Thiết kế, chế tạo máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG ii HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từn

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN NGỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN ÔTÔ

THÔNG QUA MẠNG CAN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S KC 0 0 4 0 8 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN NGỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN ÔTÔ

THÔNG QUA MẠNG CAN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Nguyễn Văn Ngọc Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: / /1975 Nơi sinh: Cần Thơ

Quê quán: Nhơn Nghĩa Phong Điền Cần Thơ Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 58/14 đường số 7 phường Linh Trung

Quâ ̣n Thủ Đức

Điện thoại cơ quan: 08-7314063 Điện thoại nhà riêng: 0903877573 Fax: E-mail: nguyenvanngoc@hvct.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1993 đến 07/ 1998

Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học sư pha ̣m kỹ thuâ ̣t TP.HCM

Ngành học: Cơ Khí Động Lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Chuyên đề Ly hơ ̣p, hô ̣p số trên ôtô Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7 năm 1998, trường đại học sư pha ̣m kỹ thuâ ̣t TP.HCM

Người hướng dẫn: GVC Nguyễn Văn Toàn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 01-11/1998 Trường da ̣y nghề người

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG ii HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Ngọc

 Xin cảm ơn đến quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học ô tô niên khoá B2011-2013 đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

 Xin cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình giúp tôi hoàn thành tập luận văn này

 Xin cảm ơn các Thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báo giúp tôi hoàn thiện nội dung tập luận văn

 Xin cảm ơn công ty điê ̣n tử Thiên Phong đã hỗ trợ kỹ thuật và tạo điều kiê ̣n để tôi được nghiên cứu tại công ty

 Xin cảm ơn các Thầy Cô khoa Cơ khí Động lực Trường ĐHSPKT TP.HCM cùng các bạn học viên đã tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Về phía trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghệ thành Tp HCM, tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Cơ khí động lực đã tạo điều kiện và giúp

đỡ tận tình để tôi tham gia khóa học và hoàn thành tốt luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 8 năm 2013 Học viên

Nguyễn Văn Ngọc

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG iv HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

trường da ̣y nghề là mu ̣c tiêu của đề tài Nô ̣i dung đề tài “ Nghiên cƣ́u, thiết kế chế tạo máy chẩn đoá n ô tô thông qua ma ̣ng CAN ” Bao gồm các bước thực hiê ̣n

và nạp dữ liệu cho máy

4 Tiến hành thực nghiê ̣m chẩn đoán trên xe ô tô Honda Civic bằ ng máy chẩn đoán được chế ta ̣o thực hiê ̣n so sánh kết quả với máy chẩn đoán Inova 3133

Kết quả đề tài đã ch ế tạo thành công Máy chẩn đoán ô tô thông qua ma ̣ng CAN, qua thử nghiệm xác định máy ho ạt động trên xe Honda Civic đúng theo yêu cầu kỹ thuâ ̣t, xuất mã lỗi chính xác theo tiêu chuẩn nhà sản xuất và Iso , kết cấu đơn giản gọn nhẹ Đây là cơ sở khoa học ban đầu cho việc sản xuất thiết bi ̣ chẩn đoán ô

tô trong tương lai

ABSTRACT

Today, automotive technology have developed dramatically, Many systems on modern cars are equipped with eletronic control modules such as : electronic fuel injection, electronic ignition, automatical air conditioning, ABS brake, electronic suspension, automatic emission control, etc These innovations make automobile control become more and more complicated, so that the demand of a common system which can both control the quality of harmful gases emission as well as monitor all other electronic and mechanical system on automobile is an imperative requirement.CAN system is produced to response the former requirements and soon be an indispensable part in today’s car Since then, fault and damaged diagnosis on modern cars strongly depend on high-priced dedicated devices and softwares For manufacturing automotive diagnostic divice via CAN with cheaper cost for using in automotive service stations and vocational schools, the thesis issued following content:

1 Theoretical research on CAN and data communication in the CAN systems

2 Research method of the data encryption standards OBD-2 and communication standards OBD -2

3 Using microchip PIC24HJ64GP506A, LCD and electronic units, which are easy found in Vietnam market to design and produce electronic board of the tester Programming and Load data for the device

4 To carry out diagnosis experiments on the Honda Civic series with the

manufactured tester and make comparison with the results with Inova 3133

diagnostic equipment

The thesis result is successfully manufacturing automotive diagnostic divice via CAN system with robust design and simply structure During test time, the device has operated propertly in Honda Civic as technical requirements; the detected fault codes from the device are completely satisfy manufacturers and ISO standards.The result of the thesis is a scientific foundation for producing automotive diagnostic equipments in the future

