tiểu luận môn học hệ thống điện điện tử ô tô đề tài vehicle can systems

Nhiệm vụ nghiên cứu Nắm được tầm quan trọng của mạng CAN trong việc truyền thông tin trên Ô tô, nhóm chúng tôi quyêt tâm thực hiện đề tài với mục tiêu nắm bắt được lý thuyết bao gồm cấu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Ô TÔ

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN HỌC KỲ II NĂM HỌC 2022 - 2023

Tên đề tài: Vehicle CAN systems

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 1

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5 Kết cấu tiểu luận 1

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MẠNG CAN 2

2.4 Phân loại mạng CAN 5

2.5 Vai trò, lợi ích của mạng CAN trong hệ thống điện điện tử ô tô 7

2.5.1 Lợi ích của việc sử dụng mạng CAN 7

2.5.2 Tại sao phải sử dụng mạng CAN 7

2.6 Định nghĩa các thuật ngữ về hệ thống CAN 8

2.6.1 Dây đường truyền chính 8

2.6.2 Dây nhánh 8

2.6.3 Điện trở cực 8

2.6.4 Các ecu và cảm biến trong hệ thống thông tin liên lạc CAN 8

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC MẠNG CAN 9

CHƯƠNG 4 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 13

4.1 Các giao thức CAN thường gặp 13

4.2 Nguyên tắc giao tiếp trên mạng CAN 13

4.3 Cách gửi – nhận dữ liệu trên hệ thống mạng giao tiếp CAN 14

CHƯƠNG 5 CÁC LỖI THƯỜNG GẶP VÀ QUY TRÌNH CHUẨN ĐOÁN 15

5.1 Các lỗi thường gặp 15

5.2 Quy trình chuẩn đoán 16

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 17

1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống CAN trên các xe công nghiệp là một trong những công nghệ phổ biến nhất hiện nay Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các xe công nghiệp và đã giúp các nhà sản xuất xe công nghiệp tối ưu hóa hiệu suất của họ Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các hệ thống CAN trên các xe công nghiệp cần được cải thiện để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp Do đó, đề tài Vehicle CAN systems là một đề tài hữu ích để nghiên cứu và để cải thiện hiệu suất của hệ thống CAN trên các xe công nghiệp

1.2 Đối tượng nghiên cứu

• Tìm hiểu tổng quan mạng kết nối trên ô tô • Nghiên cứu cấu tạo mạng CAN

• Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của hệ thống CAN trên các xe công nghiệp • Các công nghệ mới để cải thiện các lỗi thường gặp và quy trình chuẩn đoán hiệu

suất của hệ thống CAN

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nắm được tầm quan trọng của mạng CAN trong việc truyền thông tin trên Ô tô, nhóm chúng tôi quyêt tâm thực hiện đề tài với mục tiêu nắm bắt được lý thuyết bao gồm cấu trúc và nguyên lý hoạt động, truyền tin của một mạng CAN và đi đến thực nghiệm qua đó rút ra được điểm mạnh thực tế của mạng CAN và dung nó cho những dự án phát triển hệ thống an toàn, tiện nghi cho xe trong tương lai

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đi từ lý thuyết là tìm và đọc hiểu giáo trình, tài liêu và các bài báo cáo nghiên cứu về mạng CAN Ứng dụng vào thực nghiệm, sử dụng hai mạch Arduino truyền thông tin qua lại sử dụng module CAN MCP2515

1.5 Kết cấu tiểu luận

Tiểu luận gồm 6 chương nghiên cứu về lý thuyết và áp dụng thực tiễn của mạng CAN

2

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MẠNG CAN 2.1 Lịch sử ra đời

2.1.1 Nguyên nhân ra đời

Chuẩn CAN ra đời với mục đích ban đầu là phục vụ cho ngành công nghiệp xe ô tô Trước khi sử dụng chuẩn CAN, việc kết nối giữa các khối (module) điều khiển trong xe hơi rất phức tạp và yêu cầu nhiều dây nối Khi ngành công nghiệp xe ô tô phát triển, các khối điều khiển điện tử với nhiều chức năng phức tạp (điều khiển thân xe, điều khiển cửa, điều khiển động cơ, thu thập dữ liệu các cảm biến, định vị xe, ) trong xe ngày càng nhiều làm việc bố trí kết nối càng trở nên phức tạp, tốn kém và bảo trì khó khăn

