Tiểu luận môn học hệ thống nhúng Đề tài tìm hiểu hệ thống obd trên xe Ô tô&Đề xuất phương Án thiết kế

Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống này không chỉ cungcấp nền tảng vững chắc về lý thuyết điều khiển mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong các hệthống nhúng phức tạp, đáp ứng yêu cầu khắt

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

HỆ THỐNG NHÚNG

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU HỆ THỐNG OBD TRÊN XE Ô

TÔ&ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Giảng viên hướng dẫn: TS TÔN THẤT ĐỒNG

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tấn Phụng 103200013

Nguyễn Quốc Khánh 103200159 Lớp HP : 20N18

Mục lục

Lời nói đầu 1

Phần mở đầu 2

Chương 1 : Giao tiếp nhúng (Hệ thống chuẩn đoán OBD) 3

1.1 Giới thiệu hệ thống chuẩn đoán OBD 3

1.1.1 Định Nghĩa và mục đích ra đời của hệ thống 3

1.1.2 Chức năng của hệ thống chuẩn đoán OBD 5

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn đoán OBD 6

1.2.1 Thành phần cấu tạo 6

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 7

1.3 Nguyên tắc chuẩn đoán thông qua ngưỡng dữ liệu 8

1.4 Nguyên tắc giao tiếp giữ liệu di động 9

1.5 Xu hướng phát triển của hệ thống chuẩn đoán OBD 10

Chương 2 : So sánh các loại OBD phổ biến hiện nay 11

2.1 Phân loại hệ thống chuẩn đoán OBD 11

2.1.1 OBD I là gì 11

2.1.2 OBD II là gì 13

2.2 So sánh OBD I và OBD II 14

2.3 Ứng dụng của OBD 14

2.3.1 Ứng dụng của OBD I 14

2.3.2 Ứng dụng OBD II 15

2.4 Lợi ích khi sử dụng OBD trên ô tô 16

2.4 Viết một đoạn Code Python cơ bản sử dụng thư viện pySerial để giao tiếp với một thiết bị OBD thông qua giao thức ELM327 (phổ biến cho các đầu đọc OBD-II) Đoạn mã này đọc mã lỗi từ máy OBD và in ra kết quả 16

2.5 Đoạn mã Python để kiểm tra mức tiêu thụ nhiên liệu và một số thông tin liên quan đến nhiên liệu của động cơ thông qua giao tiếp OBD-II Đoạn mã sử dụng thư viện obd trong Python 18

Chương 3 : Nghiên cứu về vấn đề chuẩn đoán của hệ thống ODB 19

3.1 Chẩn đoán theo ngưỡng dữ liệu động của các cảm biến 19

3.2 Kết quả thử nghiệm và bàn luận 20

3.3 Kết luận và hướng phát triển 21

Lời nói đầu

Hệ thống Chẩn đoán Trên Xe (OBD) đại diện cho một bước tiến quan trọng trong côngnghệ ô tô, cung cấp khả năng giám sát và chẩn đoán hiệu suất của các hệ thống trên xe Từnhững ngày đầu của OBD1 cho đến sự phát triển mạnh mẽ của OBD2, hệ thống này đã giúpcải thiện độ tin cậy, an toàn và hiệu suất của phương tiện Với khả năng theo dõi thời gianthực và phát hiện lỗi nhanh chóng, OBD không chỉ hỗ trợ kỹ thuật viên trong quá trình sửachữa mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường thông qua việc kiểm soát khí thải

Trong bối cảnh công nghệ ô tô đang phát triển nhanh chóng, hệ thống OBD tiếp tục đóngvai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa trải nghiệm lái xe và bảo trì phương tiện

Hiện nay, hệ thống OBD đã tiến bộ đáng kể và trở thành một phần không thể thiếu trongngành công nghiệp ô tô Không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của xe mà còn góp phần bảo vệmôi trường và mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng

Phần mở đầu

 Giới thiệu đề tài

Trong thời đại công nghiệp 4.0, hệ thống nhúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vựcđặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, nơi các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ chiếm vịtrí then chốt trong quá trình vận hành Đề tài “ TÌM HIỂU HỆ THỐNG OBD TRÊN XE ÔTÔ&ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ” được lựa chọn với mục tiêu thiết kế và hiểu biếtthêm về cácc loại giao tiếp nhúng Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống này không chỉ cungcấp nền tảng vững chắc về lý thuyết điều khiển mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong các hệthống nhúng phức tạp, đáp ứng yêu cầu khắt khe về hiệu suất và tính ổn định trong thực tếBên cạnh đó, môn học Hệ thống nhúng (Power Train, Chassis, Body, HMI) là môi trường lýtưởng để sinh viên tiếp cận và thực hành với các phương pháp điều khiển trong bối cảnh thựctiễn, từ đó phát triển khả năng tư duy và giải quyết vấn đề

