Ứng dụng công nghệ FPGA thiết kế thử nghiệm thiết bị chuẩn đoán OBD II trên xe ô tô

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
KHĨA 2004-2006
k

ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ FPGA - THIẾT KẾ
THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUY XUẤT OBD II TRÊN XE Ô TÔ

PHÙNG QUỐC HƯNG

HÀ NỘI 11-2006


-1-

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới Bà Phạm Thị Ngọc Yến- PGS.Ts
Chủ nhiệm Bộ Mơn cùng Ơng Lê Hải Sâm – Ths Giảng viên, Bộ môn Đo lường
và Tin học công nghiệp – trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng
dẫn và tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận văn. Những tài liệu tham khảo cùng
với sự chỉ dẫn của thầy và cô đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài
được giao.
Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng- công
ty Minh Hà, kỹ sư Lã Thành Công- công ty TNHH TM&PTCN Ngân Giang,
Garage ôtô FORD Thủ Đô và TOYOTA Láng Hạ đã tạo điều kiện giúp đỡ, hỗ
trợ về cơ sở vật chất và các trang thiết bị trong quá trình thực hiện luận văn.

Với đề tài gồm nội dung như sau:
- Chương 1: Tổng quan hệ thống tự chuẩn đoán OBDII
- Chương 2: Giới thiệu về các chuẩn truyền thông ISO 9141-2 & SAE J1850
- Chương 3: Phương pháp thiết kế bộ chuẩn đoán cầm tay OBD II
- Chương 4: Q trình thiết kế thử nghiệm bộ chuẩn đốn cầm tay OBD II
- Kết Luận
Trong q trình người viết hồn thiện luận văn, dù đã cố gắng nhưng do còn nhiều
hạn chế về kiến thức, thời gian cũng như điều kiện cơ sở vật chất nên nội dung luận
văn và kết quả đạt được vẫn cịn rất nhiều thiếu sót. Tơi rất mong nhận được các ý
kiến đóng góp, bổ sung từ các thầy cô giáo và các bạn.
Hà nội, tháng 11 năm 2006
Học viên
Phùng Quốc Hưng

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-2-

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. …5
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN OBD II..................................................6
I. TỔNG QUAN. ................................................................................................... 6
II. MỤC TIÊU CỦA ODB-II. ................................................................................ 9
III. CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG. ........... 9
3.1 Tầng vật lý ...................................................................................................... 9
3.2 Tầng dữ liệu ................................................................................................ ..11
IV. DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN TRONG ODB-II. .............................................. 14
4.1 ODB-II PIDs ................................................................................................. 14

4.2 Các dạng yêu cầu ........................................................................................... 14
4.3 Các thông số chẩn đoán (PIDs). ..................................................................... 15
4.4 Các dữ liệu chuẩn đoán của ODB-II............................................................... 15
V. CÔNG CỤ TRUY XUẤT THÔNG TIN TỪ ODB-II ...................................... 18
CHƯƠNG II
CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG XE CƠ GIỚI………………………………….20
PHẦN 1
CHUẨN TRUYỀN THÔNG ISO 9141-2........................................................................ 20
I. Phạm vi. ........................................................................................................... 20
II. Tài liệu chỉ dẫn chuẩn. .................................................................................... 20
III. Cấu hình cụ thể. ............................................................................................. 21
IV. Mức tín hiệu và đặc điểm kỹ thuật truyền thơng ............................................ 22
4.1 Mức tín hiệu .................................................................................................. 22
4.2 Đặc điểm kỹ thuật truyền thơng ..................................................................... 23
V. Q trình bắt tay với các ECUs. ...................................................................... 24
5.1 Khởi tạo......................................................................................................... 24
5.2 Đồng bộ tốc độ truyền thông .......................................................................... 24
5.3 Bắt tay. .......................................................................................................... 25
VI. Các yêu cầu đối với thiết bị truy xuất (Diagnostic Tester). ............................. 27
6.1 Giắc kết nối ................................................................................................... 27
6.2 Chức năng tối thiểu cần thiết.......................................................................... 27
6.3 Các đặc tính về điện. ...................................................................................... 28
VII. Các yêu cầu đối với ECU. ............................................................................ 28
7.1 Các đường truyền vào/ra ................................................................................ 28
7.2 Các đặc tính về điện....................................................................................... 28
7.3 Chức năng tối thiểu của ECU ......................................................................... 29
VIII. Giao thức truyền thông................................................................................ 29
8.1Truyền thông ODB-II ..................................................................................... 29
8.2 Định nghĩa Checksum.................................................................................... 30
IX. Thời gian trong một bản tin và thời gian giữa các bản tin ............................... 30

X. Các lỗi truyền thơng có thể xảy ra và cách xử lý ............................................. 32

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-3-

10.1 Quá trình bắt tay .......................................................................................... 32
10.2 Trình tự truyền thông ................................................................................... 32
10.3 Lỗi Checksum. ............................................................................................. 32
10.4 Lỗi cấu trúc bản tin. ..................................................................................... 32
10.5 Lỗi sai thời gian giữa các byte trong bản tin và giữa các bản tin..............32

PHẦN 2
CHUẨN TRUYỀN THÔNG SAE J1850

I. PHẠM VI ỨNG DỤNG...................................................................................34
II. CƠ CHẾ GIAO TIẾP.................................................................................... 35
2.1 Cơ chế giao tiếp sử dụng định dạng kiểu mã hóa.................................36
2.2 Phương pháp truy nhập đường truyền................................................... 37
2.3 Cấu trúc bức điện.................................................................................... 37
2.4 Bảo toàn dữ liệu........................................................................................39

