CHƯƠNG 4 : NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MẠNG LƯỚI
4.2.4 Mơ hình tham chiếu OSI
Các giao thức mạng thường được xác định trong các lớp, kết hợp các thuộc tính và tác vụ. Mỗi một tầng cấp có một đặc tính là nó chỉ sử dụng chức năng của tầng dưới nó, đồng thời chỉ cho phép tầng trên sử dụng các chức năng của mình. Điều này có lợi thế là các lớp riêng lẻ có thể trao đổi, miễn là các giao diện được cung cấp giữa các lớp khơng thay đổi.
Mơ hình tham chiếu OSI (Kết nối hệ thống mở) của ISO cung cấp cơ sở để mô tả và so sánh các giao thức truyền thông. Điều này được phát triển bởi ISO (Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế) và dẫn đến việc áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế của ISO và IEEE (Viện kỹ sư điện và điện tử).
Trong mơ hình OSI, các hệ thống truyền thơng dữ liệu được mô tả trong các lớp khác nhau (Hình 4.10). Nhiệm vụ phức tạp của truyền dẫn dữ liệu được phân phối giữa các khu vực chức năng (các lớp) được sắp xếp rõ ràng. Không phải tất cả các lớp trong mơ hình OSI đều cần thiết trong một hệ thống truyền thông đơn giản. Các lớp cũng có thể được kết hợp cho nhiều ứng dụng. Các giao thức mạng trong khu vực ô tô thường được chia thành
Lớp vật chất
Lớp giao tiếp
Hình 4.10 : Mơ hình tham chiếu OSI 4.2.5 Lớp vật chất
Các tham số về điện và các thủ tục của sự kết nối vật lý giữa các thuê bao mạng được xác định trong lớp vật chất
Mức tín hiệu
Trong cơng nghệ kỹ thuật số, dữ liệu được biểu diễn bằng các chuỗi của hai trạng thái nhị phân 0 và 1. Để truyền dữ liệu trên đường truyền, các trạng thái này phải được thể hiện trên tác nhân truyền. Đó là một yếu tố quan trọng để tránh ngắn mạch trên đường truyền khi một nút đang truyền có trạng thái bằng 1 và nút khác đang truyền trạng thái 0
Các trạng thái nhị phân có thể được mơ tả theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, giao diện của PC sử dụng +12 V và -12 V, CAN-B sử dụng điện áp 0 V và 5 V. Khi một số thuê bao muốn truyền các trạng thái nhị phân xung đột cùng lúc thì sự ngắn mạch có thể xảy ra, lúc đó các giá trị điện áp của giao diện là khơng phù hợp với đường truyền.
Nếu mã hóa cho phép một cấp ghi đè lên một cấp khác, thì mức ghi đè được gọi là cấp chiếm ưu thế và cấp dưới là cấp độ lùi.
Nó cũng có thể mơ tả các mức độ ưu tiên hoặc mức độ lùi bằng cách sử dụng phương tiện ảo. Ví dụ: tối thì tương ứng với trạng thái 1( lùi) hoặc sáng thì tương ứng với trạng thái 0 (ưu tiên). Trong một sợi quang học, một nút riêng lẻ có thể ghi đè tất
cả các nút khác bằng cách đưa ánh sáng vào dây dẫn.
Dịng bit
Thơng tin ứng dụng thường khơng thể được truyền trực tiếp. Vì tất cả các giao thức đã được phát triển theo các yêu cầu khác nhau, nên việc định dạng khung cũng khác khi truyền từ giao thức này đến giao thức khác. Nên để có thể truyền được, thông tin trước tiên được kết hợp dưới dạng tải trọng dựa theo khung của một thông điệp mà chứa dữ liệu thông tin cần truyền.
Khung cần phải được chuyển đổi thành một luồng bit để có thể truyền thơng tin, tức là một chuỗi các bit có thể được truyền qua mơi trường chuyển đổi dưới các trạng thái vật lý.
Ví dụ về giao diện UART
Các đơn vị vi điều khiển được sử dụng trong các bộ điều khiển có giao diện đơn giản (UART, Bộ tiếp nhận không đồng bộ/ bộ phát) trên chip, qua đó chúng có thể giao tiếp với thế giới bên ngồi bộ điều hành. Các tính năng thiết yếu của truyền dữ liệu được đưa ra qua giao diện này
Nếu khơng có dữ liệu nào được trao đổi, mức đường truyền là 5 V (điện áp hoạt động của vi điều khiển, Hình 4.11). Khi bit bắt đầu được truyền (mức vượt trội), trạm khác được kết nối với đường truyền (máy thu) được thông báo rằng việc truyền dữ liệu đang bắt đầu (Hình 4.12). Độ dài của bit bắt đầu, nó xác định thời gian bit thể hiện cơ sở cho toàn bộ truyền dữ liệu. Mỗi bit dữ liệu tiếp theo có cùng độ dài. Sự tương phản của thời gian này tương ứng với tốc độ truyền dữ liệu, tức là số bit có thể được truyền trong một giây trong luồng dữ liệu liên tục. Tất cả các trạm tham gia phải được đặt ở cùng tốc độ truyền dữ liệu.
Hình 4.11 : Tạo mức độ ưu tiên hoặc thụt lùi
Sau khi nhận được bit bắt đầu, việc truyền từ dữ liệu 8 bit bắt đầu (1 byte) với bit có trọng số thấp nhất (LSB, Bit có trọng số thấp nhất). Bộ thu đã tự đồng bộ hóa để “bit bắt đầu” bắt đầu quét đường truyền dữ liệu giữa mỗi bit dữ liệu và vì vậy tập hợp dữ liệu byte được truyền.
Bit dữ liệu thứ tám được theo sau bởi bit chẵn lẻ. Bit này cho biết số lượng truyền được là số lẻ hay số chẵn. Do đó, nó cho phép bộ nhận thực hiện kiểm tra đơn giản cho các lỗi truyền có thể xảy ra. Chuỗi được hồn thành với bit dừng, được đặt trên đường truyền với mức vượt trội. Việc truyền dữ liệu tiếp theo sau đó có thể vẫn diễn ra
4.2.6 Lớp giao tiếp
Các đơn vị điều khiển chỉ có thể kết nối và trao đổi dữ liệu nếu chúng nói cùng một ngơn ngữ. Ngơn ngữ này xác định các quy tắc được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thuê bao mạng riêng lẻ.
Lớp giao tiếp chấp nhận dữ liệu từ lớp ứng dụng, chuẩn bị cho việc truyền và chuyển tiếp nó đến lớp vật chất.
Các tính năng cần thiết của cấu trúc lớp này là:
Định dạng khung tin nhắn
Kiểm soát truy cập đường truyền
Địa chỉ tin nhắn
Phát hiện và xử lý va chạm
Đồng bộ hóa nút mạng
Tính tốn tổng kiểm tra
4.2.7 Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm ứng dụng xử lý và cung cấp thông tin. Lớp ứng dụng là lớp giao thức duy nhất bị ảnh hưởng bởi tín hiệu đầu vào của người dùng hoặc cảm biến
4.3. Cơ chế điều khiển
4.3.1 Điều khiển biến cố
Trong một biến cố được chạy bởi hệ thống đường truyền, các thông điệp được truyền đi ngay khi một biến cố kích hoạt và việc truyền thơng điệp xảy ra (Hình 4.13a). Ví dụ về các biến cố đó là:
Nhấn một nút trên bảng điều khiển hệ thống điều hịa khơng khí
Vận hành cơng tắc đèn cảnh báo nguy hiểm
Thông báo đến các yêu cầu phản ứng (ví dụ: thơng tin từ cảm biến tốc
độ đồng cơ được chuyển đến đồng hồ tốc độ động cơ)
Giới hạn một khoảng thời gian cố định (khung thời gian, ví dụ: 100 ms),
sau đó tin nhắn được truyền theo chu kỳ
Vì các trạm khơng được đồng bộ hóa với nhau, nên tình huống một số trạm muốn truy cập đồng thời là không thể tránh khỏi. Để cho phép tin nhắn được truyền đi mà không bị làm sai lệch, chỉ một trạm tại một thời điểm có thể truyền dữ liệu trên đường truyền . Cơ chế tránh va chạm có sẵn để ngăn ngừa hoặc giải quyết xung đột trong đường truyền
Nếu một nút muốn truyền thông điệp trong khi đường truyền bị chiếm dụng- việc truyền bị trì hỗn( hình 4.13b). Thì một trạm phải đợi cho đển khi q trình truyền hiện tại được hồn thành.
Hình 4.13: Điều khiển biến cố
Vì việc truy cập trên đường truyền phải được phân xử lại nên việc truyền có thể bị trì hỗn một lần nữa. Những sự chậm trễ này trở thành vấn đề nếu đường truyền trở nên quá tải bởi một số lượng lớn thuê bao mạng muốn truyền tin nhắn. Trong trường hợp này, tin nhắn có thể bị mất nếu máy phát từ bỏ việc truyền do sự chậm trễ quá mức.
Các hệ thống đường truyền điều hướng biến cố phải có khả năng để phản ứng với các biến cố không đồng bộ (không lường trước) càng nhanh càng tốt. Trong một trường hợp lý tưởng, chúng làm giảm độ trễ của sự xuất hiện của biến cố và việc truyền thông điệp (thời gian trễ) , sau đó so với các hệ thống điều khiển thời gian. Tuy nhiên, thời gian trễ có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào tải mạng.
Ưu điểm
Mức độ linh hoạt cao và khả năng trang bị cao cho việc thêm các nút mới trong mạng
Thời gian đáp ứng tốt với các biến cố khơng đồng bộ ở bên ngồi.
Việc sử dụng đường truyền tùy thuộc vào tần suất mà biến cố phù hợp với yêu cầu.
Đối với các biến cố khơng được sử dụng thì khơng thêm tải trên đường truyền, bởi vì chỉ những biến cố đã thực sự xảy ra mới có thể tạo nên sự truyền dẫn.
Nhược điểm
Chiếm đường truyền rỗi, không xác định (nghĩa là không thể chứng minh rằng tin nhắn đã được truyền đúng lúc)
4.3.2. Điều khiển thời gian
Trong những phát triển gần đây nhất trong các hệ thống lái xe năng động như phanh và lái, ngày càng có nhiều bộ phận cơ khí và thủy lực được thay thế bằng hệ thống điện tử (x bywire). Các kết nối cơ học như trụ lái đang trở nên thừa thãi và chức năng của chúng đang được các cảm biến và bộ truyền động tiếp quản. Các yêu cầu về độ tin cậy, an toàn và khả năng chịu lỗi của các hệ thống này là rất cao. Điều này có nghĩa là:
Thơng điệp phải được nhận đúng giờ
Thời gian trì trệ của các thơng điệp quan trọng phải cực kỳ nhỏ
Hệ thống phải có thiết kế dự phịng
Lỗi của một nút phải ảnh hưởng đến phần còn lại của hệ thống càng ít
càng tốt và phải đạt được trạng thái vận hành an tồn khi gặp mọi tình huống lỗi Các hệ thống X-by-wire yêu cầu kết nối chặt chẽ bởi các thành phần khác nhau. Sự gia tăng bên ngoài về độ phức tạp đặt ra những yêu cầu mới về sự an tồn, khả năng chịu lỗi và tính sẵn có của hệ thống truyền thơng. Do đó, nhu cầu được tạo ra từ cấu trúc điện tử và mạng cũng tăng lên. Cần có cấu trúc mạng chịu lỗi, đáng tin cậy để dữ liệu được truyền với các đặc tính truyền được bảo đảm và các sự cố hệ thống điện tử được xử lý theo cách hiệu quả nhất
Cấu trúc hệ thống cho các ứng dụng tạo thời gian thực đáp ứng các yêu cầu này bởi vì hành vi của chúng có thể dự đốn và kiểm chứng được do cách thức mà chúng
được xây dựng. Trong các giao thức này, các cửa sổ thời gian trong đó, một nút được phép truyền được gán cho các đơn vị điều khiển trong mạng truyền thơng (các nút) trong q trình lập kế hoạch mạng (Hình 4.14). Để tuân thủ khung thời gian, các nút phải được đồng bộ hóa chính xác nhất có thể.
Hình 4.14 : Điều khiển thời gian
Tất cả sự truyền dẫn được xử lý tuần tự theo quy hoạch mạng (khơng có va chạm). Khi mỗi nút đã truyền thơng điệp của nó, chu kỳ sẽ khởi động lại với bộ phát đầu tiên. Điều này cho phép xác định cách cập nhật dữ liệu theo thời gian bất cứ lúc nào.
Đường truyền có thể được bảo vệ khỏi sự truy cập trái phép bởi hệ thống bảo vệ đường truyền. Hệ thống bảo vệ đường truyền ngăn một nút bị lỗi can thiệp vào giao tiếp mạng bằng cách truyền các tin nhắn bên ngồi khung truyền có liên quan
Các đặc điểm này cho phép tạo ra các hệ thống chống lỗi dự phịng, trong đó các lỗi truyền có thể được khắc phục và khi các nút mạng khác vơ tình nhận những lỗi mạng này, thì nó vẫn được ngun chức năng hoạt động mà khơng có lỗi.
