặc tính của từng bộ điều khiển, tốc độ truyền, khối lượng dữ liệu và các nhóm phân loại khác, đồng thời cấu hình mạng cho từng nhóm tương ứng.
Mạng thông tin liên lạc ứng dụng trong ô tô ngày nay nói chung được phát triển với 3 nhóm chính. Đầu tiên là CAN tốc độ cao (C-CAN) cho SRS ECU, nhận tín hiệu nhanh từ các bộ điều khiển liên quan đến an toàn như cảm biến động cơ, truyền động và ESC.
Tổng quan về mạng CAN trên xe ô tô
Số lượng bộ điều khiển phải phát hiện và kích hoạt các cảm biến và cơ cấu chấp hành cần phải tăng lên để có thể thực hiện các hoạt động điều khiển khác nhau trên xe thông qua mạng liên lạc Điều này dẫn đến tăng chi phí Nhưng với những cải tiến về hiệu suất trong vi mạch liên quan đến giao tiếp và giảm chi phí thông qua sản xuất hàng loạt, hệ thống mạng truyền thông hiện nay hiệu quả hơn so với việc tăng hệ thống dây cho từng bộ điều khiển.
CAN được Bosch GmbH phát triển từ năm 1983, sau đó đã chính thức ra mắt vào năm
1986 và được công nhận bởi SAE hiệp hội các kĩ sư ô tô Mỹ, có trụ sở đặt tại Detroit Michigan Vào những năm đầu tiên sau khi ra mắt, Intel và Philips là hai nhà sản xuất đầu tiên sản xuất chip xử lý cho CAN (1987) và Mercedes-Benz W140 là chiếc ô tô thương mại đầu tiên được trang bị CAN Ngày nay, gần như toàn bộ các dòng ô tô hiện đại đều có hỗ trợ CAN và hầu như tất các các nhà sản xuất chip lớn trên thế giới đều sản xuất ra các dòng chip có tích hợp CAN như Siemens, Motorola, NEO, Infineon, Mitsubishi, TI… Ngoài nền công nghiệp ô tô, CAN còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tự động hóa, đóng tàu, tàu ngầm, nông nghiệp, y khoa nhờ vào các ưu điểm về độ tin cậy của mình
Từ lúc giới thiệu lần đầu đến hiện tại, Bosch đã cho ra rất nhiều phiên bản khác nhau cho CAN, nhưng đại ý có thể tóm lại đơn giản như sau:
+ CAN 2.0 A : CAN tiêu chuẩn, 11-bit ID
+ CAN 2.0 B tiêu chuẩn: CAN tiêu chuẩn, 11-bit ID
+ CAN 2.0 B mở rộng: CAN mở rộng, 29-bit ID
Vào năm 1993, hiệp hội ISO đã phát hành tài liệu tiêu chuẩn hóa cho CAN thông qua ISO 11898 (Cần lưu ý rằng tiêu chuẩn của ISO không phải là toàn bộ các đặc tính của CAN mà Bosch qui định)
ISO 11898-1: CAN lớp liên kết – dữ liệu_ CAN tốc độ cao
ISO 11898-2: CAN lớp vật lý_ CAN tốc độ cao
ISO 11898-3: CAN lớp vật lý_ CAN tốc độ thấp
Theo sau ISO 11898, còn rất nhiều phiên bản khác nhằm tiêu chuẩn hóa CAN tính đến thời điểm hiện tại
Ưu điểm của mạng CAN Đơn giản, chi phí thấp: Bus CAN chỉ có 2 dây giúp kết nối các module điều khiển với nhau dễ dàng hơn khi so sánh với cách làm truyền thống Việc này giúp cho việc lắp đặt, sửa chữa, bảo trì hệ thống khi có sự cố một cách dễ dàng.
Tạo ra một giao thức chung để nhiều nhà cung cấp khác nhau có thể phát triển các module điều khiển tương thích với nhau.
Tính ưu tiên của thông điệp (Prioritization of messages): mỗi thông điệp được truyền từ một nút (node) hay trạm (station) trên bus CAN đều có mức ưu tiên Khi nhiều thông điệp được truyền ra bus cùng một lúc thì thông điệp nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được truyền đi; Các thông điệp có mức ưu tiên thấp hơn sẽ được truyền khi các lệnh ưu tiên được thực hiện Việc xác định mức ưu tiên của thông điệp dựa trên các quy định trong chuẩn ISO11898.
