Ứng dụng ông nghệ fpga thiết kế thử nghiệm thiết bị huẩn đoán obd ii trên xe ô tô

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2004-2006 k ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA - THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUY XUẤT OBD II TRÊN XE Ô TÔ PHÙNG QUỐC HƯNG HÀ NỘI 11-2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131501651000000 -1- LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành tới Bà Phạm Thị Ngọc Yến- PGS.Ts Chủ nhiệm Bộ Mơn Ơng Lê Hải Sâm – Ths Giảng viên, Bộ môn Đo lường Tin học công nghiệp – trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận văn Những tài liệu tham khảo với dẫn thầy cô giúp nhiều trình thực đề tài giao Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng- công ty Minh Hà, kỹ sư Lã Thành Công- công ty TNHH TM&PTCN Ngân Giang, Garage ôtô FORD Thủ Đô TOYOTA Láng Hạ tạo điều kiện giúp đỡ, hỗ trợ sở vật chất trang thiết bị trình thực luận văn Với đề tài gồm nội dung sau: - Chương 1: Tổng quan hệ thống tự chuẩn đoán OBDII - Chương 2: Giới thiệu chuẩn truyền thông ISO 9141-2 & SAE J1850 - Chương 3: Phương pháp thiết kế chuẩn đoán cầm tay OBD II - Chương 4: Q trình thiết kế thử nghiệm chuẩn đốn cầm tay OBD II - Kết Luận Trong trình người viết hoàn thiện luận văn, dù cố gắng nhiều hạn chế kiến thức, thời gian điều kiện sở vật chất nên nội dung luận văn kết đạt nhiều thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung từ thầy giáo bạn Hà nội, tháng 11 năm 2006 Học viên Phùng Quốc Hưng Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -2- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU …5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN OBD II I TỔNG QUAN II MỤC TIÊU CỦA ODB-II III CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 3.1 Tầng vật lý 3.2 Tầng liệu 11 IV DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN TRONG ODB-II 14 4.1 ODB-II PIDs 14 4.2 Các dạng yêu cầu 14 4.3 Các thơng số chẩn đốn (PIDs) 15 4.4 Các liệu chuẩn đoán ODB-II 15 V CÔNG CỤ TRUY XUẤT THÔNG TIN TỪ ODB-II 18 CHƯƠNG II CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG XE CƠ GIỚI………………………………….20 PHẦN CHUẨN TRUYỀN THÔNG ISO 9141-2 20 I Phạm vi 20 II Tài liệu dẫn chuẩn 20 III Cấu hình cụ thể 21 IV Mức tín hiệu đặc điểm kỹ thuật truyền thơng 22 4.1 Mức tín hiệu 22 4.2 Đặc điểm kỹ thuật truyền thông 23 V Quá trình bắt tay với ECUs 24 5.1 Khởi tạo 24 5.2 Đồng tốc độ truyền thông 24 5.3 Bắt tay 25 VI Các yêu cầu thiết bị truy xuất (Diagnostic Tester) 27 6.1 Giắc kết nối 27 6.2 Chức tối thiểu cần thiết 27 6.3 Các đặc tính điện 28 VII Các yêu cầu ECU 28 7.1 Các đường truyền vào/ra 28 7.2 Các đặc tính điện 28 7.3 Chức tối thiểu ECU 29 VIII Giao thức truyền thông 29 8.1Truyền thông ODB-II 29 8.2 Định nghĩa Checksum 30 IX Thời gian tin thời gian tin 30 X Các lỗi truyền thông xảy cách xử lý 32 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -3- 10.1 Quá trình bắt tay 32 10.2 Trình tự truyền thông 32 10.3 Lỗi Checksum 32 10.4 Lỗi cấu trúc tin 32 10.5 Lỗi sai thời gian byte tin tin 32 PHẦN CHUẨN TRUYỀN THÔNG SAE J1850 I PHẠM VI ỨNG DỤNG 34 II CƠ CHẾ GIAO TIẾP 35 2.1 Cơ chế giao tiếp sử dụng định dạng kiểu mã hóa .36 2.2 Phương pháp truy nhập đường truyền 37 2.3 Cấu trúc điện 37 2.4 Bảo toàn liệu 39 CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ CHUÂN ĐOÁN OBD II CẦM TAY 41 I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 41 II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HAND-HELD SCAN TOOL 42 2.1 Sơ đồ khối thiết kế thiết bị truy xuất cầm tay .43 2.2 Lưu đồ hoạt động 1thiết bị cầm tay nói chung 43 2.3 Lưu đồ thuật tốn số chức thường có thiết bị chuẩn đoán .44 III MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM 48 3.1 Với khối xử lý trung tâm sử dụng dòng vi điều khiển 48 3.2 Với khối xử lý trung tâm sử dụng PSOC vi xử lý Intel 50 3.3 Với khối xử lý trung tâm dựa tảng công nghệ FPGA……………52 IV KẾT LUẬN 52 CHƯƠNG IV QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ CHUẨN ĐOÁN CẦM TAY OBD 54 I ĐẶT VẤN ĐỀ 54 II THIẾT KẾ MẠCH CHO THIẾT BỊ………………………………………… 54 2.1 Ghép nối PROM với chip FPGA………………………………………… 55 2.2 Thiết kế mạch chuyển đổi từ cổng OBD II, cấp nguồn cho FPGA,LCD……56 2.3 Lựa chọn linh kiện cho thiết bị chê thử 58 2.4 Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu,cung cấp nguồn,ghép nối hiển thị LCD… 59 III CHƯƠNG TRÌNH PHẦN CỨNG VHDL, SYNTHESIS 66 3.1 Khối bắt tay truyền thông .67 3.2 Khối gửi tin………………………………………………… 68 3.3 Khối nhận tin .69 3.4 Khối điều khiển chuyển trạng thái……………………………… 70 3.5 Khối điều chế xung clock 71 3.6 Khối xử lý tín hiệu vào từ bàn phím 71 3.7 Khối điều khiển hiển thị LCD………………………………………….72 3.8 Khối chương trình chính………………………………………………… 72 3.9 Synthesis khối chức khối chương trình 74 IV GHÉP NỐI CÁC LINH KIỆN 76 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -4- V NẠP CHƯƠNG TRÌNH CHẠY THỬ .77 VI KHẢ NĂNG NÂNG CẤP VÀ PHÁT TRIỂN .77 KẾT LUẬN 78 TÀi LIỆU THAM KHẢO .79 PHỤ LỤC Phụ lục TỎNG QUAN VỀ FPGA VÀ PHẦN MỀM ĐẶC TẢ PHẦN CỨNG VHDL 80 Phụ lục CHUẨN TRUYỀN THÔNG OBD-II TRÊN CÁC LOẠI XE………………………… 107 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -5- LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn phát triển hội nhập kinh tế giới, việc sử dụng phương tiện giới đường trở nên quan trọng xương sống cho kinh tế nuớc nhà nhằm giải nhu cầu vận chuyển hàng hóa, người Với phát triển đa dạng phương tiện xe giới sản xuất, lắp ráp nước kèm với tốn an tồn kỹ thuật kiểm sốt nồng độ khí thải để giảm thiểu nhiễm mơi trường Do nhà chế tạo ô tô bắt đầu sử dụng vi mạch điện tử để giám sát chuẩn đoán vấn đề hư hỏng động ô tô gọi OBD-(On-Board Diagnostic) Qua nhiều năm sử dụng, hệ thống OBD trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trang bị ô tô đại Năm 1995 đời chuẩn OBD hệ thứ (OBD-II), hệ thống OBDII có khả cung cấp hầu hết thông tin về: động cơ, khung gầm (số VIN), thân xe, thiết bị phụ trợ hệ thống mạng thông tin điều khiển ô tô Do cần phải có thiết bị có khả chuẩn đoán, thu thập số liệu từ hệ thống cảm biến gắn xe ô tô thông qua OBD vô cần