Hình 2.1: Minh họa kết nối các thành phần điều khiển trong xe ô tô khi chưa sử dụng chuẩn CAN

CAN ra đời đã giải quyết các vấn đề tồn tại Các module chỉ cần 2 dây để kết nối với nhau Việc thêm hay bớt module trong bus CAN dễ dàng Việc truyền dữ liệu có độ tin cậy cao, tốc độ nhanh

Hình 2.2: Minh họa việc kết nối các thành phần điều khiển trong xe ô tô sử dụng bus CAN

3

2.1.2 Tóm tắt lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của CAN được tóm lược như sau:

- 1983: Bắt đầu dự án phát triển mạng trên xe hơi trong nội bộ hãng Bosch - 1986: Chính thức giới thiệu giao thức CAN

- 1987: Những chíp điều khiển CAN đầu tiên xuất hiện ở nhà sản xuất linh kiện bán dẫn Intel và Philips

- 1991: Bosch xuất bản thông số kỹ thuật CAN 2.0

- 1992: Thành lập nhóm các nhà sử dụng và sản xuất CAN quốc tế: Hội CAN tự động hóa (CiA) Hội CiA xuất bản giao thức Lớp ứng dụng CAN (CAN Application Layer, CAL) Những chiếc xe Mercedes-Benz đầu tiên được trang bị CAN xuất hiện

- 1993: Xuất bản tiêu chuẩn ISO 11898

- 1994: CiA tổ chức Hội nghị CAN quốc tế lần thứ nhất (iCC) Allen-Bradley giới thiệu giao thức DeviceNet

- 1995: Xuất bản Tiêu chuẩn ISO 11898 sửa đổi (định dạng khung mở rộng) CiA xuất bản giao thức CANopen

Giải thích:

- CiA (CAN in Automation): Là nhóm các nhà sản xuất và sử dụng trên thế giới phát triển và hỗ trợ CANopen và các giao thức CAN cơ bản lớp cao hơn khác Đây là tổ chức phi lợi nhuận được thành lập từ năm 1992 để cung cấp thông tin về công nghệ CAN cơ bản, sản xuất và tiếp thị Có khoảng 500 công ty là thành viên của tổ chức phi lợi nhuận này và có trụ sở chính đặt tại Nuremberg, Đức

- DeviceNet và CANopen: là hai chuẩn quy định hoạt động của CAN ở lớp cao hơn (Application Layer) dựa trên chuẩn CAN (Chuẩn CAN quy định việc thực thi giao thức ở lớp Liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và lớp vật lý (Physical Layer))

2.2 Tổng quan mạng kết nối trên ô tô

Mạng giao tiếp trên ô tô nói riêng và mạng giao tiếp trên các phương tiện giao thông nói chung (Vehicle Bus) là một hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một xe bao gồm các loại như ECM, TCM, BCM, ABS… Khi hoạt động, chúng có thể giao tiếp trao

4

đổi thông tin qua lại với nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn để đáp ứng nhu cầu đó

Nhằm tối ưu cho việc điều khiển và hạn chế dây dẫn, 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

Hình 2.3: Mạng kết nối trên ô tô

Có thể bạn sẽ cảm thấy khó hiểu khi đọc nhiều tài liệu khác nhau về mạng giao tiếp ô tô Tuy nhiên, mạng giao tiếp trên ô tô sử dụng rất ít dây dẫn ( chỉ 1 hoặc 2 dây) nhưng dữ liệu truyền tải rất nhiều với tốc độ truyền tải cực nhanh