CHƯƠNG III
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ CHUÂN ĐOÁN OBD II CẦM TAY.......................... 41
I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU................................................................................41
II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA 1 HAND-HELD SCAN TOOL............. 42
2.1 Sơ đồ khối thiết kế của một thiết bị truy xuất cầm tay.................................43
2.2 Lưu đồ hoạt động của 1thiết bị cầm tay nói chung......................................43
2.3 Lưu đồ thuật toán một số chức năng thường có ở thiết bị chuẩn đốn.........44

III. MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM...................... 48
3.1 Với khối xử lý trung tâm sử dụng các dòng vi điều khiển...........................48
3.2 Với khối xử lý trung tâm sử dụng PSOC hoặc bộ vi xử lý Intel..................50
3.3 Với khối xử lý trung tâm dựa trên nền tảng công nghệ FPGA……………52
IV. KẾT LUẬN...........................................................................................................................52
CHƯƠNG IV
Q TRÌNH THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ CHUẨN ĐỐN CẦM TAY OBD.... 54
I. ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................................54
II. THIẾT KẾ MẠCH CHO THIẾT BỊ…………………………………………...54
2.1 Ghép nối PROM với chip FPGA…………………………………………. .. 55
2.2 Thiết kế mạch chuyển đổi từ cổng OBD II, cấp nguồn cho FPGA,LCD……56
2.3 Lựa chọn các linh kiện cho thiết bị chê thử.....................................................58
2.4 Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu,cung cấp nguồn,ghép nối hiển thị LCD….. 59
III. CHƯƠNG TRÌNH PHẦN CỨNG VHDL, SYNTHESIS................................66
3.1 Khối bắt tay truyền thông...............................................................................67
3.2 Khối gửi bản tin………………………………………………….................. 68
3.3 Khối nhận bản tin.........................................................................................69
3.4 Khối điều khiển và chuyển trạng thái………………………………...........70
3.5 Khối điều chế xung clock............................................................................ 71
3.6 Khối xử lý tín hiệu vào từ bàn phím...........................................................71
3.7 Khối điều khiển và hiển thị LCD………………………………………….72
3.8 Khối chương trình chính…………………………………………………. 72
3.9 Synthesis các khối chức năng và khối chương trình chính..........................74
IV. GHÉP NỐI CÁC LINH KIỆN..........................................................................76

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-4-

V. NẠP CHƯƠNG TRÌNH CHẠY THỬ...............................................................77
VI. KHẢ NĂNG NÂNG CẤP VÀ PHÁT TRIỂN.................................................77
KẾT LUẬN........................................................................................................................78
TÀi LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................79
PHỤ LỤC
Phụ lục 1
TỎNG QUAN VỀ FPGA VÀ PHẦN MỀM ĐẶC TẢ PHẦN CỨNG VHDL..................80
Phụ lục 2
CHUẨN TRUYỀN THÔNG OBD-II TRÊN CÁC LOẠI XE………………………… 107

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-5-

LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển và hội nhập kinh tế thế giới, việc sử dụng các phương
tiện cơ giới đường bộ trở nên cực kỳ quan trọng và là xương sống cho nền kinh tế
nuớc nhà nhằm giải quyết nhu cầu vận chuyển hàng hóa, con người. Với sự phát
triển đa dạng phương tiện xe cơ giới được sản xuất, lắp ráp trong và ngoài nước
cũng sẽ đi kèm với các bài tốn về an tồn kỹ thuật và kiểm sốt nồng độ khí thải
để giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường. Do đó các nhà chế tạo ơ tô đã bắt đầu sử dụng
các vi mạch điện tử để giám sát và chuẩn đoán các vấn đề hư hỏng của động cơ ô tô
gọi là OBD-(On-Board Diagnostic). Qua nhiều năm sử dụng, hệ thống OBD trở
thành một tiêu chuẩn bắt buộc trang bị trên các ô tô hiện đại.
Năm 1995 ra đời một chuẩn OBD mới thế hệ thứ 2 (OBD-II), hệ thống OBDII có khả năng cung cấp hầu hết các thông tin về: động cơ, khung gầm (số VIN),
thân xe, các thiết bị phụ trợ cũng như hệ thống mạng thông tin điều khiển trên ô tơ.
Do vậy chúng ta cần phải có những thiết bị có khả năng chuẩn đốn, thu thập số
liệu từ các hệ thống cảm biến gắn trên xe ô tô thông qua OBD là vô cùng cần thiết.
Việc các sản phẩm vi điện tử như vi xử lý, vi điều khiển, DSP, cơng nghệ

nhúng…ngày càng phát triển về mặt tính năng kỹ thuật, giá thành và kích thước
giảm, đa dạng về chủng loại, tùy biến theo yêu cầu khách hàng giúp cho người thiết
kế thiết bị chuẩn đốn có thêm nhiều giải pháp chọn lựa công nghệ sao cho hợp với
yêu cầu bài toán kỹ thuật và các yếu tố kinh tế đặt ra.
Trong thời gian làm việc cùng với kỹ sư Lã Thành Công thực hiện khảo sát Hệ
thống điện tử gắn trên các xe chuẩn bị cho hội nghị APEC diễn ra tại Việt nam do
FORD và TOYOTA cung cấp, tôi thấy rằng ngành ô tô Việt Nam cần thiết phải
trang bị những loại thiết bị Đo lường Kiểm định có khả năng ứng dụng linh hoạt để
đánh giá các thơng số an tồn kỹ thuật của các loại xe mà giá thành ở mức chấp
nhận được. Do vậy tôi đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thử nghiệm công
nghệ FPGA ứng dụng trong thiết kế thiết bị truy xuất thơng tin của hệ thống
tự chuẩn đốn OBD-II trên các phương tiện cơ giới hiện đại”.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-6-

