Sự phát triển của Cơ điện tử hiện đại cĩ thể được minh họa bằng sự phát triển của ơtơ. Đến tận thập niên 1960, chỉ cĩ rađiơ (Hình 1.40) là thiết bị điện tử đáng kể duy nhất trong ơ tơ. Tất các các chức năng khác thuần túy mang tính cơ khí hoặc điện ví dụ như động cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy. Khơng hề cĩ một
26
“hệ thống an tồn thơng minh” nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệm giảm chấn và các phần tử kết cấu để bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Hình 1.40. Rađiơ
Vào đầu thập niên 1960, dây an tồn ra đời nhằm tăng độ an tồn cho người sử dụng và được vận hành hồn tồn cơ khí. Tất cả hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái và các hệ điều khiển cơ khí khác. Chẳng hạn, trước khi cĩ sự xuất hiện của các cảm biến và vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được dùng để đưa các xung điện cao áp đến các buzi (Hình 1.41) theo quy luật cơng tác của động cơ. Thời gian ấn định cho việc đốt cháy nhiên liệu chính là biến điều khiển. Quy trình đốt cháy được điều khiển cơ khí khơng phải là tối ưu đứng trên phương diện tiết kiệm nhiên liệu.
27
Hình 1.41. Bộ phân phối cơ khí được dùng để đưa các xung điện cao áp đến các buzi
Mơ hình quá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ ra rằng, để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, tồn tại một thời điểm tối ưu để đốt nhiên liệu. Thời điểm này phụ thuộc vào tải, tốc độ, và các đại lượng cĩ thể đo khác. Hệ thống đánh lửa điện tử (Hình 1.42) là một trong những hệ Cơ điện tử đầu tiên được ứng dụng trong ngành cơng nghiệp ơ tơ vào cuối thập niên 1970.
Hình 1.42. Hệ thống đánh lửa điện tử
Vào cuối thập niên 1970, hệ thống phanh chống bĩ (ABS – Antilock Brake System) (Hình 1.43) được ứng dụng trong các ơ tơ. Hệ thống ABS hoạt động thơng qua việc phát hiện ra hiện tượng khĩa cứng của bất kỳ bánh xe nào, sau đĩ điều chỉnh áp suất thủy lực cần thiết để giảm thiểu hoặc loại bỏ sự trượt.
28
Hình 1.43. Hệ thống phanh chống bĩ
Hệ thống điều khiển sức kéo (TCS – Traction Control System) được ứng dụng trong các ơ tơ vào cuối thập niên 1990. Hệ thống TCS hoạt động thơng qua việc phát hiện ra sự trượt trong quá trình tăng tốc và sau đĩ điều chỉnh cơng suất truyền cho bánh xe đang trượt. Quá trình này đảm bảo cho xe cĩ thể tăng tốc với vận tốc lớn nhất cĩ thể với điều kiện về đường và xe cho trước.
Hệ thống điều khiển động lực ơ tơ (VDC – Vehicle Dynamics Control) được ứng dụng trong ơtơ vào cuối những năm 1990.
Trong các ơ tơ hiện nay, các CPU 8, 16, hay 32-bit được dùng để vận hành các hệ điều khiển khác nhau.
Bộ vi điều khiển này cĩ bộ nhớ (EEPROM/EPROM), các đầu ra số và tương tự, các bộ biến đổi A/D, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), các chức năng thời gian, ví dụ dùng để đếm sự kiện và đo độ rộng xung, các đầu ra ưu tiên, và trong một số trường hợp xử lý tín hiệu số.
Bộ xử lý 32-bit được dùng để quản lý động cơ, điều khiển truyền động, và các túi khí;
Bộ xử lý 16-bit dùng cho ABS, TCS, VDC, cụm thiết bị, và các hệ thống điều hồ khơng khí;
Bộ xử lý 8-bit dùng cho điều khiển ghế, gương và các hệ thống nâng hạ cửa. Ngày nay, cĩ khoảng 30 – 60 bộ vi điều khiển trong một chiếc ơ tơ. Điều này sẽ càng tăng lên nhờ việc mơđun hĩa các hệ cơ điện tử con trong tương lai.