 Mục tiêu của tiểu luận

Nhằm hiểu biết nhiều hơn các loại giao tiếp nhúng, từ đó thiết kế và phát triển thêm nhiềucảm biến và ứng dụng trên xe ô tô nhiều hơn

Ứng dụng kiến thức lý thuyết về hệ thống nhúng để thiết kế hệ thống chuẩn đoán có tính ổnđịnh và đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tiễn Đánh giá hiệu quả hệ thống thông quaviệc mô phỏng, thử nghiệm và phân tích kết quả

 Cấu trúc tiểu luận

 Chương 1 : Giao tiếp nhúng (Hệ thống chuẩn đoán ODB)

Chương này giới thiệu hệ thống chuẩn đoán OBD

 Chương 2 : Phân loại các hệ thống chuẩn đoán OBD hiện nay

Chương này nhằm so sánh các hệ thống chuẩn đoán ODB

 Chương 3 : Nghiên cứu đến vấn đề chuẩn đoán của hệ thống OBD

Chương này chẩn đoán theo ngưỡng dữ liệu động của các cảm biến

Chương 1 : Giao tiếp nhúng (Hệ thống chuẩn đoán OBD)1.1 Giới thiệu hệ thống chuẩn đoán OBD

1.1.1 Định Nghĩa và mục đích ra đời của hệ thống

- OBD là viết tắt của từ On-Board Diagnostic có thể hiểu đơn giản là hệ thống tự chẩn đoánlỗi trên xe, có nghĩa là ECU động cơ có thể tự phát hiện trong hệ thống có xảy ra hư hỏnghoặc trục trặc gì đó hoặc đơn giản là hệ thống động cơ đang hoạt động không được tốt, ECU

sẽ tự set thành những mã lỗi và lưu lại trong bộ nhớ

phát triển hệ thống OBD là để kiểm soát lượng khí thải từ xe cộ Năm 1966, để đối phó vớitình trạng ô nhiễm sương mù tại Mỹ, bang California đã đưa ra các quy định về mức khí thảicho tất cả các xe ô tô mới Quy định này sau đó được mở rộng trên toàn nước Mỹ thông quaChính phủ liên bang Năm 1970, Quốc hội Mỹ thành lập Cục Bảo vệ Môi trường (EPA) vàphê duyệt một loạt các quy định nhằm kiểm soát khí thải từ xe cộ

1.1.2 Chức năng của hệ thống chuẩn đoán OBD

- Chức năng chính của hệ thống chuẩn đoán OBD là giám sát hiệu suất hoạt động của các bộphận quan trọng của xe nhằm phát hiện các lỗi trên xe để người lái có thể sớm khắc phục + Giám sát hành vi của người lái xe: Một số công ty bảo hiểm ô tô hiện nay hỗ trợ giảm phíbảo hiểm cho người lái nếu họ sử dụng trình ghi dữ liệu của hệ thống OBD Đây là căn cứ đểchứng minh rằng người lái tuân thủ nghiêm túc các quy tắc lái xe an toàn

+ Kiểm tra mức khí thải: Hệ thống OBD được sử dụng rất phổ biến trong việc kiểm tra lượngkhí thải của các phương tiện giao thông, dùng máy quét chuyên dụng để trích xuất dữ liệu từ

xe Thông qua đó, họ có thể xác định xem chủ xe có tuân thủ đúng các quy định về khí thảihay không

+ Theo dõi các chỉ số không hiển thị: Những người lái xe chuyên nghiệp thường tận dụng hệthống OBD để theo dõi các chỉ số không được hiển thị trực tiếp trên xe

+ Các công ty vận tải sử dụng hệ thống OBD để theo dõi vị trí của phương tiện, giám sát hiệusuất nhiên liệu, hành vi của tài xế và chẩn đoán lỗi từ xa Điều này sẽ giúp công ty quản lý đội

xe hiệu quả hơn

Hình 1.1.1

: Sơ đồ

Hình 1.1.2 : Chức năng hệ thống chuẩn đoán OBD

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn đoán OBD

1.2.1 Thành phần cấu tạo

- Hệ thống OBD được cấu tạo từ các thành phần chính như sau:

Hình 1.2.1 : Thành phần cấu tạo hệ thống chuẩn đoán OBD

+ Bộ điều khiển trung tâm ECU: Đây là thành phần quan trọng nằm ở trung tâm của hệthống OBD Bộ phận này có nhiệm vụ thu thập thông tin từ mạng lưới cảm biến trong xe đểgiám sát và điều khiển các bộ phận của xe

+ Mạng lưới cảm biến: Mạng lưới này bao gồm các cảm biến được gắn cố định tại nhiều vị tríkhác nhau trên xe Nhiệm vụ của các cảm biến là theo dõi tình trạng của các bộ phận này Mỗicảm biến sẽ gửi mã, chỉ định nguồn cùng các tham số của tín hiệu đến ECU để bộ điều khiểntrung tâm giải mã và xử lý các tín hiệu này.

+ Mã sự cố chẩn đoán DTC: DTC là các mã sự cố chẩn đoán hoặc mã lỗi chẩn đoán Mỗi mãDTC xác định một vấn đề cụ thể tại một bộ phận nào đó trên xe, cho phép người lái xe hoặc

kỹ thuật viên chẩn đoán lỗi dễ dàng hơn

+ Đèn báo sự cố MIL: MIL là đèn báo sự cố trên bảng điều khiển của xe Sau khi ECU thuthập các mã lỗi DTC sẽ gửi tín hiệu đến bảng điều khiển để bật đèn MIL Nếu đèn MIL sáng,điều này cho thấy có một bộ phận nào đó đang gặp trục trặc

+ Cổng kết nối liên kết chẩn đoán DLC: DLC là cổng kết nối nằm phía dưới taplo Cổng nằmgần vị trí người lái DLC được thiết kế để kết nối với máy chẩn đoán và các module điềukhiển nhằm trích xuất thông số dữ liệu và mã lỗi từ hệ thống OBD của xe

+ Hệ thống truyền động : OBD theo dõi các thông số của hệ thống truyền động, như tốc độđộng cơ, nhiệt độ, áp suất dầu và các chỉ số khác Nếu có vấn đề xảy ra, OBD sẽ ghi nhận lỗi

và gửi mã lỗi (DTC - Diagnostic Trouble Codes) để giúp kỹ thuật viên chẩn đoán

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

- Các cảm biến trong xe thu thập và gửi thông tin liên quan đến tình trạng hoạt động của các

bộ phận này đến bộ điều khiển trung tâm ECU Từ đó, ECU sẽ phân tích và giải mã các tínhiệu này Đây là quá trình để ECU xác định liệu các bộ phận có đang hoạt động ổn định haykhông Khi phát hiện sự cố, ECU sẽ kích hoạt đèn báo lỗi tương ứng trên bảng điều khiển đểcảnh báo người lái xe Đồng thời, cổng OBD trên ô tô cũng sẽ lưu lại các mã lỗi DTC

- Khi nhân viên kỹ thuật kết nối máy quét với cổng kết nối DLC trên xe, hệ thống OBD sẽnhanh chóng trích xuất các thông tin và mã lỗi nhằm hỗ trợ nhân viên trong quá trình chẩnđoán và xử lý sự cố

Hình 1.2.2 : Cấu trúc nguyên lý hoạt động

1.3 Nguyên tắc chuẩn đoán thông qua ngưỡng dữ liệu

- Có rất nhiều phương pháp khác nhau để chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của các cụm và hệthống trên xe Dựa trên bộ tham số kết cấu, tham số chẩn đoán, các hệ thống đo lường và các

lý thuyết nhằm xác định bộ các thông số chẩn đoán để xây dựng các công cụ chẩn đoán khácnhau Đối với các máy chẩn đoán hiện tại, thông thường việc chẩn đoán và hiển thị các mã lỗiđược thực hiện qua việc so sánh ngưỡng giá trị của các tín hiệu đo được thông qua các cảmbiến Tuy nhiên, phần mã nguồn của các thuật toán kiểm tra nêu trên thường được bảo mậtbởi các hãng thiết kế chế tạo thiết bị chẩn đoán.Chính vì lý do đó, trong nghiên cứu này nhómtác giả sử dụng nguyên tắc chẩn đoán kỹthuật theo giá trị ngưỡng của các cảm biến trên xelàm nguyên tắc chính để hình thành thuật toán chẩn đoán

