Hình 2. 22 Sơ đồ tổng quát của mạng truyền thông trên ô tô
Bảng 2. 1 Các loại giao thức truyền thông hay sử dụng trên ô tô Giao Thức CAN-C High-speed CAN CAN-B Low-speed CAN
LIN MOST FlexRay
Định nghĩa Controller Area Network Controller Area Network Local Interconnect Network Local Interconnect Network Propnetary Name
Loại Bus Bus thông thường Bus thông thường Bus thông thường Bus quang học
Bus thông thường và bus quang
31 LIN (Local Interconnect Network - mạng cục bộ trên xe). Giao thức này sử dụng để truyền dữ liệu giữa các ECU của thân xe và có hệ truyền dẫn. EC chính được kết nối với mạng CAN, là một cổng chức năng có nhiệm vụ nhận những thông tin khác nhau từ mạng CAN và xử lý tín hiệu đến các ECU thành phần. Là một chuẩn giao thức mới có
Phạm vi ứng dụng Truyền lực và hộp số Thoải mái/tiện nghi Thoải mái/tiện nghi Đa phương tiện và infortainme nt Tất cả các phạm vi Các ứng dụng Điều khiển động cơ, hệ thống mạng điều khiển truyền lực và ABS/ESP Hệ thống mạng điện tử thân xe và thoải mái và tiện nghi Chi phí thấp mở rộng của CAN bus cho các ứng dụng đơn giản trong phạm vi điện tử thoải mái và tiện nghi Điều khiển truyền lực,hộp số, thông tin audio và video Hệ thống sử dụng cho các ứng dụng liên quan tính an toàn và đơn giản Cấu trúc
liên kết Tuyến bus Tuyến bus Tuyến bus
Cấu trúc không gian vòng Cấu trúc không gian hình sao Tốc độ truyền dữ liệu 125 kbit/s đến 1Mbit/s Tối đa 125 kbit/s Tối đa 20kbit/s Tối đa 22.5Mbit/s Tiêu biểu 10Mbit/s Tối đa 20Mbit/s Số nút tối đa 10 24 16 64 Về mặt lý thiết lên đến 2048 Tối đa 22 trên passive bus/sao Cơ cấu
điều khiển Dựa theo tác động Dựa theo tác động Dựa theo theo gian
Dựa theo thời gian và tác động Dựa theo thời gian và tác động Sự triển khai Tất cả các xe Tất cả các xe Tất cả các xe Dòng xe cao cấp của các nhà sản xuất xe châu Âu Ứng dụng thí điểm
Tiêu chuẩn ISO 11898 ISO 11519-2 LIN Hợp tác MOST FlexRay Sự phân loại SAE Lớp C Lớp B Lớp A Phương tiện di động Drive by wire
32 chuỗi giá trị truyền dữ liệu thấp (tốc độ truyền dữ liệu là 20kps). Nó được sử dụng cho những hệ thống điện phân phối linh hoạt mà không cần sử dụng đến CAN. Một số hệ thống thường dùng mạng giao tiếp LIN như: điều khiển gương, điều khiển ghế, khóa cửa, cửa sổ trời, gạt mưa, nâng hạ kính…
MOST (Media Oriented system transport) là một loại mạng đặc biết được sử dụng cho hệ thống thông tin giải trí trên xe. Ngoài chức năng giải trí, MOST còn sử dụng cho radio, máy CD, video, truy cập thông tin điện thoại di động. Hệ thống thông tin giải trí ngày càng phổ biến trên các loại xe hạng sang và phương tiện hiện đại.
FLEXRAY là một lĩnh vực được thiết kế để hổ trợ công nghệ điều kiển vòng kín-hở (Open-closed loop control) trên ô tô. Tập trung phát triển trên sự thích hợp trong các hệ thống an toàn chủ động cụ thể. Flexray đảm bảo về đặc tính truyền đạt, tỉ lệ bit cao và dung sai lỗi. Ứng dụng trên các hệ thống truyền động, các hệ thống an toàn - tiện nghi và hệ thống điện thân xe. Flexray hoạt động với tỉ số bit tối đa là 10 Mbit/s khi nằm trong điều kiện môi trường hoạt động tối ưu nhất.
2.2.3. Các c chế điều khiển 2.2.3.1. Điều khiển tác động
Trong một hệ thống bus dựa theo tác động, các thông báo được truyền ngay khi một tác động kích vào sự truyền dẫn thông báo đã xảy ra. Ví dụ một vài tác động sau:
-Ấn vào nút trên bảng điều khiển hệ thống máy điều hòa. -Điều khiển công tắc nhấp nháy cảnh báo nguy hiểm.