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG vi HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xii

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 2

1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.1.2.2Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

1.2 Mục tiêu của đề tài 8

1.3.Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 8

1.4.Phương pháp nghiên cứu 8

1.5.Kế hoạch thực hiện 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát về chuẩn giao thức CAN ··· 10

2.1.1 Giới thiệu về mạng CAN ··· 10

2.1.2 Khái quát về giao thức CAN ··· 11

2.2 Lớp vật lý ··· 14

2.2.1 Non return zero ··· 14

2.2.2 Bit Stuffing ··· 15

2.2.3 Bit Timing ··· 15

2.3 Độ dài của một Bus ··· 16

2.4 Trạng thái “Dominant” và “Recessive” ··· 17

2.5 Giải quyết tranh chấp trên Bus ··· 18

2.6 CAN frame ··· 19

2.7 Các segment khác nhau ··· 25

2.8 Khoảng thời gian khác nhau của các Segment và Time Quantum ··· 25

2.9 Sự đồng bộ xung clock ··· 27

2.9.1 SJW ··· 27

2.9.2 Lỗi pha ··· 27

2.9.3 Cơ chế đồng bộ ··· 29

2.9.4 Truyền nhận message ··· 30

2.9.5 Xử lý lỗi ··· 30

2.10 Ứng dụng mạng CAN trên xe ··· 32

2.10.1 Những hạn chế củađây điện ··· 32

2.10.2 Đường truyền dữ liệu đa hợp ··· 34

2.10.3 Sơ đồ mạng CAN trên xe Honda Civic ··· 37

2.10.4 Sơ đồ mạng CAN trên xe Toyota Vios 2007 ··· 39

2.10.5 Sơ đồ mạng CAN trên xe Toyota Yaris 2007 ··· 40

Chương 3:CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA DỮ LIỆU CHẨNĐOÁN OBD-2 VÀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP OBD-2 3.1 Giới thiệu về OBD -2 PIDs ··· 41

3.2 Các chế độ hoạt động ··· 41

3.3 Bảng mã PIDs ··· 42

3.3.1.Bảng mã PIDs và cách giải mã ··· 42

3.3.2 Cách giải mã các PIDs đặc biệt ··· 55

3.3.2.1 Chế độ 1 – PID01 ··· 55

3.3.2.2 Chế độ 1 – PID03 ··· 56

3.3.2.3 Chế độ 1 – PID12 ··· 57

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG viii HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

3.3.2.4Chế độ 1 – PID 1C ··· 57

3.3.2.5 Chếđộ 1 PID41 ··· 58

3.3.2.6 Chế độ 3 ··· 59

3.4 Qúa trình truyền dữ liệu sử dụng CAN 11 bit ··· 61

3.4.1 Qúa trình truyền dữ liệu ··· 62

3.4.2.Qúa trình nhận dữ liệu ··· 62

3.5 Các chuẩn giao tiếp OBD -2 ··· 62

3.5.1 Giắc chẩnđoán OBD -2 ··· 63

3.5.2 Mã lỗi ··· 64

3.5.3 Các chuẩn giao tiếp OBD -2 ··· 65

3.5.3.1 Giao thức ISO 9141-2 ··· 65

3.5.2.2 Giao thức SAE J1850 VPW ··· 67

3.5.2.3 Giao thức SAE J1850 PWM ··· 67

3.5.2.4 Giao thức ISO 14230 KWP2000 ··· 69

3.5.2.5 Giao thức ISO 15765 CAN ··· 70

Chương 4:THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN Ô TÔ THÔNG QUA MẠNG CAN 4.1 Tổng quan về dòng PIC24HJ64GP506A ··· 71