- Tuy nhiên, các giá trị này được ghi nhận và so sánh theo thời gian thực thông qua bộ thiết bị

tự thiết kế chế tạo Các giá trị đo của các cảm biến trên xe bằng các mã PID và công thức tínhtoán của từng cảm biến Thông qua phần mềm thu thập, xử lý số liệu, hiển thị dữ liệu động sosánh với một giá trị ngưỡng đã được xác định trước đó trong khoảng min tới max Từ đó đưa

ra kết luận chẩn đoán và cảnh báo về tình trạng hoạt động của các cụm và hệ thống trên xe

Hình 1.3 : Nguyên tắc chuẩn đoán thông qua ngưỡng dữ liệu

1.4 Nguyên tắc giao tiếp giữ liệu di động

- Thiết bị đọc dữ liệu động thu nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe ô tô thông qua cổngOBDII Nhờ có mạch Can Bus Shield giao tiếp với mạng Can Bus trên ô tô và xửlý tín hiệutruyền về mạch Arduino là nơi trung tâm nhận các tín hiệu gửi về máy tính để theo dõi, giámsát đánh giá bộ dữ liệu động phục vụ quá trình chẩn đoán kỹ thuật Thiết bị đọc dữ liệu độngđược phát triển được chia thành hai phần: Giai đoạn thu thập dữ liệu, thiết kế giao diện đồ họa

để trực quan hóa và theo dõi một số thông số dữ liệu động thông qua phần mềm hiển thị phục

vụ chẩn đoán kỹ thuật

- Các thiết bị khác nhau thông qua chân cắm đầu nối và cổng kết nối, giúp cho việc kết nốivới hệ thống OBD-II dễ dàng hơn Do đó có thể tiết kiệm được chi phí khi sử dụng để kết nốivới hệ thống OBD-II Độ tin cậy chính xác cao khi kết nối với hệ thống OBD-II

Hình 1.4 : Sơ đồ nguyên tắc dữ liệu di động

1.5 Xu hướng phát triển của hệ thống chuẩn đoán OBD

- Hệ thống chuẩn đoán OBD (On-Board Diagnostics) đang ngày càng phát triển và được cảitiến với nhiều xu hướng nổi bật

- Các thiết bị OBD-II ngày càng được tích hợp khả năng kết nối không dây, cho phép truyền

dữ liệu từ xe đến smartphone hoặc máy tính mà không cần dây cáp

- Các hệ thống OBD hiện đại cho phép chẩn đoán từ xa, giúp chủ xe hoặc kỹ thuật viên có thểphát hiện lỗi mà không cần phải có mặt trực tiếp tại xe

- Hệ thống OBD cũng đang được tích hợp với các công nghệ lái tự động, giúp nâng cao khảnăng chẩn đoán và bảo trì cho các xe tự lái

- Tuy nhiên, Sự thay đổi trong các quy định và tiêu chuẩn pháp lý có thể gây khó khăn chocác nhà sản xuất và nhà cung cấp dịch vụ trong việc đáp ứng yêu cầu và Không phải tất cả cácnhà sản xuất đều có khả năng phát triển các hệ thống OBD tiên tiến, dẫn đến sự chênh lệch vềcông nghệ giữa các hãng xe Dù có nhiều nỗ lực trong việc nâng cao bảo mật, các hệ thốngOBD vẫn có nguy cơ bị tấn công mạng, đe dọa đến an toàn và quyền riêng tư của người dùng.

Chương 2 : So sánh các loại OBD phổ biến hiện nay2.1 Phân loại hệ thống chuẩn đoán OBD

2.1.1 OBD I là gì

- OBD I là hệ thống chẩn đoán trên xe thế hệ đầu tiên, được phát triển vào những năm 1980.Các hệ thống OBD 1 mang tính chất riêng biệt và không có sự thống nhất Điều này khiếnmỗi hãng xe có một chuẩn riêng về mã lỗi, hệ thống và thông tin Từ đó, việc sửa chữa và bảotrì trở nên phức tạp, khó khăn hơn

2.1.1.1 Vai trò và chức năng của OBD I

- Vai trò chính của OBD 1 là cung cấp khả năng chẩn đoán sự cố trên xe Tuy nhiên, do tínhchất riêng biệt của hệ thống, người dùng thường phải đến các đại lý chính hãng để kiểm tra vàsửa chữa Điều này làm tăng chi phí và giảm tính tiện lợi cho người tiêu dùng Dù có nhiềubất cập, OBD 1 đã đặt nền tảng quan trọng cho việc phát triển các hệ thống chẩn đoán tiêntiến hơn, đặc biệt là OBD 2