-Thông báo đến yêu cầu sự phản hồi lại (thông tin từ cảm biến tốc độ ta có thể thấy được từ cây kim chỉ thị tốc độ trên đồng hộ tốc độ động cơ).
-Làm hết hiệu lực chu kì thời gian đã lắp đặt, sau khi các thông báo được truyền theo chu kì.
Cơ chế này thường đi kèm với phương thức CSMA vì các nút trong mạng sử dụng cơ chế này sẽ hoàn toàn không biết được trạng thái của nhau, do đó việc xảy ra tình huống tranh chấp khi hai hay nhiều nút cùng gửi thông tin tại cùng một thời điểm là hoàn toàn không thể tránh khỏi. Để cho phép một thông báo truyền đi mà không bị giả mạo thì chỉ duy nhất một trạm riêng biệt mới có thể truyền dữ liệu trên bus. Cơ chế tránh xung đột là nó có khả năng ngăn chặn và giải quyết xung đột khi xảy ra.
33 Nếu một nút muốn truyền một thông báo trong khi bus đang chiếm chỗ thì việc truyền đi sẽ bị trì hoãn lại. Một trạm mà chuẩn bị sẵn sàng để truyền đi sau đó là phải đợi cho đến khi công việc đang làm hiện thời đã được hoàn thành (vì bus đang dùng).
Do truy cập bus tiếp sau đó bị thỏa hiệp lại nên việc truyền dẫn có thể bị trì hoãn lại một lần nữa. Những trì hoãn này sẽ trở thành vấn đề nếu bus trở nên quá tải do một số lượng lớn đăng ký mạng muốn truyền thông báo. Trong trường hợp này thông báo có thể bị mất nếu bộ truyền bỏ đi truyền dẫn bởi bị trì hoãn quá mức.
Hệ thống bus dựa theo tác động thì thích hợp cho các phản ứng không đồng bộ (không biết trước được) cho các tác động càng nhanh càng tốt. Trong điều kiện lý tưởng, nó có thể giảm được sự trì hoãn giữa các sự cố tác động và sự cố truyền dẫn thông báo (thời gian trễ) so với hệ thống dựa theo thời gian. Tuy nhiên thời gian trễ có thể biến đổi đáng kể tùy thuộc vào sự tải mạng.
Ưu điểm
-Mức độ linh hoạt và khả năng trang bị thêm các nút mới trong hệ thống mạng cao. -Thời gian đáp ứng phù hợp với các sự kiện không đồng bộ.
-Việc sử dụng Bus tùy thuộc vào tần số tác động trong phạm vi các yêu cầu.
-Không có phụ tải mạng do có các tác động không dùng đến, bởi chỉ duy nhất các tác động thật sự xảy ra khi kích vào truyền dẫn.
Nhược điểm
-Không thể xác định được liệu thông tin có được truyền đến đúng thời điểm hay không.
2.2.3.2. Điều khiển bộ định thời
Đối với các mẫu ô tô hiện đại ngày nay, đặc biệt là trên các dòng xe cao cấp thì các hệ thống điều khiển thủy lực hay thuần cơ khí đang dần được thay thế bằng các hệ thống cơ – điện tử, đơn cử như các hệ thống thuộc nhóm X-by-wire.
Đối với các hệ thống dạng X-by-wire này thì yêu cầu lớn nhất chính là độ tin cậy và khả năng đáp ứng phải cực kì cao, và rõ ràng điều này là hoàn toàn không khả thi đối với cơ chế điều khiển theo tác động.
-Các thông tin luôn phải đảm bảo được gửi đúng thời điểm và gần như không được có độ trễ.
34 -Hệ thống phải luôn đi kèm với một cơ chế chịu lỗi cũng như các tính năng dự
phòng nhằm tăng độ tin cậy.
Hư hỏng của một nút ảnh hưởng đến các hệ thống còn lại phải là ít nhất đến mức có thể. Nó phải có khả năng đạt được trạng thái hoạt động an toàn khi có một vài tình huống lỗi xảy ra.
