(Luận văn thạc sĩ) hệ thống truyền dữ liệu multiplex và can trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THỊ THU HIỀN HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU MULTIPLEX VÀ CAN TRÊN Ô TÔ NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ, MÁY KÉO - 605246 S KC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THỊ THU HIỀN HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU MULTIPLEX VÀ CAN TRÊN Ô TÔ NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ Ơ TƠ, MÁY KÉO - 605246 Tp Hồ Chí Minh, tháng …/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THỊ THU HIỀN HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU MULTIPLEX VÀ CAN TRÊN Ơ TƠ NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ Ơ TÔ, MÁY KÉO - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng …/ 2013 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài luận văn thạc sỹ, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô, đồng nghiệp bạn bè hết lịng giúp đỡ tơi hồn thành tốt đề tài luân văn :  Xin cảm ơn đến quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học ô tô niên khóa 2010-2012 trang bị cho nhiều kiến thức tảng để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp  Xin cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng hướng dẫn tận tình giúp tơi hồn thành luận văn  Xin cảm ơn Thầy phản biện đóng góp nhiều ý kiến q báo giúp tơi hồn thành tập luận văn  Xin cảm ơn Thầy Cơ khoa khí động lực, bạn học viên tận tình giúp đỡ thời gian thực luận văn Học viên thực Vũ Thị Thu Hiền iii Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao để tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Danh sách chữ viết tắt v Danh sách hình viii Danh sách bảng xiii MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đối tƣợng nghiên cứu 10 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 10 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 10 1.4 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu 10 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 10 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 11 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU MULTIPLEX TRÊN Ô TÔ 12 2.1 Khái niệm truyền liệu - truyền thông 12 2.2 Hệ thống thông tin đa dẫn Multiplex (MPX) 13 GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 1- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 2.2.1 Khái quát chung 14 2.2.2 Ưu điểm hệ thống MPX 15 2.2.3 Lịch sử phát triển 17 2.2.4 Các đặc điểm MPX 18 2.2.4.1 Đường truyền tín hiệu 18 2.2.4.2 Các loại hệ thống truyền tín hiệu 20 2.2.4.3 Các mô hình mắc ECU hệ thống MPX 21 2.2.4.4 Mạch kết nối khép kín 23 2.2.4.5 Chế độ “nghỉ” “sẵn sàng” 24 2.2.5 Chức MPX (Xêri LS 430, UCF 30) 26 2.2.5.1 Liên lạc nhiều đường truyền 26 2.2.5.2 Các phận mạng 26 2.2.5.3 Đường truyền cho hệ thống cửa 27 2.2.5.4 Đường truyền hệ thống trục lái 30 2.2.5.5 Đường truyền cho bảng táplô 33 2.2.5.6 ECU trung tâm 36 2.2.6 Sơ đồ khối số xe sử dụng hệ thống MPX 39 2.2.7 Chẩn đoán hư hỏng hệ thống MPX 41 2.2.7.1 Mô tả chẩn đoán 41 2.2.7.2 Cách tiến hành chuẩn đoán 43 2.2.8 Hệ thống MPX năm gần 50 2.2.8.1 Giao tiếp nhiều kênh (MULTI – BUS COMMUNICATION) 50 2.2.8.2 Gateway ECU 50 Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU CAN TRÊN Ô TÔ 53 3.1 Hệ thống mạng CAN (Control Erea Network) 53 3.1.1 Tổng quát mạng CAN 53 3.1.1.1 Khái niệm 53 3.1.1.2 Các lớp CAN (CAN layer) 54 GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 2- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 3.1.2 Mơ hình lớp 54 3.1.2.1 Giới thiệu 54 3.1.2.2 Khái quát ISO-11898-2 56 3.1.2.3 Mức bus 57 3.1.2.4 Giắc nối dây dẫn 58 3.1.2.5 Yêu cầu khả hoạt động 59 3.1.2.6 Chiều dài BUS 59 3.1.3 Các thuộc tính CAN 60 3.1.4 Phân loại CAN 62 3.1.5 Các loại thông điệp dùng CAN (message) 62 3.1.5.1 Data frame (khung liệu) 62 3.1.5.2 SOF (Start of Frame) 64 3.1.5.3 Arbitration field (trường phân chia) 64 3.1.5.4 Control field 66 3.1.5.5 Data field: 67 3.1.5.6 CRC field 67 3.1.5.7 ACK field 68 3.1.5.8 End of Frame (kết thúc khung) 68 3.1.5.9 Interframe space 68 3.1.5.10 Remote frame (khung tách biệt) 68 3.1.5.11 Error frame (khung lỗi) 70 3.1.5.12 Overload frame (khung tải) 71 3.1.6 Giao thức giao tiếp mạng CAN 72 3.1.6.1 Giao thức giao tiếp hệ thống CAN giao thức CSMA/CD 72 3.1.6.2 Message-Based Communication (giao tiếp dựa thông điệp) 73 3.1.6.3 Fast, Robust Communication (giao tiếp nhanh, khỏe) 74 3.1.6.4 Collision (sự va chạm) 78 3.1.7 CAN Bit timing 78 3.1.7.1 Giới thiệu 78 GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 3- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 3.1.7.2 Phân đoạn truyền thời gian 80 3.1.7.3 Phân đoạn vùng đện đồng hóa 82 3.1.7.4 Dao động phạm vi dung sai 85 3.1.7.5 Cấu hình giao thức CAN điều khiển 86 3.1.7.6 Sự đo lường Mode delay times 88 3.1.7.7 Kết luận 91 3.1.8 Mạch bảo bệ CAN bus 93 3.1.8.1 Phần cứng 93 3.1.8.2 Đặc tính kỹ thuật phận thu phát CAN transceiver 98 3.2 Hệ thống truyền liệu CAN xe TOYOTA YARIS 109 3.2.1 Kết nối (kiểu Bus) 109 3.2.2 Vị trí chi tiết: 110 3.2.3 Hệ thống truy cập 113 3.2.4 Phát liệu 113 3.2.5 Gói liệu 114 3.2.6 Phát lỗi 114 Chƣơng 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU CAN TRÊN Ô TÔ 115 4.1 Thu thập số liệu điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô 115 4.1.1 Các thơng số tín hiệu đầu vào hệ thống truyền liệu CAN ô tô 115 4.1.1.1 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động 115 4.1.1.2 Cảm biến nhiệt độ xe 115 4.1.1.3 Bảng điều khiển 117 4.1.2 Cơ cấu chấp hành hệ thống truyền liệu CAN ô tô 117 4.1.2.1 Motor quạt két nước làm mát động 117 4.1.2.2 Motor servo để đóng mở cánh trộn khí 117 4.2 Thiết kế, chế tạo mạch ECU mô hệ thống truyền liệu CAN ô tô 119 GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 4- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 4.2.1 Sơ đồ khối sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô 119 4.2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền liệu CAN ô tô 119 4.2.1.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô 120 4.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô 121 4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô 121 4.2.2.2 Thành phần mạch ECU điều khiển motor quạt motor servo trộn khí 121 Chƣơng 5: THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU CAN TRÊN Ơ TƠ 126 5.1 Mục tiêu thí nghiệm 126 5.2 Thiết bị thí nghiệm 126 5.3 Sơ đồ đấu dây 128 5.5 Kết thí nghiệm 128 5.6 Đánh giá kết thí nghiệm 135 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 136 6.1 Kết luận 136 6.2 Đề nghị 136 6.3 Hƣớng phát triển đề tài 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC 139 GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 5- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Trong năm gần đây, đặc tính ơtơ đại phát triển việc điều khiển điện tử cách nhanh chóng, có nhiều hệ thống điều khiển khác việc điều khiển địi hỏi phải xác Vấn đề đặt gia tăng cách mạnh mẽ số lượng dây điện, tổng khối lượng dây điện xấp xỉ 50 kg tổng chiều dài dây gần km Để giải vấn đề này, nhà sản xuất ôtô chủ động phát triển hệ thống thông tin đa dẫn Multiplex gọi tắt MPX MPX hệ thống giao tiếp dùng để nhận hay truyền hay nhiều liệu trở lên thông qua đường dây giao tiếp Mỗi ECU điều khiển hệ thống kết nối với MPX Ngày hệ thống điều khiển chia thành nhiều cụm khác điều khiển máy tính riêng rẽ khác Do số lượng dây dẫn cảm biến ngày tăng, dẫn đến việc chẩn đoán sữa chữa gặp nhiều khó khăn Chính điều thúc đẩy cho đời số hệ thống mạng điều khiển, có mạng CAN CAN viết tắt Controller Area Network, tạm dịch “Mạng ECU” hay gọi tắt mạng CAN, công nghệ mạng ghép nối tiếp, phát triển Robert Bosch GmbH vào năm đầu thập niên 1980 Vào thời gian đầu, mạng CAN sử dụng rộng rãi cơng nghiệp tự động hóa ứng dụng xe hơi, xe tải ngày mạng CAN thể tính ưu việt lĩnh vực khác hàng không, vũ trụ, y học thiết bị sử dụng cho gia đình như: máy giặt, máy sấy….Mạng CAN có lợi hệ thống kênh ghép nối tiếp lược bớt dây dẫn, tăng cường khả điều