Cấu hình linh hoạt: cho phép thiết lập cấu hình bao gồm thời gian bit, thời gian đồng bộ, độ dài dữ liệu truyền, dữ liệu nhận
Nhận dữ liệu đa điểm với sự đồng bộ thời gian: một thông điệp có thể được nhận bởi nhiều node khác nhau trong bus cùng lúc Tất cả các node trên bus đều có thể thấy thông điệp đang truyền trên bus, tùy vào cấu hình ở mỗi node mà node sẽ quyết định có chấp nhận thông điệp này hay không.
Nhiều master (Multimaster ): có thể quản lí từ nhiều nguồn
Phát hiện và báo lỗi: Mỗi thông điệp có kèm theo mã CRC (Cyclcic Redundancy Code) để thực hiện kiểm tra lỗi Nếu lỗi xuất hiện, node nhận sẽ bỏ qua thông điệp lỗi và truyền khung báo lỗi (error frame) lên bus CAN Mỗi node trong bus có một bộ đếm quản lý lỗi truyền nhận riêng để xác định trạng thái lỗi của chính nó Nếu lỗi xuất hiện quá nhiều, một node có thể tự động ngắt khỏi bus Ngoài ra còn một số dạng lỗi khác có thể được phát hiện với chuẩn CAN.
Tự động truyền lại các thông điệp bị lỗi khi bus rảnh Một thông điệp được truyền ra bus nếu bị lỗi thì sẽ không mất đi mà node truyền thông này sẽ giữ nó lại và tự động phát lại thông điệp này khi bus rảnh cho đến khi thành công Điều này giúp đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong bus.
Node (Statation): là một thành phần kết nối đến bus CAN thông qua 2 dây
CAN_H và CAN_L Node này là các bo mạch hoặc module điều khiển.
Hình 2.5: Minh họa một mạng CAN
Hình 2.6: Minh họa một mạng CAN trong xe hơi sử dụng các chip Motorola Mỗi một nút CAN yêu cầu phải có một vi điều khiển (microcontroller - MCU) kết nối với một bộ điều khiển CAN Bộ điều khiển CAN sẽ được kết nối với bộ chuyển đổiCAN, hay bộ truyền-nhận hoặc bộ thu-phát, (CAN – Transceiver) thông qua một đường ra dữ liệu nối tiếp (Tx) và một đường vào dữ liệu nối tiếp (Rx) Đường Vref là điện áp ra tham khảo cung cấp một mức điện áp danh định bằng 0.5×Vcc = 0.5×5 2.5V.
Hình 2.7: Minh họa một Node
Thông điệp (Message): Thông tin trên bus CAN được gửi dưới dạng các thông điệp có định dạng cố định Các thông điệp có thể khác nhau nhưng độ dài (số bit trong một thông điệp) là có giới hạn và được giới hạn về độ dài Khi bus rảnh (IDLE) thì bất kỳ node nào trên bus đều có thể bắt đầu truyền một thông điệp mới Thông điệp được truyền thông qua 4 loại khung (frame) khác nhau là khung dữ liệu (Data frame), khung yêu cầu hay khung điều khiển (remote frame), khung báo lỗi (Error frame) và khung báo quá tải (Overload frame).
Microcontroller – MCU thực thi các chức năng chính, điều khiển chính của một node Thực hiện cấu hình hoạt động cho CAN controller, phân phối dữ liệu cần truyền đến CAN controller, lấy dữ liệu nhận từ CAN controller để sử dụng cho hoạt động của Node.
CAN controller thực thi các xử lý về truyền nhận dữ liệu, báo lỗi, tính toán thời gian bit, theo tiêu chuẩn CAN quy định, phát dữ liệu cần truyền dạng số (theo mức logic 0/1) ra chân Tx, nhận dữ liệu dạng số qua chân Rx CAN controller có thể là một chip (vi mạch) độc lập, ví dụ như MCP2515 của Microchip, hoặc là một ngoại vi được tích hợp bên trong vi điều khiển, ví dụ như LPC2290 của NXPSemiconductors.