29
Cơ điện tử đã trở thành yếu tố để phân biệt giữa các ơ tơ. Kể từ khi khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong được đưa ra cách đây gần một thế kỷ, các điểm khác nhau trong thiết kế động cơ cho xe hơi khơng cịn là dấu hiệu nhằm phân biệt các loại ơtơ khác nhau. Trong những năm 1970, các nhà chế tạo Nhật Bản đã thành cơng trong việc tạo dựng một chỗ đứng vững chắc trên thị trường xe hơi Mỹ bằng việc chào bán các xe hơi nhỏ tiết kiệm năng lượng với chất lượng khơng thua kém các loại xe khác.
Trong suốt thập niên 1980, chất lượng của xe là dấu hiệu phân biệt các sản phẩm.
Trong những năm 1990, chất lượng và độ tin cậy của ơ tơ là những gì mà người tiêu dùng mong đợi từ phía các nhà sản xuất.
Ngày nay, các đặc tính cơ điện tử trở thành dấu hiệu phân biệt sản phẩm trong những hệ cơ khí truyền thống này. Điều này được thúc đẩy hơn nữa bởi tỷ lệ giá trị thực hiện cao hơn của các thiết bị, nhu cầu của thị trường về các sản phẩm sáng tạo với những đặc tính thơng minh, và bởi những cố gắng giảm chi phí sản xuất các sản phẩm thơng qua việc tái thiết kế các phần cơ điện tử cấu thành.
Do tốc độ dự báo tăng trưởng thấp (2 ÷ 3%), các hãng chế tạo xe hơi đang ra sức nghiên cứu các đặc tính cơng nghệ cao giúp phân biệt sản phẩm của họ với sản phẩm của các hãng khác. Những ứng dụng mới của các hệ Cơ điện tử trong ngành cơng nghiệp ơ tơ bao gồm các ơ tơ bán tự động đến tự động hồn tồn, hệ thống nâng cao độ an tồn, giảm thiểu tiêu hao, và các đặc tính khác như hệ thống dẫn đường thơng minh, các hệ thống phanh điện khơng dùng thủy lực.
Một lĩnh vực tăng trưởng cĩ ý nghĩa khác do tiếp cận thiết kế Cơ điện tử mang lại là hệ thống mạng khơng dây từ các trạm mặt đất và truyền thơng giữa các xe hơi. Cơng nghệ viễn thơng là sự kết hợp của hệ thống âm thanh, điện thoại cầm tay, hệ thống điều hướng, khả năng kết nối Internet, e-mail và nhận dạng giọng nĩi, cĩ thể được coi là lĩnh vực cĩ tiềm năng lớn nhất trong ngành cơng nghiệp ơtơ. Trên thực tế, việc ứng dụng điện tử trong sản xuất ơ tơ dự kiến sẽ tăng trung bình mỗi năm khoảng 6% trong vịng 5 năm tới và cũng trong khoảng thời gian đĩ, các tính năng điện tử trong ơ tơ cũng sẽ tăng gấp đơi.
30
Hệ vi cơ điện tử (MEMS – Micro Electromechanical System) là một cơng nghệ cho phép phát triển các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành cĩ hiệu quả kinh tế nhằm phục vụ cho các ứng dụng Cơ điện tử. Thực tế, đã cĩ một vài thiết bị MEMS được ứng dụng trong ơ tơ, ví dụ như cảm biến và cơ cấu chấp hành của túi khí, cảm biến áp suất dùng cho việc đo áp suất trong ống phân phối. Việc tích hợp các thiết bị MEMS với các mạch trạng thái tín hiệu CMOS trên cùng một chip bán dẫn là một ví dụ khác về sự phát triển của các cơng nghệ cho phép cải tiến các sản phẩm Cơ điện tử, chẳng hạn như ơtơ.