4.1.1 Các đặc điểm chính ··· 71

4.1.2 Tóm tắt các dòng PIC24H ··· 73

4.1.3 Kiểu đóng gói ··· 74

4.2 Module CAN trong PIC24HJ64GP506A ··· 74

4.2.1 Tổng quan module CAN ··· 74

4.2.2 Các dạng Frame truyền ··· 75

4.2.3 Các chế độ hoạt động ··· 75

4.2.3.1 Chế độ Initialization ··· 75

4.2.3.2 Chế độ Disable ··· 76

4.2.3.3.Chế độ Normal ··· 76

4.2.3.4.Chế độ Loopback ··· 76

4.3 Thiết kế các mạch điện cơ bản của máy ··· 77

4.3.1 Mạch nguồn ··· 77

4.3.2 Mạch MCU ··· 77

4.3.3 Mạch Vehicle interface ··· 79

4.3.4 Mạch LCD Interface ··· 80

4.4 Chế tạo máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN ··· 82

4.4.1 Sơ đồ mạch in lớp trên và vị trí linh kiện ··· 82

4.4.2 Sơ đồ mạch in lớp dưới ··· 83

4.4.3 Máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN ··· 84

4.4.4 Lưu đồ thuật toán ··· 85

Chương 5: THỰC NGHIỆM MÁY CHUẨN ĐOÁN TRÊN XE 5.1 Hướng dẫn sử dụng máy chẩn đoán CAN ··· 86

5.1.1 Cấu tạo máy chẩn đoán CAN ··· 86

5.1.2 Chức năng máy chẩn đoán CAN ··· 87

5.1.3 An toànkhi sử dụng máy ··· 87

5.2 Thực nghiệm chẩn đoán của xe Honda Civic ··· 88

5.2.1 Kết nối máy chẩn đoán với xe ··· 88

5.2.2 Vận hành chẩn đoán ··· 89

5.2.2.1 Chẩn đoán lỗi cảm biến nhiệt độ không khítrên xe Honda Civic ··· 91

5.2.2.2 Chẩn đoán lỗi cảm biến MAF ··· 91

5.2.2.3 Xóa mã lỗi ··· 92

5.2.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm ··· 92

5.2.3.1 Đánh giá kết quả chẩn đoán mã lỗi trên xe ··· 92

5.2.3.2 Sơ đồ thí nghiệm máy chẩn đoán ··· 93

5.2.3.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm bằng máy chẩn đoán Inova 3133 ··· 94

Chương6: KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận ··· 96

6.2 Một số đề nghị ··· 97

6.3 Hướng phát triển của đề tài ··· 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO ··· 98

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG x HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

LIỆT KÊ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CAN Controller Area Network

DTC Diagnostic Trouble Codes

ECMElectronic Control Module

ECU Electronic Control Unit

ISO International Standard Organization

OBD On-Board Diagnostic

EOBDEuropean On Board Diagnostics

HDOBD Heavy Duty On-Board Diagnostic

CPU Central Proceeing Unit

LLC Logical Link Control

MAC Medium Access Control

PWM-Pulse-Width Modulation

ALU Arithmetic Logical Unit

NRZ None Return to Zero

NMT Network Mangement

VPW Variable Pulse Width

PWM Pulse Width Mdulation

KWP Keyword Protocol

SOF Start Of Frame

DMA Direct Memory Access

DLC Diagnostic Link Connector

LCD Liquid Crystal Display

CRC Cyclic Redundancy Code

PSW Program Status Word

SAE Society of Automotive Engineers

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Bộ nhớ định thời họ MSC-51 ··· 3

Bảng 1.2 : kế hoạch và thời gian thực hiện··· 9

Bảng 2.1: Vận tốc – Độ dài – Bit time ··· 16

Bảng 2.2: So sánh CAN low speed và CAN high speed ··· 17

Bảng 2.3: Thời gian của mỗi segment ··· 26

Bảng 2.4: Cơ chế đồng bộ ··· 29

Bảng 3.1: Các chế độ hoạt động ··· 41

Bảng 3.2: Bảng mã PIDs và cách giải mã ··· 54

Bảng 3.3: Mã hĩa Chế độ 1- PID01 ··· 55

Bảng 3.4: Cách mã hĩa quá trình kiểm tra ··· 55

Bảng 3.5: Mã hĩa Byte C và D ở động cơ xăng ··· 56

Bảng 3.6: Mã hĩa Byte C và D ở động cơ dầu ··· 56

Bảng 3.7: Mã hĩa Chế độ 1 –PID03 ··· 57

Bảng 3.8: Mã hĩa Chế độ 1 –PID12 ··· 57

Bảng 3.9: Mã hĩa Chế độ 1 –PID1C ··· 58

Bảng 3.10: Mã hĩa Chế độ 1 –PID41 ··· 59

Bảng 3.11: Mã hĩa Chế độ 3 đọc DTCs bit A7,A6 ··· 59

Bảng 3.12: Mã hĩa Chế độ 3 đọc DTCs bit A5,A4 ··· 59

Bảng 3.13: Mã hĩa Chế độ 3 đọc DTCs bit A3,A2,A1,A0 ··· 60

Bảng 3.14: Mã hĩa loại nhiên liệu··· 61

Bảng 3.15: Chức năng các bytes trong quá trình truyền ··· 62

Bảng 3.16: Chức năng các byte trong quá trình nhận ··· 62

Bảng 4.1: Các dịng PIC24H trên thị trường ··· 73

GVHD : PGS_TS ĐỖ VĂN DŨNG xii HVTH : KS NGUYỄN VĂN NGỌC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ chânAT89C51 ··· 4

Hình 1.2: Sơ đồ chân vi điều khiểnAT89S52 ··· 6

Hình 2.1: Tính ổn định của CAN ··· 11

Hình 2.2: Ví dụ về mạng CAN ··· 12

Hình 2.3: Một nút mạng CAN ··· 12

Hình 2.4: Mô hình mạng CAN ··· 13

Hình 2.5: Các lớp layer giao tiếp ··· 14

Hình 2.6: NRZ method ··· 15

Hình 2.7: Kỹ thuật Bit Stuffing ··· 15

Hình 2.8: Giản đồ thời gian ··· 15

Hình 2.9: Tốc độ tỉ lệ nghịch với độ dài Bus ··· 16

Hình 2.10: Điện áp của CAN low speed ··· 17

Hình 2.11: Điện áp của CAN high speed ··· 18

Hình 2.12: Sự kháng nhiễu với ảnh hưởng của điện từ ··· 18

Hình 2.13: Giải quyết tranh chấp trên Bus ··· 19

Hình 2.14: Khung truyền ··· 20

Hình 2.15 : CRC field ··· 20

Hình 2.16: Khung truyền dữ liệu CAN··· 21

Hình 2.17: CAN standard frame ··· 22

Hình 2.18: CAN Extended frame ··· 22

Hình 2.19: CAN remote frame ··· 23

Hình 2.20: CAN error frame··· 23

Hình 2.21: Baudrate định nghĩa thời gian cho 1 bit ··· 24

Hình 2.22: Mỗi bit được cấu tạo bởi 4 segments ··· 24

Hình 2.23: Cấu trúc của Time Quantum ··· 25

Hình 2.24: Số lượng Time Quanta có thể cho mỗi segment ··· 26

Hình 2.25: Vấn đề đồng bộ ··· 27

Hình 2.26: Chuỗi dịch chuyển độ dài Segment của Nominal Bit Time ··· 28

Hình 2.27: Sơ đồ khối bộ nhận CAN message ··· 30

Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ truyền CAN message ··· 30

Hình 2.29: Các loại lỗi khác nhau··· 31

Hình 2.30 Mô tả đường truyền đa hợp··· 33

Hình 2.31 Mô hình mạng CAN trên xe ··· 35

Hình 2.32 Mạng giao tiếp CAN với ECU trên xe ··· 36

Hình 2.33: Mạng giao tiếp CAN với ECU trên xe Volvo ··· 36

Hình 2.34: Sơ đồ mạng CAN trên xe Honda Civic 2007 ··· 37

Hình 2.35: Sơ đồ mạng CAN trên xe Vios 2007 ··· 39

Hình 2.36: Sơ đồ mạng CAN trên xe Toyota Yaris 2007··· 40

Hình 3.1 Giắc chẩn đoán OBD – 2 ··· 63

Hình 3.2: Hình 3.2: ý nghĩa các ký tự trong một mã lỗi ··· 64

Hình 3.3: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 9141 ··· 66

Hình 3.4:Dạng sóng của giao thức ISO 9141-2 ··· 66

Hình 3.5:Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp SAE J1850 VPW ··· 67

Hình 3.6: Dạng sóng của giao thức SAE J1850 VPW ··· 67

Hình 3.7:Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp SAE J1850 PWM ··· 67

Hình 3.8: Dạng sóng của giao thức SAE J1850 PWM ··· 67

Hình 3.9:Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 14320 KWP2000 ··· 69

Hình 3.10:Dạng sóng của giao thức KWP2000 ··· 69

Hình 3.11: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 15765 CAN ··· 70

Hình 3.12: Dạng sóng của giao thức ISO 15765 CAN ··· 70

Hình 4.1: Sơ đồ đóng gói kiểu 64-Pin TQFP ··· 74

Hình 4.2: Sơ đồ khối module CAN ··· 75

Hình 4.3: Sơ đồ mạch nguồn cấp 5V và 3.3V ··· 77

Hình 4.4: Mạch MCU sử dụng PIC24HJ64GP506A ··· 78

Hình 4.5: Mạch Vehicle Interface ··· 79