Tiến hành chẩn đoán OBD-2 theo trình tự các bƣớc sau: Chuẩn bị động cơ khảo nghiệm
Kết nối thiết bị chẩn đoán với động cơ khảo nghiệm (qua đầu nối DLC3) và thiết bị với máy tính.
Tiến hành các thao tác khai báo ban đầu (khai báo kết nối thiết bị, khai báo động cơ, năm sản xuất)
Khởi động động cơ, cho động cơ hoạt động ổn định Kiểm tra chế độ đọc dữ liệu hiện thời
Kiểm tra hiển thị các mã lỗi đƣợc lƣu trong ECU
Tắt động cơ, khắc phục sự cố (nếu phát hiện thấy mã lỗi) Bật khóa điện ở vị trí ON, tiến hành xoá lỗi.
Các hình 2.23, 2.24 giới thiệu thiết bị chẩn đoán nhập ngoại đƣợc sử dụng trong nƣớc
Hình 2.23. Thiết bị chẩn đoán CARMAN SCAN II
Hình 2.24. Thiết bị chẩn đoán CARMAN SCAN VG
Kết Luận:
Với hệ thống chẩn đoán OBD1 còn nhiều hạn chế nhƣ khả năng kiểm soát các thông tin trên xe ít, các mã lỗi trên xe của mỗi hãng xe lại khác nhau mà nỗi 1, 2 ký tự, đầu giắc chẩn đoán cũng chƣa thống nhất (DLC1, DLC2). Không giống nhƣ chẩn đoán OBD1, OBD2 đã đƣợc nâng cấp, cải tiến rất nhiều nhƣ khiểm soát các thông tin trên xe hơn OBD1, mã nỗi đƣợc chuẩn hóa 5 ký tự, các hãng xe đều dùng chung 1 đầu gắc chẩn đoán DLC3.
Để chẩn đoán OBD2 cần phải có thiết bị để đọc lỗi, xóa lỗi sau khi đã khắc phục sự cố, hiện nay có hai loại thiết bị chẩn đoán: thiết bị chẩn đoán dùng riêng cho từng hãng xe và thiết bị dùng chung cho các hãng xe (thiết bị đa năng), thiết bị có thể làm việc đƣợc với các giao thức khác nhau của chẩn đoán OBD-2.
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN LỖI THEO CHUẨN OBD 2 3.1. Yêu cầu và ý nghĩa của việc thiết kế
Mục tiêu nghiên cứu quan trọng của đề tài là: nghiên cứu thiết kế hệ thống chẩn đoán OBD – 2 để chẩn đoán lỗi các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô. Các yêu cầu chính mà hệ thống đƣợc thiết kế phải đạt đƣợc bao gồm:
Hệ thống phải có các khả năng chẩn đoán lỗi, xóa lỗi, hiển thị các thông số làm việc hiện thời của động cơ, xe ô tô và có thể mô tả lỗi, phân tích các nguyên nhân, vị trí (trong hệ thống) mà ở đó có khả năng là nguyên nhân gây ra lỗi,
Hệ thống phải có tính khả thi trong điều kiện nghiên cứu chế tạo đơn chiếc, có thể thiết kế chế tạo trong nƣớc trên cơ sở các linh kiện, nguyên vật liệu thông dụng trên thị trƣờng trong nƣớc, có khả năng chẩn đoán lỗi các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô đang lƣu hành thông dụng ở trong nƣớc. Giao diện điều khiển cũng nhƣ các thông báo lỗi đƣợc biểu thị bằng tiếng việt để phù hợp và thuận tiện cho phần lớn các kỹ thuật viên sửa chữa ôtô, các xƣởng qui mô vừa và nhỏ. Hệ thống chẩn
đoán lỗi cần phải linh hoạt, thao tác nhanh chóng không làm gián đoạn sự làm việc của động cơ, có thể cập nhật các số liệu mời thuận lợi.
3.2. Phân tích lựa chọn phƣơng án thiết kế.
Có nhiều phƣơng án thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô, trong số đó các phƣơng án khả thi có thể là:
Thiết kế hệ thống chẩn đoán chuyên dụng cho từng loại động cơ. Trên cơ sở các số liệu khảo sát động cơ cụ thể, các mã lỗi và giao thức phát mã (đối với chuẩn OBD-2), để tiến hành thiết kế hệ thống chẩn đoán. Ƣu điểm chính của phƣơng án này là chỉ sử dụng chẩn đoán có hiệu quả với đúng loại động cơ làm cơ sở chọn thiết kế. Hệ thống chẩn đoán nhƣ trên không có khả năng chẩn đoán lỗi cho nhiều loại động cơ.
Phƣơng án thiết kế hệ thống chẩn đoán đa năng có khả năng chẩn đoán lỗi cho nhiều loại động cơ khác nhau: một hệ thống chẩn đoán đa năng sẽ tiện lợi trong việc chẩn đoán, sửa chữa. Tuy nhiên để xây dựng một hệ thống chẩn đoán nhƣ vậy cần phải có cơ sở dữ liệu đầy đủ về các mã lỗi cũng nhƣ giao thức phát mã của các loại động cơ, có mạch xử lý mạnh kết hợp phần mềm điều khiển linh hoạt. Hiện tại nhiều hãng sản xuất thiết bị đã cung cấp nhiều loại thiết bị chẩn đoán đa năng. Tuy nhiên, các thiết bị này sử dụng giao diện tiếng anh, nhiều từ chuyên môn viết tắt gây khó khăn cho ngƣời sử dụng, thêm nữa, giá bán các thiết bị nhập ngoại này khá cao chƣa phù hợp với điều kiện trang bị của các xƣởng sửa chữa bảo dƣỡng xe loại vừa và nhỏ trong nƣớc.
Thành phần quan trọng của hệ thống là thiết bị chẩn đoán. Cho đến nay thiết bị chẩn đoán cầm tay vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi. Trong một thiết bị nhỏ gọn (cầm tay) tích hợp các mạch xử lý điên tử và màn hình LCD để hiển thị các thông tin và giao diện sử dụng (hình 3.1). Thiết bị chẩn đoán cầm tay có nhƣợc điểm cơ bản là hạn chế lƣợng các thông tin hiển thị, do đó gây khó khăn cho ngƣời sử dụng.
Hình 3.1. Thiết bị cầm tay để chẩn đoán lỗi OBD-2
Phƣơng án xây dựng hệ thống chẩn đoán trên cơ sở kết nối máy tính là một giải pháp sử dụng có hiệu quả cao cả về khả năng xử lý thông tin cũng nhƣ thiết kế giao diện sử dụng thân thiện. Hệ thống chẩn đoán này nhận các thông tin từ ECU của hệ thống ĐKĐT, chuyển đổi chúng và hiển thị trên màn hình máy tính. Khi thiết kế chƣơng trình máy tính có thể tạo các menu, thực hiện các tính toán chuyển đổi, các giao diện, các hình thức hiển thị thông tin linh hoạt. Ngoài ra, việc lƣu trữ các thông tin, in ấn các kết quả chẩn đoán qua máy tính thuận lợi và đầy đủ hơn so với sử dụng thiết bị cầm tay.
Phƣơng án thiết kế có hiệu quả nhất là sử dụng các thông tin của hệ thống tự chẩn đoán có sẵn trong hệ thống ĐKĐT cho các động cơ theo chuẩn OBD-2 mà đề tài đã đăng ký.
Qua các phân tích trên, đề tài đã chọn lựa phƣơng án thiết kế hệ thống chẩn đoán đa năng trên cơ sở kết nối máy tính và thiết kế chế tạo mẫu thiết bị chẩn đoán dùng cho các động cơ sản xuất từ 1996 tới nay, còn ở Việt Nam từ 2007 tới nay (dùng chuẩn OBD-2)
3.2.1. Các thành phần của HTCĐ trên cơ sở kết nối máy tính
Trên hình 3.2 mô tả các thành phần của hệ thống chẩn đoán trên cơ sở kết nối máy tính gồm có: thiết bị kết nối, máy tính, dây cáp kết nối chuyên dụng.
Tích hợp giao diện CAN
Màn hình cảm ứng và bàn phím
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống chẩn đoán trên cơ sở kết nối máy tính
Thiết bị kết nối thực hiện các chức năng: thu nhận thông tin từ đầu nối chẩn đoán của động cơ ôtô, truyền các thông tin qua mạch truyền nhận và dây cáp đến cổng giao tiếp tƣơng ứng của máy tính.
Phần mềm máy tính làm nhiệm vụ điều khiển các bƣớc thao tác quá trình chẩn đoán, xử lý và tính toán các thông tin nhận đƣợc từ thiết bị kết nối, lƣu trữ thông tin và in ấn kết quả. Các bƣớc thao tác đƣợc thực hiện thông qua giao diện điều khiển, qua các menu lựa chọn trên màn hình máy tính.
Có hai dây cáp chính để truyền thông tin, một dây nối đầu nối chẩn đoán DLC của động cơ với thiết bị kết nối, một dây nối từ thiết bị kết nối tới cổng giao tiếp của máy tính (cổng giao tiếp là các cổng COM hoặc giao tiếp qua cổng giao tiếp USB của máy tính).
3.2.2. Phƣơng án thiết kế các thành phần của hệ thống chẩn đoán OBD-2
Thiết bị kết nối: các mạch chức năng cơ bản của thiết bị kết nối bao gồm mạch thu nhận tín hiệu từ đầu nối chẩn đoán OBD-2 của động cơ, mạch truyền nhận để giao tiếp giữa thiết bị kết nối với máy tính. Trong chẩn đoán OBD-2, các thông tin từ bộ xử lý trung tâm của hệ thống ĐKĐT động cơ truyền qua chân tín hiệu SDL tới bộ kết nối là các thông tin hai chiều. Các thông tin này truyền dƣới dạng các bit liên tiếp (serial data). Mặt khác do các giao thức truyền thông tin trong chẩn đoán OBD2 của các hãng xe không đồng nhất nên để có đƣợc thiết bị chẩn đoán đa năng cần
phải thiết kế các mạch nhận dạng và phù hợp với các giao thức truyền thông tin mà hệ thống ĐKĐT của động cơ đang sử dụng.
Trên thị trƣờng hiện có nhiều loại chip có khả năng tự động thực hiện chức năng giao tiếp với các giao thức phù hợp với hệ thống sử dụng OBD-2. Ví dụ các vi điều khiển 16-bit của Atmel, Microchip đều có giao tiếp ngoại vi là chuẩn CAN. Đặc biệt, hiện nay có họ vi xử lý ELM (thông dụng là chip ELM-327) cho khả năng tự động tìm và phát hiện ra các giao thức OBD và giao tiếp với các thiết bị khác qua chuẩn RS-232. Nhiều thiết bị chẩn đoán lỗi động cơ theo chuẩn OBD-2 hiện nay đã đƣợc thiết kế trên cơ sở chip ELM327.
Chíp đa năng ELM-327 (hình 3.3) cho thiết bị kết nối dữ liệu.
Hình 3.3. Chip vi xử lý ELM 327
Trong hệ thống chẩn đoán OBD-2, đầu nối chẩn đoán trên động cơ đã đƣợc tiêu chuẩn hoá (đầu nối 16 pins)
Hình 3.4. Đầu nối chẩn đoán OBD-2 là đầu nối tiêu chuẩn
Chọn phƣơng án nối ghép với máy tính qua cổng giao tiếp USB. Ƣu điểm của giao tiếp này là có thể sử dụng với máy tính xách tay và nguồn của máy tính làm nhiệm vụ cung cấp điện cho thiết bị chẩn đoán làm việc.