thiết Việc sản phẩm vi điện tử vi xử lý, vi điều khiển, DSP, công nghệ nhúng…ngày phát triển mặt tính kỹ thuật, giá thành kích thước giảm, đa dạng chủng loại, tùy biến theo yêu cầu khách hàng giúp cho người thiết kế thiết bị chuẩn đốn có thêm nhiều giải pháp chọn lựa cơng nghệ cho hợp với yêu cầu toán kỹ thuật yếu tố kinh tế đặt Trong thời gian làm việc với kỹ sư Lã Thành Công thực khảo sát Hệ thống điện tử gắn xe chuẩn bị cho hội nghị APEC diễn Việt nam FORD TOYOTA cung cấp, thấy ngành ô tô Việt Nam cần thiết phải trang bị loại thiết bị Đo lường Kiểm định có khả ứng dụng linh hoạt để đánh giá thơng số an tồn kỹ thuật loại xe mà giá thành mức chấp nhận Do định chọn đề tài “Nghiên cứu, thử nghiệm công nghệ FPGA ứng dụng thiết kế thiết bị truy xuất thông tin hệ thống tự chuẩn đoán OBD-II phương tiện giới đại” Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -6- CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN ON-BOARD DIAGNOSTIC SYSTEM I TỔNG QUAN On-Board Diagnostics, hay ODB thuật ngữ liên quan tới thiết bị giới, thuật ngữ liên quan tới khả tự chuẩn đoán phương tiện giới Nếu hệ thống chẩn đoán xe phát cố, mã chẩn đoán lỗi (DTC- diagnostic trouble code) tương ứng với cố ghi lại máy tính phương tiện đó, số trường hợp định hệ thống kích hoạt đèn báo lỗi đèn báo kiểm tra động (MIL - malfunction indicator light, or check engine light) Một kỹ thuật viên truy xuất DTC thông qua công cụ quét (scan tool) qua đưa giải pháp thích hợp để xử lý cố động cơ, khung gầm, thân xe, thiết bị phụ trợ hệ thống mạng thông tin điều khiển ô tô Check Engine Light On-Board (OBD II) Diagnostics Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -7- Trước có module điện tử số kiểm soát hệ thống xe - hệ thống ứng dụng tính OBD, người ta xử lý cố cho phương tiện giới chủ yếu dựa vào kỹ kỹ thuật viên tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất ô tô Một phương tiện giới đại có hàng trăm DTC, DTC cố riêng biệt Một cố đơn giản hở mạch, ngắn mạch, sai lệch vị trí đầu phun nhiên liệu Một DTC thơng báo phận bị hỏng Một số DTC báo lỗi cho hệ thống phụ, ví dụ thơng báo cố hệ thống hệ thống trộn nhiên liệu hoạt động sai chức • Trước có OBD, nhà sản xuất tơ khơng chuẩn hóa DTC • OBD-I mở đầu cho DTC chuẩn hóa vào năm 1989 • OBD-II bổ xung thử nghiệm khác để kiểm tra hoạt động hệ thống xả động vào năm 1996 • OBD-III đưa vào tính mở thời kỳ phát triển có qui luật The CARB (California Air Resources Board) hoạt động hàng đầu hệ thống qui tắc OBD Liên minh châu âu, Nhật Bản tổ chức phủ khác có địi hỏi OBD riêng biệt Hiệp hội kỹ sư giới - SAE (Society of Automotive Engineers) - chuẩn hóa DTC cho tất nhà sản xuất xe toàn giới Ngồi ra, nhà sản xuất mở rộng khả OBD DTC riêng họ OBD chữ viết tắt On-Board Diagnostics, xuất hầu hết phương tiện giới từ năm 1981 Thế hệ OBD (hay OBD-I) thiết kế ban đầu công cụ giám sát hệ thống khác phương tiện giới (ví dụ: hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, hệ thống xả, v v) báo cố mà tìm thấy Trong phương tiện giới khởi động, máy tính kiểm