Cơng nghệ ra-đa với sĩng milimét (mm) gần đây cũng đã được ứng dụng trong ơ tơ. Ra-đa với sĩng mm cho phép phát hiện vị trí của các đối tượng (các ơ tơ khác) và xác định khoảng cách tới chướng ngại vật cũng như tốc độ theo thời gian thực.
Cơng nghệ này cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa ơ tơ và chướng ngại vật (hoặc ơ tơ khác) bằng việc kết hợp cảm biến với hệ thống dẫn hướng và ABS. Người lái cĩ thể đặt vận tốc và khoảng cách mong muốn với những chiếc xe ở phía trước. Hệ thống ABS và hệ thống dẫn hướng được ghép với nhau để đảm bảo thực hiện được những chức năng nĩi trên một cách an tồn.
Khả năng tránh chướng ngại vật cịn được mở rộng thêm một chức năng khá hợp lý nữa là lái bán tự động ở tốc độ chậm nhằm duy trì khoảng cách với xe ở phía trước khi xảy ra tắc đường. Trong điều kiện phát triển của Cơ điện tử như ngày nay, những chiếc xe hơi hồn tồn tự động chắc chắn sẽ ra đời trong vịng 20 năm tới.
Các nghiên cứu về ơ tơ bán tự động dùng mơ hình giao thơng liên tục dựa trên hệ thống GPS và quá trình tự động hố việc dừng và đi nhằm xác lập các hướng đi đang diễn ra ở khắp các trung tâm nghiên cứu. Hệ thống nhận biết và điều khiển được đề xuất cho loại xe như vậy, cĩ sự tham gia của hệ thống định vị tồn cầu vi phân (DGPS-differential global positioning systems), xử lý ảnh theo thời gian thực và xác lập hướng đi linh hoạt.
Các hệ Cơ điện tử tương lai trong ơ tơ cĩ thể bao gồm kính chắn giĩ khơng mờ dựa trên hệ thống nhận biết độ ẩm, nhiệt độ và điều hồ khơng khí, khả năng
31
tự đỗ xe song song. thiết bị trợ giúp đỗ xe phía sau, hỗ trợ thay đổi làn xe, phanh điện tử và việc thay thế các hệ thống thuỷ lực bằng các hệ cơ điện servo.
Khi lượng ơ tơ trên thế giới tăng lên, các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn về khí thải sẽ ra đời. Các sản phẩm Cơ điện tử sẽ cĩ khả năng đáp ứng được những thách thức đặt ra đối với việc điều chỉnh lượng khí thải và hiệu suất động cơ bằng việc giảm đáng kể lượng khí thải CO, NO và HC và tăng hiệu quả của xe.
Rõ ràng là khơng thể coi một chiếc ơ tơ với 30 đến 60 bộ vi điều khiển, 100 động cơ điện, hệ thống dây điện nặng 200 pound, vơ số các cảm biến và hàng nghìn dịng mã lệnh là một hệ cơ khí thuần tuý. Ơ tơ đang được chuyển hố thành một hệ Cơ điện tử hồn tồn.
32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Rolf Isermann (2014), Engine Modeling and Control Modeling (Electronic
Management of Internal Combustion Engines), Springer-Verlag Berlin
Heidelberg.
2. Konrad Reif (2015), Automotive Mechatronics: Automotive Networking, Driving Stability Systems, Electronics, Springer Fachmedien Wiesbaden.