Mỗi hộp điều khiển trên ô tô đều có thể biết được thông tin của các hộp khác, chỉ có điều, nó chỉ tiếp nhận thông tin mà nó cho là quan trọng và cần cho nó còn lại sẽ bị loại bỏ Các bạn có thể nhận biết mạng giao tiếp trên ô tô thông qua đặc điểm đường dây điện thấy 2 sợi dây xoắn lại với nhau

Hình 2.4: Dây mạng CAN trên ô tô

5

2.3 Mạng CAN là gì

Controller Area Network (CAN) là giao thức truyền thông nối tiếp hỗ trợ những hệ thống điều khiển thời gian thực; là đường bus truyền tải số (broadcast digital bus) với nhiều Master, được thiết kế với tốc độ truyền từ 20kb/s tới 1Mb/s, với ứng dụng tốc độ cao (500kbit/s) được tiêu chuẩn hóa trong ISO/DIS 11898:1993, và ứng dụng ở tốc độ thấp hơn (125kbit/s) được tiêu chuẩn hóa trong ISO 11519-2:1994, với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống nhiễu cực kỳ tốt

Controller Area Network (CAN) là giao thức truyền thông nối tiếp hỗ trợ những hệ thống điều khiển thời gian thực; là đường bus truyền tải số (broadcast digital bus) với nhiều Master, được thiết kế với tốc độ truyền từ 20kb/s tới 1Mb/s, với ứng dụng tốc độ cao (500kbit/s) được tiêu chuẩn hóa trong ISO/DIS 11898:1993, và ứng dụng ở tốc độ thấp hơn (125kbit/s) được tiêu chuẩn hóa trong ISO 11519-2:1994, với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống nhiễu cực kỳ tốt

2.4 Phân loại mạng CAN

Dựa trên tính chất vật lý của bus, cần thiết phải phân biệt 2 dạng truyền trên bus: - Dạng truyền CAN tốc độ thấp

- Dạng truyền CAN tốc độ cao

Tính chất cơ bản khác nhau giữa 2 dạng được nêu trong bảng 1 Mức điện áp hoạt động được biểu thị trên hình 1 và hình 2

Bus CAN định nghĩa hai trạng thái là “dominant” và “recessive”, tương ứng với hai trạng thái là 0 và 1 Trạng thái “dominant” chiếm ưu thế so với trạng thái “recessive” Bus chỉ ở trạng thái “reccessive” khi không có node nào phát đi trạng thái “dominant” Điều này tạo ra khả năng giải quyết chanh chấp khi nhiều hơn một Master cùng muốn chiếm quyền sử dụng bus

6

Bảng 2.1 So sánh 2 dạng truyền của bus CAN

Hình 2.5: Điện áp làm việc Bus CAN tốc độ truyền thấp

Hình 2.6: Điện áp làm việc Bus CAN tốc độ truyền cao

7

2.5 Vai trò, lợi ích của mạng CAN trong hệ thống điện điện tử ô tô

2.5.1 Lợi ích của việc sử dụng mạng CAN

• Giảm chi phí cho dây nối

• Mang lại tính linh hoạt trong việc mở rộng và cài đặt hệ thống

• ECU có thể gửi và nhận thông tin tín hiệu từ các ECU khác trong cùng Bus • Nhiều tín hiệu cảm biến có thể chia sẻ với nhau

• Cho phép chẩn đoán và xử lý lỗi dễ dàng

2.5.2 Tại sao phải sử dụng mạng CAN

Hệ thống điện tử trên xe bắt đầu từ những năm 1970 Từ những ngày đầu tiên khi ứng dụng vào hệ thống đánh lửa điều khiển bằng IC, đã xuất hiện hộp điều khiển động cơ ECM Do công nghệ điện tử có quá nhiều ưu điểm so với điều khiển bằng cơ khí thông thường nên công nghệ này đã phát triển không ngừng dẫn đến sự ra đời của hàng loạt hệ thống tiếp theo như hệ thống cân bằng điện tử ESP, hệ thống mã hóa động cơ immobilizer, hệ thống chìa khóa thông minh Smart Key, hệ thống hỗ trợ đỗ xe Parking Assist, … Ngày nay tất cả hệ thống trên xe đều ứng dụng hệ thống điều khiển điện tử và điều khiển