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN
ON-BOARD DIAGNOSTIC SYSTEM

I. TỔNG QUAN
On-Board Diagnostics, hay ODB là một thuật ngữ liên quan tới thiết bị cơ
giới, thuật ngữ này liên quan tới khả năng tự chuẩn đoán của một phương tiện cơ
giới. Nếu một hệ thống chẩn đoán trên xe phát hiện ra một sự cố, một mã chẩn
đoán lỗi (DTC- diagnostic trouble code) tương ứng với một sự cố được ghi lại tại
máy tính của phương tiện đó, và trong một số trường hợp nhất định hệ thống này sẽ
kích hoạt đèn báo lỗi hoặc đèn báo kiểm tra động cơ (MIL - malfunction indicator
light, or check engine light). Một kỹ thuật viên có thể truy xuất DTC thơng qua một

cơng cụ qt (scan tool) và qua đó đưa ra những giải pháp thích hợp để xử lý sự cố
về động cơ, khung gầm, thân xe, các thiết bị phụ trợ cũng như hệ thống mạng thông
tin điều khiển trên ô tô.

Check Engine Light On-Board (OBD II) Diagnostics

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-7-

Trước khi có module điện tử số kiểm sốt các hệ thống trên xe - một hệ
thống ứng dụng các tính năng của OBD, người ta xử lý sự cố cho các phương tiện
cơ giới chủ yếu dựa vào kỹ năng của các kỹ thuật viên và các tài liệu kỹ thuật từ
nhà sản xuất ô tô.
Một phương tiện cơ giới hiện đại có hàng trăm các DTC, mỗi một DTC chỉ
ra một sự cố riêng biệt. Một sự cố đơn giản có thể chỉ là hở mạch, ngắn mạch, hoặc
sự sai lệch vị trí của đầu phun nhiên liệu. Một DTC có thể thơng báo về một bộ
phận bị hỏng. Một số DTC báo lỗi cho các hệ thống phụ, ví dụ như thơng báo sự cố
của hệ thống hệ thống trộn nhiên liệu khi nó hoạt động sai chức năng.
• Trước khi có OBD, các nhà sản xuất ơ tơ khơng chuẩn hóa DTC
• OBD-I mở đầu cho DTC được chuẩn hóa vào năm 1989
• OBD-II bổ xung những thử nghiệm khác để kiểm tra hoạt động của hệ thống
xả trong động cơ vào năm 1996
• OBD-III đưa vào những tính năng mới và mở ra một thời kỳ phát triển có
qui luật
The CARB (California Air Resources Board) là những hoạt động hàng đầu
trong hệ thống qui tắc của OBD. Liên minh châu âu, Nhật Bản và các tổ chức chính
phủ khác cũng có những địi hỏi về OBD riêng biệt. Hiệp hội kỹ sư cơ giới - SAE
(Society of Automotive Engineers) - chuẩn hóa DTC cho tất cả các nhà sản xuất xe

trên toàn thế giới. Ngoài ra, mỗi nhà sản xuất có thể mở rộng các khả năng của
OBD bằng các DTC của riêng họ.
OBD chữ viết tắt của On-Board Diagnostics, đã xuất hiện trên hầu hết các
phương tiện cơ giới từ năm 1981. Thế hệ đầu tiên của OBD (hay OBD-I) được thiết
kế ban đầu như một công cụ giám sát các hệ thống khác nhau trên một phương tiện
cơ giới (ví dụ: hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, hệ thống xả, v...v) và
báo các sự cố mà nó tìm thấy. Trong khi phương tiện cơ giới đó khởi động, một
máy tính sẽ kiểm tra lỗi và kích hoạt đèn báo sự cố MIL trên bảng điều khiển để

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-8-

cảnh báo người lái về một lỗi nào đó được phát hiện. Tại thời điểm đó, máy tính
được lập trình để tạo và lưu trữ các mã số báo lỗi (hai hoặc ba số) có liên quan đến
lỗi đó, điều này khiến thiết bị truy xuất mã lỗi trở nên hữu ích. OBD-I chiếm lĩnh
trong suốt các năm từ 1981 cho đến 1993. OBD-I khơng cịn được nhắc tới khi có
sự bùng phát của OBD-II. Thế hệ thứ hai này của OBD được đưa ra trên toàn thế
giới vào năm 1996 do áp lực từ phía các chính phủ trong vấn đề giảm tải ơ nhiễm
khí thải từ các phương tiện cơ giới. Hệ thống OBD-II có thể thấy trên các xe từ
năm 1996 cho đến nay. Hệ thống này hiện nay có nhiều cải tiến hơn và gọn hơn so
với phiên bản đầu tuy nhiên những tiêu chuẩn thì vẫn như cũ. Máy tính vẫn kiểm
sốt các hệ thống trên xe để rà sốt lỗi, máy tính của xe sẽ vẫn sử dụng một đèn báo
sự cố MIL để cảnh báo người lái xe về các trục trặc, và lưu trữ các mã số để xác
định hệ thống chấp hành hay mạch điện có sự cố.
Lịch sử của các hệ thống chẩn đốn
•

1970: Nước Mỹ thay thế tổ chức Hoạt động vì sự trong lành của khí quyển và lập

ra cơ quan Bảo vệ Mơi trường.

•

1980: Các máy tính bắt đầu xuất hiện trên các xe cơ giới, được phát triển rộng rãi
cho những ứng dụng về thời gian điều chỉnh tại các hệ thống bơm xăng mặc dù
chưa có sự chuẩn hóa trong việc giám sát hoặc thơng báo.

•

1982: Các động cơ trong xe thực hiện việc chuẩn hóa bên trong hệ thống chuẩn
đốn gọi là Assembly Line Communications Link (ALCL), sau này đổi thành
Assembly Line Diagnostics Link (ALDL). Giao thức ban đầu ALCL truyền
thông với tốc độ 160 baud với dạng tín hiệu PWM

•

1986: Phiên bản nâng cấp ALDL xuất hiện với tốc độ truyền thông 8192 baud 2
chiều tín hiệu UART. Giao thức này được định nghĩa trong GM XDE-5024B.

• 1987: Bắt đầu xuất hiện hệ thống chuẩn đoán, 1 K-line cho tất cả các ECU,
ISO 9141-1, RB-KW71, mã nháy (Blink code)
• 1989: Opel Keyword 81
• 1992: Opel Keyword 82

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


-9-

• 1994: 4 separate K-Lines SAE J 1962-Diagnostic Connector (ISO 15031-3)
• 1996: KWP 2000, Flash Programming
• 1997: OBD II: ISO 9141-2, US-Cadillac Catera
• 2000: EOBD: ISO 14230-4 Diagnostics via KWP 2000
• 2002: Diagnostics on CAN incl. EOBD
• 2008: Tất cả các xe được bán tại Mỹ sẽ được yêu cầu sử dụng chuẩn tín
hiệu ISO15765-4 (Một dạng CAN bus mới).
II. MỤC TIÊU CỦA ODB-II
Những nội dung mang tính bắt buộc của hệ thống OBD-II là yêu cầu các nhà
sản xuất ôtô phải thiết kế những hệ thống điều khiển quá trình xả có độ tin cậy nhất
định để xe có “một vịng đời hiệu quả”. Hoạt động của q trình xả trên mỗi
phương tiện cơ giới ngày một kém đi và ở mức độ khác nhau tùy thuộc vào rất
nhiều yếu tố như là tuổi của xe, số quãng đường mà xe đã qua, việc sử dụng xe, địa
hình hoạt động và thiết kế của xe. Các tính năng tinh tế nhất của một hệ thống
OBD-II là nó xác định được khi nào thì hoạt động của quá trình xả của một xe đã bị
hư tổn ở dưới một mức qui định, khi đó đèn báo sự cố MIL hoặc đèn báo kiểm tra
sẽ bật sáng. Tại Canifornia, việc cấp phép trở lại cho một phương tiện cơ giới sẽ bị
từ chối nếu như kiểm tra thấy MIL báo sáng. Bắt đầu từ năm 1996, các nhà sản
xuất sẽ chịu trách nhiệm sửa chữa các thiết bị hỏng được báo lỗi qua MIL, miễn là
các phương tiện cơ giới đó đang trong thời hạn bảo hành hệ thống xả. Mỗi nhà sản
xuất được tự do sử dụng các kỹ thuật riêng của mình miễn sao nó phải phù hợp với
những qui định của hệ thống OBD-II. Điều này hạn chế đáng kể các nhà sản xuất ô
tô thiết kế một hệ thống kiểm sốt q trình xả mà có tuổi thọ không cao.
III. CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
3.1 Tầng vật lý: Thực chất là cổng giao tiếp OBD II gắn trên xe

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 10 -

Hệ thống ODB-II quy định rõ ràng về một tiêu chuẩn giao tiếp phần cứng,
giắc giao tiếp là một giắc cái 16 chân (2x8) J1962 (hay còn gọi là giắc hình thang).
Khơng giống như giắc giao tiếp của ODB-I, giắc giao tiếp của ODB-II có vị trí đặt
được quy định là bên phải tay lái gần bảng điều khiển trung tâm (thường là ngay
phía dưới của tay lái).
Tiêu chuẩn SAE J1962 định nghĩa các chân của giắc giao tiếp như sau :

Các chân không chỉ rõ chức năng là: 1, 3, 8, 9, 11, 12, 13 được sử dụng cho các
tín hiệu quy định riêng của nhà sản xuất nhằm phục vụ cho việc kiểm tra xe khi
không sử dụng thiết bị chuẩn đoán kiểm tra theo OBD-II. Khi một xe tuân thủ theo
một tiêu chuẩn truyền thông ODB-II thì chỉ có các chân sử dụng trong chuẩn truyền
thơng đó có chức năng theo sơ đồ trên, cịn lại các chân khác được nhà sản xuất sử
dụng theo quy định riêng.
Ví dụ: Toyota Corolla Altis sử dụng tiêu chuẩn truyền thơng ISO 9141-2 (K-line)
thì chỉ có 2 chân 4, 5, 7, 15 và 16 là theo sơ đồ trên, còn lại tuân theo quy định của
hãng như : chân 13 là chân Tc, chân 14 là chân Ts (do bản chất của nhà SX)…
Tiêu chuẩn SAE J1962 quy định kích thước của giắc giao tiếp như sau:

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 11 -

EXTERNAL TEST EQUIPMENT CONNECTOR

3. 2 Tầng dữ liệu:
Giao thức truyền thông của ECU với thiết bị ngoại vi thông qua cổng ODB-II
Bộ điều khiển kỹ thuật số ECU (Electronic Control Unit) là thiết bị cho phép kết
nối các hệ thống cơ khí và điện tử trên xe ơtơ, phân tích và tính tốn các số liệu để

điều khiển động cơ ôtô chạy hiệu quả nhất theo từng chế độ (chạy trên đường
trường hay chạy trong phố...) nhằm giảm tối đa lượng khí xả độc hại phát ra mơi
trường.
Có rất nhiều loại mạng khác nhau trên các phương tiện cơ giới. Các phương tiện
vận tải nhẹ và các phương tiện vân tải nặng sử dụng các loại mạng khác nhau. Các
nhà sản xuất khác nhau cũng sử dụng các loại mạng và các giao thức khác nhau.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 12 -

Một số các giao thức mạng được thiết lập và được các nhà sản tuân thủ theo. Việc
có đầy đủ các giao thức mạng giúp các nhà sản xuất có sự lựa chọn riêng cho mình
sao cho phù hợp nhất với các hệ thống của mình.
Bang Canifornia – Mỹ đã đưa ra các tiêu chuẩn thống nhất cho hệ thống mạng
trên xe khi họ đặt ra cá yêu cầu cho hệ thống ODB-II. Họ đã đưa ra các khái niệm
về một giao thức truyền dữ liệu và một giao tiếp chuẩn cho các phương tiện cơ giới,
nhằm cho phép một thiết bị truy xuất (gọi là công cụ qt – Scan tool) có thể kết nối
tới máy tính trên xe và kiểm tra xem xe đó có nồng độ khí xả ở mức ơ nhiễm nào,
các thơng tin nhận được từ máy tính trên xe sẽ được hiển thị trên màn hình của thiết
bị truy xuất., đồng thời thiết bị này cũng có thể truy xuất các thơng tin của xe hay
truy xuất và xóa các mã lỗi được lưu trữ trên xe,…Hiện nay người ta đang đưa ra đề
xuất về một hệ thống ODB-III sẽ cho phép xe tự động đưa ra thông báo về mức độ
ô nhiễm thông qua radio. Tại Châu âu người ta cũng đang tạo ra phiên bản riêng của
ODB-II với tên EODB.
Tiêu chuẩn ODB-II quy định giao thức truyền dữ liệu và kết nối vật lý riêng
cho mình. Nó cho phép sử dụng các giao thức điện tử khác nhau là : J1850 PWM,
J1850 VPW, ISO 9141-2, KWP2000 – hay ISO 14230 và CAN. Việc có thể cho
phép sử dụng khá nhiều các giao thức điện tử khác nhau làm cho ODB-II có rất

nhiều điểm nổi bật. Các định nghĩa sau cho chúng ta thấy sự khác biệt của hệ thống
tuân theo ODB-II và các hệ thống khác.
Tóm lược các chuẩn truyền thông thường sử dụng trong các thiết bị cơ giới:
Các chuẩn truyền thông cơ bản thông qua hai tầng vật lý và tầng dữ liệu trong giao
tiếp truyền thơng.
• J1850 VPW (Variable Pulse Width): chuẩn truyền thơng có tốc độ 10.4
Kbps, chủ yếu sử dụng cho các xe của hãng General Motor coi là Class 2. Nó
là giao thức sử dụng 1 dây đơn.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 13 -

• J1850 PWM (Pulse Width Modulated): chuẩn truyền thơng có tốc độ 41.6
Kbps chủ yếu sử dụng cho các xe của hãng Ford. Nó là giao thức sử dụng
dây kép.
• ISO 9141-2 : chuẩn truyền thơng khơng đồng bộ, với tốc độ 10.4 Kbps, sử
dụng cho các xe của Chrysler và Mazda, và các phương tiện của châu Âu và
châu Á. Các bản tin của chuẩn truyền thông này giống với bản tin của chuẩn
J1850 nhưng có giao thức vật lý khác. Giao thức truyền không đồng bộ
UART từng bit một của ISO 9141-2 giống với giao thức truyền nối tiếp của
PC (serial port) chỉ khác về tốc độ truyền và hiệu điện thế trên đường truyền,
vì vậy chúng ta có thể sử dụng một bộ chuyển đổi tín hiệu để kết nối máy
tính PC với phương tiện cơ giới. Bản tin bắt tay để khởi tạo giao diện là một
bản tin có tốc độ 5bps. Giao thức sẽ phải thực hiện bắt tay lại nếu sau một
thời gian 5s khơng có u cầu nào được gửi tới máy tính trên xe. Nó là giao
thức sử dụng dây đơn.
• ISO 14230-4 (hay cịn gọi là KWP 2000 – Keyword Protocol 2000): đây là
phiên bản mới của chuẩn ISO 9141-2. Nó cho phép bản tin khởi tạo được gửi

nhanh chóng hơn thay thế cho tốc độ khá chậm 5bps của ISO 9141-2.
• CAN (Controller Area Network): CAN đang trở thành một chuẩn được sử
dụng rơng rãi, nó sử dụng bus cho truyền thông trên xe. Đây là chuẩn truyền
thông có tốc độ cao, có thể là 125Kbps, 250Kbps hay thậm chí là 500Kbps.
CAN sử dụng một dây kép.
• LIN (Local Interconnect Network) : Đây là một chuẩn truyền thông đơn
giản, có chi phí thấp, tốc độ chậm, sử dụng trong nội bộ các hệ thống trên xe
để bổ trợ hoạt động của mạng CAN. Hệ thống mạng kết nối các hệ thống phụ
trên xe cơ giới có yêu cầu khơng q phức tạp nên để giảm thấp chi phí
người ta sử dụng chuẩn truyền thông LIN. Các mạng LIN trong xe được kết
nối với mạng CAN trong xe bởi các gateways. LIN sử dụng một dây đơn như

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 14 -

nâng cấp của ISO 9141, LIN không phải là một chuẩn truyền thơng thuộc
ODB-II.
• Ford’s UBP (URAT Based Protocol) : Đây là một chuẩn truyền thông riêng
của FORD, khơng thuộc ODB-II.
• Chrysler's CCD : Đây là một chuẩn truyền thơng riêng của Chrysler, khơng
thuộc ODB-II.
• GM's 8192 UART (ALDL Assembly Line Diagnostic Link) - Đây là một
chuẩn truyền thông riêng của GM, không thuộc ODB-II.
IV. DỮ LIỆU VÀ THƠNG TIN TRONG ODB-II
Hệ OBD–II có khả năng tiếp cận với rất nhiều các dữ liệu từ ECU và cung cấp
những thơng tin rất quan trọng khi có sự cố xảy ra đối với một phương tiện cơ giới.
Tiêu chuẩn J1979 đưa ra các phương thức truy xuất dữ liệu chẩn đốn khác nhau
đối với các chuẩn truyền thơng khác nhau và một bảng liệt kê các thông số theo tiêu

chuẩn mà có thể đọc được từ ECU. Các thơng số khác nhau này ứng với các PIDs –
parameter identification numbers – khác nhau và được giải thích cụ thể trong tài
liệu thuộc J1979. Các định nghĩa PIDs và phương thức chuyển đổi dữ liệu đầu ra
của hệ OBD-II thành các dữ liệu chẩn đốn có ý nghĩa được đưa ra trong tài liệu
J1979.
4.1 ODB-II PIDs
Theo tiêu chuẩn ODB –II, các bản tin yêu cầu được gửi tới ECU thông qua cổng
giao tiếp ODB-II và được tạo thành bởi 2 bytes (không bao gồm các header bytes và
bytes CRC của một bản tin). Byte đầu sẽ xác định dạng yêu cầu và byte thứ hai sẽ là
mã số của thông số yêu cầu (PID). ECU sẽ trả lời bằng một bản tin dữ liệu với hai
bytes xác nhận và tiếp theo là một số lượng bytes dữ liệu nhất định (tối đa là 5
bytes).
4.2 Các dạng yêu cầu
Có 9 dạng dạng yêu cầu được đưa vào trong chuẩn của ODB-II (SAE J1979). Đó là:

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 15 -

1. Đưa ra dữ liệu hiện thời
2. Đưa ra các dữ liệu freeze frame
3. Đưa ra các mã lỗi
4. Xóa các mã lỗi và các giá trị được lưu trữ
5. Kiểm tra giá trị đầu ra của các bộ cảm biến oxygen
6. Kiểm tra giá trị của các hệ thống giám sát trên xe
7. Đưa ra các mã lỗi đang được thiết lập
8. Chế độ điều khiển đặc biệt
9. Đưa ra các thông tin về xe
Các nhà sản xuất xe không bắt buộc phải hỗ trợ tất cả các dạng yêu cầu và được cho

phép bổ xung một số các dạng yêu cầu riêng (Service #09).
4.3 Các thông số chẩn đốn (PIDs)
Các thơng số chuẩn đốn ODB-II PIDs được chỉ ra trong SAE J1979, sẽ có các
bản tin trả lời từ mỗi yêu cầu ứng với PID được gửi, cùng với những thơng tin có ý
nghĩa được chuyển tải từ bản tin đó. Khơng phải tất cả các loại xe hỗ trợ tất cả các
PIDs và có thể có các PIDs riêng được định nghĩa bởi nhà sản xuất mà không được
định nghĩa trong hệ thống các PIDs của ODB-II.
Lưu ý rằng dạng yêu cầu 1 và 2 về cơ bản là giống nhau, nhưng dạng yêu cầu
1 đưa ra các thông tin hiện thời, trong khi dạng yêu cầu 2 đưa ra bản tin tóm lược dữ
liệu tương tự tại thời điểm cuối mà mã lỗi chẩn đoán được thiết lập. Các trường hợp
ngoại lệ này là PDI 01, ở dạng yêu cầu 1và PID 02, ở dạng yêu cầu 2.
Ví dụ một yêu cầu truy xuất mã số VIN của xe sẽ được gửi như sau : để truy
xuất mã số VIN thì chúng ta cần sử dụng dạng yêu cầu 09 và PID 01, 02 của dang
yêu cầu này.
4.4 Các dữ liệu chuẩn đoán của ODB-II

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 16 -

Để yêu cầu truy xuất mã chuẩn đoán lỗi DTC (Diagnostic Trouble Codes) thì
chúng ta cần sử dụng dạng yêu cầu 03. Mỗi DTC sẽ chỉ ra một sự cố tương ứng trên
xe. Sau khi truy xuất mã lỗi, nếu xe có sự cố thì chúng ta sẽ nhận được một số các
mã lỗi DTC.
Cách đọc các mã chẩn đoán lỗi của ODB-II : Một mã chẩn đoán lỗi (DTC) được
tạo nên từ 5 ký tự. Các dữ liệu sau mô tả thành phần của một DTC, với các thơng
tin này có thể dễ dàng xác định sự cố từ DTC mà không cần biết rõ chi tiết về các
mã này. Ví dụ một DTC có thể là: P0101. Trong đó:
1st digit

B-Body, C-Chassis, P-Powertrain-Động lực học, U-Network
Chỉ ra sự cố thuộc thành phần nào trên xe.