Ưu điểm
Hệ thống quyết định
Truyền dữ liệu đúng thời điểm
Nhược điểm
Hệ thống tổng thể phải được lên kế hoạch cho sự phát triển phân
tán
Năng lực mở rộng hệ thống truyền thông phải được lên kế hoạch
Thời gian đáp ứng tốt với các sự kiện khơng đồng bộ bên ngồi
4.3.3 Khả năng kết hợp
Nếu một hệ thống truyền thông cho phép các hệ thống con phát triển độc lập được tích hợp trong một hệ thống tổng thể, đó có thể được gọi là một hệ thống hỗ trợ cho khả năng kết hợp. Một tiêu chí quan trọng khi thực hiện điều này là các thuộc tính đã được đảm bảo cho chức năng của một hệ thống con đã có, những thuộc tính đó khơng bị ảnh hưởng bất lợi bằng cách thêm các hệ thống con khác. Nếu điều này được đảm bảo, việc kiểm tra chức năng hệ thống được giảm bớt khi nhà thiết kế kiểm tra hệ thống con.
Nếu một hệ thống truyền thông hỗ trợ khả năng kết hợp, các thay đổi có thể được thực hiện cho một bộ điều khiển mà không ảnh hưởng đến chức năng của các bộ điều khiển khác. Do đó, khơng cần thiết phải kiểm tra lại tồn bộ hệ thống sau khi tích hợp thêm một bộ điều khiển, chỉ cần kiểm tra xem các hệ thống con riêng lẻ có hoạt động lý tưởng hay khơng là đủ. Do đó khả năng kết hợp làm giảm thời gian và chi phí khi tích hợp các hệ thống con mới. Đây là cách duy nhất để tăng độ phức tạp của các thiết bị điện tử trong xe
CHƯƠNG 5 : SỰ KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN TRÊN ÔTÔ TÔ
Hệ thống điện và điện tử trong xe thường không độc lập với nhau mà ảnh hưởng và bổ sung cho nhau. Do đó mà các hệ thống như hệ thống phun nhiên liệu và hệ thống đánh lửa có những đường truyền để giao tiếp với nhau. Số lượng hệ thống điện từ ngày càng tăng theo nhu cầu và phạm vi thơng tin cũng tăng lên .Số lượng đường tín hiệu và chui kết nối được yêu cầu tăng lên tương ứng, có nghĩa là cho đến nay cơng nghệ đã được sử dụng đang tiến gần đến giới hạn khả năng của nó.
Hình 5.1: Kết nối mạng trong ơ tơ
Trích dẫn từ : K. Reif (Ed.), Automotive Mechatronics, Bosch Professional Automotive Information, DOI 10.1007/978-3-658-03975-2_5, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2015
truyền, do đó một khối lượng lớn dữ liệu từ các nguồn khác nhau có thể được truyền đi. Hệ thống đường truyền đầu tiên được sử dụng trên một chiếc xe vào năm 1991, đó là đường truyền CAN được sử dụng trên chiếc Mercedes-Benz 500E.
Chỉ có thể đạt được tồn bộ các nhu cầu về an tồn lái xe, tiện lợi, tính kinh tế và các yêu cầu pháp lý về mặt môi trường của ô tô bằng sự trợ giúp của các thiết bị điện tử bổ sung. Do đó, số lượng hệ thống điện tử trong xe đang tăng lên (Hình 5.2)
Hình 5.2 : Số lượng đơn vị điều khiển trong Mercedes S-class được kết nối qua CAN
5.1. Chức năng của hệ thống chéo
Nếu bạn kiểm tra các tín hiệu được xử lý trong các hệ thống riêng lẻ, điều hiển nhiên là những thông tin này cũng được sử dụng trong các hệ thống khác. Ví dụ, tốc độ lái xe được đánh giá trong chương trình cân bằng điện tử (ESP) cho điều khiển động lực học của xe, trong bộ quản lý động cơ cho điều khiển tốc độ tự động (điều khiển hành trình) và trong hệ thống âm thanh xe hơi để điều khiển âm lượng phụ thuộc vào tốc độ
Việc chuẩn bị các biến từ tín hiệu cảm biến địi hỏi sức mạnh của việc tính tốn, do đó cần các các nguồn năng lực mạnh mẽ từ phần cứng và phần mền. Các biến này ln được tính tốn trong một bộ điều khiển và được truyền đến bộ điều khiển khác thông qua mạng truyền thơng
xun hệ thống, do đó chúng ảnh hưởng lẫn nhau. Các cảm biến thông minh cũng được coi là hệ thống điện tử, mà cơng việc của nó là chuẩn bị các tín hiệu cảm biến cho mạch đánh giá và đưa thông tin lên đường truyền dữ liệu thông qua giao diện