Hình 2.1.1.1 Vai trò và chức năng của OBD I

2.1.1.2 Những lỗi thường gặp trên OBD I :

Hình 2.1.1.2 : Mã lỗi ô tô mitshubishi OBD I

2.1.2 OBD II là gì

- OBD 2 là hệ thống chẩn đoán trên xe thế hệ thứ hai, được giới thiệu chính thức vào năm

1996 Hệ thống này được giới thiệu sau khi California Air Resources Board đưa ra các tiêuchuẩn cho hệ thống OBD 2 vào năm 1994 OBD 2 đã trở thành tiêu chuẩn chung cho tất cảcác xe bán tại California và sau đó là trên toàn nước Mỹ, giúp đơn giản hóa quá trình chẩnđoán, sửa chữa xe

Hình 2.1.2 : Cấu tạo OBD II

2.1.2.1 Vai trò và chức năng OBD II

- OBD II đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và đảm bảo rằng các xe tuân thủ các tiêuchuẩn khí thải Hệ thống này yêu cầu sử dụng cổng kết nối chuẩn (DLC Type 2 Connector).Cổng kết nối này cho phép các kỹ thuật viên sử dụng cùng một loại cáp để truy cập thông tin

từ hệ thống OBD của xe Ngoài ra, OBD 2 cũng giám sát các vấn đề ảnh hưởng đến lượng khíthải, giúp đảm bảo xe hoạt động đúng tiêu chuẩn môi trường

2.1.2.2 Những lỗi thường gặp trên OBD II

Hình 2.1.2.2 : Những lỗi thường gặp trên OBD II

Thời gian áp dụng Được sử dụng năm 1980 Áp dụng từ năm

1994 Tính đồng nhất Không đồng nhất Được chuẩn hóa và

đồng nhất Tiêu chuẩn Không có Quy định rõ ràng và

đồng bộ Cổng kết nối Khác nhau giữa các hãng xe Cổng kết nối chuẩn

Type 2 Conector

Mã lỗi Không đồng nhất phụ thuộc

vào nhà sản xuất Khả năng tương thích Cần nhiều công cụ và cáp

khác nhau

Sử dụng chung một công cụ và cáp cho nhiều xe

Chức năng Chẩn đoán lỗi cơ bản, thiếu

chức năng nâng cao

Chẩn đoán lỗi toàn diện

Kỹ thuật viên Thường phải đến đại lý

hoặc sử dụng công cụ đặc thù

Có thể sử dụng công cụ chuẩn cho nhiều xe khác nhau

+ Hệ thống OBD2 có khả năng tích hợp với các công nghệ tiên tiến như hệ thống lái tự động,cảm biến và các ứng dụng di động, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn

2.4 Lợi ích khi sử dụng OBD trên ô tô

+ Hệ thống OBD giúp phát hiện các vấn đề kỹ thuật trong xe thông qua mã lỗi cụ thể, từ đógiúp xác định nguyên nhân sự cố một cách nhanh chóng và chính xác

+ OBD giúp giảm thời gian sửa chữa và chi phí thay thế không cần thiết

+ OBD giám sát hệ thống khí thải và đảm bảo xe luôn tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải Nếuphát hiện các vấn đề liên quan đến ô nhiễm, hệ thống sẽ cảnh báo để người dùng có biện phápkhắc phục kịp thời

+ Hệ thống OBD phát hiện và cảnh báo các lỗi kỹ thuật tiềm ẩn trong động cơ và các hệ thốngquan trọng khác

+ OBD có thể cung cấp dữ liệu thời gian thực về hiệu suất xe, như mức tiêu thụ nhiên liệu, tốc

độ động cơ, và thông tin về hệ thống khí thải

+ Tích hợp với ứng dụng công nghệ và IoT

+ OBD giúp tài xế điều chỉnh hành vi lái xe để tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu và giảmthiểu chi phí vận hành

2.4 Viết một đoạn Code Python cơ bản sử dụng thư viện pySerial để giao tiếp với một thiết bịOBD thông qua giao thức ELM327 (phổ biến cho các đầu đọc OBD-II) Đoạn mã này đọc mãlỗi từ máy OBD và in ra kết quả

Cài đặt thư viện: