NGHIÊN CỨU MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ.

• Nghiên cứu lý thuyết về mạng truyền thông CAN. • Tìm hiểu cách ứng dụng truyền tin bằng mạng CAN trên module CAN MCP2515. • Tìm hiểu các thiết bị phần cứng hỗ trợ như Arduino, module CAN MCP2515 và phần mềm Arduino. • Tiến hành thực nghiệm. • Sử dụng máy đo xung Hantek 6022BE để phân tích xung CAN. • Đánh giá và đưa ra kết luận.

Bộ Giáo Dục Đào Tạo ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: I Nội dung : • Nghiên cứu lý thuyết mạng truyền thơng CAN • Tìm hiểu cách ứng dụng truyền tin mạng CAN module CAN MCP2515 • Tìm hiểu thiết bị phần cứng hỗ trợ Arduino, module CAN MCP2515 phần mềm Arduino • Tiến hành thực nghiệm • Sử dụng máy đo xung Hantek 6022BE để phân tích xung CAN • Đánh giá đưa kết luận • Viết thuyết minh đề tài II Trình bày : Thuyết minh đề tài: 01 thuyết minh III Thời gian thực : Ngày bắt đầu : Ngày hồn thành : Tp Hồ Chí Minh, ngày…,tháng…,năm 2020 TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2019 GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN Được phân công Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với đồng ý thầy giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng tơi thực nghiên cứu khoa học với đề tài “Nghiên cứu mạng CAN ô tô” Trước hết cho phép gởi lời cảm ơn sâu sắc dành cho thầy người suốt hành trình vừa Cảm ơn thầy bảo tận tình, lo lắng, hối thúc động viên Nhóm chúng tơi xin cảm ơn thầy PGS Ts Đỗ Văn Dũng mang đến cho môi trường đào tạo tốt với tập thể quý giảng viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật hết lòng dạy dỗ, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức trình học tập rèn luyện để chúng tơi tiếp cận gần ngành nghề chọn Bên cạnh xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè hết lịng ủng hộ, giúp đỡ góp ý cho nhóm tơi suốt q trình thực Trong suốt trình thực hiện, nỗ lực hết mình, song khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận thêm đóng ý kiến, phê bình từ thầy bạn sinh viên Một lần xin cảm ơn chúc sức khỏe quý thầy cô bạn ! Tp,HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2020 Nhóm thực đề tài iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề “ Nghiên cứu mạng truyền CAN ô tô” bao gồm: Phần 1: Nghiên cứu sở lý thuyết mạng CAN Phần 2: Tìm hiểu truyền tín hiệu mạng CAN sử dụng mạch MCP2515 Phần 3: Sử dụng máy đo xung Hantek 6022BE để đo phân tích xung đường truyền CAN Đi đến kết luận hướng phát triển v MỤC LỤC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x DANH MỤC CÁC BẢNG xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Kế hoạch thực hiện: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển mạng CAN 2.2 Cấu trúc mạng CAN 2.2.1 Hệ thống nút (node) mạng lưới CAN 2.2.2 Mã hóa tín hiệu truyền 2.2.3 Bộ phận truyền tín hiệu điện dây dẫn 2.3 Giao thức CAN vi 2.3.1 Các tầng giao thức CAN 2.3.2 Nguyên lý đa nút truyền không sử dụng xử lý trung tâm ( multimaster) 2.3.3 Nguyên tắc gửi tin dựa vào nội dung tin (Content-based addressing) 2.3.4 Quản lý đường truyền 10 2.3.5 Định dạng tin nhắn CAN 12 2.3.6 Phát lỗi CAN 15 2.3.7 Xử lý lỗi CAN 16 2.4 Phần cứng 17 2.4.1 Bộ điều khiển CAN (CAN controller) 17 2.4.2 Bộ thu phát CAN (CAN transceiver) 17 2.5 Nguyên lý truyền nhận tin hệ thống ô tô sử dụng mạng CAN 17 2.5.1 Truyền tín hiệu 17 2.5.2 Nhận tín hiệu 18 CHƯƠNG 3: THỰC HÀNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỬ DỤNG MODULE CAN MCP2515 20 3.1 Module CAN MCP2515: 20 3.1.1 Thông số kỹ thuật 20 3.1.2 Sơ đồ chân 21 3.2 Mạch Arduino 21 3.3 Giao tiếp hai Arduino sử dụng module CAN MCP2515 22 3.3.1 Sơ đồ nối dây 22 3.3.2 Đoạn chương trình vào Arduino 23 3.3.3 Kết 26 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA XUNG TRUYỀN CAN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN BẰNG MÁY ĐO XUNG HANTEK 6022BE 27 vii 4.1 Máy đo xung HANTEK 6022BE 27 4.2 Sử dụng phần mềm HANTEK 6022BE 28 4.2.1 Tải phần mềm driver 28 4.2.2 Cài đặt phần mềm driver Hantek 6022BE 28 4.4 Kết thực phân tích xung CAN 31 4.5 Đánh giá 32 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33 5.1 Kết luận 33 5.2 Hướng phát triển 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAN: Control Network Area ISO: International Organization for Standardization ID: Identifier RTR: Remote Transmission Request SRR: Substitute Remote Request IDE: Identifier Extension Bit CRC: Cyclic Redundancy Checksum ACK: Acknowledge) SRR: Substitute Remote Request ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Cấu trúc mạng CAN Hình 2.2: Một nút hệ thống CAN Hình 2.3: Phương pháp mã hố Non-return-to-zero Hình 2.4: Truyền tín hiệu vi sai tính chất chống nhiễu đường truyền Hình 2.5: Mức điện áp đường truyền CAN tốc độ cao Hình 2.6: Mức điện áp đường truyền CAN tốc độ thấp Hình 2.7: Điện trở hai đầu đường dây truyền CAN Hình 2.8: Nguyên lý nhận tin dụa vào ID tin nhắn CAN Hình 2.9: Phân giải đường truyền CAN Hình 2.10: Khung yêu cầu truyền (Remote frame) CAN Hình 2.11: Khung báo lỗi (Erro frame) CAN Hình 2.12: Hai dạng khung liệu CAN (Data frame Hình 2.13 : Phương pháp bảo toàn, nhồi bit liệu CAN Hình 2.13 : Truyền nhận tín hiệu số hệ thống tơ sử dụng mạng CAN Hình 3.1 Module CAN MCP2515 Hình 3.2: Arduino Uno Hình 3.3: Sơ đồ nối dây module CAN MCP2515 Arduino Hình 3.4: Hiển thị Nút CAN gửi tin thành cơng Hình 3.5: Nút CAN nhận thành cơng, hiển thị ID ,nội dung tin nhắn lên hình Hình 4.1: Máy đo xung Hantek 6022BE Hình 4.2: Tải phần mềm Hantek 6022 driver từ trang chủ Hình 4.3: Giao diện cài đặt Hantek 6022BE Hình 4.4: Giao diện chọn nơi lưu trữ chương trình cài đặt Hantek 6022BE Hình 4.5: Giao diện giao diện tiến trình cài đặt Hantek 6022BE Hình 4.6: giao diện phần mềm hantek 6022BE Hình 4.7: Kết thu đo xung Hình 4.8: Phân tích xung CAN x CHƯƠNG 3: THỰC HÀNH TRUYỀN TÍN HIỆU SỬ DỤNG MODULE CAN MCP2515 3.1 Module CAN MCP2515: Hình 3.1 Module CAN MCP2515 3.1.1 Thơng số kỹ thuật Module CAN MCP2515 board mạch bao gồm CAN controller MCP 2515 CAN trasceiver hỗ trợ tốc độ truyền cao TJA1050 Kết nối với vi xử lý sử dụng giao thức truyền SPI Kích thước 40x28 mm Thạch anh tạo xung 8MHz Tích hợp điện trở 120Ohm mạch Hỗ trợ truyền với tốc độ Mb/s Chế độ standby tiêu thụ dòng thấp Hỗ trợ kết nối 120 nút cho toàn hệ thống 20 3.1.2 Sơ đồ chân Tên chân Chức VCC Nguồn (5V) GDN Chân Ground CS SPI Slave (chân giao thức SPI) SO SPI MISO (chân giao thức SPI) SI SPI MOSI (chân giao thức SPI) SCLK SPI Clock (chân giao thức SPI) INT Chân ngắt Bảng 3.1: Sơ đồ chân module MCP2515 3.2 Mạch Arduino Mạch Ardino sử dụng để gởi liệu ( số) thông qua mạng CAN đế đưa qua cho mạch Arduino thứ Hình 3.2: Arduino Uno Giữa Arduino giao tiếp với module CAN sử dụng giao thức SPI Trong chân phục cho giao thức SPI Arduino là: Chân Chức D10 SPI SS D13 SPI SCK