2nd digit 0 – SAE, theo tiêu chuẩn của tổ chức SAE
1 – Manufacture, theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất
3rd digit
1. Air & Fuel Metering
2. Air & Fuel Metering (Injector Circuit)
3. Ignition System or Misfire
4. Auxiliary Emissions Controls
5. Vehicle Speed Controls And Idle Control System
6. Computer Output Circuit
7. Transmission
8. Transmission

4th & 5th digit - 2 số chỉ ra mã số lỗi, trong khoảng 0-99

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 17 -

Ví dụ kết quả một mã chuẩn đốn được đọc ra từ thiết bị.
Các kiểu kiểm tra thiết lập DTC
Có hai kiểu kiểm tra thiết lập DTC sử dụng trong ODB-II, được thực hiện như sau:
U

Kiểu A

1. Phát các tín hiệu kiểm tra.
2. Kích hoạt đèn báo sự cố MIL sau một vịng kiểm tra khơng thành cơng, khi đó
tức là có sự cố trên các thiết bị của xe.
3. Lưu dữ các DTC ứng với sự cố được phát hiện sau 1 vòng kiểm tra.
U

Kiểu B

1. Phát các tín hiệu kiểm tra.
2. Thiết lập các mã lỗi sau một vịng kiểm tra khơng thành cơng
3. Xóa các mã lỗi vừa thiết lập sau khi vòng kiểm tra thứ 2 thành cơng, tức là khi đó
các mã lỗi đang được thiết lập bị hủy do thực tế là khơng có lỗi.
4. Kích hoạt đèn báo sự cố MIL và lưu giữ các mã lỗi nếu sau 2 vòng kiểm tra liên
tục không thành công.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 18 -

V. CÔNG CỤ TRUY XUẤT THÔNG TIN TỪ ODB-II
Các cơng cụ truy xuất dữ liệu từ OBD-II có thể được phân loại theo 2 tiêu chí. Tiêu
chí thứ nhất là phân loại dựa vào cơ sở phần cứng: xây dựng trên một hệ điều hành
và một phần cứng độc lập hay là xây dựng trên nền của một máy tính cá nhân PC.
Tiêu chí phân loại thứ 2 là dựa vào xu hướng của thị trường: xây dựng một thiết bị
sử dụng chuyên nghiệp hay hay xây dựng theo thị hiếu của người sử dụng. Do đó
cơng cụ truy xuất có thể xếp vào 4 nhóm sau đây.
Thiết bị truy xuất độc lập
• Sử dụng cho nhà chuyên nghiệp
• Sử dụng cho khách hàng bình thường

Thiết bị truy xuất dựa trên nền tảng PC
• Sử dụng cho nhà chun nghiệp
• Sử dụng cho khách hàng bình thường
U

Lợi thế của một cơng cụ truy xuất độc lập là :
• Tiện lợi trong việc mang theo.
• Khơng cần thêm các nguồn điện khác, sử dụng nguồn điện từ chính ơ tơ nên
có thể sử dụng ở bất cứ đâu.

U

Lợi thế của một công cụ truy xuất dựa trên nền tảng máy tính cá nhân là :
• Chi phí thấp hơn các cơng cụ qt độc lập cùng chức năng
• Bộ nhớ ảo lớn có thể lưu trữ nhiều dữ liệu và thực hiện nhiều chức năng khác
• Màn hình có độ phân giải cao
• Ứng dụng được nhiều chương trình phần mềm kèm theo
• Có khả năng lập trình và thiết kế lại khi muốn thay đổi

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 19 -

Thiết bị truy xuất độc lập Intelligent Tester của hãng TOYOTA giá 2,000 USD

Công cụ Scan Tool dựa trên nền tảng lập trình PC sử dụng card giao tiếp IC ELM 323.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006

- 20 -

CHƯƠNG II
CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG XE CƠ GIỚI
PHẦN 1: CHUẨN TRUYỀN THÔNG ISO 9141-2

I. Phạm vi
Tiêu chuẩn ISO 9141-2 chỉ rõ cách thức trao đổi thông tin giữa các ECUs của thiết
bị vận tải và một thiết bị truy xuất ODB-II theo tiêu chuẩn của SAE J1978. Chuẩn
truyền thông này được thiết lập nhằm thuận tiện cho việc truy xuất dữ liệu từ các hệ
thống chẩn đoán, giám sát trên xe theo quy định của SAE hoặc của riêng nhà sản
xuất ôtô. Chuẩn truyền thông này được giới hạn áp dụng được đối với các thiết bị
cơ giới có điện áp ắc quy bình thường trên xe là 12V.
II. Các tài liệu chỉ dẫn chuẩn
Đi kèm theo tiêu chuẩn này là một số tiêu chuẩn có liên quan cần có để có thể hiểu
tốt nhất về chuẩn truyền thông được đưa ra. Các tiêu chuẩn đi kèm là :
• IS0 7637-l: 1990, Road vehicles - Electrical disturbance by conduction and
coupling - Part 1: Passenger cars and light commercial vehicles with nominal
12 V supply voltage - Electrical transient conduction along supply lines only.
• IS0 9141: 1989, Road vehicles - Diagnostic systems - Requirements for
interchange of digital information.
• SAE J1962, Diagnostic Connector.
• SAE J1978, OBD II Scan Tool.
• SAE J1979, E/E Diagnostic Test Modes.
• SAE J2012, Format and Messages for Diagnostic Trouble Codes.
• California Code of Regulation, Title 13, 1968.1, Malfunction and Diagnostic
Systems Requirements.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006

- 21 -

III. Cấu hình cụ thể
Trong chuẩn truyền thơng này, các ECUs trên xe sẽ được hỗ trợ một dây truyền
thông (K-Line) hoặc 2 dây truyền thông (K-Line và L-Line) trong việc giao tiếp với
thiết bị truy xuất bên ngoài qua giắc giao tiếp theo tiêu chuẩn SAE J1962. Mức điện
áp của ắc quy trên xe là V B , và tín hiệu đất GND được dẫn ra giắc giao tiếp theo
R