CAN transceiver hoạt động như bộ chuyển đổi từ tín hiệu số (mức logic 0/1) trên đường Tx thành tín hiệu tương tự trên bus CAN và ngược lại, chuyển đổi từ tín hiệu tương tự trên bus CAN (CAN_H và CAN_L) thành tín hiệu trên đường Rx.
Bit: Viết tắt của chữ số nhị phân Đơn vị thấp nhất của chữ số nhị phân cho biết "1" và "0".
Khung: Nhóm các chuỗi bit trong một tần số nhất định Nói cách khác, nó là một đơn vị truyền một dữ liệu hoàn chỉnh duy nhất.
Nếu có nhiều loại mạng khác nhau trong xe, đôi khi cần phải kết nối các mạng với nhau Mô-đun cổng trong mạng xe giống như một khái niệm về trung tâm kết nối các mạng sử dụng giao thức truyền thông khác nhau Nó chủ yếu có 2 chức năng chính.
Chia sẻ thông tin mạng
MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG MẠNG CAN
Giới thiệu phần cứng
Hình 3.29: Sơ lược về mô hình
3.1.1 Tìm hiểu về board Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 là một bảng mạch vi điều khiển Arduino UNO thế hệ thứ 3 Với mã nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởiArduino.cc Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/đầu ra Digital và Analg có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những ai mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lâp trình… Với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớROM, RAM và FLASH, các ngõ ra vào có khã năng xuất tín hiệu PWM, các chuẩn giao tiếp UART, SPI, TWI (I2C)
Hình 3.30: Arduino uno R3 Thông số kỹ thuật:
Đèn LED: Arduino Uno kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thông qua chân
13 Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương ứng tắt.
Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB Pin này được sử dụng để cung cấp điện ấp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng 7-12VDC.
5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc jack nguồn DC.
USB: Hỗ trợ điệp áp trong khoảng 5V trong khi Vin và Power jack hỗ trợ dãi điện áp trong khoảng 7V đến 20V.
GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.
Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu
IOREF: Chân này rất hữa ích cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino.
PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10,11 Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
SPI: Chân này được gọi là giao tiếp ngoại vi nối tiếp Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.
AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
TWI: Chân giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này.
Serial Communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
Rx: Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sử dụng để truyền dữ liệu.
External Interrupts (Ngắt ngoài): Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài.
Module CAN-BUS dung chip CAN controller MCP2515 và CAN Transceiver TJ1040 là module mở rộng ngoại vi CAN cho vi điêu khiển không tích hợp chuẩn giao tiếp hiện đại này MCP2515 sử dụng giao tiếp SPI nên bất kỳ một loại vi điều khiển nào cũng có thể giao tiếp với nó thông qua ngoại vi SPI có sẵn hoặc thâm chí là dung các chân I/O thông thường cũng được.
CAN-BUS là một trong số những chẩn giao tiếp trên các thiết bị hiện đại ngày nàu như hệ thống điện trên ô tô OBDII hay hệ thống điện trong nhà máy công nghiệp, máy phát điện, tàu thủy Các vi điều khiển đời mới gần như tích hợp ngoại vi giao tiếp CAN là bắt buộc, như STM32, LPC, PIC32, thậm chí đến ESP32 cũng hỗ trợ CAN.
Tuy nhiên, cũng chính vì thế mà các dòng vi điều khiển cũ như 8051 hay PIC, AVR không được tích hợp sẵn Module MCP2515 là CAN controller do Microchip sản xuất nhằm mục đích bổ sung tính năng này cho bất cứ vi điều khiển nào Chỉ cần dùng 3 đến 5 chân IO hoặc ngoại vi SPI có sẵn trên chip là chúng ta có thể biết những dòng chip này có khả năng làm việc với mạng CAN-BUS một cách trơn tru.
Cách hoạt động là dây CAN_H và CAN_L được kết nối với các đầu cào của bộ so bên trong của chip Các bộ so này đo các đầu vào và có thể cho chúng ta đầu ra điện áp khác nhau của 2 tín hiệu Nếu đầu ra là điện áp 0V, thì được cho là trạng thái trội Nếu điệp áp lớn hơn 1V, thì gọi là trạng thái lặn.
Nhiều hệ thống con có thể kết nối với mạng CAN và mỗi hệ thống có thể giao tiếp với vi điều khiển hoặc chip CAN qua kết nối, mặc dù không phải cùng một lúc Điều này cho phép vi điều khiển phân tích dữ liệu từ tất cả các đơn vị này và phản hồi phù hợp với dữ liệu và hệ thống con nào được ưu tiên Đây là một hệ thống liên lạc dựa trên thông giữa vi điều khiển và tất cả các hệ thống con trên bus CAN.
MCP2515 Tương thích với tiêu chuẩn ISO-11898.
Hoat động với tốc độ lên đến 1Mbit/s. Điện áp hoạt động từ 4.5 đến 5.5V.
Lên đến 120 nút có thể kết nối vào mạng.
Thích hợp cho các giao diện xe điện áp 12V hoặc 24V.
Khả năng chống nhiễu cao.
Thiết kế CMOS tiết kiệm năng lượng.
) Tương thích với tiêu chuẩn ISO-11898
Tốc độ cao lên đến 1Mbit/s
Tương thích với thiết bị 3.3V và 5V Ít nhất 110 nút được kết nối vào mạng
Phát xạ điện từ thấp
1 nút không cấp nguồn không làm ảnh hướng đến các tuyến bus Cách nhiệt tốt.
Chống ngắn mạch đến ắc quy và GND.
TJA1050 Tương thích với tiêu chuẩn ISO-11898-2
Thiết kế với tốc độ dữ liệu lên đến 1Mbit/s.
Hoạt động với điện áp chỉ 3.3V
Cho phép 120 nút kết nối đến mạng
Thiết kế an toàn khi hở mạch xảy ra.
Bảng 3.7: Các dòng truyền nhận phổ biến
Vi điều khiển MCP2515 trong bộ điều khiển CAN quản lý gói dữ liệu, mã hóa khung dữ liệu, giải mã bit, phát hiện lỗi, đồng bộ dữ liệu… Hỗ trợ CPU quản lý tin nhắn, tương thích với các đặc điểm kỹ thuật của CAN 2.0B.
Hình 3.31: Module CAN bus MCP2515Module CAN dùng chip CAN Controller MCP2515 và bộ truyền nhận TJA1050 là module mở rộng ngoại vi CAN.
- J1 là jump chọn chế độ tốc độ giao tiếp, nếu jump 1 được nối thì chip TJA1050 cho phép giao tiếp trên mạng CAN-BUS với tốc dộ cao nhất có thể, lên đến 1M. Nếu jump 1 không được kết nối thì TJA1040 giao tiếp cới BUS CAN tốc độ thấp, < 10kbps, ở chế độ này cho phép khoảng cách truyền xa hơn và nối được nhiều node mạng CAN trên bus vật lý hơn.
- J2 là jump nối điện trở liên kết Mỗi BUS CAN có 2 điện trở 120 Ohm ở hai đầu bus Nếu J2 nối thì module sẽ là nốt mạng đầu hoặc node mạng cuối J2 không nối khi sử dụng ở module giao tiếp với mạng CAN BUS đã có sẵn ở 2 đầu. Thông số kỹ thuật:
- Chuẩn giao tiếp SPI, có chân ngắt khi nhận được gói tin hợp lệ.
- Điện áp hoạt động 4.75 ~ 5.25V Tương thích với chuẩn ISO 11898 cho hệ thống hoạt động ổn định, chính xác.
3.1.3 Tìm hiểu về đồng hồ hiển thị thông tin trên xem Toyota Camry 2012 (Instrument Cluster)
Hình 3.32: Cụm đồng hồ thông tin
3.1.3.1 Một số thông tin hiển thị và đèn báo
3.1.3.1.1 Đồng hồ và màn hình LCD: Đồng hồ tốc báo tốc độ xe (mph, km/h). Đồng hồ báo tốc độ động cơ (rpm). Đồng hồ báo mức nhiên liệu. Đồng hồ báo mức tiêu hao nhiên liệu (mpg).