D12 SPI MISO D11 SPI MOSI Bảng 3.2: Sơ đồ chân giao tiếp SPI Arduino Uno 21 3.3 Giao tiếp hai Arduino sử dụng module CAN MCP2515 3.3.1 Sơ đồ nối dây Chân Arduino +5V GND D10 (SPI_SS) D12 (SPI_MISO) D11 (SPI_MOSI) D13 (SPI_SCK) Chân MCP2515 MPC2515 - VCC MPC2515 - GND MPC2515 - CS MPC2515 - SO MPC2515 - SI MPC2515 - SCK Bảng 3.3: Sơ đồ chân nối dây Arduino Uno module CAN MCP2515 Hình 3.3: Sơ đồ nối dây module CAN MCP2515 Arduino 22 3.3.2 Đoạn chương trình vào Arduino • Chương trình gửi: #include // Thư viện khai báo cho giao thức truyền SPI #include //Thư viện cho giao tiếp CAN struct can_frame canMsg; // Tạo khung chứa thông tin cần truyền MCP2515 mcp2515(10); // Set chân cho giao thức SPI void setup() { while (!Serial); Serial.begin(9600); SPI.begin(); // Lệnh bắt đầu truyền giao thức SPI mcp2515.reset(); mcp2515.setBitrate(CAN_500KBPS,MCP_8MHZ); //tốc độ truyền 500KBPS and tần số dao động xun 8MHz mcp2515.setNormalMode(); // Set chế độ bình thường } void loop() { canMsg.can_id = 0x1110000; //CAN id as 0x036 // gán ID cho tin nhắn canMsg.can_dlc = 8; // khai báo độ dài liệu (data) canMsg.data[0] = 0x11000; // Truyền số 99 canMsg.data[1] = 0x00; // Truyền số 98 canMsg.data[2] = 0x00; //Rest all with canMsg.data[3] = 0x00; canMsg.data[4] = 0x00; canMsg.data[5] = 0x00; 23 canMsg.data[6] = 0x00; canMsg.data[7] = 0x00; mcp2515.sendMessage(&canMsg); delay(1000); //Lệnh gởi tin } • Chương trình nhận: #include // Thư viện khai báo cho giao thức truyền SPI #include //Thư viện cho giao tiếp CAN struct can_frame canMsg; // Tạo khung chứa thông tin nhận MCP2515 mcp2515(10); // Set chân cho giao thức SPI void setup() { while (!Serial); Serial.begin(9600); SPI.begin(); // Lệnh bắt đầu truyền giao thức SPI mcp2515.reset(); mcp2515.setBitrate(CAN_500KBPS,MCP_8MHZ); //tốc độ truyền 500KBPS and tần số dao động xun 8MHz mcp2515.setNormalMode(); // Set chế độ bình thường } void loop() { if (mcp2515.readMessage(&canMsg) == MCP2515::ERROR_OK) // Lệnh nhận tin nhắn 24 { int x = canMsg.data[0]; Serial.println(x); // Hiển thị tin nhắn số 11000 } } 25 3.3.3 Kết a Bên truyền Hình 3.4: Hiển thị Nút CAN gửi tin thành cơng b Bên nhận Hình 3.5: Nút CAN nhận thành công, hiển thị ID ,nội dung tin nhắn lên hình 26 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA XUNG TRUYỀN CAN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN BẰNG MÁY ĐO XUNG HANTEK 6022BE 4.1 Máy đo xung HANTEK 6022BE Hình 4.1: Máy đo xung Hantek 6022BE Máy đo PC Oscilloscope Hantek 6022BE sử dụng để đo hiển thị tín hiệu điện lên máy tính qua cổng giao tiếp USB sử dụng nguồn trực tiếp từ máy tính, máy có kênh đo tín hiệu Analog Oscilloscope tần số tối đa 20Mhz Vận hành nhiều hệ điều hành khác Máy gồm 23 chức đo THực đo lưu kết dạng text file, jpg.bmp, MS excel hay word 27 4.2 Sử dụng phần mềm HANTEK 6022BE 4.2.1 Tải phần mềm driver Để sử dụng máy đo xung trên, máy tính cần phải cài đặt phần mềm Hantek 6022 có sẵn trang chủ nhà sản xuất cài đặt Driver để máy tính nhận dạng cổng USB từ máy đo xung kết nối vào Hình 4.2: Tải phần mềm Hantek 6022 driver từ trang chủ 4.2.2 Cài đặt phần mềm driver Hantek 6022BE Sau tải về, giải nén file Hantek 6022BE chọn Setup.exe để tiến hành cài đặt Sau nhấn đúp chuột vào field Setup.exe, giao diện sau thị: 28 Hình 4.3: Giao diện cài đặt Hantek 6022BE Bấm Next liên tiếp qua cửa sổ giao diện hiển thị cửa sổ sau: Hình 4.4: Giao diện chọn nơi lưu trữ chương trình cài đặt Hantek 6022BE 29 Ở giao diện này, chương trình mặc định sẵn cho nơi lưu trữ file nguồn chạy chương trình nằm ổ đĩa C\Program Files (x86), thay đổi nơi lưu cách nháy chuột vào Browser chọn nơi lưu trữ theo ý muốn Sau bấm Next chương trình hiển thị giao diện tiến trình cài đặ, chép file cài đặt vào ổ đĩa cài máy tính: Hình 4.5: Giao diện giao diện tiến trình cài đặt Hantek 6022BE Sau cài đặt, có biểu tượng tự động tạo hình Desktop Nháy đúp chuột ta vào giao diện chương trình 30 Hình 4.6: giao diện phần mềm hantek 6022BE 4.4 Kết thực phân tích xung CAN Hình 4.7: Kết thu đo xung 31 Hình 4.8: Phân tích xung CAN 4.5 Đánh giá Chúng tơi thực chương trình gởi tin nhắn với địa 11110000 với nội dung 11000 qua mạng CAN sử dụng module MCP251 Tốc độ gởi tin khởi tạo ban đầu 1MB/s Qua quan sát xung, kết phân tích xung hồn tồn trùng khớp với chương trình viết trước Tốc độ gởi nhanh, xảy lỗi đường truyền chúng tơi có quan sát thuật Bit Stuffing trên máy đo xung (số in đậm màu vàng hình 4.8) 32 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Chúng tơi hồn thành mục tiêu đề từ đầu nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý mạng CAN, ứng dụng thực tế tiến hành thực nghiệm truyền liệu sử dụng module CAN MCP2515 Sau tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu, thực nghiệm ứng dụng lí thuyết vừa đọc vào việc đặt ID cho tin nhắn truyền mạng CAN, khởi tạo tốc độ truyền hay phân tích nội dung tin nhắn gửi qua máy đọc xung phân tích thuật Bit Stufffing mà hệ thống gán cho tin truyền để đảo bảo nội dung đường truyền Qua nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu mạng CAN ô tô” giúp hiểu khái niệm mạng truyền thông, cụ thể mạng CAN ô tô _ xu hướng truyền thông ứng dụng rộng rãi Mạng CAN tiền đề để chúng tơi nghiên cứu xa ứng dụng mơi trường cơng nghiệp chuỗi máy móc liên kết với sử dụng CAN bus, chuỗi drive khuếch đại xung điều khiển servo motor máy CNC sử dụng mạng CANopen 5.2 Hướng phát triển Chúng tiếp tục nghiên cứu mạng CAN đưa lý thuyết vào thực nghiệm thơng qua mơ hình điều khiển điện thân xe bao gồm motor, đèn Mơ hình gồm điều khiển chấp hành Bộ điều khiển bao gồm vi xử lý nhận tín hiệu từ lidar vào để phát vật cản Nếu có vật cản, vi xử lý xuất tín hiệu điều khiển qua sang chấp hành thông qua mạng CAN Tại đây, chấp hành module hai relay điều khiển bốn đèn cảnh báo chớp tắt còi vang lên báo hiệu Sau dự án tiếp tục nghiên cứu CANopen, mở rộng CAN để tiến hành điều khiển driver servo motor rẻ lái tránh vật cản Chúng nhận tín hiệu vật cản từ điều khiển mơ hình phía trên, thêm vào tín hiệu điều khiển thông qua CANopen vào driver điều khiển servo motor, driver điều khiển motor trợ lực lái rẻ sang hướng khác gặp vật cản 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics: Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (Bosch Professional Automotive Information) [2] Wolfhard Lawnrenz, “CAN System Engineering, From Theory to Practical Applications” Trang web [1] https://www.academia.edu/14283909/CONTROLLER_AREA_NETWORK [2] https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/arduino-can-tutorial-interfacingmcp2515-can-bus-module-with-arduino [3] https://www.electronicshub.org/arduino-mcp2515-can-bustutorial/#:~:text=The%20MCP2515%20CAN%20Bus%20Controller%20is%20a%20sim ple%20Module%20that,shown%20in%20the%20image%20below 34