Những cấu trúc hệ thống cho các ứng dụng thời gian thực nó thỏa các yêu cầu trên do cách hoạt động của nó được dự đoán trước và được xác minh bởi cách thức chúng được xây dựng. Trong các giao thức này, các cửa sổ thời gian trong vòng thời gian mà một nút được phép truyền được chỉ định đến các bộ điều khiển trong mạng truyền thông trong suốt kế hoạch hóa mạng. Để tuân thủ theo cửa sổ thời gian các nút phải được đồng bộ chính xác nhất có thể. Tất cả các truyền dẫn phải được xử lý liên tục theo kế hoạch hóa mạng (mà không bị các xung đột) ngay khi mỗi một nút truyền thông báo của nó, chu trình bắt đầu lại với bộ truyền đầu tiên. Điều này làm dễ dàng để xác định thứ tự thời gian mà dữ liệu được cập nhật vào mỗi thời điểm. Do đó mà những thông báo bị bỏ lở được phát hiện ra ngay tức khắc nên các khái niệm về bộ kích thời gian đáng tin cậy hơn các hệ thống dựa theo tác động.
Nếu tốc độ dữ liệu nhanh được yêu cầu trong hệ thống kích thời gian thì thời gian trễ giữa các sự cố tác động và sự cố truyền dẫn dữ liệu có thể thu nhỏ đi để hệ thống tuân theo các yêu cầu khắt khe về thời gian thực. Bus có thể được bảo vệ tránh khỏi các truy cập trái phép bằng một bus bảo vệ. Bus bảo vệ ngăn nút sai hỏng cản trở truyền thông mạng bằng cách truyền thông báo ra bên ngoài cửa sổ truyền liên quan.
Đặc tính này nó có khả năng tạo các hệ thống dự phòng, các hệ thống dung sai lỗi trong các lỗi truyền dẫn có thể được khắc phục và các lỗ hỏng trong hệ thống mạng có thể khắc khục bởi các nút mạng có thể đáp ứng các chức năng mà không có lỗi.
Ưu điểm
-Các thông tin được đảm bảo truyền đúng thời điểm
-Độ tin cậy cao, có khả năng phát hiện và cô lập các nút bị lỗi, giảm thiệt hại đến các nút khác trong cùng mạng.
Nhược điểm
-Lịch trình cho các bộ định thời cần phải được chuẩn bị trước, gây khó khăn cho việc nâng cấp hay thêm bớt các nút trong mạng.
35 -Thời gian phản hồi tốt đối với các sự kiện không đồng bộ, nhưng lại gây tốn băng
thông do các khung thời gian cần được phân bố liên tục.
2.2.4. Các yêu cầu cho một hệ thống bus 2.2.4.1. Tốc độ truyền dữ liệu 2.2.4.1. Tốc độ truyền dữ liệu
Tốc độ truyền dữ liệu chính là đơn vị biểu thị khối lượng thông tin được truyền trong một đơn vị thời gian. Đơn vị truyền dữ liệu nhỏ nhất sẽ là bit và tốc độ truyền dữ liệu thường được chỉ định là bit/giây. Ngoài tên gọi data transfer rate thì còn có một số các tên gọi khác cùng biểu thị ý nghĩa tương tự như: transfer rate, data rate, bit rate hay baud rate. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể mà ta sẽ có các yêu cầu khác nhau về tốc độ truyền. Tốc độ càng nhanh thì vấn đề về độ tin cậy cũng như khả năng chịu lỗi càng gây ra nhiều áp lực cho quá trình phát triển cũng như giá thành sẽ cao, còn tốc độ càng chậm thì lại tồn tại vấn đề về mật độ băng thông và độ trễ truyền tin.
2.2.4.2. Khả năng chống nhiễu
Yêu cầu này chính là vấn đề về độ nhiễu khi truyền thông tin. Theo một cách lý tưởng nhất thì dữ liệu nên được truyền đi mà hoàn toàn không bị nhiễu dẫn đến tình trạng mất mác hay sai sót dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế khi môi trường làm việc của mạng trên ô tô là vô cùng phức tạp và chịu rất nhiều ảnh hưởng điện từ đến từ động cơ cũng như các hệ thống điện khác nên việc hoàn toàn không bị nhiễu là vẫn đề không thể đạt được. Do đó, việc giảm ảnh hưởng của sự nhiễu đến vấn đề truyền tin xuống mức thấp nhất vẫn là mối quan tâm hàng đầu, và mức độ kháng nhiễu của hệ thống còn phụ thuộc vào mức độ liên quan về mặt an toàn cũng như mục đích mà hệ thống đó hướng đến.
Hiện nay có rất nhiều cách thức khác nhau để tạo nên khả năng kháng nhiễu cho hệ thống, có thể từ phần cứng hay tích hợp ngay trong phần mềm hoặc tích hợp vào bên trong cơ chế vận hành của các giao thức truyền tin. Có thể kể ra một số đại diện về phương pháp kháng nhiễu như sau: đôi dây cáp xoẵn vào nhau cáp quang, bit chẵn lẻ, checksum.
2.2.4.3. Khả năng đáp ứng thời gian thực
Đây là một đặc tính có yêu cầu khắt khe hơn về mặt thời gian (thời gian truyền tin và thời gian đáp ứng), trong đó dung sai về độ sai lệch là cực kì nhỏ nếu so với các hệ thống khác. Yêu cầu về real-time chỉ xuất hiện ở một vài hệ thống đặc biệt và thường còn đi kèm với yêu cầu về độ tin cậy. Cần lưu ý rằng, yêu cầu về thời gian thực sẽ lấy mốc nhận
36 biết sự thay đổi theo thời gian của con người làm tiêu chí đánh giá, qua đó thì con người sẽ không thể nhận biết được sự trì hoãn nếu sự thay đổi diễn ra dưới 100 ms (millisecond), tức 0,1 giây. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về thời gian thực có thể khác nhau, nhưng nhìn chung sẽ qui về hai khái niệm chính:
2.2.4.3.1. Thời gian thực tư ng đối
-Tuy vẫn là yêu cầu về thời gian thực nhưng mức độ ở khái niệm này chỉ là tương đối mà thôi.
-Hệ thống thường sẽ tuân theo thời gian phản hồi được yêu cầu, nhưng đôi khi có thể bị vượt quá mà không gây ra bất kì ảnh hưởng nghiêm trọng nào (ví dụ như sự giật ảnh khi truyền hình ảnh, livestream,).
2.2.4.3.2. Thời gian thực tuyệt đối
-Đây là mức độ tuân thủ thời gian thực một cách tuyệt đối, gần như không được có bất kì sự vượt quá về mặt thời gian nào.
-Các hệ thống áp đặt mức độ nay thường là các hệ thống liên quan đến đặc tính an toàn trên ô tô. Đối với các hệ thống này, chỉ cần một chút sai sót trong quá trình truyền tin cũng như phản hồi thông tin thì kết quả sinh ra sẽ bị ảnh hưởng, gây ra sai sót và kết quả tính toán sẽ không thể sử dụng được. Gây ra các vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là đối với các hệ thống an toàn và có khả năng gây nguy hiểm đến tính mạng người sử dụng.
2.2.4.4. Số lượng nút tham gia vào mạng
Việc giới hạn số lượng node tối đa trong một mạnh mang lại nhiều ý nghĩa đặc biệt: - nghĩa đầu tiên chính là góp phần giải quyết tình trạng độ trễ truyền tin. Rất vô
cùng rõ ràng khi xác suất về sự tranh chấp giữa các tin nhắn trùng nhau sẽ giảm khi tổng số lượng các nút tham gia vào mạng giảm.
- nghĩa tiếp theo đến từ việc một mạng nội bộ trên xe không thể (hoặc rất khó) để có thể sử dụng cùng một dạng giao thức cho toàn bộ mạng được (do các vấn đề về kĩ thuật, giá thành cũng như độ phù hợp đối với mục đích sử dụng). Do đó thật sự là không cần thiết để đầu tư nghiên cứu các giao thức có khả năng cung cấp phạm vi kết nối cực lớn trên ô tô (tuy nhiên không phải là không có các dạng giao thức như vậy).
37 mình một cách hiệu quả, dễ quản lý hơn cũng như dễ dàng nghiên cứu phát triển hơn.
Thông thường, để đưa ra được số nút tối đa cho một giao thức bất kì, người ta thường dựa vào mục đích mà giao thức đó hướng đến nhằm suy ra khoảng độ trễ truyền tin có thể chấp nhận được cùng với tốc độ truyền của giao thức đó.
2.2.5. Các ứng dụng trong xe
Một cách tổng quát, mạng nội bộ trên ô tô hiện nay được phân chia thành 4 nhóm chính dựa trên chức năng và đặc tính của chúng:
Hình 2. 23 Các vùng ứng dụng trên xe
Đối với các hệ thống thuộc truyền lực hộp số và gầm thì cần chú trọng yêu cầu về đặc tính thời gian thực (đa số các hệ thống thuộc hai nhóm này đều yêu cầu đặc tính này). Đối với các hệ thống thuộc phân vùng điều khiển các chức năng bên trong nội thất (liên quan đến các tính năng về tiện nghi) thì cần chú trong chính về khả năng hoạt động đa kênh cùng với sự phân mảnh cao, cần hỗ trợ số lượng nút lớn và thường phân bố theo