Màn hình LCD trái: nhiệt độ bên ngoài, vị trí hộp số, nhiệt độ động cơ, độ sáng đèn nền.
Màn hình LCD phải: ODO, trip A, trip B, mức nhiên liệu trung bình, BẬT/TẮT chế độ ECO.
Bảng 3.8: Các đèn cảnh báo Đèn Tên Ý nghĩa Đèn cảnh báo hệ thống phanh Đèn sáng khi gài phanh tay Mức dầu phanh thấp Đèn cảnh báo ABS Báo lỗi hệ thống ABS Đèn cảnh báo hệ thống sạc Khi động cơ hoạt động thì đèn sẽ tắt Nều đèn sáng thì báo hệ thống sạc lỗi. Đèn cảnh báo áp suất dầu động cơ thấp
Khi đèn báo sáng phải báo hiệu áp suất dầu bôi trơn động cơ thấp Phải dừng xen ngay lập tức. Đèn nhắc bảo dưỡng Đèn sẽ sáng nếu xe chạy được hơn 5000 miles kể từ khi reset đèn nhắc lần trước. Đèn báo lỗi động cơ Báo hiệu có lỗi trong hệ thống điều khiển điện tử động cơ hoặc hộp số. Đèn cảnh báo trợ lực lái Đèn này sáng khi công tắc máy ở vị trí ON để báo hiệu hệ thống đang kiểm tra Đèn sẽ tắt sau khi động cơ khởi động hoặc sau vài giây Nếu đèn vẫn sáng, hệ thống trợ lực lái bị lỗi. Đèn cảnh báo trượt Đèn sáng khi công tắt máy ở vị trí ON để báo hiệu đang kiểm tra, đèn sẽ tắt sau vài giây động cơ khở động Nếu đèn vẫn sáng báo lỗi trong hệ thống VSC, TCS… Đèn cảnh báo túi khí Đèn sáng khi công tắt máy ở vị trí ON để báo hiệu đang kiểm tra hệ thống, đèn sẽ tắt sau khi đông cơ khởi động Nếu đèn vẫn sáng thì báo lỗi hệ thống SRS.
Giới thiệu về phần mềm
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã module Arduino. Đây là phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà ngay cả một người bình thường không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làm được.
Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành MAC, Windows, Linux và chạy trên nên tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.
Có rất nhiều module Arduino như Uno, Mega, Leonardo… Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã Mã chính, còn được gọi là Sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file HEX, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo.
Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và trình biên dịch,phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino Môi trường này hỗ trợ C và C++.
3.2.2 Phần mềm thiết kế CATIA
CATIA – Computer Aided Three Dimensional Interactive Application, nghĩa là xử lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính là một phần mềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được Dassault Systemes (một công ty của Pháp) phát triển và IBM phân phối trên toàn thế giới CATIA được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++/ CATIA là viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản lý toàn bộ chu trình sản phẩm của Dassault System (PLM).
Catia cung cấp một khởi đầu độc đáo và mở rộng phát triển cải tiến hệ thống kỹ thuật kết hợp giữa dựng hình, mô phỏng, củng cố và các quy trình thương mại hỗ trợ cần thiết cho việc tạo ra các “đối tượng không gian mạng thực – ảo” Cho phép tính toán các yêu cầu thay đổi cho sự phát triển đối tượng mới hoặc các phiên bản hệ thống cho sự tiếp cận của đổi mới công nghệ Biện pháp hoàn hảo nhất là gửi các yêu cầu DesignBased Systems Engineering (MBSE) từ người dùng với các yếu tố: RequirementsEngineering, Systems Structure Modeling, Systems Actions Modeling & Simulation,Settings Control & Lifecycle Traceability, Automobile Included Systems Development(AUTOSAR Builder) và Industrial Automated Systems Development (ControlBuild). trong đó CATIA tạo điều kiện cho kỹ thuật hợp tác trên nhiều lĩnh vực xung quanh nền tảng 3DEXPERIENCE của mình, bao gồm thiết kế bề mặt và hình dạng, thiết kế hệ thống điện tử & chất lỏng, cơ khí và kỹ thuật hệ thống
Với đặc trưng nổi bật là dùng chung cơ sở dữ liệu nên việc chuyển đổi dữ liệu giữa các môi trường nhanh chóng và thuận tiện và có nhiều module phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng nên CATIA là tiêu chuẩn của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: xây dựng, cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, tàu thủy và cao hơn là công nghiệp hàng không Nó giải quyết công việc một cách triệt để, từ khâu thiết kế mô hình CAD, đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM, khả năng phân tích tính toán, tối ưu hóa lời giải dựa trên chức năng CAE của phần mềm.