Và trong những ngày đầu tiên, các hộp được nối trực tiếp với nhau từng điểm một là chuyện hết sức bình thường vì khi đó số lượng hộp trên xe là không nhiều, chỉ được hộp điều khiển động cơ, có thể có thêm hộp điều khiển hộp số và đôi khi là hộp điều khiển phanh ABS Thế nhưng bây giờ, trên 1 chiếc xe bình thường trung bình có khoảng 30 hộp điều khiển khác nhau chưa kể các xe sang có thể lên đến hàng trăm hộp, tất cả các hệ thống trên xe dù là nhỏ nhất: điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh, … đều có hộp riêng Tất cả hộp này phải nối với nhau thì mới có thể lấy được tín hiệu của nhau

Như vậy nếu vẫn sử dụng kiểu kết nối truyền thống bằng dây điện thông thường từng điểm một (point to point) với nhau thì đường dây của 1 chiếc xe sẽ vô cùng phức tạp và có nhiều nhược điểm Vì vậy cần có 1 giải pháp tối ưu hơn để giải quyết sự liên

8

kết giữa các hộp điều khiển mà không cần tăng số lượng dây dẫn Và từ đó, hệ thống mạng giao tiếp trên ô tô CAN ra đời và được sử dụng đến ngày nay

2.6 Định nghĩa các thuật ngữ về hệ thống CAN

2.6.1 Dây đường truyền chính

Dây đường truyền chính và một dây điện nối giữa hai điện trở cực trên đường truyền (dây truyền dữ liệu) Đây là đường truyền chính trong hệ thống thông tin liên lạc

Hai điện trở 120 Ω được lắp song song qua hai đầu của dây đường truyền CAN chính Chúng được gọi là điện trở cực Những điện trở này cho phép bù lại sự thay đổi về điện áp giữa dây đường truyền CAN, cần phải lắp cả hai điện trở Do hai điện trở được lắp song song, việc đo điện trở giữa hai dây đường truyền CAN phải được chế tạo có chỉ số khoảng 60 Ω

2.6.4 Các ecu và cảm biến trong hệ thống thông tin liên lạc CAN

– ECU điều khiển trượt – Cảm biến độ lệch thân xe – Cảm biến góc quay vô lăng – Đến ECU chính thân xe – Cảm biến túi khí trung tâm – ECM

– ECU trung tâm – ECU chứng nhận

– ECU điều khiển gương ngoài

– ECU chân máy điều khiển chủ động – Bộ khuyếch đại điều hoà

– Đồng hồ táp lô

9 – ECU báo khoảng cách

– ECU điều khiển vị trí ghế (ghế trước trái) – AFS ECU

– ECU nghiêng và trượt đa năng

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC MẠNG CAN 3.1 Tầng vật lí

3.1.1 None-return-to-zero (NRZ method)

Mỗi bit trong mạng CAN được mã hóa bằng phương pháp None-return-to-zero (NRZ method) Trong suốt quá trình của một bit, mức điện áp của dây được giữ nguyên, có nghĩa trong suốt quá trình một bít được tạo, giá trị của nó giữ không đổi

3.1.2 Bit stuffing

Một trong những ưu điểm của cách mã hóa NRZ là mức của bit được giữ trong suốt quá trình của nó Điều này tạo ra vấn đề về độ ổn định nếu một lượng lớn bit giống nhau nối tiếp Kỹ thuật Bit Stuffing áp đặt tự động một bit có giá trị ngược lại khi nó phát hiện 5 bit liên tiếp trong khi truyền

Hình 3.1: Kỹ thuật Bit Stuffing

3.1.3 Bit timing

Ta định nghĩa thời gian đơn vị nhỏ nhất, là Time Quantum Thời gian cơ bản này là một phân số của thời gian dao động của bus Một bit khoảng 8 đến 25 quanta