1
MỤC LỤC
BÀI 2 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU ...................................................................... 2
2.1. Cấu trúc mạng truyền thơng (Network topology) .......................................... 2 2.1.1. Cấu trúc bus (Bus topology) ................................................................. 3 2.1.2. Cấu trúc hình sao (Star topology) ......................................................... 4 2.1.3. Cấu trúc vịng (Ring topology) ............................................................. 5 2.1.4. Cấu trúc lưới (Mesh topology) ............................................................. 6 2.1.5. Cấu trúc hỗn hợp (Hybrid topologies) .................................................. 6 2.2. Tổ chức mạng (Network organization) .......................................................... 7 2.2.1. Địa chỉ (Addressing) ............................................................................. 7 2.2.2. Phương thức truy cập bus (Bus access method) ................................... 9 2.3. Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI (Open systems Interconnection - OSI reference model) ........................................................................................ 11 2.3.1. Lớp vật lý (Physical layer) .................................................................. 12 2.3.2. Lớp truyền thơng (Communication layer) .......................................... 15 2.3.3. Lớp ứng dụng (Application layer) ...................................................... 16 2.4. Cơ chế điều khiển (Control mechanisms) .................................................... 16 2.4.1. Điều khiển sự kiện (Event control) ..................................................... 16 2.4.2. Điều khiển thời gian (Timer control) .................................................. 17 2.4.3. Khả năng kết hợp (Composability) ..................................................... 19
2
BÀI 2 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU
Với tốc độ phát triển nhanh của cơng nghệ máy tính, số lượng hệ thống điện tử được sử dụng ngày càng tăng. Sự phát triển này cũng đang tiếp tục phát triển trong kỹ thuật ơ tơ. Điều này cĩ nghĩa là sự phức tạp của một hệ thống trên ơ tơ đang gia tăng. Các hệ thống đơn như hệ thống điểu khiển động cơ đã được phát triển liên tục. Tuy nhiên, sự đổi mới chủ yếu đạt được bằng cách tương tác giữa một số hệ thống riêng lẻ. Các hệ thống riêng lẻ cần được nối mạng để các thơng tin được điều khiển bởi các hệ thống riêng lẻ cũng cĩ thể được sử dụng ở những hệ thống khác khi cần. Các hệ thống truyền thơng khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu như: độ tin cậy truyền, dung sai lỗi, chi phí ...
2.1. Cấu trúc mạng truyền thơng (Network topology)
Một mạng được hiểu là một hệ thống trong đĩ một nhĩm các yếu tố cĩ thể trao đổi thơng tin thơng qua một phương tiện truyền thơng. Nếu các phần tử được hiển thị dưới dạng các nút và các mối quan hệ truyền thơng dưới dạng các đường truyền, thì một mạng gồm tập hợp nhiều nút cĩ mối quan hệ truyền thơng. Các nút trong một mạng truyền thơng cịn được gọi là các trạm mạng.
Trên ơ tơ gồm nhiều bộ điều khiển như: bộ điều khiển động cơ (ECM hay ECU hay EDU), bộ điều khiển ổn định thân xe (ESP), bộ điều khiển truyền lực tự động, bộ điều khiển phanh ABS, bộ điều khiển hệ thống treo tích cực …(Hình 2.1). Các bộ điều khiển này cĩ thể là một trạm mạng, tín hiệu từ các cảm biến gửi về các bộ điều khiển riêng lẻ này được xử lý và chia sẻ với các trạm mạng khác trong mạng thơng qua mạng truyền thơng. Phương thức truyền thơng được thực hiện thơng qua các bus tín hiệu.
3
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống mạng truyền thơng trên ơ tơ
Cấu trúc liên kết mạng được hiểu là cấu trúc bao gồm các nút và kết nối mạng. Từ đĩ cho thấy các nút nào được liên kết với nhau, nhưng khơng mơ tả chi tiết. Mỗi trạm mạng phải cĩ ít nhất một kết nối với trạm mạng khác để tham gia vào giao tiếp mạng. Các yêu cầu khác nhau được tạo ra từ cấu trúc liên kết mạng cho nhiều ứng dụng mạng truyền thơng, cấu trúc liên kết xác định một số đặc điểm của mạng tổng thể. Tất cả các cấu trúc liên kết mạng dựa trên bốn cấu trúc liên kết cơ bản sau:
- Cấu trúc bus; - Cấu trúc hình sao; - Cấu trúc vịng; - Cấu trúc lưới.