tra lỗi kích hoạt đèn báo cố MIL bảng điều khiển để Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -8- cảnh báo người lái lỗi phát Tại thời điểm đó, máy tính lập trình để tạo lưu trữ mã số báo lỗi (hai ba số) có liên quan đến lỗi đó, điều khiến thiết bị truy xuất mã lỗi trở nên hữu ích OBD-I chiếm lĩnh suốt năm từ 1981 1993 OBD-I khơng cịn nhắc tới có bùng phát OBD-II Thế hệ thứ hai OBD đưa toàn giới vào năm 1996 áp lực từ phía phủ vấn đề giảm tải nhiễm khí thải từ phương tiện giới Hệ thống OBD-II thấy xe từ năm 1996 Hệ thống có nhiều cải tiến gọn so với phiên đầu nhiên tiêu chuẩn cũ Máy tính kiểm sốt hệ thống xe để rà sốt lỗi, máy tính xe sử dụng đèn báo cố MIL để cảnh báo người lái xe trục trặc, lưu trữ mã số để xác định hệ thống chấp hành hay mạch điện có cố Lịch sử hệ thống chẩn đốn • 1970: Nước Mỹ thay tổ chức Hoạt động lành khí lập quan Bảo vệ Mơi trường • 1980: Các máy tính bắt đầu xuất xe giới, phát triển rộng rãi cho ứng dụng thời gian điều chỉnh hệ thống bơm xăng chưa có chuẩn hóa việc giám sát thơng báo • 1982: Các động xe thực việc chuẩn hóa bên hệ thống chuẩn đốn gọi Assembly Line Communications Link (ALCL), sau đổi thành Assembly Line Diagnostics Link (ALDL) Giao thức ban đầu ALCL truyền thơng với tốc độ 160 baud với dạng tín hiệu PWM • 1986: Phiên nâng cấp ALDL xuất với tốc độ truyền thơng 8192 baud chiều tín hiệu UART Giao thức định nghĩa GM XDE-5024B • 1987: Bắt đầu xuất hệ thống chuẩn đoán, K-line cho tất ECU, ISO 9141-1, RB-KW71, mã nháy (Blink code) • 1989: Opel Keyword 81 • 1992: Opel Keyword 82 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -9- • 1994: separate K-Lines SAE J 1962-Diagnostic Connector (ISO 15031-3) • 1996: KWP 2000, Flash Programming • 1997: OBD II: ISO 9141-2, US-Cadillac Catera • 2000: EOBD: ISO 14230-4 Diagnostics via KWP 2000 • 2002: Diagnostics on CAN incl EOBD • 2008: Tất xe bán Mỹ yêu cầu sử dụng chuẩn tín hiệu ISO15765-4 (Một dạng CAN bus mới) II MỤC TIÊU CỦA ODB-II Những nội dung mang tính bắt buộc hệ thống OBD-II yêu cầu nhà sản xuất ôtô phải thiết kế hệ thống điều khiển trình xả có độ tin cậy định để xe có “một vịng đời hiệu quả” Hoạt động q trình xả phương tiện giới ngày mức độ khác tùy thuộc vào nhiều yếu tố tuổi xe, số quãng đường mà xe qua, việc sử dụng xe, địa hình hoạt động thiết kế xe Các tính tinh tế hệ thống OBD-II xác định hoạt động trình xả xe bị hư tổn mức qui định, đèn báo cố MIL đèn báo kiểm tra bật sáng Tại Canifornia, việc cấp phép trở lại cho phương tiện giới bị từ chối kiểm tra thấy MIL báo sáng Bắt đầu từ năm 1996, nhà sản xuất chịu trách nhiệm sửa chữa thiết bị hỏng báo lỗi qua MIL, miễn phương tiện giới thời hạn bảo hành hệ thống xả Mỗi nhà sản xuất tự sử dụng kỹ thuật riêng phải phù hợp với qui định hệ thống OBD-II Điều hạn chế đáng kể nhà sản xuất ô tô thiết kế hệ thống kiểm sốt q trình xả mà có tuổi thọ không cao III CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 3.1 Tầng vật lý: Thực chất cổng giao tiếp OBD II gắn xe Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006