Hình 3.2: Giản đồ thời gian

10

3.1.4 Độ dài của một bus

Độ dài của một bus phụ thuộc vào những thông số sau: - Độ trễ lan truyền trên đường dây của bus

- Sự khác nhau của thời gian Time Quantum (định nghĩa ở trên), vì sự khác nhau của xung clock tại các nút

- Biên độ tín hiệu thay đổi theo điện trở của cáp và tổng trở vào của các nút

Hình 3.3: Tốc độ tỉ lệ nghịch với độ dài bus Bảng 3.1: Vận tốc – Độ dài – Bit time Cần chú ý rằng bất cứ modul nào kết nối vào một bus CAN phải được hỗ trợ với tốc độ tối thiểu là 20kbit/s Để sử dụng bus có độ dài hơn 200 m, cần thiết phải sử dụng một optocoupleur, và để sử dụng bus dài hơn 1 km, phải cần một hệ thống kết nối trung gian như repeater hoặc bridge

3.2 Tầng liên kết dữ liệu

• Các thông điệp

• Các chuẩn phân xử cho truy cập bus • Các phương pháp dò lỗi và xử lý lỗi

Hình 3.4: Ví dụ về ứng dụng mạng CAN

11

Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các nodes Mỗi node có thể giao tiếp với bất kỳ nodes nào khác trong mạng Việc giao tiếp được thực hiện bằng việc truyền đi và nhận các gói dữ liệu - gọi là message Mỗi loại message trong mạng CAN được gán cho một ID - số định danh - tùy theo mức độ ưu tiên của message đó

Công nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn giản, giảm tối thiểu hiện tượng sự đội tín hiệu sự truyền dữ liệu thực hiện nhờ cặp dây truyền tín hiệu vi sai, có nghĩa là chúng ta đo sự khác nhau giữa 2 đường (CAN H và CAN L) Đường dây bus kết thúc bằng điện trở 120 ohm (thấp nhất là 108 ohm và tối đa là 132 ohm) ở mỗi đầu Sơ đồ cấu trúc mạng CAN như hình 1.2

Mạng CAN thuộc loại hệ thống giao tiếp gói dữ liệu (message base system), khác với hệ thống giao tiếp địa chỉ (address base system), mỗi gói dữ liệu được gán một ID Những hệ thống địa chỉ thì mỗi node được gán cho một ID Hệthống giao tiếp gói dữ liệu có tính mở hơn vì khi thêm, bớt một node hay thay một nhóm node bằng một node phức tạp hơn không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống Có thể có vài node nhận cùng một dữ liệu và cùng thực hiện một nhiệm vụ Hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở, dễ dàng thay đổi mà không cần phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống

Hình 3.5 Sơ đồ mạng CAN

Mỗi node có thể nhận nhiều loại message khác nhau, ngược lại một message có thể được nhận bởi nhiều node và công việc được thực hiện một cách đồng bộ trong hệ thống phân bố ID của message phụ thuộc vào mức độ ưu tiên của message Điều này

12

cho phép phân tích thời gian đáp ứng của từng message Ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực Trước khi có mạng CAN, lựa chọn duy nhất cho mạng giao tiếp trong hệ thống thời gian thực là mạng token ring chậm chạp

Cách thức giao tiếp mạng CAN như trên hình 3.6 Theo tiêu chuẩn ISO11898:2003 định nghĩa hai lớp Physical layer và Data link layer Lớp Physical layer định nghĩa cách biểu diễn/thu nhận bit 0 bit 1, cách định thời và đồng bộ hóa Lớp Data link layer được chia làm 2 lớp nhỏ là logical link control (LLC) và Medium Access Control (MAC): định nghĩa cấu trúc dữ liệu truyền và những nguyên tắc phân xử dữ liệu để tránh trường hợp cả hai Master cùng truyền đồng thời

Hình 3.6: Mô hình giao tiếp mạng CAN theo ISO11898

Ngoài ra, chuẩn CAN còn định nghĩa nhiều cơ chế khác để kiểm tra lỗi, xử lý lỗi… cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Bit error, Stuff error, CRC error, Form error, ACK error