3.2.3 Phần mềm thiết kế AUTOCAD
Là phần mềm thiết kế mạnh mẽ, được sử dụng trong việc thiết kế 2D và 3D không gian Phần mềm AutoCAD thiết kế truyền thông đa phương tiện cung cấp những công cụ bên trong với tiện ích rất có lợi cho người dùng ví dụ như tăng cường khả năng soạn thảo và tài liệu trong ngành công nghiệp bất kì bao gồm các bản vẽ, khối năng rộng và những phần chú thích chi tiết. Để đơn gian hóa quá trình chuyển đổi cũng như có được một giao diện thân thiện với người dùng, thêm nhiều khả năng tùy biến và mở rông hơn bao giờ hết Bởi phần mềm này hiện đã được hỗ trợ tối ưu hóa như ý muốn của người dùng, để hỗ trợ thiết kế nhanh chóng hơn phần mềm sẽ thường xuyên yêu cầu và tạo điều kiện cho việc tìm kiếm các lệnh ít được sử dụng Do đó cả người dùng chuyên nghiệp lẫn người mới bắt đầu đều có thể dễ dàng tạo ra các bản thiết kế ngay lập tức. Ứng dụng trong kiến trúc xây dựng: AutoCAD cung cấp cho người dùng cái nhìn trực quan hơn, quan trọng hơn, sẽ cung cấp được cho người dùng những lay-out các bản mẫu được thiết kế dành riêng cho quy hoạch kiến trúc Do đó, nếu bạn bỏ một thời gian để tìm hiểu về thông tin đầy đủ của AutoCAD, thì bạn có thể áp dụng những phương án vào trong dự án xây dựng hoặc kết cấu Ngoài ra, đối với kiến trúc xây dựng,thì phần mềm thiết kế đồ họa đa phương tiện này còn có thể cung cấp cho kiến trúc sư những công cụ phân tích cần thiết, dễ dàng quản lý bản vẽ 3D Phần mềm còn có thể tính toán được sức ép và tải trọng của một tòa nhà nào đó Điều này có nghĩa là vớiAutoCAD, bạn có thể tạo ra một phương án kiến trúc, thiết kế một tòa nhà và thực hiện phân tích cụ thể để biết năng lực các tòa nhà và thế mạnh trước khi tái tạo nó trên một địa điểm thực.
Các công cụ cần dùng thiết kế mô hình
- Đồng hồ thông tin Toyota Camry
- Cáp nối, dây điện, biến trở, công tắc gạt, giắc các bắp chuối.
- Phần mềm thiết kế CATIA, AUTOCAD.
Phần cứng mô hình
Arduino UNO R3 module không tích hợp bồ điều khiển CAN để tạo thành một nútCAN hoàn chỉnh Dùng module MCP 2515, module sử dụng chip MCP2515 làm bộCAN điều khiển và TJA 1050 làm bộ truyền nhận Arduino Uno R3 và module mcp
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất Đây là kiểu truyền thông Master – Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình truyền thông và các chip Slave được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng thời điểm chuẩn truyền thông 4 dây vì có 4 đường giao tiếp tring chuẩn này là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select).
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần
1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi.
MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
- MISO Mang các dữ liệu từ các thiết bị SPI về Arduino
- MOSI Mang các dữ liệu từ Arduino đến các thiết bị SPI
- SS Chọn thiết bị SPI cần làm việc
Hình 3.38: Chân giao tiếp SPI
Hình 3.39: Nút Arduino Uno R3 (CAN Controller)
Đọc dữ liệu điều khiển
Hình 3.40: Bộ đọc dữ liệu CAN bus shield
Arduino CAN BUS Shield được thiết kế giúp người dùng Arduino có thể dễ dàng tiếp cận giao tiếp CAN, Shield sử dụng IC giao tiếp MCP2515 từ Microchip với khả năng chuyển đổi giao tiếp CAN sang SPI để giao tiếp với Arduino.