R

quy định trong tiêu chuẩn SAE J1962.
K-Line là một đường truyền 2 chiều. Nó được sử dụng trong quá trình bắt tay
và truyền bản tin khởi tạo bắt tay từ thiết bị truy xuất ODB-II tới các ECUs trên xe,
việc này cũng xảy ra cùng lúc với đường truyền L-line. Sau khi truyền bản tin khởi
tạo bắt tay thì K-line được sử dụng để truyền thơng tin 2 chiều giữa các ECUs trên
xe và thiết bị truy xuất bên ngồi để hồn tất q trình bắt tay khởi tạo. Sau khi bắt
tay, K-Line được sử dụng để truyền các bản tin yêu cầu từ thiết bị truy xuất cũng
như bản tin trả lời từ các ECUs.
L-line là một đường truyền một chiều và chỉ sử dụng trong khi truyền bản tin
khởi tạo bắt tay từ thiết bị truy xuất đến các ECUs trên xe, đồng thời với K-Line. Ở
thời gian khác, nó ln ở trạng thái logic là ‘1’. Hình sau chỉ rõ cho ta thấy một cấu
hình có thể của hệ thống và vai trị của các đường trường K-line và L-line.

Một cấu hình cụ thể của một hệ thống

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006

- 22 -

Nếu mọi ECUs, được nối với nhau trên một đường truyền, người thiết kế hệ
thống cần chắc chắn rằng việc cấu hình hệ thống đã được thao tác chính xác. Với
một tín hiệu khởi tạo trên đường truyền thì sẽ khơng có q một ECU trả lời tại một
thời điểm. Cũng có thể có một số ECUs cùng được khởi tạo trên đường truyền và
các bản tin trả lời được sắp xếp theo một tuần tự xác định. Nếu 2 đường truyền Kline và L-line được sử dụng cho các mục đích khác khơng nằm trong mục đích kiểm
tra và chẩn đốn thì cần kiểm sốt chặt chẽ tới các hành động trên đường truyền
nhằm tránh xảy ra xung đột dữ liệu trong tất cả các chế độ.
IV. Mức tín hiệu và đặc điểm kỹ thuật truyền thơng
4.1 Mức tín hiệu
Trong các hoạt động thực tế của truyền thơng nối tiếp, cả ECU và thiết bị
truy xuất có thể xác định chính xác trạng thái logic trên đường truyền như sau :
- Mức logic ‘0’ tương đương với mức điện áp trên đường truyền nhỏ hơn 20% V B
R

R

đối với thiết bị truyền và 30% V B đối với thiết bị nhận.
R

R

- Mức logic ‘1’ tương đương với mức điện áp trên đường truyền lớn hơn 80% V B
R

đối với thiết bị truyền và 70% V B đối với thiết bị nhận.
R

R

.
Mức điện áp của tín hiệu

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006

R


- 23 -

Thời gian thiết lập mức tín hiệu trên đường truyền phải nhỏ hơn 10% thời gian ứng
với 1 bit trên đường truyền. Thời gian thiết lập tín hiệu được định nghĩa là thời mức
điện áp trên đường truyền chuyển từ 20% tới 80% V B và từ 80% xuống 20% V B đối
R

R

R

R

với thiết bị truyền. Mức điện áp nằm giữa 30% và 70% của V B là khơng xác định và
R

R

có thể là 1 trong 2 mức logic ‘0’ và ‘1’
4.2 Đặc điểm kỹ thuật truyền thông

Sơ đồ lắp đặt cấu hình truyền thơng như sau :

Giá trị điện dung của các tụ điện như sau :
n

C ECU = ∑ C ECUi

- n là số ECUs trên đường truyền

i =1

C ECU + C OBW ≤ 7,6nF
CTE ≤ 2nF

Các giá trị xác đinh từ tốc độ truyền thông lớn nhất và tổng trở của mạch.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006


- 24 -

V. Quá trình bắt tay với các ECUs
Trong yêu cầu truyền thông với ECU của thiết bị truy xuất, một bản tin khởi
tạo được truyền đến các ECU trên cả 2 đường truyền K-line và L-line. Khi các
đường truyền K-line và L-line ở trạng thái rảnh rỗi thì mức logic luôn là ‘1’.
5.1 Khởi tạo
Để khởi tao quá trình bắt tay, thiết bị truy xuất truyển một bản tin tốc độ 5
bit/s đến xe, trong đó bao gồm một byte có giá trị 33 H .
R

R

Bản tin bao gồm : bắt đầu là 1 start bit – mức logic ‘0’, 8 bits dữ liệu – đầu
nhỏ (LSB) được truyền trước tiên, cuối cùng là 1 stop bit – mức logic ‘1’.
Cấu trúc bản tin khởi tạo như sau :

(Như vậy bản tin khởi tạo bắt tay sẽ được truyền trong 2s – tốc độ 5 bit/s – vậy cần
1 xung clock có tần số 5 Hz, tương đương 200ms lật 1 lần).
Bản tin khởi tạo là: 0110011001
Sau khi truyền bản tin khởi tạo thì mức tín hiệu trên đường truyền sẽ nhàn rỗi
trong khoảng thời gian là W 1 . Nếu sau thời gian W 1 mà không có tín hiệu phản hồi
R

R

R

R

từ ECU thì coi như q trình bắt tay thất bại.
5.2 Đồng bộ tốc độ truyền thông
Sau khi ECU trong xe ô tô nhận được bản tin khởi tạo truyền thơng, nó sẽ
phát một bản tin với mục đích đồng bộ tốc độ truyền thơng với thiết bị truy xuất.

Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006