3.3. Thiết các thành phần
3.3.1. Thiết kế bộ kết nối
Hệ thống chẩn đoán chuẩn OBD-2 đã chuẩn hóa đầu cắm thiết bị cũng nhƣ chuẩn hóa vị trí kết nối. Tuy nhiên giao thức giao tiếp giữa thiết bị chẩn đoán và xe vẫn chƣa đƣợc thông nhất, nhƣ đã trình bày ở trên, chúng ta thấy hiện nay chuẩn OBD-2 có 9 giao thức giao tiếp. Trong 9 giao thức giao tiếp này, chúng ta có thể gộp lại thành 4 dạng đầu chân tín hiệu ra trên jack chẩn đoán.
Để thiết kế thiết bị sử dụng cho nhiều loại xe khác nhau (nhiều giao thức khác nhau), thiết bị chẩn đoán của chúng ta phải có khả năng tìm và chọn đúng giao thức. Qua tham khảo và nghiên cứu tài liệu liên quan tới các giao thức này. Trong quá trình tìm hiểu và đánh giá, đề tài đã chọn sử dụng IC chuyên dụng dành cho việc giao tiếp giữa thiết bị và xe để tập trung vào việc thiết kế mục tiêu của đề tài.
Đầu nối dữ liệu (Đấu nối chuẩn OBD2)
IC chuyên dụng đƣợc sử dụng ở đây là IC ELM327. Đây là một IC đã đƣợc lập trình cho phép ngƣời sử dụng giao tiếp với xe, điều khiển và nhận dữ liệu thông qua chuẩn giao tiếp UART. Sơ đồ khối của ELM327 đƣợc thể hiện trên hình 3.5. Các chức năng của ELM327 đƣợc mô tả trong bảng 3.1
Hình 3.5. Sơ đồ khối ELM327
Bảng 3.1. Chức năng của ELM327
Chức năng Ghi chú
Chuyển đổi giao tiếp giữa jack OBD-2 và chuẩn UART UART có thể thay đổi Baudrate Tự động tìm và lựa chọn giao thức giao tiếp của hệ thống
chẩn đoán
9 giao thức
Chức năng tiết kiệm năng lƣợng, phù hợp cho việc phát triển các thiết bị chẩn đoán cầm tay
xóa lỗi và phát triển các ứng dụng cao
ELM327 đã giải quyết vấn đề chuyển đổi giao tiếp, tuy nhiên với mỗi giao thức khác nhau, lại yêu cầu mạch giao tiếp khác nhau. Ví dụ: chuẩn SAE J1850 PWM mức logic cao là +5V, trong khi đó chuẩn SAE J1850 VPW lại có mức logic cao là +7V. Do đó để có thể đƣa vào sử dụng ELM327 còn cần phải đƣợc nối với các mạch chuyển đổi tín hiệu khác.
Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn CAN:
Chuẩn CAN (Control Area Network) đang là một chuẩn ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay vì khả năng truyền tải thông tin ổn định, khoảng cách xa và khả năng tạo thành mạng giao tiếp lớn. Để chuyển đổi giao tiếp giữa ELM327 và chuẩn CAN, chúng ta sử dụng MCP2551. Đây là IC chuyển đổi giao tiếp CAN chuyên dụng dễ tìm thấy hiện nay trong nƣớc. Hình 3.6 thể hiện mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn CAN
Hình 3.6. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn CAN
Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn ISO 9141-2 và ISO 14230 KWP2000:
Chuẩn ISO 9141-2 và ISO 14230 KWP2000 sử dụng các chân trên jack OBD-2 giống nhau, mức logic cao đều là điện áp ắc quy (+12V). Do đó chúng ta chỉ cần sử dụng một mạch đệm điện áp đơn giản để chuyển đổi giao tiếp giữa ELM327 và jack chẩn đoán của xe. Hình 3.7 thể hiện mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn ISO 9141-2 và KWP 2000