Điện áp hoạt động: 2.7 - 5.5 VDC.
Dòng điện tiêu thụ: 5mA
Chuẩn truyền CAN V2.0B tốc độ 1Mb/s.
Giao tiếp với Vi điều khiển qua High Speed SPI tốc độ 10 MHz.
Tương thích với chuẩn chân cắm Arduino Shield.
Tích hợp 2 socket giao tiếp I2C và UART.
Tích hợp 2 phím bấm key1 và key2 tùy thích sử dụng.
Tích hợp led báo tín hiệu và trạng thái.
Một số dữ liệu điều khiển sau khi thực hiện đọc dữ liệu và lọc dữ liệu
Tín hiệu điều khiển ID DL
Kim tốc độ động cơ 1C4 8 Y 00 00 00 00 00 00 00 Y (0;40)
Bảng 3.9 Tín hiệu điều khiển
Gửi dữ liệu điều khiển mô hình
Nhận xét và đánh giá: Sau khi kết nối mạch giao tiếp với đồng hồ và đã đọc được dữ gửi vào những tin nhắn và đồng thời nhận tin nhắn từ đồng hồ gửi ra để điều khiển các kim báo trên đồng hồ.
Mô tả hoạt động
Đầu tiên ta cần cấp nguồn 12V từ bình acquy cho mô hình, sau đó sử dụng các công tắt để hiển thị các đèn cảnh báo trên đồng hồ và điều chỉnh các núm xoay để điều khiển kim.
Công tắc: gồm 8 công tắc
Trên mô hình gồm có 8 công tắc trong đó 7 công tắc được sử dụng để hiển thị các đèn cảnh báo trên xe như đèn báo xi nhan trái và xi nhan phải, đèn HAZ, đèn báo check engine, đèn báo sạc, đèn báo mực nước rửa kính, đèn báo dầu, và 1 công tắc còn lại được sử dụng để thay thế cho ổ khóa Khi chưa bật công tắc ổ khóa và bật các công tắt đèn còn lại thì chỉ có đèn báo haz sáng Khi đã bật công tắt ổ khóa thì đồng hồ hoạt động và ta có thể sử dụng được tất cả công tắt đèn cảnh báo trên đồng hồ.
Các núm xoay: gồm 3 núm xoay
Các núm xoay để điều khiển kim đồng hồ, để các kim này hoạt động thì ta sử dụng giao tiếp CAN thông qua bộ CAN controller đã được lập trình sẵn Sau khi nhận được các tín hiệu dạng xung từ cảm biến tốc độ xe và cảm biến vị trí trục cam hoặc cảm biến vị trí trục khuỷu thì tín hiệu được truyền về bộ xử lý Từ đó bộ xử lý xuất ra tín hiệu dạng điện áp và nhờ các biến trở ta có thể gửi các tín hiệu dạng điện áp đó lên mạng CAN Khi bộ thu nhận tín hiệu CAN của đồng hồ hiên thị thông tin nhận được tín hiệu điện áp được gửi bởi các biến trở thì sẽ xử lý tín hiệu để các kim đồng hồ tốc độ, vòng tua máy di chuyển đến vị trí mong muốn
Hình 3.41: Tín hiệu đầu ra của cảm biển tốc độ
Giắc bắp chuối: gồm10 giắc
Các giắc bắp chuối được sử dụng trong mô hình gồm có 7 giắc tương ứng với các chân đèn cảnh báo của đồng hồ được sử dụng trong mô hình, và 1 giắc là chân âm ”ES” của đồng hồ, 2 giắc còn lại là “Speed” và “RPM” để ta có thể đọc được tín hiệu dạng xung.
Mô hình
Hình 3.42: Mô hình hệ thống mô phỏng bằng Catia
Hình 3.43: Mô hình thực tế
Hình 3.44: Bản vẽ khung mô hình