Các cấu trúc khác (cấu trúc hỗn hợp) cĩ thể được tạo bằng cách kết hợp các cấu trúc liên kết cơ bản trên.
2.1.1. Cấu trúc bus (Bus topology)
Cấu trúc liên kết mạng này cũng được gọi là truyền thơng nối tiếp bus. Phần tử cốt lõi của cấu trúc liên kết bus là một cáp chính duy nhất mà tất cả các nút được kết nối thơng qua các cáp kết nối nhánh (Hình 2.2). Cấu trúc liên kết này cĩ thể dễ dàng để thêm các trạm mạng khác vào mạng. Thơng tin được truyền từ các trạm mạng riêng lẻ lên đường truyền bus.
4
Hình 2.2. Truyền thơng nối tiếp bus
Các nút truyền và nhận tin nhắn. Nếu một nút bị lỗi, dữ liệu được mong đợi từ nút này khơng cịn cĩ sẵn cho các nút khác trên mạng khi cần. Tuy nhiên, các nút cịn lại vẫn tiếp tục trao đổi thơng tin bình thường. Tuy nhiên, một mạng cĩ cấu trúc liên kết nối tiếp bus bị lỗi hồn tồn nếu cáp kết nối chính bị lỗi (ví dụ do đứt cáp).
2.1.2. Cấu trúc hình sao (Star topology)
Cấu trúc liên kết sao bao gồm một nút chính (bộ lặp, trung tâm) mà tất cả các nút khác được ghép nối thơng qua một kết nối duy nhất (Hình 2.3). Do đĩ, một mạng với cấu trúc liên kết hình sao rất dễ mở rộng nếu cĩ sẵn dung lượng (kết nối, cáp).
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hình sao
Trong cấu trúc liên kết sao, dữ liệu được trao đổi giữa các kết nối nút riêng lẻ và nút chính. Cĩ hai kiểu liên kết sao gồm:
- Cấu trúc liên kết sao chủ động; - Cấu trúc liên kết sao thụ động.
Trong cấu trúc liên kết sao chủ động: nút chính chứa một máy tính xử lý
5
thuộc hiệu suất của máy tính này. Tuy nhiên, nút chính khơng cần phải trang bị tính năng điều khiển chuyên dụng.
Trong các hệ thống sao thụ động: nút chính chỉ làm nhiệm vụ kết nối các
các đường truyền bus của các trạm mạng với nhau.
Khi sử dụng cấu trúc sao, nếu trạm mạng bị lỗi hoặc đường truyền đến nút chính bị lỗi thì phần cịn lại của mạng tiếp tục hoạt động bình thường. Tuy nhiên, nếu nút chính bị lỗi thì tồn bộ mạng bị vơ hiệu hĩa.
Trên ơ tơ, cấu trúc hình sao được sử dụng cho các hệ thống an tồn và an ninh như: hệ thống phanh, hệ thống lái … Trong trường hợp này, nguy cơ lỗi mạng như đã trình bày ở trên hồn tồn được ngăn chặn bằng cách thiết kế nút chính dự phịng. Các nút chính dự phịng được sử dụng cĩ thể được kết nối song song để các nút trạm cĩ thơng tin cần thiết cho hoạt động an tồn của xe.
Trong cấu trúc liên kết vịng, mỗi nút được kết nối với hai nút lân cận. Các nút mạng tạo ra một vịng khép kín (Hình 2.4). Cấu trúc liên kết gồm:
2.1.3. Cấu trúc vịng (Ring topology)
- Cấu trúc vịng đơn; - Cấu trúc vịng kép.
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc vịng