Hình 3.7. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn ISO 9141-2 và KWP 2000 Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn SAE J1850: chuẩn SAE J1850 bao gồm 2 chuẩn PWM và VPW. Hai chuẩn này sử dụng các chân giao tiếp tƣơng đƣơng nhau, chỉ khác nhau ở mức logic. Do đó khi thiết kế cần phải chú ý mạch đệm của 2 chuẩn này để đảm bảo chúng hoạt động đúng chức năng. Hình 3.8 thể hiện mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn SAE J1850
Hình 3.8. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn
SAE J1850
Để thuận tiện cho việc sử dụng, việc sử dụng máy tính xách tay hiện nay là khá phổ biến. Máy tính xách tay có một đặc điểm là chỉ có cổng giao tiếp USB mà không có cổng giao tiếp COM – chuẩn kết UART sử dụng cổng này. Do đó trong khi thiết kế, tôi đã thiết kế thiết bị chẩn đoán OBD-2 sử dụng cổng USB, bằng cách sử dụng IC chuyển đổi chuyên dụng PL2303-HX. Hình 3.9 thể hiện mạch chuyển đổi UART-USB
Hình 3.9. Mạch chuyển
đổi UART- USB
57
Hình 3.10. Sơ đồ mạch điện tử của thiết bị chẩn đoán chuẩn OBD-2
1. Khối ELM327 2. Mạch chuyển đổi UART-USB
3. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn CAN 4. Khối nguồn
5. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn SAE J1850
6. Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn ISO 9141-2 và KWP 2000 7. Khối tạo xung hoạt động cho ELM327 và đo điện áp ắc quy 8. Cổng COM 16 6 5 7 4 1 2 3 8
Bản mạch hoàn thiện của thiết bị chẩn đoán OBD-2. Bo mạch đà đƣợc thiết kế và sắp xếp vị trí các linh kiện, các mạch chuyển đổi giao tiếp CAN, mạch chuyển đổi USB, cổng giao tiếp COM ở hai đầu của bo mạch hợp lý, thiết bị nhỏ gọn. Bo mạch có kích thƣớc 10,9×6,3×1,2
Trên mạch điện có 1 đèn Led hiển thị sự hoạt động của thiết bị.
Hình 3.11. Mạch hoàn thiện của thiết bị chẩn đoán chuẩn OBD-2
Sản phẩm hoàn thiện của thiết bị đƣợc lắp đặt trong hộp nhôm màu trăng, mục đích để chống nhiễm từ, thông số kích thƣớc của thiết bị 11,7×6,6×3,2. Hai đầu của thiết bị đƣợc kế nối với
Hình 3.12. Sản phẩm hoàn thiện Mạch chuyển
đổi UART-USB
Mạch chuyển đổi giao tiếp chuẩn CAN
Đầu kết nối USB
Đầu kết nối DLC3 Thiết bị chẩn đoán của đề tài Cổng COM 16 Khối ELM327
3.3.2. Thiết kế phần mềm
Hệ thống chẩn đoán OBD-2 đƣợc thiết kế trên cơ sở sử dụng trên máy tính, cho phép sử dụng thuận tiện, đơn giản. Để đơn giản cho quá trình sử dụng, phần mềm đƣợc thiết kế trên cơ sở giao tiếp thông qua nút bấm và lựa chọn. Hệ thống cơ sở dữ liệu mở cho phép ngƣời sử dụng dễ dàng cập nhập thông tin trong quá trình sử dụng, phù hợp với thực tế hơn.
Dựa trên yêu cầu trên, đề tài đã tiến hành phân tích thực tế cấu trúc lệnh và dữ liệu gửi về máy tính của thiết bị OBD-2.
Cấu trúc chung câu lệnh điều khiển có dạng sau: <Câu lệnh>CR Trong đó:
<Câu lệnh> - lệnh điều khiển của ELM327, có thể là lệnh liên quan tới OBD-2 hoặc câu lệnh điều khiển AT
CR – Ký tự báo kết thúc dòng của máy tính Cấu trúc chung của dữ liệu gửi trả về có dạng nhƣ sau:
<Dữ liệu gửi về 1>CR <Dữ liệu gửi về 2>CR
…