khiển, giảm bớt số lượng cảm biến, phát lỗi dễ dàng, thuận tiện việc chẩn đoán sữa chữa GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 6- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Hình 5.11: Dạng sóng điều khiển motor servo mức thấp (0o) quạt mức cao Hình 5.12: Dạng sóng điều khiển motor servo mứ trung bình (90o) quạt mức trung bình GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 133- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Hình 5.13: Dạng sóng điều khiển motor servo mức cao (180o) quạt mức cao GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 134- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 5.6 Đánh giá kết thí nghiệm Qua thí nghiệm kiểm tra dạng xung điều khiển motor servo tốc độ quạt két nước làm mát chế độ khác ta đánh giá xung điều khiển phù hợp Mạch điều khiển làm việc tốt đạt yêu cầu GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 135- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 6.1 Kết luận Qua thời gian thực đề tài luận văn tốt nghiệp với nỗ lực thân với tận tình thầy hướng dẫn Đề tài đạt số kết sau: - Đã nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống truyền liệu Multiplex CAN ô tô - Đã thu thập thông số đầu vào cảm biến nhiệt độ phòng nhiệt độ nước động - Đã nghiên cứu sở lý thuyết vi điều khiển Atmega16, lập trình vi điều khiển, chọn linh kiện điện tử phù hợp từ làm sở cho việc điều khiển motor quạt motor servo - Thiết kế chế tạo thành công hộp ECU hệ thống truyền liệu CAN ô tô Sau hộp ECU lắp đặt thử nghiệm thành cơng mơ hình - Mơ hình mơ hệ thống truyền liệu CAN ô tô chế tạo từ đề tài dùng để giảng dạy nghiên cứu hệ thống truyền liệu CAN tơ 6.2 Đề nghị Nếu có thêm thời gian điều kiện tốt hơn, người nghiên cứu thiết kế mơ hình điều khiển nhiều hệ thống lúc ô tô 6.3 Hƣớng phát triển đề tài Với mục đích chế tạo mạch điều khiển mơ hình điều khiển hệ thống truyền liệu Multiplex CAN ô tô, mô hệ thống truyền liệu CAN ô tô, dựa tham số thực nghiệm cảm biến nhiệt độ để điều khiển motor nên tính đa dạng mơ hình chưa cao, đề nghị rằng: GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 136- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Cần thiết kế mơ hình điều khiển nhiều hệ thống lúc sử dụng mạng CAN, nhằm đánh giá cách trực quan Tơi hy vọng tiếp tục đóng góp cơng sức vào dự định phát triển thêm đề tài Cuối lần xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng tận tình hướng dẫn tơi thực đề tài GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 137- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Tài liệu đào tạo TEAM 21 Toyota Tài liệu đào tạo hệ thống giao tiếp xe hãng Huyndai Toyota Tài liệu tham khảo hãng xe Posch CiA, CANopen Hoàng Minh Sơn , Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2007 Ngô Diên Tập, Kỹ Thuật Vi Điều Khiển Với AVR, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003 TIẾNG NƢỚC NGOÀI Mathony, H., Kaiser, K., and Unruh, J., "Network Architecture for CAN," SAE Technical Paper 930004, 1993, Alvarenga, C., "Multiplexing in Automobiles - An Application Example of the CAN Protocol," SAE Technical Paper 921504, 1992, Hillyer, M., "Using Motors in Automotive Multiplex Systems," SAE Technical Paper 860394, 1986, Mahalek, J., "Multiplex Systems in the BMW 850i," SAE Technical Paper 920225, 1992, 10 Dogan Ibrahim , Controller Area Network Projects 11 http://papers.sae.org/ 12 http://www.canbus.us/ 13 http://www.can.bosch.com 14 www.camrystuff.com 15 www.dientu.com 16 www.vgamdieukhien.net 17 www.google.com.vn GVHD: PGS_TS Đỗ Văn Dũng HVTH: KS Vũ Thị Thu Hiền - 138- Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học PHỤ LỤC Chƣơng trình xử lý vi điều khiển hệ thống truyền liệu CAN ô tô #include #include // Alphanumeric LCD functions //#include int avg_data; #asm equ lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm #include char flash *str1="VU THI THU HIEN "; //chuoi ki tu viet tren Flash int i; // Standard Input/Output functions #include #define DATA_REGISTER_EMPTY (1